Chimica verde: principali tecniche sostenibili di estrazione di alimenti e prodotti naturali

In my thesis I decided to address the issue of extraction techniques and their role in promoting sustainable ingredients for the food, cosmetic and pharmaceutical industries. These innovative techniques use little or no solvents and require less energy; in particular I focus on the details of green extraction techniques, the mechanisms on which they are based, some applications and environmental impacts. Conventional extraction techniques (maceration, decoction, leaching, percolation, digestion, hydro and steam distillation, etc.) are limited by the diffusion of solvents in the biomass, due to the rigid structures of the cell walls of plants. The use of innovative extraction techniques such as ultrasound, microwaves, instantaneous controlled pressure drop, super-critical fluid, pulsed electric fields, extrusion, ohmic, UV and IR extraction allows for total recovery of bioactive compounds from plant matrices and also a reduced extraction time, energy consumed and less solvent. The solution could be to increase the diffusion of solvents and break the cell walls. For example, ultrasound and electric pulse fields allow a high disintegration of the cell which allows the acceleration of mass transfer, thus recovering the lipids in a short time. On the other hand, microwave heating induces a combined mass transfer and heating that allows cell destruction and the release of primary and secondary metabolites. It is not possible to really compare the techniques; each technique is specific for a class of compounds and for certain plants. Green extraction is based on the discovery and design of extraction processes that reduce energy consumption, allow the use of alternative solvents and renewable natural products and ensure a safe and high quality extract / product. Using green extraction techniques, complete processes can now be completed in minutes instead of hours with high reproducibility, reduced solvent consumption, simplified handling, higher final product purity, elimination of wastewater post-treatment and consumption of only a fraction of the energy normally required for a conventional extraction method.

Nella mia tesi ho deciso di affrontare il tema delle tecniche di estrazione ed il loro ruolo nella promozione di ingredienti sostenibili per l’industria alimentare, cosmetica e farmaceutica. Queste tecniche innovative utilizzano poco o nessun solvente e richiedono meno energia; in particolare mi concentro sui dettagli delle tecniche di estrazione verde, i meccanismi sui quali si basano, alcune applicazioni e gli impatti ambientali. Le tecniche di estrazione convenzionali (macerazione, decozione, lisciviazione, percolazione, digestione, idro e distillazione a vapore, ecc.) sono limitate dalla diffusione dei solventi nella biomassa, a causa delle strutture rigide delle pareti cellulari delle piante. L'uso di tecniche di estrazione innovative come l’ultrasuono, le microonde, la caduta di pressione controllata istantanea, il fluido super-critico, i campi elettrici pulsati, l'estrusione, l'estrazione ohmica, UV e IR permette il recupero totale dei composti bioattivi dalle matrici vegetali e anche un tempo di estrazione ridotto, energia consumata e meno solvente. La soluzione potrebbe essere quella di aumentare la diffusione dei solventi e di rompere le pareti cellulari. Per esempio, gli ultrasuoni e i campi di impulsi elettrici permettono un'elevata disgregazione della cellula che permette l'accelerazione del trasferimento di massa, recuperando così i lipidi in breve tempo. D'altra parte, il riscaldamento a microonde induce un trasferimento combinato di massa e riscaldamento che permette la distruzione delle cellule e la liberazione di metaboliti primari e secondari. Non è possibile paragonare realmente le tecniche; ogni tecnica è specifica per una classe di composti e per determinate piante. L'estrazione verde si basa sulla scoperta e la progettazione di processi di estrazione che riducano il consumo di energia, consentano l'uso di solventi alternativi e prodotti naturali rinnovabili e garantiscano un estratto/prodotto sicuro e di alta qualità. Utilizzando le tecniche di estrazione verde, i processi completi possono ora essere completati in pochi minuti invece che in ore con alta riproducibilità, consumo ridotto di solvente, manipolazione semplificata, maggiore purezza del prodotto finale, eliminazione del post-trattamento delle acque reflue e consumo di solo una frazione dell'energia normalmente necessaria per un metodo di estrazione convenzionale.