Marc teòric | My Site 1

EXTRACTES VEGETALS - marc teòric

Algues

Descripció general

Les algues es consideren una font inexplorada de productes valiosos, i actualment són objecte d’investigació en molts sectors (farmacèutic, cosmètic, alimentari, agrícola). El planeta està cobert per un 70% d’oceans i tradicionalment, moltes cultures han intentat aprofitar al màxim tots els seus recursos. Degut al creixement de la població mundial i al canvi climàtic, hi ha la necessitat de produir biomassa sostenible de fonts no tradicionals com ara les fonts vegetals. Les algues, són una bona alternativa a la producció de biomassa convencional i la biotecnologia marina està en auge. En general, les algues presenten una elevada productivitat, una elevada diversitat d’espècies i són una gran font de compostos bioactius [1].

Un dels principals compostos bioactius d’interès de les algues són les proteïnes. Les algues contenen fins a 17 dels 21 aminoàcids existents a la natura, la qual cosa els confereix un important valor biològic per utilitzar-se en alimentació i cosmètica. El seu contingut varia en funció de l’estació de l’any, així com en funció de cada espècie [1].

Els pèptids presents en les proteïnes extretes de les algues, posseeixen certs efectes similars a alguns fàrmacs. Algunes espècies mostren activitat biològica associada a les proteïnes, hidrolitzats de proteïnes o pèptids i mostren certa capacitat antioxidant, antihipertensiva, hepatoprotectora, anticancerígena, inmunomoduladora i anticoagulant [1].

Les algues es classifiquen en dos grans grups:

Macroalgues: són algues macroscòpiques multicel·lulars i presenten teixits diferenciats. Aquest grup engloba les algues verdes (Chlorophyta), les vermelles (Rhodophyta) i brunes (Phaeophyceae). Generalment, les algues verdes i vermelles presenten una major proporció de proteïnes en comparació amb brunes [1][2].
Microalgues: són algues microscòpiques, generalment unicel·lulars. Representen una important font d'aliment, sent la primera baula de la cadena tròfica aquàtica [2].

Microalgues

Les microalgues o fitoplancton són organismes unicel·lulars fotosintètics autòtrofs aquàtics que viuen suspesos en medi líquid. Aquests organismes utilitzen l'energia solar per a transformar el carboni inorgànic dissolt a l’aigua a carboni orgànic gràcies a la fotosíntesi. La majoria són immòbils, tot i que algunes presenten mobilitat i no depenen de les corrents per a desplaçar-se. Generalment presenten unes taxes de creixement molt elevades, podent arribar a ser fins a dues divisions diàries en el seu hàbitat natural. Són espècies fisiològicament molt flexibles, presentant una gran capacitat per adaptar-se a les diferents condicions de llum, temperatura i disponibilitat de nutrients. Les espècies de microalgues més produïdes, són Spirulina, Chlorella i Dunaliella [2].

Dunaliella són una espècie d'algues unicel·lulars, fotosintètiques i flagel·lades mòbils. Es distingeixen per la manca de paret cel·lular, la qual és substituïda per una capa mucilaginosa de glicoproteïna anomenada glicocàlix. Les cèl·lules són ovoides, periformes, allargades o esfèriques, amb una mida compresa entre 5 y 25 µm de llarg [3]. Una de les qualitats que destaquen en el gènere Dunaliella, és el seu elevat contingut en β-carotè, un pigment fotoprotector produït principalment per la microalga Dunaliella salina. A part dels carotens, també conté altres pigments amb acció antioxidant com astaxantina, luteína i zeaxantina. Dita alga és verda, halòfila i té la peculiaritat de créixer en elevades condicions de salinitat. El seu creixement és relativament lent, però sota condicions naturals extremes tenyeix les aigües d’un color rosat molt característic [2].

De la Dunaliella s'extreuen fonamentalment, a més a més dels pigments, altres substàncies com glicerol i proteïnes [4]. S’estima que Dunaliella salina sintetitza varies proteïnes, representant el 32,6% en base seca de l’alga. Entre elles, destaquen les anhidrasses carbòniques de 60 kilodaltons (kDa) i les glicoproteïnes d’uns 150 kDa [5][6].

La majoria de dades sobre proteïnes en microalgues, es basen en l’estimació del nitrogen (N) total pel mètode Kjeldahl i la multiplicació d’aquest valor per 6,25 (proteïna bruta). El contingut proteic de les algues, també pot ser determinat mitjançant assaigs espectrofotomètrics com el mètode de Lowry i el de Bradford (veure apartat de materials i mètodes) [4].

Per tal de quantificar les proteïnes, cal procedir primer a la seva extracció. Aquesta extracció es pot dur a terme mitjançant alguns dels mètodes descrits a continuació.

Mètodes d'extracció de proteïnes

L'extracció de proteïnes de microalgues al laboratori comprèn varis mètodes. Els més comuns són [7]:

Congelació i descongelació: primer, es centrifuguen les algues per a recolectar el material d'on s'extrauran les algues i a continuació s'utilitzen varis cicles de congelació i descongelació (entre 3 i 5) per a trencar les cèl·lules de les microalgues i poder passar les proteïnes al medi de cultiu. Es resuspenen les cèl·lules en un buffer adequat (habitualment Tris-HCl amb EDTA) i es centrifuga altre cop per a separar les proteïnes solubles del pellet cel·lular
Sonicació: s'utilitzen banys amb ones ultrasòniques per a trencar les cèl·lules de les microalgues. Es soniquen les mostres entre 10-15 segons aproximadament, i en varis intervals per evitar sobreescalfar la mostra. Es centrifuga altre cop per a separar les proteïnes solubles del pellet cel·lular
Lisi mecànica: les cèl·lules poden trencar-se mitjançant molins de oles o homogeneïtzadors d'alta pressió. S'agiten vigorosament les algues amb perles de vidre o ceràmica i posteriorment es centrifuga la mostra.
Lisi química: s'usen detergents i agents químics per a desintegrar les membranes cel·lulars i alliberar les proteïnes. Es centrifuga la mostra per a separar les proteïnes solubles del pellet cel·lular
Extracció amb dissolvents: acetona, cloroform o metanol es poden usar per a dissoldre les membranes cel·lulars i alliberar les proteïnes. S'agita la mescla i transcorreguts uns 30 minuts es recull la fase aquosa que conté les proteïnes.
Extracció enzimàtica: s'utilitzen enzims com la pepsina o la tripsina per degradar la paret cel·lular de les algues i alliberar les proteïnes.

És molt important mantenir les mostres en fred durant els processos d'extracció per evitar la degradació de les proteïnes. Un cop s'han extret les proteïnes de l'interior de les cèl·lules, ja es poden quantificar.

Quantificació de proteïnes

Les proteïnes es poden quantificar a través de diferents mètodes, segons la mostra a analitzar, rapidesa i sensibilitat del mètode [4][8]:

Mètode de Bradford: es basa en la unió de colorants (Blau de Comassie G250) a les proteïnes, canviant el color de la solució a ataronjat. És un mètode senzill, ràpid i sensible però no es pot realitzar en presència de detergents.
Mètode d'àcid Bicinconínic (BCA): les proteïnes catalitzen la reducció del coure, donant lloc a un color púrpura a una absorbància màxima de 562 nm. L'absorbància mesurada és proporcional a la concentració de proteïnes presents. És molt sensible i compatible amb detergents.
Mètode de Lowry: és similar al BCA però utilitza uns altres reactius per a detectar proteïnes (Folin-Ciocalteu). És sensible a interferències químiques i més complex de dur a terme.
Mètode de Biuret: usat per a quantificar proteïnes totals d'una mostra per colorimetria. Cal que les mostres estiguin molt concentrades ja que el mètode no és massa sensible. Conté CuSO4 en solució aquosa alcalina que al unirse amb enllaços peptídics mostren una coloració que canvia de blau a púrpura.

La quantificació de proteïnes serveix per a saber quantitat, però no la variabilitat en la composició d'una mostra. Mitjançant la separació de proteïnes és possible separar-les per mida, càrrega i forma.

Separació de proteïnes

Existeixen varis mètodes per a separar les proteïnes, segons es faci per mida, punt isoelèctric, forma, càrrega o afinitat [8]:

Electroforesi en gel de poliacrilamida (SDS-PAGE): les proteïnes són separades segons la seva mida a través d'un gel de poliacrilamida. És un mètode amb elevada resolució i serveix per a fer anàlisis qualitatius.
Electroforesi bidimensional: separa les proteïnes segons la seva mida i punt isoelèctric. és també un mètode d'alta resolució.
Cromatografia d'intercanvi iònic: les proteïnes es separen en base a les diferències de càrrega. Té bona resolució però requereix l'optimització de les condicions d'elució.
Cromatografia d'afinitat: es basa en unions específiques entre una proteïna i un lligand immobilitzat. Presenta una bona purificació sempre i quan es conegui bé la interacció proteïna-lligand.
Cromatografia d'exclusió (filtració en gel): separa les proteïnes per forma i mida. Presenta poca resolució per proteïnes de mides similars.

Plantes superiors

Descripció general

Els extractes de plantes o extractes vegetals, són preparats concentrats amb el principi actiu de la planta i poden tenir consistència líquida, sòlida o viscosa. Segons la seva naturalesa, els extractes poden ser compostos hidrosolubles o oliosos (olis essencials) [9].

Els olis essencials, també anomenats olis volàtils o essències, són substàncies aromàtiques naturals responsables dels aromes de moltes flors i plantes. En general, la quantitat d’oli essencial extret respecte el pes fresc de la planta, pot a oscil·lar entre un 0,015% i més d’un 20% i dependrà de cada espècie vegetal i el mètode d’extracció utilitzat [10].

Aquests olis essencials es troben presents quasi exclusivament en plantes superiors, com els gèneres Apiaceae, Asteraceae, Cupressaceae, Lamiaceae, Lauraceae, Myrtaceae, Poaceae, Rutaceae, etc. i es solen distribuir principalment a les seves fulles i flors [9]. Segons l’espècie vegetal, també es poden trobar concentrats a les arrels, tiges, llavors, pericarpi i fruits [11][12][13].

El material vegetal, al ser sotmès al vapor d’aigua, solvents orgànics o altres mètodes alternatius, allibera una barreja odorífera líquida (l’oli essencial), composta d’una gran varietat de substàncies volàtils molt concentrades. La barreja de substàncies volàtils (entre 50 i 300 substàncies químiques diferents) comprèn diversos metabòlits secundaris principals com terpenoides, esterols, flavonoides, compostos fenòlics, cumarines, lignans, quinones, glicòsids, iridoides, alcaloides, saponines i lactones sesquiterpèniques. Aquestes lactones sesquiterpèniques es troben principalment dins la família Asteraceae, tot i que també en Apiaceae, Magnoliaceae i Lauraceae. Les lactones sesquiterpèniques presenten una gran diversitat d’activitats biològiques: antiinflamatòria, antimicrobiana, antitumoral, antioxidant, antihelmíntica, antiulcerogènica i hepatoprotectora, entre d’altres [14].

Per a obtenir els extractes o olis de les plantes es poden utilitzar una àmplia varietat de mètodes d'extracció.

Mètodes d’extracció

L’extracció dels olis essencials es pot fer a través de diferents mètodes, el qual depèn de l’estat original i de les característiques de la matèria primera vegetal. El mètode d’extracció, determina les característiques dels olis essencials, com la viscositat, el color, la solubilitat, la volatilitat, i pot enriquir o reduir la presència d’alguns dels seus components [10].

Primerament, cal assecar els materials frescos i posteriorment molturar-los fins a obtenir una pols fina, augmentant la superfície de contacte amb el dissolvent [15]. Així doncs, l’eficàcia de l’extracció també es troba estretament lligada a la mida de partícula dels soluts, tenint els soluts més petits una major superfície de contacte amb el dissolvent [16].

L’extracció és el següent pas i es considera un dels procediments més crucials en la fabricació de productes a base de plantes, ja que afecta als ingredients actius de la mostra tant a nivell quantitatiu com qualitatiu. Si l’extracció es realitza a un material vegetal amb activitat biològica, és preferible realitzar l’extracció per maceració en fred, o, en tot cas, no usar temperatures superiors als 40 ºC per a no degradar els metabòlits termolàbils [15].

Les tècniques més comuns d’extracció de plantes són els mètodes tradicionals basats en dissolvents. Hi intervenen les diferents fases: penetració del dissolvent a través de la matèria primera vegetal, dissolució dels soluts de la planta, difusió dels soluts i recollida d’aquests com a producte final. És important considerar que l’elecció del dissolvent és crucial per a realitzar l’extracció de forma eficaç, sent l’aigua, l’etanol i el metanol els més utilitzats, però no els únics. Tots els citats anteriorment són dissolvents polars, sent afins amb materials també polars com ara els polifenols presents a les matèries vegetals [15].

Segons la Farmacopea Europea, es descriuen els següents mètodes d’extracció [10]:

Destil·lació per vapor (o hidrodestil·lació): l’oli vegetal s’aconsegueix fent passar vapor d’aigua a través de la matèria primera, mitjançant un equip adequat. Els olis són condensats formant una a fase inmiscible amb l’aigua, la qual caldrà destil·lar per evaporar-la i obtenir la fase orgànica (oli essencial).
Destil·lació en sec: l’oli essencial s’obté escalfant les tiges o pells de les espècies vegetals a elevada temperatura. S’usa un equip adequat per a aquest fi, sense afegir aigua ni vapor extern.
Procés mecànic: l’oli essencial és obtingut per un procediment anomenat “premsat en fred”, sense escalfor ni cap altre tractament addicional. Un cop alliberat, l’oli és recol·lectat i filtrat.

Addicionalment, existeixen altres mètodes no regulats per a l’extracció dels olis essencials, com l'enfleurage, extracció per maceració o mitjançant dissolvents orgànics, ultrasons, destil·lació amb rotavapor, extracció amb dissolvents i Soxhlet, assistència amb microones i fluids supercrítics [13][16][17].

Aplicacions a la indústria

En l’àmbit de la cosmètica l’ús d’extractes i olis essencials es basa en les funcions específiques que algunes substàncies aromàtiques presenten sobre la pell i en el seu ús com aromatitzant en formes semi-sòlides com cremes, gels i ungüents. També són utilitzats en farmàcia per a l’obtenció de principis actius o excipients en la preparació de formes farmacèutiques líquides com xarops, elixirs, suspensions, etc. [11].

Regulació cosmètica

Els olis essencials no es troben definits dins la legislació cosmètica. La seva composició consta de mescles d’ingredients vegetals líquids, volàtils i liposolubles o de substàncies aromàtiques sintètiques amb una fragancia característica. A diferència dels olis vegetals o grassos, els olis aromàtics s’evaporen i consten bàsicament de terpens i derivats d’aquests [10].

La Comissió de la Farmacopea Europea ha adoptat una definició d’oli essencial, similar a la present UNE-EN ISO 9235:2013 sobre matèries primeres aromàtiques naturals de l’Organització Internacional de Normalització: Producte olorós, generalment de composició complexa, obtingut a partir d’una matèria primera vegetal definida botànicament, per destil·lació amb vapor, destil·lació seca o un procés mecànic sense escalfar. Els olis essencials normalment es separen de la fase aquosa mitjançant un procés físic que no afecta significativament a la seva composició [10].

Dins la Unió Europea, els productes cosmètics estan regulats pel Reglament (CE) Nº 1223/2009 sobre Productes Cosmètics, i les seves posteriors modificacions, trobant-se certes disposicions sobre olis essencials als annexos II i III. L’ús segur d’olis essencials en productes cosmètics depèn de la qualitat de la matèria primera i del mètode d’extracció utilitzat. És molt important que un cop obtinguts, s’emmagatzemin en contenidors hermètics i protegits de la llum [10].

Ús i aplicació de l’àrnica, calèndula i cànem en cosmètica

ÁRNICA (Arnica montana L.)

La flor d’àrnica consisteix en els capítols secs, sencers o parcialment fragmentats d’Arnica montana L. Conté com a mínim un 0,40% (m/m) de lactones sesquiterpèniques totals, expressades com a tigliat de dihidrohelenalina a partir de la droga dessecada [18].

L’àrnica (Arnica montana L.) és una planta terapèutica usada sobretot per les seves propietats antibiòtiques, antiinflamatòries i analgèsiques presents als extractes de les seves flors [19] També ajuda a reduir la inflamació, els hematomes i a reparar el teixit muscular així com la pell [20].

Les flors d’àrnica poden contenir fins un 1% d’olis volàtils, compostos majoritàriament per àcids grassos. Conté en menor proporció lactones sesquiterpèniques, típiques de les plantes de la família Asteraceae i altres compostos, com olis essencials, flavonoides, terpens (helenalina) i hidroxicumarines [21]. Els àcids fenòlics i flavonoides són antioxidants summament importants, degut a que els seus grups hidroxil atribueixen als vegetals la capacitat d’eliminar radicals lliures i protegeixen les cèl·lules [19].

En cosmètica, s’utilitzen totes les parts de la planta d’àrnica, com les inflorescències, i el rizoma. Es pot utilitzar per a ús intern en forma d’elixir, grànuls homeopàtics, comprimits, solucions injectables, ampolles bebibles o gotes. Per a ús extern s’elaboren cremes tòpiques, esprais, gels, gargarismes, pomades, ungüents, etc. [20].

Calèndula (Calendula officinalis L.)

La flor de calèndula consisteix en flors completament obertes, dessecades, senceres o tallades, de les varietats cultivades i de floració doble de Calendula officinalis L. Conté com a mínim un 0,4% de flavonoides (calculats com hiperòsid) respecte la droga dessecada [18].

La calèndula és una planta aromàtica perenne de la família Asteraceae (compostes). Les flors són de color groc ataronjat i s’utilitzen per elaborar remeis fitoteràpics. Els seus principals compostos actius comprenen triterpens (antiinflamatoris), flavonoides, saponines, esteroides, carotens i olis essencials. Se li atribueixen propietats antiespasmòdiques, antibacterianes, digestives, cicatritzants, emenagogues, antisèptiques, antiinflamatòries i emol·lients L. [22].

Destaca el seu ús en infusions però sobretot en cosmètica, usant-se per a formular ungüents, cremes, sabons, locions i maquillatge. És àmpliament utilitzada pel tractament d’afeccions cutànies com curar ferides, infeccions, cremades, inflamació i cicatrització de ferides lleus. Posseeix flavonoides, àcids fenòlics, tanins, cumarines, terpens, esterols, carotens, àcids orgànics, proteïnes, aminoàcids i minerals [23].

Les infusions són també utilitzades per a tractar afeccions internes com angina de pit, febre, gastritis, hipotensió, icterícia, reumatisme i vòmits [24].

Cànem (Cannabis sativa L.)

Actualment, l’ús i producció del cànem s’està incentivant gràcies als seus usos medicinals i a l’auge dels productes amb CBD (cannabidiol). El gènere cannabis es troba dins la família de les Cannabaceas i és l’únic capaç de produir cannabinoides. Aquests, actúen a través de receptors presents a tot el cos, predominantment presents a les terminacions nervioses responsables de l’eufòria i de l’acció antiinflamatòria. A diferència del THC (tetrahidrocannabinol) que s’extreu de la marihuana, el CBD s’extreu del cànem, el qual té un baix percentatge de THC. De fet, l’any 2000 es va restringir el contingut de la substància psicotròpica del cànem (THC) al 0,2%, i actualment és del 0,3% [25].

El cànem no provoca intoxicació i ja s’incorpora el CBD, segons la Unió Europea, com a cultiu legal, així com a nou aliment pendent d’incorporar al mercat (Reglament (UE) 2021/2115) [26].

Per a l'extracció d’olis essencials del cànem, habitualment s’utilitzen les llavors, ja que tenen aproximadament un 30% de contingut oliós lliure de cannabinoides. Aquesta planta és usada per consum humà, elaboració de fibres per al sector tèxtil i per a la producció d’alternatives als combustibles fòssils convencionals (bioetanol) [25].

L’oli de cànem, com molts altres olis vegetals, s’utilitza en cosmètica natural ja que ajuda a la hidratació de la dermis. El seu alt contingut en àcids grassos també ajuda a regular la producció sebacea, és antioxidant i ric en vitamina E. Avui dia, tant a Estats Units com a Europa, els productes a base de cànem són molt utilitzats, ja sigui en forma d’olis, cremes, mascaretes o netejadors facials [25].

Fonts bibliogràfiques

[1] Álvarez F. Producción de compuestos bioactivos a partir de biomasa algal basada en la biofiltración y la biorrefinería. Málaga. UMA Editorial. 2017.
[2] Incera M. Las algas como recurso: valorización, aplicaciones industriales y tendencias. Centro Tecnóloxico do Mar – Fundación CETMAR. 2011.
[3] Mayorga CC. Cualidades del alga Dunaliella salina para su uso como suplemento alimenticio. Universidad tecnológica de Panamá. Panamá. 2016.
[4] Abalde J. Microalgas: cultivo y aplicaciones. Universidade da Coruña. Galicia. 1995.
[5] Garay AA, Parra EA. Caracterización química de microalgas Dunaliella salina y Dunaliella tertiolecta. Universidad de Tarapacá. Chile. 2012.
[6] Martínez AM. Cultivo y posibles aplicaciones de una cepa de Salinas Chicas de la microalga extremófila Dunaliella salina. Universidad Nacional del Sur. Argentina. 2008.

[7] Richmond, A. Handbook of Microalgal Culture: Biotechnology and Applied Phycology. Blackwell Publishing Ltd. 2004.
[8] Thieman WJ, Palladino MA. Introducción a la biotecnología. Madrid: Pearson. 2010.

[9] Barreto J. Evaluación preliminar de la actividad antiinflamatoria de las fracciones obtenidas de los extractos en petrol y en etanol de hojas y corteza de la planta bursera tomentosa (JACQ) Tr. & Pl. Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá. 2009.

[10] Guía sobre aceites esenciales en productos cosméticos. Agencia Española de Medicamentos y Productos Sanitarios (AEMPS). 2016.
[11] López Luengo, M. Tránsito. Los aceites esenciales. Aplicaciones farmacológicas, cosméticas y alimentarias. Offarm; VOL 23 NÚM 7. 2004.

[12] Real Cosío SM. Procedimiento para extracción de aceites esenciales en plantas aromáticas. Instituto Politécnico Nacional. México. 2012.

[13] Souiy Z. Essential Oil Extraction Process. En: Jonas, editor. Biochemistry. IntechOpen. 2024.

[14] Rivas-Morales C. Metodología científica para el estudio de plantas medicinales. Investigación en plantas de importancia médica. Barcelona, España: OmniaScience. 1-40. 2016

[15] Pequeño A. Optimization of processing conditions on the quality of extracts and formulation of Arnica montana. University of Maribor. Eslovenia. 2022.

[16] Arciniegas J, García A, Naranjo L, Morales A, Escobar J, Sarmiento M. Fundación Universitaria Agraria de Colombia. Colombia. 2018.

[17] Introducción a la Industria de los Aceites Esenciales extraídos de Plantas Medicinales y Aromáticas. Sistema de Bibliotecas SENA.

[18] Monografías RFE 3ª edición. Madrid. 2011.

[19] Kriplani P. Arnica montana L. - a plant of healing: review. J Pharm Pharmacol. 2017 Aug;69(8):925-945.

[20] Waizel-Bucay J. Arnica montana L., planta medicinal europea. Revista Mexicana de Ciencias Forestales, vol. 5, núm. 25, 2014, pp. 98-109

[21] Final Report on the Safety Assessment of Arnica Montana Extract and Arnica Montana. Int J Toxicol. 2001:20 Suppl 2:1-11.

[22] Muñoz LM. Plantas medicinales españolas. Calendula officinalis. Medicina naturista, 2004, Nº 5, 257-261.

[23] Sarmiento OI. Evaluación de la cinética de extracción del aceite esencial de Calendula officinalis L. mediante hidrodestilación y calentamiento óhmico asistido por hidrodestilación. Universidad Nacional Abierta y a Distancia. Colombia. 2016.

[24] Gordo MM;. Aspectos químicos y bioactivos de tres matrices naturales: Calendula officinalis L., Mentha cervina L. y Macrolepiota procera. Instituto Politécnico de Bragança. Portugal. 2015

[25] Moncholí JL. Diseño de un sistema de extracción de aceite de Cáñamo para su uso en la industria farmacéutica y cosmética. Universitat Politècnica de València. 2020.

[26] Uso del cáñamo y cannabinoides en alimentación. Asociación Española de Seguridad Alimentaria y Nutrición (AESAN). Junio 2023. Disponible en: https://www.aesan.gob.es/AECOSAN/docs/documentos/seguridad_alimentaria/gestion_riesgos/caniamo_cannabinoides_alimentacion_2023.pdf