estrazione di princìpi attivi da prodotti naturali

un'arte antica: l'estrazione Le attuali tecniche di estrazione solido-liquido sono essenzialmente basate sulla diffusione e l’osmosi. Per ridurre il tempo di estrazione ed aumentare la resa, la tendenza attuale è quella di aumentare la temperatura del sistema estrattivo, oppure realizzare più volte il contatto del solvente estraente con il solido da estrarre.

Alla base dell’estrazione solido-liquido vi è un'osservazione sperimentale molto evidente: se una matrice solida contenente del materiale estraibile, viene immersa in un liquido, quest’ultimo inizia ad arricchirsi di determinate sostanze ad esso chimicamente affini. Questa tecnica di estrazione, la macerazione, è quella più semplice ed economica, perciò è molto comune. Inoltre, poiché l’estrazione avviene a temperatura ambiente non c’è alterazione dei composti termolabili; d’altra parte, i tempi di estrazione sono mediamente lunghi per il fatto che l’estrazione avviene principalmente per effetti diffusivi, tanto che, di tanto in tanto, è necessario agitare il sistema per favorire la diffusione dei composti estratti ed evitare una sovrassaturazione localizzata nelle immediate vicinanze della superficie del solido da estrarre, la quale porterebbe ad un rallentamento del processo estrattivo globale. Purtroppo, la macerazione non è sempre applicabile proprio per i lunghi tempi di contatto tra il solido ed il liquido: i vegetali, ad esempio, non possono essere posti a macerare in acqua per l’insorgere di fenomeni di putrefazione.

Per applicazioni particolari, come la produzione di oli essenziali e, in genere, composti con alta tensione di vapore, si può ricorrere alla distillazione in corrente di vapore. Questa tecnica di estrazione solido-liquido è particolare in quanto richiede il trasporto dei composti volatili da parte di una corrente di vapore. In ogni caso, poiché il sistema estrattivo è sottoposto ad un certo riscaldamento, i composti termolabili subiscono delle trasformazioni e di conseguenza non sono recuperati integri.

Un’altra tecnica estrattiva da laboratorio è il soxhlet, che viene riportato come metodo ufficiale di estrazione per numerosi metodi analitici in cui è prevista una iniziale preparazione dell’estratto di un campione solido. Anche il soxhlet utilizza il riscaldamento del sistema, poiché si basa sui princìpi della diffusione e dell’osmosi, per cui non è utilizzabile per le sostanze che si degradano per effetto del calore.

Per aumentare le rese di estrazione e per ridurre i tempi è possibile utilizzare l’estrattore ASE® (Accelerated Solvent Extraction) brevettato dalla americana Dionex. Il materiale da estrarre viene posto in un contenitore cilindrico di acciaio e viene introdotto il solvente estraente; la temperatura del sistema viene portata oltre la temperatura di ebollizione del solvente, che viene mantenuto nello stato di liquido grazie ad un contemporaneo aumento della pressione. Dopo un contatto breve la matrice solida è completamente estratta. Anche per questa tecnica non è possibile impiegare matrici instabili al calore.

gocciolatura di acqua

Le esigenze produttive dell’industria, che impongono l’ottenimento di grandi quantità di estratti in poco tempo, hanno trovato una risposta nell’estrazione per percolazione (utilizzata anche per il trattamento delle acque). Questa tecnica prevede il riempimento con la matrice solida di una colonna percolatrice costituita da grandi cilindri di acciaio capaci di contenere tonnellate di materiale con volumi che vanno da 0,5 a 5 metri cubi. Con la percolazione è possibile trattare grandi quantità di materiale solido con grandi volumi di liquido e giungere in tempi abbastanza brevi all’estratto.
Nei percolatori si fa scorrere il liquido estraente; poiché con un singolo passaggio si ottiene una resa limitata, è necessario fare riciclare il liquido diverse volte per arricchirlo quanto più possibile dell'estratto. Per aumentare l’efficienza del processo è possibile riscaldare; tuttavia, occorre tener conto che i composti termolabili sono soggetti a degradazione termica. L’efficienza del processo globale in genere non è alta, ma date le grandi quantità di solido impiegate l’estratto risulta abbastanza ricco di composti estraibili.

In molti processi industriali la fase iniziale della preparazione di un prodotto richiede l’applicazione di una tecnica di estrazione solido-liquido per isolare il materiale estraibile contenuto nelle più svariate matrici di tipo vegetale. L’esempio più importante è il settore delle piante officinali, da cui si ricavano i princìpi attivi con proprietà farmacologiche per la cura di determinate patologie e malattie dell’uomo; campi affini sono quello dell’erboristeria, della cosmetica e della profumeria che ricavano gli ingredienti principali dei loro preparati sottoponendo ad estrazione solido-liquido parti di piante come fiori, foglie, radici etc. Anche in altri settori industriali come quello dell’industria delle bevande, viene impiegata una estrazione solido-liquido per ottenere estratti alcolici di bucce di agrumi, fiori, foglie etc., che poi sono mescolati ad acqua e zucchero per l’ottenimento del prodotto finito. L’elenco potrebbe ancora continuare richiamando molteplici applicazioni industriali.

Gli esempi discussi, sottolineano come le tecniche di estrazione solido-liquido attualmente impiegate, non sono universalmente applicabili in quanto limitate. Inoltre il princìpio estrattivo su cui esse si basano è essenzialmente legato ai fenomeni della diffusione e dell’osmosi delle sostanze contenute nel solido, che tendono ad occupare tutto il volume del liquido estraente, dopo essere state estratte. Per aumentare l’efficienza di tali sistemi estrattivi si ricorre ad un aumento di temperatura, che incide sull’aumento della diffusione, al fine di ridurre i tempi di estrazione ed aumentare le rese. Tale espediente non è applicabile a matrici vegetali in quanto esse contengono sostanze che si degradano per effetto del calore.

L’utilizzo degli ultrasuoni per l’estrazione di princìpi attivi dalle piante officinali porta ad ottenere gli stessi risultati dell’estrazione per spremitura, se non risultati peggiori in quanto il sistema si riscalda a causa del prolungato trattamento. In questi casi la matrice solida viene completamente frantumata e si ottiene un miscuglio che è impossibile da separare nei suoi costituenti (non si può filtrare in quanto le particelle ostruiscono i fori) e di conseguenza, ciò rende non applicabile queste tecniche a livello industriale.

Non essendo soddisfacenti le tecniche di estrazione solido-liquido finora citate la ricerca si è indirizzata verso l’utilizzo di fluidi supercritici (SFE, Supercritical Fluid Extraction) per trovare delle alternative. L’anidride carbonica in fase supercritica assume le caratteristiche di solvente non polare ed è paragonabile al n-esano; con questo metodo è perciò possibile estrarre composti non polari da matrici solide. Il vantaggio della SFE è che alla fine dell’estrazione il solvente (l’anidride carbonica) viene allontanato sotto forma di gas dando la possibilità di recuperare i composti estratti concentrati. Questa tecnica trova delle applicazioni a livello industriale come l’estrazione dell’olio dai semi, della caffeina dal caffè, della nicotina dal tabacco, del grasso dell’olio di semi, ecc.; tuttavia, è una tecnica molto costosa e non universalmente applicabile.

Una innovativa tecnologia di estrazione solido-liquido, il Naviglio Estrattore®, può essere utilizzata come valida alternativa a quelle esaminate. L’estrazione avviene per la generazione di un gradiente di pressione negativa dall’interno verso l’esterno della matrice solida, perciò essa può essere condotta a temperatura ambiente o addirittura sub ambiente.

Nella tabella in basso, è riportato il confronto tra le differenti tecniche estrattive solido-liquido attualmente esistenti.

confronto delle principali caratteristiche legate alle tecniche attuali di estrazione solido-liquido.

TECNICA ESTRATTIVA GRANULOMETRIA SOLVENTE RENDIMENTO TEMPO QUALITA' ESTRATTO STABILITA' ESTRATTO
spremitura non importante indifferente esauriente minimo scadente scarsa
macerazione importante fondamentale esauriente lungo ottima ottima
percolazione importante fondamentale parziale medio buona buona
soxhlet importante fondamentale esauriente lungo scadente scarsa
distillazione in c.v. non importante indifferente parziale medio scadente scarsa
gas supercritici importante fondamentale parziale medio ottima ottima
ultrasuoni non importante indifferente esauriente medio scadente scarsa
ASE™ importante fondamentale esauriente minimo scadente scarsa
Naviglio estrattore® non importante indiffernete esauriente minimo ottima ottima


preparazioni estrattive1 miscele di liquidi immiscibili2 separazione di miscele di liquidi immiscibili3 liquidi parzialmente miscibili4 soluzioni che non seguono la legge di Raoult5 soluzioni di acqua e alcol6 soluzioni che presentano sensibili deviazioni dalla legge di Raoult7 distillazione frazionata8 9 tecniche estrattive10
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Marcello Guidotti, copyright 2004
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