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Estrazione e purificazione di γ-orizanolo dalla pula di riso

Brice DonatiMattia Gianinazzi

Lavoro di maturità in chimica 2007

Liceo di Lugano 2

Docente responsabile: Carlo DeVittori

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Indice

‣Introduzione

‣Presentazione del problema

‣Obiettivi del lavoro

‣Parte sperimentale

‣Conclusioni

‣Bibliografia

‣Ringraziamenti

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La materia prima: la pula di riso‣Scarto della raffinazione del riso

‣Miscuglio composto da “pellicola argentea” e gemma

‣Ricca in lipidi, vitamine e minerali

‣Si può ricavarne un olio

‣Contiene γ-orizanolo

‣Attualmente poco sfruttata per alimentazione umana nella produzione di olio di pula (paesi asiatici), poco redditizia

‣In mancanza di richiesta per la zootecnia da noi rappresenta un problema di smaltimento

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Il γ-orizanolo

‣Miscuglio di acidi ferulici esterificati con alcoli triterpeni e steroli vegetali ( 10 composti);

‣Presente nell’olio di pula di riso in concentrazioni 0.6 - 2.9%;

‣Proprietà terapeutiche contro alcune malattie (ipercolesterolemia, iperlipidemia, neurosi vegetativa, ecc.);

‣Proprietà antiossidanti;

‣Di interesse anche in campo cosmetico e come integratore alimentare.

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Presentazione del problema‣La pula di riso è uno scarto di lavorazione economicamente poco interessante ma valorizzabile attraverso l’estrazione di principi attivi contenuti quali il γ-orizanolo;

‣Non sono descritti in letteratura procedimenti di estrazione su scala industriale

‣Non sono descritti in letteratura metodi di estrazione e di purificazione preparative di γ-orizanolo senza l’utilizzo di solventi organici;

‣Le caratteristiche chimico-fisiche dei componenti del γ-orizanolo rendono difficile l’estrazione e la separazione di γ-orizanolo dall’olio;

‣Irreperibilità di uno standard di γ-orizanolo;

‣Sintesi chimica di γ-orizanolo difficilmente realizzabile.

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Obiettivi del lavoro

‣Verificare qualitativamente e quantitativamente la presenza di γ-orizanolo nella pula di riso;

‣Sviluppare un processo di estrazione del γ-orizanolo dalla pula di riso che ne assicuri la naturalezza e che sia applicabile su scala industriale;

‣Ottimizzare il metodo mediante uno studio parametrico del processo;

‣Sviluppare un metodo di purificazione o di concentrazione del γ-orizanolo dagli estratti ottenuti

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Pianificazione degli esperimenti

• Verifica del metodo analitico per la quantificazione del γ-orizanolo negli estratti;

• Verifica del contenuto di γ-orizanolo nella materia prima a nostra disposizione (pula di riso della Riseria di Taverne);

• Prove di estrazione con fluido supercritico e verifica dell’efficienza per il γ-orizanolo (concentrazione nell’estratto e resa totale);

• Sperimentazione di metodi di frazionamento dell’estratto o di estrazione frazionata allo scopo di ottenere frazioni altamente concentrate in γ-orizanolo;

• Sperimentazione di metodi per purificare il γ-orizanolo dall’estratto o dalle frazioni più concentrate dell’estratto.

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Estrazione dolce (« Green chemistry »)Fluido supercritico quale solvente

Dall’equilibrio liquido-vapore si passa ad una fase aeriforme ad alta densità con un composto atossico e non

infiammabile (CO2)

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Estrazione con fluido supercritico

Solvente: CO2 puro

Pressione (autoclave): 280 bar

Temperatura (autoclave):

40°C

Portata del solvente: 1.5 kg/h

Massa caricata: 100 g

Tempo di estrazione: 3 h

Carico di pula: 104 g

Le condizioni sono state fissate sulla base dei lavori specifici pubblicati sull’estrazione dell’olio dalla pula e sui lavori pubblicati sull’estrazione in generali di oli da semi e da farine.

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Estrazione con fluido supercriticoL’estratto ottenuto si presenta come una massa pastosa-oleosa di colore giallo-verde chiaro che fonde a 50°C.I costituenti principali dell’estratto sono cere e trigliceridi. La separazione delle cere permette di ottenere il classico olio di pula

Resa dell’estrazione: 16 g di estratto pari al 15.4% della pula caricata

Resa massima durante i primi 100 minuti

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Estrazione Soxhlet

Metodo di estrazione con impiego di un solvente organico.

Carico: 22.40 g di pula di risoSolvente: esanoTempo di estrazione: 3 h (20 cicli)

Risultati:L’estratto si presenta come una pasta semi-solida di colore giallo-scuro.

Resa: 19%Punto di fusione: 50-51%

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Analisi dell’estratto mediante spettofotometria UVScopo: quantitifcazione del -orizanolo nell’estrattoStrumenti:• Spettrofotometro Kontron UVIKON 930• Bilancia analitica Mettler A50

Reagenti:• n-eptano per spettrofotometria UV puro per analisi Carlo Erba

Procedimento:• In un matraccio graduato da 50 mL pesare esattamente circa 0.1 g di campione e portare a volume con il solvente prescritto.• La soluzione risultante deve essere perfettamente limpida.• Leggere allo spettrofotometro il valore d’estinzione alla lunghezza d’onda di 315 nm, usando come solventeoluzione di riferimento il solvente impiegato.• I valori d’estinzione devono essere compresi tra 0.1 e 0.8; in caso contrario, ripetere le misurazioni operando con soluzioni più concentrate o più diluite.

Espressione risultati:

Dove:• A è il valore di estinzione assorbanza• W è la concentrazione della soluzione in g di olio/100mL di soluzione• 359 è il coefficiente di estinzione del γ-orizanolo

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Confronto dei metodi di estrazione

SC-CO2 Soxhlet

Resa (%)

16 19

Orizanolo (%)

3.30 4.39

Conclusioni: l’estrazione con SCCO2 permette di ottenere il 63% del -orizanolo estraibile con il metodo soxhlet; il risultato è buonoma il processo va ottimizzato con una ricerca sui parametri p, T, tempo e portata.

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Sintesi chimica del ß-sitosteril ferulato

Metodo: esterificazione di ß-sitosterolo e acido ferulico

ß-sitosterolo: 3 mmol (in eccesso, 1.24 g)Acido ferulico: 1 mmol (0.194 g)n-eptano (solvente), acido solforico(catalizzatore)

Reagenti:

Risultati:

Formazione di un miscuglio eterogeneo solido-liquido di colore scuro e molto viscoso.

Scopo: disporre di uno standard di riferimento per analisi cromatografichedegli estratti

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Caratterizzazione dell’estere: spettroscopia IR

Dallo spettro IR si nota che non vi sono bande di assorbimento del legame C=O tipico degli esteri.

Conclusioni: la sintesi non riesce. La causa è probabilmente un’eccessiva reattività dell’acido solforico; l’esperimento andrebbe rifatto utilizzando un acido blando quale l’acido p-toluensolfonico.Si rinuncia per il momento alla cromatografia quale tecnica per l’analisi degli estratti dispondendo della tecnica UV.

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Concentrazione del -orizanolo tramite estrazione in fase solida (SPE)

Il miscuglio viene caricato su una colonna di fase stazionaria adsorbente con polarità adeguata.Mediante solventi di polarità inversa vengono trasportati attraverso la colonna i composti solubili nella fase mobile mentre rimangono trattenuti i composti non solubili o molto interattivi con la fase stazionaria (adsorbiti).Con un eluente adatto vengono in seguito desorbiti (eluiti) i composti precedentmente trattenuti.

Si possono quindi sfruttare le differenti polarità tra γ-orizanolo, cere e trigliceridi

Fase solida: ossido di alluminio (polare)Fase mobile: eptano (apolare)

Miscuglio: olio di riso contenente 1% -orizanolo

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Concentrazione del -orizanolo tramite estrazione in fase solida (SPE)

Si sfruttano le differenti polarità tra γ-orizanolo (relativamente polare), cere e trigliceridi (apolari)

Fase solida: ossido di alluminio (polare)Lavaggio con eptano (solvente apolare) per il trasporto delle cere e dei trigliceridi; il γ-orizanolo viene trattenuto dalla fase stazionaria.Eluizione del γ-orizanolo mediante etanolo (solvente polare)

Diluizione Olio Scotti : n-eptano

Valore d’assorbanzaConcentrazione di γ-

orizanolo (%)

9 :1Estratto: 0.1012I° eluato: 0.5641

0.283.14

5 : 5Estratto: 0.1022I° eluato: 0.6731

0.563.75

1 : 9Estratto: 0.2598I°eluato: 0.7475

1.454.16

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Concentrazione del -orizanolo tramite estrazione in fase solida (SPE)

Confronto dell’effetto di concentrazione utilizzando altre fasi stazionarie

Fase solida: Silicagel (apolare)Lavaggio con eptano (solvente apolare) per il trasporto delle cere e dei trigliceridi; il γ-orizanolo viene trattenuto dalla fase stazionaria.Eluizione del γ-orizanolo mediante etanolo (solvente polare)

Diluizione Olio Scotti : n-eptano

Valore d’assorbanzaConcentrazione di γ-

orizanolo (%)

9 :1

5 : 5

1 : 9

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Concentrazione mediante SPE: conclusioni

La tecnica SPE potrebbe ora essere applicato all’estratto grezzo ottenuto da estrazione con CO2 densa, utilizzando una fase stazionaria molto polare, un solvente di lavaggio apolare e un solvente di eluizione relativamente polare.

Il solvente di lavaggio eptano, essendo apolare, potrebbe essere sostituito da CO2 densa

L’applicazione del metodo all’estratto grezzo risulta problematica a causa della sua pastosità e viscosità.

Sarebbe quindi utile ottenere frazioni di estratto già preconcentrate così da ridurre le masse di carico.

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Concentrazione di γ-orizanolo mediante frazionamento dell’estratto

L’estrazione è condotta in modo da raccogliere nel tempo singole frazioni di estratto da analizzare per il contenuto di γ-orizanolo.L’estrazione viene condotta dapprima in condizioni adatte all’estrazione delle cere (p = 80-100 bar, T = 50°C). Dopo esaurimento delle cere la densità della CO2 viene drasticamente aumentata (p = 300 bar, T = 40°C).

FrazioneMassa CO2

(kg)[γ-orizanolo]

(%)

1 4.8 1.14

4 30.7 0.86

7 51.9 1.05

10 74.7 1.48

13 191.0 3.26

14 197.7 7.76

16 214.0 6.26

17 216.8 4.25

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Concentrazione di γ-orizanolo mediante frazionamento dell’estratto

FrazioneMassa CO2

(kg)

massa estratto

(g)

massa γ-orizanolo

(mg)

1 4.8 1.30 14.88

4 30.7 2.11 18.22

7 51.9 2.58 27.11

10 74.7 1.31 19.39

13 191.0 1.08 35.21

14 197.7 0.58 45.02

16 214.0 0.28 17.53

17 216.8 0.10 4.25

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Concentrazione mediante frazionamento: conclusioni

Attraverso l’estrazione frazionata si ottengono campioni

concentrati fino al 7% in -orizanolo. Le frazioni 14 e 16 riunite rappresentano il 10% dell’estratto totale e contengono quasi il 50% del -orizanolo estratto.

Parecchio -orizanolo viene coestratto con le cere: occorre migliorare questa fase di estrazione riducendo la capacità

estrattiva della CO2 per il -orizanolo nella prima fase del

processo, giocando ulteriormente sui parametri p e T.

L’applicazione della tecnica SPE con Alox/Eptano/Etanolo alle frazioni concentrate dovrebbe permettere di raggiungere concentrazioni di γ-orizanolo superiori al 20%.

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Conclusioni finaliPensiamo che sia quindi realizzabile una procedura consistente nelle seguenti fasi:

1. Estrazione della pula con CO2 densa a circa 100 bar (possibilmente solo 80-90) e 50°C fino a esaurimento delle cere (cessazione di accumulo di estratto);

2. Continuazione dell’estrazione con CO2 densa a 300 bar e 40°C con produzione di un estratto oleoso ricco di orizanolo (circa 7%);

3. Passaggio forzato dell’estratto concentrato in orizanolo su fase solida di ALOX mediante CO2 densa quale solvente (eluizione dei trigliceridi e trattenuta dell’orizanolo);

4. Eluizione della fase solida ALOX con etanolo e raccolta di un concentrato in orizanolo;

5. Distillazione dell’etanolo.

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Ringraziamenti

Ringraziamo:

•Il Prof. Carlo DeVittori per il lavoro di assistenza;

•La Riseria di Taverne SA e in particolare la Signora Ing. Paola Galli per le spiegazioni dateci sulla lavorazione del riso e per la fornitura di pula di riso;

•Il reparto controllo qualità dell’Oleificio SABO di Manno per le informazioni sulla produzione di olio di riso e per il controllo d’analisi del γ-orizanolo.