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Dal 19 ° secolo, ci sono stati progressi significativi nelle procedure di estrazione dei preparati botanici. I procedimenti di estrazione classici possono ancora essere classificati in tre gruppi principali: distillazione, estrazione con solvente e compressione. Tali tecniche e processi di estrazione sono stati molto apprezzati nel campo fitochimico e hanno portato alla standardizzazione degli estratti a scopo terapeutico.
Tradizionalmente, la maggior parte degli estratti erano fatti da erbe essiccate, poiché queste erano più facili da mantenere in buone condizioni da un raccolto all’altro. Le erbe essiccate sono ancora oggi la materia prima preferita. Quando si utilizzano erbe fresche, è necessario prendere in considerazione l’aumento del contenuto di acqua, che può arrivare fino al 90%, per evitare la diluizione del prodotto finale. Galenico è il termine utilizzato quando ci si riferisce ai prodotti derivati da tali processi di estrazione naturale (anche se questo termine è utilizzato anche per i prodotti naturali di estrazione di tessuti animali). Queste classi di preparati includono infusi, decotti, estratti liquidi, tinture, estratti semi-solidi ed estratti morbidi. È importante notare che la familiarità con le descrizioni dei vari galenici può aiutare a evitare malintesi quando si contattano i produttori di estratti. Le seguenti sottosezioni descrivono brevemente la preparazione, le proprietà e le caratteristiche dei più importanti procedimenti di estrazione industriale.
Gli estratti per loro natura sono miscele complesse di (spesso) diversi composti attivi contenuti all’interno di una pianta, che vengono portati in soluzione dal processo di estrazione. L’obiettivo dell’estrattore è quello di produrre, per un periodo di tempo, lotti di un estratto che soddisfano le specifiche individuali di un cliente, con il minor numero possibile di variazioni. Ci sono parametri su cui l’estrattore ha un certo controllo, e questi possono essere utilizzati per aiutare a raggiungere la coerenza del prodotto e anche per mettere a punto un estratto in base alle particolari esigenze del cliente.
L’infusione è un termine generale per la preparazione di estratti acquosi. Questi sono tradizionalmente preparati versando acqua bollente sulla materia prima vegetale. Le infusioni moderne per applicazioni per esempio di bevande, vengono spesso eseguite in condizioni di temperatura ambiente, con l’aggiunta di etanolo. Non esiste un valore fisso per il rapporto pianta: estratto, poiché la resistenza massima dipende dalla densità apparente individuale, che è specifica per la materia prima in questione. Un metodo generale per produrre 500 g/ml di infusione forte è dettagliato come segue:
• Pesare 200 g di materia prima.
• Mettere le erbe in contenitori di plastica di dimensioni appropriate.
• Coprire con etanolo diluito (20%). Mescolare accuratamente.
• Coprire con un coperchio e lasciare in ammollo per 24 ore
• Misurare il volume del liquido filtrando attraverso carta da filtro scanalata in un imbuto di acciaio inossidabile.
• Raccogliere l’estratto filtrato in un cilindro graduato per controllarne il volume e il peso.
• Altre 72-96 ore dopo, l’estratto deve essere filtrato di nuovo utilizzando la stessa tecnica.
• Il prodotto finale viene versato in un contenitore adatto e l’erba viene scartata.
Le infusioni forti producono circa 2,5 volte la quantità di prodotto, rispetto alla quantità di materia prima iniziale utilizzata. Alcune erbe medicinali, come Calumba e Quassia, che contengono costituenti idrosolubili possono essere infuse usando solo acqua. Le infusioni sono i tipi più semplici di estratti di erbe e il primo stadio della maggior parte degli altri estratti. Sono i meno elaborati e, quindi, i più economici da utilizzare. A meno che non ci siano forti ragioni economiche per utilizzare un estratto più concentrato, non ha senso prendere un infuso, concentrarlo a costi aggiuntivi. Le infusioni concentrate sono talvolta economicamente valide se sono prodotti pronti all’uso. Ad esempio, a causa della forte domanda, sono disponibili estratti di guaranà liquido, contenenti quantità standardizzate di caffeina. La forte domanda di questi è sufficiente per garantire la produzione su larga scala nel paese di origine. A questo punto, la concentrazione diventa desiderabile, perché l’estratto richiede la spedizione su lunghe distanze e il trasporto di quantità maggiori è sempre più costoso.
Il decotto è il metodo impiegato per l’estrazione di materiali più duri, come radici e cortecce, e rappresenta una variazione del processo di infusione generale, in quanto l’erba finemente divisa viene immersa in acqua bollente, a cui viene poi fornito calore per mantenerla costantemente al punto di ebollizione. L’intruglio viene lasciato bollire delicatamente, piuttosto che bollire vigorosamente. L’acqua viene aggiunta per compensare le perdite per evaporazione. Quando è freddo, il decotto viene filtrato e l’erba viene scartata. In sostanza, i principi coinvolti nella preparazione di un decotto sono gli stessi della preparazione di una tazza di tisana. Il calore e l’umidità causano il rigonfiamento delle cellule vegetali, l’espansione delle pareti cellulari e l’idrodiffusione dei costituenti vegetali avviene attraverso le membrane gonfie.
La percolazione è una procedura di estrazione con solvente utilizzata in alternativa al processo di infusione. Percentuali variabili di alcol e solventi acquosi vengono gocciolate sulla parte superiore della materia prima, che è contenuta in un bicchiere o in una colonna metallica nota come percolatore. L’aggiunta graduale del solvente alla parte superiore della colonna provoca un lento flusso attraverso la materia prima frantumata. Il liquido, contenente i componenti vegetali solubili, viene raccolto man mano che emerge dal fondo del recipiente di percolazione. Questo può quindi essere riciclato di nuovo, per ottenere rese più elevate e tassi di estrazione più rapidi rispetto a un processo di ammollo statico. La percolazione coinvolge i processi meccanicistici di osmosi e diffusione dentro e fuori la cellula.
Gli estratti liquidi forniscono forme più permanenti e convenienti di conservazione dei costituenti dei prodotti botanici in concentrazioni più elevate. L’estratto produce tradizionalmente una resa 1 : 1 (cioè un chilo di estratto da 1 chilo di botanico). Viene prodotto immergendo la materia prima per due o tre ammolli in acqua e/o etanolo, seguiti da filtrazione. L’estrazione procede con una successione di nuovi lotti di liquido di estrazione. Questi lotti vengono combinati e concentrati al peso originale dell’erba, per evaporazione a pressione ridotta. Gli estratti liquidi sono in grado di sostituire le erbe essiccate su base peso per peso nelle formulazioni medicinali prescritte dagli erboristi. Questa forma di estratto contiene in genere il 20% di alcol, che agisce come efficace conservante. Per produrre l’estrazione ottimale dei principi attivi contenuti nella materia prima, alcuni estratti necessitano di gradazioni alcoliche più elevate. A causa del riscaldamento coinvolto nella fase di concentrazione, un estratto liquido è spesso di colore marrone scuro e può avere un odore di cotto o di caramellato.
Il primo passo nella preparazione dell’estratto molle prevede l’immersione della materia prima in solvente. Possono essere necessari da due a tre ammolli, che vengono filtrati ed evaporati, uno dopo l’altro. La preparazione iniziale è la stessa di un estratto liquido, ma la fase di concentrazione viene poi continuata fino a quando l’estratto risultante ha un contenuto di umidità del 30% o inferiore. Il prodotto finale è solitamente molto viscoso, simile a uno sciroppo o a una pasta morbida e densa, ed è solitamente di colore marrone scuro, con un sapore caramellato. L’applicazione principale per un estratto molle in una bevanda analcolica è quando l’etichetta del prodotto afferma un livello relativamente alto di pianta attiva nella sua formulazione. L’estratto potrebbe dover contenere una concentrazione specifica di attivi saggiati al suo interno per garantire che l’affermazione del claim. La sfida tecnica è spesso quella di produrre una formulazione in grado di mascherare il colore, l’aroma e il gusto dell’estratto. Gli estratti molli possono essere utilizzati nelle miscele di aromi da atomizzare (spray-dried) quando il sistema deve contenere componenti botanici. Un’infusione non sarebbe adatta a questo processo, a causa dell’elevato contenuto di acqua. Gli estratti molli di solito contengono una quantità molto maggiore del componente attivo dal botanico da cui sono preparati e in concentrazioni più elevate rispetto agli estratti lasciati in forma liquida.
Un estratto secco viene prodotto sostituendo il contenuto di umidità in un estratto morbido con una quantità uguale di un substrato vettore, come fosfato di calcio, amido o maltodestrina. Gli estratti molli tendono a contenere circa il 70% di materia solida e possono essere miscelati in un impasto con il vettore. L’umidità viene normalmente rimossa utilizzando un forno sottovuoto, per evitare un’eccessiva degradazione termica dell’estratto. Dopo l’essiccazione, gli estratti possono essere macinati alla consistenza richiesta. Il tenore di sostanze attive in un estratto secco può essere variato e, se necessario, standardizzato mediante ulteriore aggiunta di supporto. Un’altra funzione del substrato è quella di impedire all’estratto essiccato di riassorbire l’umidità, che lo ridurrebbe in una massa dura o appiccicosa. Gli estratti secchi possono essere ulteriormente miscelati con altri ingredienti per esempio in una formulazione di bevande in polvere.
Tradizionalmente, una tintura è un estratto a temperatura ambiente. È fatto con un alto livello di alcol, il liquido di estrazione è in genere 60-70% o più. Il solvente agisce selettivamente senza l’aggiunta di calore. Le tinture, sono particolarmente adatte per estrarre materie prime contenenti principi resinosi e volatili, perché l’alcol fa precipitare le gomme e le sostanze albuminose indesiderate. Questo consente di filtrare le tinture per produrre preparati chiari che sono ben preservati dal deterioramento. Le tinture hanno ampie applicazioni e possono essere ottenute da un’ampia varietà di materie prime (ad esempio piante essiccate, foglie, radici, corteccia e fiori). La materia prima viene solitamente immersa almeno due volte in una miscela di acqua ed etanolo, successivamente viene raccolta e filtrata. Il numero di ammolli necessari, può variare da una materia prima all’altra.
L’estrazione controcorrente è riconosciuta come una tecnica efficiente che può essere utilizzata come processo batch o continuo. L’operazione prevede il movimento tra solvente e materia prima. La materia prima fresca viene introdotta nel solvente alla sua massima concentrazione di soluto, mentre i solidi esausti possono essere introdotti nel solvente fresco passo dopo passo o continuamente. Rispetto al flusso di co-corrente, il CCE fornisce una forza motrice complessiva maggiore per trasferimento di massa e fornisce un maggiore recupero di solidi solubili (>90%) producendo un estratto altamente concentrato. Nel CCE, la materia prima umida viene spesso polverizzata in una poltiglia fine utilizzando “disintegratori a disco dentato”. Il miscuglio viene spostato in una direzione all’interno di un estrattore cilindrico, che contiene il solvente. Più lontano si muove la poltiglia all’interno dell’estrattore, più concentrato diventa l’estratto risultante. Quando la portata del solvente e del miscuglio è ottimizzata, è possibile ottenere un’estrazione completa, rendendo questo metodo altamente efficiente. CCE può fornire vantaggi significativi rispetto ai metodi precedentemente menzionati:
⊃ Per l’estrazione è necessario un volume inferiore di solvente;
⊃ le condizioni ambientali (temperatura ambiente), preservano i componenti termosensibili;
⊃ poiché la polverizzazione avviene in condizioni umide, l’energia termica generata viene assorbita dal solvente, riducendo così al minimo la termodegradazione dei componenti attivi.
Negli ultimi due decenni è emersa un’importante tecnologia che ha fornito un’alternativa all’estrazione convenzionale con solvente di prodotti naturali. L’estrazione con fluido supercritico (SCF) è sicura, pulita e rispettosa dell’ambiente. Utilizza solventi non inquinanti e i costi energetici sono inferiori rispetto ai metodi tradizionali di estrazione. Di conseguenza, l’estrazione SCF è sempre più utilizzata, e sta guadagnando importanza tra i produttori di estratti naturali. La compressione di un gas ad alta pressione provoca un cambiamento di stato in un liquido. Tuttavia, se il gas viene riscaldato al di sopra di una particolare temperatura, nessun livello di compressione trasformerà il gas caldo in un liquido. Questa temperatura richiesta è nota come temperatura critica e la pressione corrispondente è definita pressione critica. Questi valori definiscono un punto critico che è unico per la singola sostanza. Quando sia la temperatura che la pressione superano il punto critico, la sostanza viene chiamata fluido supercritico (SCF). Ora dimostra proprietà appartenenti sia ai liquidi che ai gas. A questo punto, la massima capacità di un solvente e le principali variazioni nelle proprietà del solvente possono essere raggiunte con piccoli aggiustamenti di temperatura e pressione. L’estrazione con SCF può mostrare caratteristiche molto positive, a causa della viscosità favorevole, della tensione superficiale, della diffusione, della velocità e di altre caratteristiche fisiche del solvente. La sua bassa viscosità e tensione superficiale consente alle sue molecole di penetrare nelle cellule vegetali e la sua elevata diffusività aiuta un rapido trasferimento di massa. Ciò consente di estrarre il principio attivo a un ritmo più veloce, rispetto ai metodi convenzionali con solvente. SCF viene utilizzata selettivamente anche per estrarre molecole bersaglio da un complesso. L’anidride carbonica (CO2) è la più usata di tutti i solventi SCF. Questo gas relativamente inerte è facilmente disponibile, è relativamente economico, inodore, insapore, generalmente considerato sicuro (GRAS) e non rimane nessun residuo di solvente nel prodotto estratto. La temperatura critica è quasi ambientale (31°C), e questo significa che la CO2 è ideale quando si estraggono sostanze attive termosensibili. Il suo basso calore latente di vaporizzazione permette di ottenere estratti più naturali e profumati. Altri solventi adatti per la SCF includono propano, benzene, toluene, ammoniaca, protossido di azoto, etano, etilene, triclorofluorometano e clorotriflourometano.
Mentre l’etanolo era davvero l’unico solvente significativo oltre all’acqua utilizzata dai primi estrattori farmaceutici, solventi come l’esano e l’acetone vengono ora utilizzati dalle aziende di aromi per produrre le oleoresine, importanti componenti degli aromi naturali. L’esano agisce come un solvente non polare e quindi è efficace, ad esempio, quando viene utilizzato per estrarre il lupeolo da Crataeva nurvala. I moderni metodi e processi di concentrazione, come l’osmosi inversa, l’essiccazione a spruzzo e la liofilizzazione, possono produrre estratti con meno problemi di colore e caramellizzazione, ma questo vantaggio comporta una penalizzazione del prezzo. Gli estratti ottenuti da estrazione con esano non sono consentite per l’uso in prodotti biologici per esempio dalla Ecocert.
La tecnica di estrazione ad ultrasuoni incorpora l’uso di ultrasuoni a frequenze comprese tra 20 e 2000 kHz, e viene utilizzata per aumentare la permeabilità delle pareti cellulari delle piante e la formazione di cavitazione. Questo processo comporta la rapida implosione di cavità in un liquido – in altre parole, la formazione e lo scoppio di bolle. Ciò si verifica spesso quando un liquido subisce rapidi cambiamenti di pressione, con conseguente formazione di cavità in cui la pressione è relativamente bassa. La cavitazione fornisce i seguenti miglioramenti:
⊃ Intensificazione del trasferimento di massa. Un importante effetto meccanico degli ultrasuoni è un maggiore trasferimento di massa. Ciò è dovuto al collasso delle bolle di cavitazione vicino o sopra pareti e interfacce. Ciò si traduce nella sintesi e nell’emulsificazione delle microparticelle, che rende disponibile una superficie più ampia per il solvente, oltre alla microdispersione di un solvente in un altro.
⊃ Rottura. Le pareti cellulari delle piante possono essere rotte dagli ultrasuoni, causando il rilascio del loro contenuto e creando una maggiore massa di materiale vegetale. Di conseguenza, più cellule vegetali entrano in contatto con il solvente di estrazione, portando a un’estrazione più efficiente dei componenti attivi. L’uso di ultrasuoni aiuta la dispersione e la riduzione delle dimensioni delle particelle, e questo può migliorare i tassi di estrazione.
⊃ Penetrazione. La resa di estrazione può trarre vantaggio quando gli ultrasuoni vengono utilizzati per promuovere la penetrazione del solvente nelle cellule vegetali. Quando le bolle di cavitazione collassano vicino alla parete cellulare, viene avviato un getto ultrasonico, che forza il solvente sulla parete cellulare. L’effetto agisce come una micropompa, con il solvente che si fa strada nella cellula, dissolvendo il suo contenuto e portando i componenti all’esterno della cellula.
⊃ Effetto capillare. Questo fenomeno è descritto come l’aumento del liquido in un tubo capillare sotto l’influenza degli ultrasuoni; può essere utilizzato per estrarre componenti presenti nei sistemi capillari delle piante, in particolare molecole polari e ioniche.
Uno svantaggio dell’estrazione ad ultrasuoni è la possibilità di formazione di radicali liberi, con conseguenti cambiamenti indesiderati nelle molecole attive. I radicali liberi possono verificarsi a causa dell’effetto deleterio degli ultrasuoni, quando l’energia utilizzata è superiore a 20 kHz.
