ITRM20070109A1 - Procedimento per la produzione di estratti nutraceutici raffinati dai residui del carciofo e da altre piante del genere cynara. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:

"Procedimento per la produzione di estratti nutraceutici raffinati dai residui del carciofo e da altre piante del genere Cynara''

La presente invenzione riguarda un procedimento per la produzione di estratti nutraceutici raffinati dai residui del carciofo e da altre piante del genere Cynara. Più in particolare, l’invenzione concerne un processo di frazionamento e raffinazione di prodotti naturali ottenibili da materiale vegetale di scarto, in modo specifico gli scarti della filiera produttiva del carciofo, o da altro materiale vegetale proveniente da piante del genere Cynara, come il cardo. Il processo è basato sull'impiego di tecnologie separative mediante membrana, e consente di produrre estratti purificati ad elevata valenza biologica da impiegare nell'industria farmaceutica, nel comparto nutraceutico, nell’industria cosmetica o per prodotti innovativi nell’industria alimentare.

Come è noto, il genere Cynara, appartenente alla famiglia delle Compositae, comprende la specie Cynara cardunculus che a sua volta include il carciofo (C. cardunculus L. subsp. scolymus L., indicato normalmente come Cynara scolymus), il cardo coltivato (C. cardunculus L. var. altilis DC), il cardo selvatico (C. cardunculus L. var. sylvestris Lam.) ed alcune altre specie meno note. Le infiorescenze di tali piante, i capolini, sono costituite da numerosi fiori singoli, di colore violaceo alla fioritura, che sono raccolti nella parte centrale di un ricettacolo o talamo, attorno alla cui parte più esterna sono inserite le brattee o squame involucrali.

Quando sono immaturi e teneri, i capolini del Cynara scolymus vengono raccolti, prima che le brattee induriscano e prima che i fiori centrali si accrescano eccessivamente. Essi forniscono la parte edule del carciofo, comunemente definita “cuore”, costituito dal ricettacolo e dai primordi florali in esso contenuti, nonché dalle basi carnose delle brattee interne, ed eventualmente da una parte del peduncolo.

Il carciofo costituisce una produzione italiana caratteristica: sebbene in anni recenti la sua coltivazione si sia estesa anche in altre aree geografiche (come California, Argentina e Nuova Zelanda), è stato stimato che nel bacino del Mediterraneo è concentrato il 90% della produzione mondiale, con l’Italia al primo posto tra i paesi produttori. Qui la produzione stimata supera abbondantemente le 500.000 ton/anno, con una notevole superficie investita, ma produzioni ragguardevoli sono realizzate anche in Spagna e in Francia.

La produzione italiana è destinata prevalentemente al consumo fresco, anche se è in crescita la quantità destinata all'industria di trasformazione, soprattutto per la produzione di prodotti alimentari sott’olio.

Diversamente da molte altre colture, nella coltivazione del carciofo il rapporto tra la parte edule e l’intera pianta è estremamente basso (circa il 15%), perciò la quantità di sottoprodotto è notevole. Il cuore del carciofo rappresenta il 40-55% in peso del capolino intero, e contiene circa il 15% di sostanza secca, essendo particolarmente ricco di fibra. La parte restante, costituita da foglie e gambi, costituisce un materiale di scarto spesso da smaltire, con costi aggiuntivi di trattamento per il rispetto delle normative ambientali. Questa frazione di scarto potrebbe avere un largo e vantaggioso impiego sia come semilavorato nell’alimentazione umana, sia come alimento zootecnico. L’uso degli scarti e dei residui derivanti dalla filiera agronomico-industriale relativa alla produzione del carciofo e derivati potrebbe consentire una riduzione dell’impatto ambientale della filiera produttiva stessa, e la riduzione degli oneri di manodopera e di smaltimento di biomasse.

Sebbene lo stato attuale della tecnologia sia orientato essenzialmente verso una loro conversione in energia, raramente si considera che tali biomasse possono rappresentare nuove materie prime, a basso costo, per la produzione di bio-prodotti ad elevato valore aggiunto per l’industria agro-alimentare, fitoterapica e cosmetica.

La fibra grezza totale del carciofo, costituita per il 65% da cellulosa, per il 21% da emicellulose e per il 14% da lignina, ammonta complessivamente all’1,4% della sostanza fresca. Da un punto di vista nutrizionale e dietetico il carciofo è un alimento nobile per l’abbondanza di sostanze azotate e il per contenuto di carboidrati. In effetti, si tratta di un ortaggio a medio valore energetico (38 cal/100 g), ricco non solo di sali minerali (K, Na, Ca, P, Fe), vitamine (A, ΒΊ, C) e zuccheri (tra cui l’inulina, un polimero del fruttosio ad attività prebiotica, che favorisce il corretto bilanciamento della flora batterica intestinale), ma anche e soprattutto di composti polifenolici, responsabili di notevoli attività biologiche per le quali il carciofo è noto fin dall’antichità come pianta officinale.

In effetti, estratti e tinture di carciofo, che sono per lo più ricavati dalle foglie della pianta, sono da tempo utilizzati come epatoprotettori e regolatori della funzionalità del fegato, nelle affezioni epato-biliari, come coleretici (per l’aumento del flusso biliare) e ipocolesterolemici (per l’abbassamento del tasso di colesterolo ematico). In generale, sia le forme spontanee che quelle coltivate neN’ambito del genere Cynara sono utilizzate per l’estrazione di sostanze bio-farmaceutiche.

I differenti composti di origine vegetale in esse presenti sono in grado di esprimere differenti proprietà biologiche (antiossidante, antiradicalica, antimicrobica) e, in molti casi, la singola molecola è meno attiva rispetto alla miscela dei composti, suggerendo quindi un’azione sinergica fra gli stessi. In altre parole, non è raro osservare che estratti grezzi di origine vegetale presentano una bioattività superiore rispetto a quella osservabile quando si utilizzano i singoli composti in essi presenti.

Del gruppo di composti polifenolici responsabili delle attività biologiche del carciofo fanno parte: a) gli idrossicinnamati della famiglia degli acidi clorogenici, tra cui l’acido clorogenico o mono-caffeoilchinico (5-O-caffeoilchinico), l’acido di-caffeoilchinico o cinarina (acido 1,5-dicaffeoilchinico); b) i flavonoidi ed eterosidi flavonoici (luteolina e i suoi coniugati, come il cinaroside (luteolin-7-O-glucoside), lo scolimoside, il luteolin-glucuronide; c) i sesquiterpeni lattonici, tra cui i composti responsabili del caratteristico sapore amaro, cinaropicrina e deidrocinaropicrina.

Il Cynara ha quindi importanti applicazioni non solo in fitoterapia ma anche nell'industria cosmetica, dove gli estratti vengono utilizzati per le loro proprietà antiossidanti e anti-radicali liberi.

In numerosi studi farmacologici gli estratti di Cynara hanno dimostrato di possedere diverse proprietà: (i) proteggono proteine, lipidi e DNA da ossidazioni causate da radicali liberi; (ii) mostrano un’attività coleretica, diuretica ed epatoprotettiva; (iii) inibiscono la biosintesi del colesterolo contribuendo alla prevenzione di arteriosclerosi e altri disordini vascolari; (iv) inibiscono l’HIV integrasi, enzima chiave nella replicazione dell’HIV e nella sua integrazione nel genoma ospite e (v) possiedono un’attività antibatterica.

Recenti studi (Romani A., Pinelli P., Cantini C., Cimato A. e Heimler D. “Characterization of Violetto di Toscana, a typical italian variety of artichoke ( Cynara scolymus L.)”, Food Chemistry, 95, 221-225, 2006) su cultivar Violetto di Toscana e Terom, quest’ultima ampiamente diffusa sul mercato, hanno caratterizzato il contenuto polifenolico di diversi tessuti di Cynara (foglie, brattee, capolini, gambi) ed è stato rilevato che il gambo ha una composizione in polifenoli molto simile a quella del capolino, ossia alla parte edule del carciofo. Questi tessuti sono infatti ricchi, essenzialmente, in derivati caffeoilchinici, mentre foglie e brattee si arricchiscono anche in composti flavonoidici.

Sono state inoltre valutate le proprietà antiossidanti su LDL (low density lipoproteins) umane di estratti ottenuti dai diversi tessuti di carciofo (Coinu R., Carta S., Urgeghe P. P., Mulinacci N., Pinelli P., Franconi F., Romani A. “Dose-Effect study on thè antioxidant properties of leaves and outer bracts of extracts obtained from Violetto di Toscana artichoke”, Food Chem., 2007, 101, 524-531) per i quali è stata sempre registrata un’elevata attività. Le indagini sono state estese anche al cardo coltivato ed al suo progenitore, il cardo selvatico, entrambi appartenenti al genere Cynara. Tali specie contengono antiossidanti polifenolici simili a quelli ritrovati nel carciofo (acidi caffeoilchinici e flavonoidi) (Pinelli P., Ieri F., Buzzini P., Turchetti B., Lanteri S., Romani A., “Composti polifenolici ad attività antimicotica in tessuti di diverse cultivar di carciofo”, VII CISETA (Congresso Italiano di Scienza E Tecnologia degli Alimenti), Cernobbio (CO), 19-20 Settembre 2005). Nel cardo sono inoltre presenti dei composti idrossicinnamici che nel carciofo sono assenti o rilevabili soltanto in tracce (Pinelli P., Agostini F., Cornino C., Lanteri S., Portis E., Romani A. “Polyphenolic Composition of Wild and Cultivated Cardoon Leaves”, 2007 in corso di pubblicazione).

Nel settore più specificamente fitoterapico, è noto che gli estratti di carciofo sono ottenuti per estrazione con acqua o con soluzioni idroalcoliche dalle foglie, fresche o essiccate. Ad esempio, la domanda di brevetto US 2004/0234674 (Eich et al.) descrive estratti di foglie di carciofo caratterizzati da un contenuto totale di acidi caffeoilchinici (mono- e di-caffeoilchinici di almeno il 6% rispetto alla quantità totale dell’estratto e un contenuto totale in flavonoidi di almeno il 3%, sempre rispetto alla quantità totale dell’estratto. Tali prodotti sono ottenuti, secondo la descrizione, mediante un’estrazione liquido-liquido di un estratto primario da foglie fresche o essiccate di Cynara, in cui il solvente di estrazione è un solvente organico non acquoso, e la fase acquosa risultante è quella che viene recuperata.

Ancora nello stesso settore, la domanda di brevetto internazionale pubbl. No. WO 2007/006391 (Indena S.p.A.) descrive estratti di Cynara scolymus ottenibili per frazionamento su resine, in cui le parti aeree della pianta (inclusi i capolini), sia disidratata che fresca, vengono sottoposte ad estrazione con una soluzione idroalcolica a cui viene aggiunta una quota di cisteina, allo scopo di ottenere nell’estratto finale un’elevata quota di cinaropicrina e mantenere stabile quest’ultima nelle formulazioni terapeutiche. Si ritiene infatti che gli amminoacidi solforati diano luogo a degli addotti che stabilizzano il sesquiterpene. Successivamente gli estratti idroalcolici vengono concentrati, le sostanze che precipitano vengono separate per filtrazione e la soluzione risultante viene concentrata e purificata su una resina ad adsorbimento. Infine l’estratto desiderato viene eluito con etanolo dalla resina.

Tornando al settore agro-alimentare, è da notare che non solo il consumo del prodotto vegetale fresco, ma anche e soprattutto la catena di trasformazione e di inscatolamento dello stesso produce un’elevata quantità di residui (foglie, steli e acque reflue). Nelle industrie di trasformazione del carciofo questi residui raggiungono in alcuni casi più del 60% della massa vegetativa. Al di là delle utilizzazioni in campo fitoterapico e cosmetico, gli estratti dai residui di carciofo e di cardo possono essere utilizzati come additivi per migliorare la qualità sia di mangimi che di alimenti per il consumo umano (diminuire la perossidazione dei lipidi ed aumentare le proprietà salutari degli alimenti stessi, nonché fornire fibre). Inoltre, grazie alle proprietà antimicrobiche del carciofo, gli estratti fogliari sono considerati dei potenziali additivi per alimenti per i quali si desideri una protezione naturale (biocontrollo) nei confronti di microrganismi inquinanti.

Alla luce di quanto sopra, la presente invenzione si propone lo scopo di fornire un sistema produttivo che consenta di riutilizzare vantaggiosamente i residui della produzione del carciofo, ed eventualmente altri materiali vegetali, sia di scarto che da piante appositamente coltivate appartenenti al genere Cynara, per ricavarne estratti purificati, sia in polvere che in forma liquida, utili per i principi attivi in essi contenuti sia nel comparto agro-alimentare che in quello dei prodotti nutraceutici e fitoterapici e dei prodotti per uso cosmetico e dermatologico.

A tale scopo è stata messa a punto, secondo la presente invenzione, una metodica di produzione di estratti da residui del carciofo, in particolare ma non esclusivamente dalle foglie, basata su un processo di raffinazione che impiega tecnologie separative mediante membrana. Tali tecnologie, come noto, rappresentano un’alternativa sicura, affidabile e innovativa (Best Available Technology) alle convenzionali tecniche estrattive con solvente. Tali tecniche non introducono sostanze contaminanti (in particolare non utilizzano solventi organici), operano a temperatura ambiente e quindi non danneggiano termicamente la matrice, sono perfettamente sterilizzabili, quindi microbiologicamente sicure e, inoltre, sono ampiamente collaudate anche nelle più delicate preparazioni farmaceutiche.

li processo proposto si basa sull’impiego specialistico delle tecnologie separative mediante membrane, applicate direttamente ad un decotto grezzo, in acqua, dei materiali vegetali da trattare, dopo separazione da esso, per filtrazione meccanica, del materiale solido. Sul liquido filtrato si opera una fase di microfiltrazione (MF) tangenziale, una di ultrafiltrazione (UF) tangenziale sul precedente permeato, dal cui prodotto permeato si ottiene praticamente la totalità dei principi attivi nutraceutici del Cynara, ed una di osmosi inversa (01) sul permeato di UF, da cui si ottiene un retentato ricco nei principi attivi concentrati e un permeato, costituto da acqua ultrapura, che viene ricircolata alle fasi precedenti di estrazione, e nella preparazione del bagno di decottura.

Per alcuni degli usi previsti il i concentrato di 01 viene essiccato o liofilizzato per ottenere una polvere stabile ricca di molecole antiossidanti polifenoliche, in particolare di flavonoidi (come i glucosidi della luteolina e dell’apigenina) ed esteri caffeoilchinici (come l’acido clorogenico e la cinarina).

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un procedimento per la produzione di estratti raffinati dai residui del carciofo e da altre piante del genere Cynara comprendente, in sequenza, le seguenti operazioni:

a) ottenimento di un decotto di materiale vegetale da piante del genere Cynara in acqua, per infusione a caldo (cioè a temperature superiori a quella ambiente ma inferiori a quella di ebollizione); b) separazione meccanica del materiale vegetale ottenuto dalla fase precedente dalla fase liquida filtrata;

c) trattamento di detta fase liquida filtrata risultante dall’operazione b) mediante microfiltrazione (MF) tangenziale, a dare una fase di retentato e una di permeato;

d) trattamento del permeato proveniente dall’operazione precedente mediante ultrafiltrazione (UF) tangenziale, a dare una fase di retentato e una di permeato;

e) trattamento del permeato proveniente dall’operazione d) mediante osmosi inversa (Ol), a dare una fase di retentato ricca di principi attivi polifenolici purificati e una di permeato costituita da acqua demineralizzata;

detto materiale vegetale decotto separato dalla a fase b) essendo impoverito di composti polifenolici amari e riutilizzabile come mangime zootecnico, e dette fasi di retentato di MF e di UF provenienti dalle operazioni c) e d) essendo riutilizzabili in campo alimentare.

Preferibilmente, il concentrato di osmosi inversa, ricco di principi attivi polifenolici purificati, viene essiccato mediante atomizzazione (spray drying) o liofilizzato per ottenere una polvere stabile ricca di molecole antiossidanti.

Con riferimento specifico al caso in cui il materiale vegetale da trattare è costituito da residui della filiera produttiva del carciofo, e in modo specifico da foglie, da brattee esterne e/o da gambi o anche da capolini considerati non edibili, tale materiale può essere utilizzato previa separazione nelle diverse tipologie di tessuti, oppure mescolato e, come già notato con riferimento alla letteratura scientifica pubblicata o in corso di pubblicazione, darà origine a prodotti raffinati di composizio ne chimica complessivamente diversa. In effetti, prodotti raffinati ottenuti dai gambi o dai capolini hanno composizione in principi attivi molto simili, con prevalenza dei composti caffeoilchinici, mentre foglie e brattee sono ricchi anche in derivati flavonoidici.

Come già notato, il processo dell'invenzione può essere applicato non solo ad un materiale vegetale scelto tra foglie, brattee esterne, gambi e capolini di carciofo presi separatamente o mescolati tra loro, ma anche al caso in cui il materiale vegetale proviene dal cardo coltivato, C. cardunculus L. var. altilis, o anche dal cardo selvatico, C. cardunculus L. var. sylvestris. In tutti questi casi i principi attivi recuperabili dall’operazione di utrafiltrazione appartengono a famiglie polifenoliche correlate, anche se a seconda della varietà botanica ma anche della cultivar e delle condizioni di coltura e raccolto i tenori dei singoli composti appartenenti alle famiglie principali saranno diversi.

Preferibilmente, l’infusione a caldo del materiale vegetale è realizzata per riscaldamento di detto materiale in acqua (di rete o distillata) a temperatura compresa tra 80 °C e 95 °C, preferibilmente 85 °C, con un rapporto peso/volume compreso tra 10 e 35%, per un tempo complessivo compreso tra 15 e 45 minuti, di preferenza circa 30 minuti. Al termine del riscaldamento in mezzo acquoso, si raccoglie il decotto per filtrazione meccanica su filtro a maglie da 2-10 mm, preferibilmente da 2 mm in acciaio inox.

Le foglie ed i gambi di carciofo possono subire una seconda fase di estrazione a caldo per rimuovere totalmente i principi attivi residui. In questo caso dopo la fase b) di separazione meccanica il materiale vegetale separato viene sottoposto ad una seconda fase di infusione a caldo, seguita da una ulteriore separazione meccanica del materiale vegetale ottenuto, a dare una fase liquida filtrata.

La parte vegetale residua che si raccoglie dopo il decotto è impoverita o completamente priva (seconda estrazione) di composti polifenolici e caffeolchinici, particolarmente amari, normalmente presenti nel Cynara quindi può costituire un’interessante materia prima per la mangimistica dei ruminanti, anche con integrazione di altre matrici (foraggio, erba medica, trifoglio, etc.).

Il liquido filtrato del decotto viene successivamente raffreddato a 30 °C e trattato con tre diverse tecnologie di filtrazione tangenziale a membrana: microfiltrazione, ultrafiltrazione ed osmosi inversa.

L’operazione c) di microfiltrazione tangenziale può essere effettuata con membrane polimeriche in conformazione a spirale avvolta o con membrane ceramiche, con taglio molecolare compreso nell'intervallo 0,10-3,0 pm. Preferibilmente, dette membrane polimeriche a spirale avvolta sono in polietersulfone, acetato di cellulosa rigenerata o nylon, mentre quelle ceramiche sono di preferenza costituite da un monolite ceramico tubolare, in allumina con rivestimento interno di zirconia o di ossido di titanio, tipo isoflux, in conformazione strutturale tipo “girasole” (“sunflower”) o “dahlia”, con 23 o 39 canali di filtrazione.

Secondo le forme di realizzazione preferite dell’invenzione, a valle di detta operazione c) di MF viene effettuata una diafiltrazione, alimentando la membrana con acqua demineralizzata (permeato di Ol), che viene aggiunta al retentato di MF.

L’operazione d) di ultrafiltrazione tangenziale è effettuata preferibilmente con membrane polimeriche con taglio molecolare compreso tra 500 Dalton e 50 kDalton. Le membrane polimeriche per la UF sono conformate a spirale awolta, e sono realizzate in uno dei seguenti materiali: polisulfone, polietersulfone, nylon o acetato di cellulosa rigenerata.

Sempre secondo una soluzione preferita dell’invenzione, a valle dell’operazione d) di UF viene effettuata una diafiltrazione, alimentando la membrana con acqua purificata (permeato di Ol), ottenuta da detta operazione e) di osmosi inversa, che viene aggiunta al retentato di UF.

Come già notato, l’operazione di osmosi inversa ha la funzione di eliminare l’acqua (permeato) e di concentrare i principi attivi del Cynara, e può essere realizzata con membrane polimeriche a bassa o ad alta reiezione salina, in conformazione a spirale avvolta, normalmente a pressioni comprese tra 7 e 50 bar e portate di alimentazione comprese tra 0,5 e 2 m<3>/h, quando si utilizzano moduli a spirale avvolta da 4 x 40 pollici (10,16 cm x 101 ,6 cm).

Secondo alcune forme di realizzazione specifiche dell’invenzione, le membrane utilizzate sono membrane polimeriche di diversa natura chimica, conformazione geometrica (piane, a fibre cave, a spirale avvolta, tubolari, in cassette, etc.) e dimensione dei moduli.

Se desiderato, i principi attivi polifenolici del concentrato di Ol possono essere sfruttati direttamente con il prodotto in forma liquida, oppure possono essere essiccati ad ottenerne una polvere. Preferibilmente, detta operazione di essiccamento del retentato di osmosi inver sa viene effettuata mediante atomizzazione (spray drying), Eventualmente previa aggiunta di destrani o di maltodestrine (preferibilmente 30 g/L) al retentato di Ol, al fine di migliorare la tessitura e la stabilità della polvere.

Gli estratti raffinati a base di principi attivi polifenolici purificati ottenibili dal procedimento proposto secondo l’invenzione trovano vantaggiosamente impiego sia per la produzione di prodotti alimentari, sia come prodotti nutraceutici, farmaceutici, fitoterapici e cosmetici. In particolare, tali estratti possono essere utilizzati in prodotti alimentari anche di tipo innovativo, come paste speciali per prodotti da forno e/o sfarinati o, in forma liquida, come additivi stabilizzanti per prodotti alimentari, ad esempio per stabilizzare (in luogo dell’acido ascorbico) prodotti vegetali “freschi” come i cuori di carciofo che vengono utilizzati, non conservati, nel settore della ristorazione. .

In forma solida in polvere, gli estratti raffinati di Cynara preparati secondo l’invenzione sono utili non solo come principi attivi nutraceutici e farmaceutici, ad esempio per prodotti da banco (OTC), ma anche come semilavorati ad attività antiossidante ed anti-radicali liberi per preparati cosmetici e dermatologici.

In sintesi il sistema produttivo secondo l’invenzione si caratterizza per i seguenti aspetti vantaggiosi:

♦ impiega un processo innovativo che permette di recuperare e riutilizzare tutte le componenti chimiche derivanti dal trattamento dei residui di produzione del carciofo;

♦ rispetta l’ambiente, anche attraverso il riutilizzo integrato degli effluenti secondari, fra cui l’acqua osmotizzata;

♦ evita l'impiego di solventi organici nell’estrazione, che penalizzerebbero’utilizzo alimentare e farmaceutico dei principi attivi recuperati; ♦ consente di sviluppare un processo industriale su scala produttiva coerente con i quantitativi di materia prima disponibili sul territorio nazionale in ragione delle tecnologie di membrana, che sono modulari, quindi facilmente scalabili per ogni dimensione produttiva;

♦ permette di ottenere un ventaglio di principi attivi purificati, concentrati e formulati in forma stabilizzata.

Le caratteristiche specifiche dell’invenzione, così come i vantaggi della stessa e le relative modalità operative, risulteranno più evidenti con riferimento alla descrizione dettagliata presentata a titolo meramente esemplificativo nel seguito, assieme ai risultati delle sperimentazioni effettuate su di essa. Gli schemi del processo proposto e alcuni risultati sperimentali sono anche illustrati nei disegni allegati, in cui: la Figura 1 mostra uno schema a blocchi del processo di estrazione e raffinazione da materiale vegetale del genere Cynara proposto secondo l’invenzione;

la Figura 2 mostra l’andamento nel tempo del flusso di permeato attraverso la membrana di microfiltrazione (MF) dell’Esempio;

la Figura 3 mostra l’andamento nel tempo del flusso di permeato attraverso la membrana di ultrafiltrazione (UF) dell’Esempio;

la Figura 4 mostra il cromatogramma FIPLC della polvere di estratto di carciofo ottenuta come prodotto finale dal procedimento dell’Esempio, con la legenda dei composti polifenolici presenti; e la Figura 4 mostra il cromatogramma HPLC della polvere ottenuta da un estratto di cardo selvatico, con la legenda dei composti polifenolici presenti.

ESEMPIO

Lo schema complessivo del processo applicato è lo stesso mostrato nella Figura 1.

Decotto del materiale vegetale

L’estratto acquoso di foglie di carciofo si ottiene per riscaldamento delle matrici vegetali (foglie, brattee, gambi, capolini considerati non edibili per dimensione etc.) in acqua ad 85 °C per circa 30 minuti, evitando l'ebollizione.

In questo caso sono stati utilizzati 25 kg di materiale vegetale fresco (foglie), in 100 L di acqua di rete (25% peso secco), senza particolari requisiti di purezza chimica. La soluzione di decotto viene separata dalle foglie per semplice filtrazione su setaccio a rete metallica quadrata di 2 mm, per essere inviata al trattamento di microfiltrazione tangenziale. Tale soluzione è stata caratterizzata per ciò che concerne il contenuto di biofenoli dell’estratto di partenza (si definisce necessario il dato in ingresso sia per la standardizzazione delle condizioni di estrazione, sia per la definizione delle caratteristiche del prodotto finito). Microfiltrazione del decotto, con taglio molecolare 0,14 μιτι L’estratto acquoso è stato microfiltrato (MF) con membrane ceramiche tubolari di allumina, con rivestimento interno di zirconia, tipo isoflux della Tami (Francia), in conformazione “girasole” (23 canali con 3,6 mm di diametro) con porosità 0,14 pm e superficie filtrante 0,35 m<2>.

Il processo viene eseguito in un impianto pilota dei laboratori ENEA Casaccia, che impiega due membrane ceramiche in parallelo del tipo di quelle sopra indicate. I parametri di processo della prova di MF sono riportati nella seguente Tabella 1.

Tabella 1. Parametri di processo della prova MF 0,14 pm Parametro di processo Valore

Portata di alimentazione 9,5 m<3>/ora Pressione di transmembrana 1,35 bar Temperatura 20-29 °C Velocità di scorrimento 5,6 m/s

VCR (rapporto volumetrico di concentrazione) ca 3,5

Nel diagramma della Figura 2 allegata si riporta la curva di produttività in termini di litri prodotti nell’unità di tempo e di superficie filtrante della prova di MF 0,14 pm.

Raggiunto il VCR (rapporto volumetrico di concentrazione) pari a circa 3,5, ai 28 litri di concentrato di MF 0,14 pm sono stati aggiunti 23 litri di acqua osmotizzata (MF/DF) continuando a filtrare per aumentare l’estrazione delle molecole d’interesse nel permeato. Nel processo di MF/DF con membrana 0,14 micron sono stati ottenuti 26,5 litri di permeato. Il volume finale del concentrato di MF/DF 0,14 micron è di circa 25 litri. Il flusso medio di permeato in DF sale a valori di circa 170 (L /m<2>h).

Ultrafiltrazione del permeato di MF, con taglio molecolare 6 kD In questa operazione si utilizza come alimento una soluzione di di 97 L, volume di hold up ca. 7 litri) per un totale di circa 104 L.

L’operazione di UF ha lo scopo di eliminare composti ad alto peso molecolare (proteine, composti colloidali, pectine, cere, frammenti di pareti cellulari, etc.).

Si impiega una membrana polimerica a spirale awolta in polietersulfone della Soc. Osmonics (USA), con taglio molecolare 6 kD, spaziatore 28 mil e superficie filtrante 8,36 m<2>.

I parametri di processo della prova di UF sono riportati nella seguente Tabella 2.

Tabella 2. Parametri di processo della prova UF 6 kD

Parametro di processo Valore

Portata di alimentazione 4,4 m<3>/ora

Pressione di transmembrana 4,7 bar

Temperatura 22-24 °C

Velocità di scorrimento 0,25 m/s

VCR (rapporto volumetrico di concentrazione) ca 4,1

Raggiunto VCR di circa 4,1, ai 24 litri di concentrato (+ volume di hold up) sono stati aggiunti rispettivamente 21 litri di acqua osmotizzata per 4 volte (totale acqua aggiunta 84 litri), continuando a filtrare (UF/DF) per aumentare la resa. Complessivamente sono stati ottenuti 95 litri di permeato di UF/DF 6 kD e 13 litri volume di hold up di concentrato di UF/DF 6 kD.

Nel diagramma della Figura 3 allegata si riporta si riporta la curva di produttività in termini di litri prodotti nell’unità di tempo e di superficie filtrante della prova di UF e di UF/DF 6 kD.

Operazione di osmosi inversa sul permeato di UF

I permeati di UF e quelli derivanti dalla UF/DF vengono trattati in Ol per concentrare il prodotto ricco di sostanze antiossidanti, ed eliminare l’acqua, come permeato.

80 litri di permeato di UF 6 kD uniti a 95 litri di permeato di UF/DF 6 kD (+ volume di hold up circa 10 litri), per un totale di 185 L, sono stati concentrati in Ol con un impianto pilota dotato di un modulo polimerico in poliammide composita, a spirale avvolta, ad alta reiezione salina, della Soc. DE SAL (USA), con superficie filtrante di 7,0 m<2>. I parametri di processo sono riportati nella seguente Tabella 3.

Tabella 3. Parametri di processo della prova di Ol Parametro di processo Valore

Portata di alimentazione 0,65-0,60 m<3>/ora Pressione di esercizio 20-26 bar Temperatura 22-27 °C

Flusso di permeato medio 22 (L/m<2>h) Salinità espressa in mg/l 0-56

VCR (rapporto volumetrico di concentrazione) 15,0

La produttività della membrana rimane costante intorno ai 18,8 L/m<2>ora, per la durata della prova.

Durante la prova la pressione, inizialmente impostata a 20 bar , sale in automatico nell’impianto fino a 26 bar dopo 40 minuti, per l’aumento della salinità del permeato. Per questa ragione, la produttività a 26 bar è aumentata al valore 23,14 a L/m<2>ora.

La prova di Ol è durata complessivamente 65 minuti, in cui non è stata notata una perdita di permeabilità del modulo, il che significa che questa membrana può operare, senza lavaggi, per tempi lunghi (mesi).

Il prodotto concentrato liquido ha una intensa colorazione verde, dovuta alla presenza di clorofilla.

Il permeato di Ol, come mostra lo schema di processo di Figura 1, viene riutilizzato per la preparazione del nuovo bagno di estrazione, cioè per la preparazione del decotto, evitando il consumo d’acqua di rete o di pozzo.

Essiccamento del concentrato di Ol

Il prodotto liquido ottenuto come retentato dalla fase precedente viene quindi trasformato in polvere, tramite processo di atomizzazione (spray drying), impiegando un atomizzatore da laboratorio tipo ICF Lab 25, che ha una capacità evaporativa di 500 ml/h.

Le condizioni di lavoro dello spray dryer sono le seguenti: portata della pompa 5 ml/minuto,

temperatura della camera di atomizzazione 90 °C temperatura deN’aria in uscita 85 °C

vuoto 30 mbar

Il concentrato di Ol, sottoposto ad atomizzazione, ha dato un prodotto solido polverulento di colore verde giallastro, contenete circa il 5 % in umidità. Tale polvere può essere ulteriormente essiccata in stufa, e deve essere protetta dall'umidità, visto il suo carattere igroscopico.

È stata anche studiata la possibilità di ottenere estratti solidi a diversi titoli, con l'aggiunta di destrani o maltodestrine, o polveri inerti quali silice, compatibilmente con gli usi proposti.

Ciclo di lavaggio delle membrane

A fine ciclo lavorativo i moduli a membrana devono essere ricondizionati per potere eseguire un successivo ciclo di lavorazione. Ciò consente di rimuovere gli eventuali depositi formatesi sulle membrane, in modo da ripristinare i migliori flussi di permeato, cioè la produttività di questi filtri. Per il lavaggio della membrana ceramica di MF è necessario effettuare un risciacquo del modulo con acqua di rete, per 5 minuti, seguito da un lavaggio chimico con una soluzione basica (soda 0,5 M) a 35°C per 25 minuti in continuo. Si effettua quindi un secondo lavaggio con acqua per eliminare il reattivo chimico, fino alla neutralizzazione della soluzione di lavaggio.

Per l’LIF, si deve operare un risciacquo con acqua di rete per 5-10 minuti, senza ricircolo, seguito da un trattamento con soda 0,25 M per 15 minuti. Al termine si procede con un lavaggio con acqua di rete e controllo della permeabilità del modulo.

Per l'ΟΙ il protocollo di lavaggio prevede semplicemente un risciacquo con acqua di rete, seguito da un lavaggio con acqua distillata.

Analisi cromatografica del concentrato di 01 essiccato

Il cromatogramma della polvere ottenuta per essiccamento dal concentrato di osmosi inversa è riportato nella Figura 4 allegata.

Ciascuna molecola viene quantificata singolarmente, potendo definire il titolo dell’estratto come derivati caffeoilchinici totali e come flavonoidi totali, oltre al totale dei polifenoli presenti.

Nella Tabella 4 che segue si riportano i risultati quantitativi sulle singole molecole precedentemente identificate, relativi all’estratto acquoso di partenza e al concentrato 01 dopo il processo di separazione su membrane. I dati sono ottenuti mediante analisi FIPLC/DAD.

(segue tabella) TABELLA 4

Singoli composti in estratto di carciofo, ppm

Estratto

Conc. Ol acquoso

ac clorogenico 262,7 466,7 MCC (mono-caffeoilchinici) 496,0 895,4 cinarina 46,0 81,3 altri DCC (di-caffeoilchinici) 42,0 38,0 luteolin 7-O-rutinoside 47,9 63,9 luteolin 7-O-glucoside 14,0 21,0 luteolin 7-O-malonilglucoside 8,5 13,0 luteolina 2,9 3,3 POLIFENOLI TOTALI 920,7 1582,6

La capacità antiradicalica dell’estratto correiabile alle proprietà

antiossidanti viene valutata spettrofotometricamente mediante l’uso del

radicale stabile DPPH. Studi pregressi sia su foglie che su brattee di

carciofo hanno dimostrato un effetto dose-dipendente, correlato anche

al tipo di molecole presenti, su LDL umane (Coinu et al. 2006, già cit.) .

La massima parte della cinarina presente negli estratti acquosi

di carciofo ha origine dall’acido 1,3-dicaffeoilchinico, contenuto inizial-

mente nella pianta fresca a seguito di una trans-esterificazione intramo-

lecolare provocata dal riscaldamento (Panizzi L. e Scarpati M.L., Gazz.

Chim. Ital., 95, 71-82, 1965). L’acido 1,3-dicaffeoilchinico è il maggiore

componente degli esteri dicaffeoilchinici negli estratti idroalcolici ottenuti

a freddo, dove in assoluto il composto maggiormente rappresentato è il

derivato monosostituito 5-caffeoilchinico (acido clorogenico).

Nella seguante Tabella 5 vengono inoltre riportati i risultati

quantitativi dei singoli composti analizzati per HPLC/DAD ottenuti mediante spray drying dal concentrato di 01, considerando il Campione 1 come la polvere tal quale ed il Campione 2 dopo aggiunta di 25 g/L di destano al concentrato di Ol.

TABELLA 5

Singoli composti in polvere di concentrato di Ol essiccato, mg/g Campione 1 Campione 2 acido clorogenico 34,4 17,2 MCC 64,8 32,6 cinarina 5,5 2,9 altri DCC 3,1 1,0 luteolin 7-0-rutinoside 5,0 2,5 luteolin 7-0-glucoside 2,0 1,0 luteolin 7-0-malonilglucoside 1,2 0,5 luteolina 0,3 0,2 POLIFENOLI TOTALI 116,3 57,9

Sia l’estratto acquoso di partenza che tutte le soluzioni intermedie, compreso il concentrato Ol e il prodotto dello spray dryer sono stati sottoposti ad analisi quali quantitativa HPLC/DAD/MS per la definizione del contenuto in derivati caffeoilchinici e flavonoidi presenti. Le condizioni analitiche e di quantificazione sono state standardizzate.

Dai precedenti risultati si può dimostrare come sia possibile da questo tipo di processo ottenere estratti sia liquidi che in polvere a diversi contenuti in composti polifenolici. Gli estratti possono infatti provenire dalla miscelazione di tutti i tessuti di scarto della lavorazione del carciofo, oppure è possibile ipotizzare la messa a punto di un sistema ad aria compressa che separi gambi e capolini dai tessuti più leggeri, costituiti da brattee e foglie. In questo modo si otterranno dalla lavorazione dei primi un estratto ricco in derivati caffeoilchinici, e un estratto ricco in tali composti e flavonoidi dalla lavorazione dei secondi.

Le stesse tecnologie e condizioni di estrazione possono essere applicate a tessuti di cardo, sia coltivato che selvatico, ottenendo estratti a composizione quali-quantitativa diversa rispetto a quelli di carciofo.

In modo specifico, nella Figura 5 allegata è mostrato il cromatogramma HPLC di un estratto idroalcolico di cardo selvatico, da cui si ricavano le specifiche proporzioni dei vari composti polifenolici presenti.

È inoltre opportuno precisare che il titolo in componenti bioattivi dei precedenti estratti può essere espresso sia come contenuto totale ottenuto spettrofotometricamente sia come contenuto nelle tre diverse sottoclassi (esteri mono e dicaffeoilchinici e flavonoidi) valutabili per HPLC/DAD. Come precedentemente descritto, ciascuna frazione può essere anche valutata per la specifica attività antiradicalica mediante uso di DPPH correiabile con le proprietà antiossidanti dell’estratto stesso.

Come si può rilevare da quanto precede, uno dei vantaggi principali dell’invenzione è quello di poter valorizzare e riutilizzare i grandi quantitativi di biomassa vegetale che risultano come residuo della filiera produttiva del carciofo, ricavandone prodotti ad alto valore aggiunto per l’industria alimentare e farmaceutica, con un processo che rispetta l’ambiente e l’ecosistema.

La presente invenzione è stata descritta con riferimento ad alcune sue forme di realizzazione specifiche, ma è da intendersi che variazioni o modifiche potranno essere ad essa apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione.

Claims (23)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per la produzione di estratti raffinati dai residui del carciofo e da altre piante del genere Cynara comprendente, in sequenza, le seguenti operazioni: a) ottenimento di un decotto di materiale vegetale da piante del genere Cynara in acqua, per infusione a caldo; b) separazione meccanica del materiale vegetale ottenuto dalla fase precedente da una fase liquida filtrata; c) trattamento di detta fase liquida filtrata risultante dall’operazione precedente mediante microfiltrazione (MF) tangenziale, a dare una fase di retentato e una di permeato; d) trattamento del permeato proveniente dall’operazione precedente mediante ultrafiltrazione (UF) tangenziale, a dare una fase di retentato e una di permeato; e) trattamento del permeato proveniente dall’operazione d) mediante osmosi inversa (Ol), a dare una fase di retentato ricca di principi attivi polifenolici purificati e una di permeato costituita da acqua demineralizzata; detto materiale vegetale decotto ottenuto dalla separazione meccanica essendo impoverito di composti polifenolici amari e riutilizzabile come mangime zootecnico, e dette fasi di retentato di MF e di UF provenienti dalle operazioni c) e d) essendo riutilizzabili in campo alimentare.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1 , in cui detta fase di retentato di osmosi inversa ricca di principi attivi polifenolici purificati ottenuta dall’operazione e) viene sottoposta ad essiccamento mediante atomizzazione o liofilizzazione.
3. 3. Procedimento secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui detto materiale vegetale di cui si ottiene il decotto deriva da foglie, brattee esterne, gambi e capolini di carciofo, Cynara scolymus, presi separatamente o mescolati tra loro.
4. 4. Procedimento secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui detto materiale vegetale di cui si ottiene il decotto è scelto tra foglie, brattee esterne, gambi e capolini di cardo coltivato, C. cardunculus L. var. altilis, presi separatamente o mescolati tra loro.
5. 5. Procedimento secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui detto materiale vegetale di cui si ottiene il decotto è scelto tra foglie, brattee esterne, gambi e capolini di cardo selvatico, C. cardunculus L. var. sylvestris, presi separatamente o mescolati tra loro.
6. 6. Procedimento secondo ognuna delle rivendicazioni 1-5, in cui detta infusione a caldo della fase a) è ottenuta per riscaldamento di detto materiale vegetale in acqua a temperatura compresa tra 80 °C e 95 °C, con un rapporto peso/volume compreso tra 10 e 35%, per un tempo complessivo compreso tra 15 e 45 minuti.
7. 7. Procedimento secondo ognuna delle rivendicazioni 1-6, in cui detta separazione meccanica b) del materiale vegetale ottenuto dalla fase precedente è realizzata per filtrazione meccanica su filtro a maglie da 2-10 mm.
8. 8. Procedimento secondo ognuna delle rivendicazioni 1-7, in cui dopo detta fase b) di separazione meccanica il materiale vegetale separato viene sottoposto ad una seconda fase di infusione a caldo seguita da una ulteriore separazione meccanica del materiale vegetale ottenuto, a dare una fase liquida filtrata.
9. 9. Procedimento secondo ognuna delle rivendicazioni 1-8, in cui detta operazione c) di microfiltrazione tangenziale è effettuata con membrane polimeriche in conformazione a spirale avvolta o con membrane ceramiche, con taglio molecolare compreso nell'intervallo 0,10-3,0 pm.
10. 10. Procedimento secondo la rivendicazione 9 in cui dette membrane polimeriche sono in polietersulfone, acetato di cellulosa rigenerata, o nylon.
11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 9 in cui dette membrane ceramiche per la microfiltrazione sono costituite da un monolite ceramico tubolare, in allumina con rivestimento interno di zirconia o di ossido di titanio.
12. 12. Procedimento secondo ognuna delle rivendicazioni 1-11 in cui a valle di detta operazione c) di microfiltrazione tangenziale viene effettuata una diafiltrazione, alimentando la membrana con acqua demineralizzata ottenuta da detta operazione e) di osmosi inversa, che viene aggiunta al retentato di MF.
13. 13. Procedimento secondo ognuna delle rivendicazioni 1-12 in cui detta operazione d) di ultrafiltrazione tangenziale è effettuata con membrane polimeriche con taglio molecolare compreso tra 500 Dalton e 50 kDalton.
14. 14. Procedimento secondo la rivendicazione 13 in cui dette membrane polimeriche per la UF sono conformate a spirale avvolta.
15. 15. Procedimento secondo ognuna delle rivendicazioni 1-14, in cui a valle di detta operazione d) di ultrafiltrazione tangenziale viene effettuata una diafiltrazione, alimentando la membrana con acqua demineralizzata ottenuta da detta operazione e) di osmosi inversa, che viene aggiunta al retentato di UF.
16. 16. Procedimento secondo ognuna delle rivendicazioni 1-15, in cui detta operazione e) di osmosi inversa è realizzata con membrane polimeriche a bassa o ad alta reiezione salina, in conformazione a spirale avvolta, ad una pressione di esercizio compresa tra 7 e 50 bar.
17. 17. Procedimento secondo la rivendicazione 16, in cui dette membrane polimeriche a spirale avvolta hanno uno spaziatore a rete di spessore compreso fra 20 e 38 mil (0,51-0,97 mm), e dimensioni dei moduli filtranti da 4 pollici di diametro x 40 pollici di lunghezza (10,16 cm x 101 ,6 cm), 6 pollici di diametro x 40 pollici di lunghezza (15,24 cm x 101 ,6 cm), o 8 pollici di diametro x 40 pollici di lunghezza (20,32 cm x 101,6 cm).
18. 18. Procedimento secondo le rivendicazioni 16 o 17, in cui dette membrane polimeriche sono membrane a geometria piana, spiralata, a fibre cave, in cassette.
19. 19. Procedimento secondo ognuna delle rivendicazioni 2-17, in cui detta operazione di essiccamento del retentato di osmosi inversa viene effettuato mediante atomizzazione.
20. 20. Procedimento secondo la rivendicazione 19, in cui detta atomizzazione è realizzata previa aggiunta di destrani o di maltodestrine a detto retentato di Ol.
21. 21. Uso degli estratti raffinati a base di principi attivi polifenolici purificati ottenibili dal procedimento delle rivendicazioni 1-20 per la produzione di prodotti alimentari, nutraceutici, farmaceutici, fitoterapici e cosmetici.
22. 22. Uso secondo la rivendicazione 21 degli estratti raffinati in forma liquida come stabilizzanti per prodotti alimentari.
23. 23. Uso secondo la rivendicazione 21 degli estratti raffinati in forma solida come semilavorati ad attività antiossidante ed anti-radicali liberi per preparati cosmetici e dermatologici.