Dagli agrumi una possibile salvezza contro il Coronavirus

Una ricerca, tutta italiana, descrive una nuova tecnica di estrazione di composti biologicamente attivi dalla buccia degli agrumi, potenzialmente in grado di contrastare l’infezione da coronavirus SARS-Cov-2

Un team di ricercatori del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) del HCT-Agrifood Laboratory dell’Istituto per la bioeconomia (Cnr-Ibe) e dell’Istituto per lo studio dei materiali nanostrutturati (Cnr-Ismn) ha messo a punto un metodo di “cavitazione idrodinamica” per un’estrazione più rapida, più efficiente e più efficace dei flavonoidi, degli oli essenziali e della pectina dalla buccia degli agrumi. Un sistema eco-compatibile ad alta resa.

                                                                                     Foto da Comunicato Stampa CNR

La tecnica è descritta in un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Processes ⁽¹⁾  e riporta anche i risultati di studi computazionali (simulazione al computer di interazioni tra molecole) sulle proprietà di tali composti nell’ostacolare l’infezione e la replicazione del virus SARS-Cov-2 nelle cellule bersaglio.

L’esperidina, uno dei flavonoidi più abbondante presente nella buccia degli agrumi, è una delle molecole sotto i riflettori per un suo potenziale utilizzo nella battaglia contro il COVID-19.

Le sue proprietà antivirali e anti-infiammatorie sono state verificate, in laboratorio, per altre tipologie di virus.

Secondo quanto riportato dagli autori, studi recenti di simulazione al computer, hanno dimostrato che l’esperidina riconosce ed è in grado di legare tre diverse categorie di proteine sulla superficie del virus SARS-Cov-2, tra cui le glicoproteine spikes. Questi bersagli proteici sono tutti coinvolti nei differenti stadi del processo infettivo: dall’entrata del virus nell’ospite, alla trascrizione del genoma virale fino alla replicazione virale.

Al pari di altri composti già in uso nella terapia, questa molecola, completamente naturale e bio, grazie al sistema di estrazione per cavitazione idrodinamica messo a punto dagli autori dello studio, sarebbe quindi in grado di bloccare l’infezione sul nascere, impedendo al virus l’ingresso nelle cellule bersaglio.

Altri flavonoidi contenuti nella buccia degli agrumi hanno proprietà simili all’esperidina, come la naringina che grazie alle proprietà anti-infiammatorie riduce l’eccessiva stimolazione del sistema immunitario responsabile delle forme severe di COVID-19.

Abbiamo chiesto ai ricercatori Federica Zabini e Francesco Meneguzzo, tra gli autori dello studio, di farci da guida nella comprensione della tecnica utilizzata e di illustrarci le ripercussioni derivabili dall’utilizzo di questa tecnica nella terapia clinica.

• Potreste spiegare ai nostri lettori in cosa consiste esattamente il metodo della cavitazione idrodinamica?

Il fenomeno della cavitazione idrodinamica consiste nella formazione, crescita e implosione di minuscole bolle di vapore (cavità) in un liquido, a temperature inferiori rispetto al punto di ebollizione. Quando queste bolle

collassano, al loro interno si creano condizioni estreme di temperatura e pressione che agiscono sul liquido e sulle particelle in esso contenute, provocando una serie di trasformazioni chimiche e fisiche.

Quando si sviluppa nel liquido circolante in un sistema tecnologico, come eliche di navi, turbine idroelettriche o anche sistemi di pompaggio, il fenomeno della cavitazione può creare effetti indesiderati, come la corrosione delle parti meccaniche sommerse. Negli ultimi decenni è stata però riscoperta per le sue grandi potenzialità per l’intensificazione di una serie di processi fisici, chimici e biochimici. In estrema sintesi, l’intensificazione di questi processi ha portato allo sfruttamento della cavitazione in una vasta area di campi applicativi quali, ad esempio, la depurazione delle acque reflue e la disinfezione delle acque potabili, l’omogeneizzazione, pastorizzazione e sterilizzazione delle bevande alimentari, l’estrazione di sostanze bioattive dalla biomassa vegetale, e molte altre.

La cavitazione si può innescare e controllare in diversi modi, per esempio attraverso ultrasuoni, o in modo elettromeccanico. Nella tecnologia sviluppata presso il Laboratorio di Cavitazione idrodinamica (HCT Agrifood Lab) del CNR⁽²⁾, l’innesco si ottiene forzandola circolazione del liquido, per mezzo di una pompa,in un circuito chiuso in cui è inserita una strozzatura, in forma di tubo Venturi, di geometria molto precisa. Le variazioni di pressione determinano, in successione, la creazione delle bolle, la loro crescita e, infine, il collasso. La realizzazione in forma d’impianto è dunque semplice, economica e facilmente scalabile fino a qualsiasi dimensione.

• Cosa lo distingue dagli altri metodi di estrazione chimica conosciuti? 

Tutto quello che serve per l’estrazione di composti naturali da materiali vegetali è prodotto autonomamente dai processi di cavitazione: calore, getti idraulici e soprattutto onde di pressione di grande intensità, in grado di rompere i legami molecolari e le strutture cellulari. È attraverso questi processi termici e soprattutto meccanici che vengono liberati, tra gli altri, i preziosi polifenoli, in particolare flavonoidi, generalmente legati a matrici complesse come cellulosa, lignina, pectina e proteine.

Non servono quindi solventi chimici sintetici, reagenti, emulsionanti e additivi, normalmente utilizzati ei metodi convenzionali di estrazione chimica,ottenendo così prodotti e scarti finali privi di sostanze potenzialmente tossiche, nessun refluo da smaltire, e risparmiando risorse e costi.

L’estrazione basata su metodi di cavitazione idrodinamica, inoltre, offre livelli di efficienza e resa dei processi estrattivi molto superiori rispetto ai metodi concorrenti, grazie ai tempi brevi di processo ealle basse temperature. Sono proprio questi elementi, inoltre, che consentono di preservare al meglio la funzionalità dei composti bioattivi, spesso estremamente sensibili al calore.

Un ulteriore importante vantaggio dei processi di estrazione a cavitazione idrodinamica è rappresentato dai costi contenuti di installazione, gestione e manutenzione degli impianti, che contribuiscono a renderlo superiore rispetto a tutti gli altri metodi di estrazione, nonché la scalabilità, e quindi la sua facile applicazione su scale industriali e produttive molto grandi, cosa spesso problematica per altri metodi di estrazione “green”.

• A cosa è dovuta l’alta resa di processo? 

La resa del processo estrattivo, valutata come quantità di prodotto ottenuto (per esempio, polifenoli)per unità di energia consumata, è generalmente molto superiore rispetto alle tecniche convenzionali. Questo è dovuto in particolare agli effetti fisico-chimici dovuti all’implosione delle bolle di cavitazione, che, generando microambienti caratterizzati da temperature elevatissime, intense onde di pressione e getti idraulici, accelerano l’estrazione dai materiali biologici, riducono in particelle molto fini le matrici vegetali e “liberano” i composti fenolici intrappolati nelle matrici dei carboidrati, lignina, pectina e proteine.
Nel caso del processamento delle bucce di arancia di scarto, ad esempio, entro 10 minuti quasi il 60% dei polifenoli presenti nel contenuto originale è migrato nella fase acquosa, e dopo soli 2 minuti è stato pari a circa il 53%. Per apprezzare l’eccellenza del risultato, basti dire che usando un metodo estrattivo all’avanguardia di idro-distillazione, il contenuto totale di polifenoli della fase acquosa rappresenta solo il 17% circa del contenuto originale, e a fronte di tempi di processo più lunghi.

Nelle tecniche tradizionali di estrazione liquido-solido i livelli di trasferimento di massa non possono superare determinati livelli, il che significa che è impossibile ridurre i tempi della fase di estrazione al di sotto di 1-2 ore. I tempi brevi dei processi basati sulla cavitazione sono dovuti alla massimizzazione del coefficiente di trasferimento di massa. 

• Gli effetti dell’esperidina e della naringina e di altri flavonoidi e oli essenziali sul SARS-Cov-2 sono stati dimostrati da studi computazionali, a quando la sperimentazione su pazienti? 

Si hanno notizie dell’avvio di sperimentazioni cliniche in varie parti del mondo, tuttavia l’unica sperimentazione registrata ufficialmente è quella proposta dall’Università di Tanta, in Egitto ⁽²⁾. Esistono iniziative in questo senso anche in Italia, speriamo che possano partire prima possibile. 

• Qual è il vantaggio di formare dei complessi con la pectina nella preparazione di composti nutraceutici? 

I processi di cavitazione delle bucce di agrumi determinano la coniugazione dei composti bioattivi (in particolare polifenoli, flavonoidi e oli essenziali) con la pectina contenuta nelle stesse bucce, presentando una solubilità in acqua notevolmente maggiore rispetto ai singoli componenti isolati, e pertanto, oltre a conservare le proprietà biologiche originali, hanno una superiore biodisponibilità. La biodisponibilità stessa è legata alla quantità, qualità e struttura dei principi attivi che raggiungono e vengono assorbiti e metabolizzati dai diversi organi. I flavonoidi isolati, una volta ingeriti, sono parzialmente degradati già dai succhi gastrici, e faticano ad essere assorbiti nel tratto intestinale, sono quindi soggetti all’attività enzimatica della comunità microbica intestinale nel colon, che ne altera e degrada la bioattività. È molto probabile che, una volta legati alla pectina, i flavonoidi possano superare quasi indenni il passaggio nello stomaco, essere più facilmente assorbiti nell’intestino, e distribuiti a tutti gli altri organi.

Altri vantaggi sono costituiti dalla possibilità di sfruttare l’azione sinergica di composti diversi, sia ottenuti da una stessa specie – per esempio, i diversi flavonoidi e oli essenziali contenuti nelle bucce di agrumi – o da diverse specie e processati a cavitazione insieme con la pectina, per aumentarne il valore nutraceutico.

• Quali ulteriori applicazioni possono avere tali composti nell’industria farmaceutica?

Insieme ai colleghi dell’Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati del CNR di Palermo (ISMN-CNR) e dell’Università di Palermo, abbiamo dimostrato che i complessi di pectina, flavonoidi e oli essenziali estratti dalle bucce di agrumi mediante cavitazione idrodinamica, e successivamente liofilizzati, sono dotati di straordinaria attività antiossidante, superiore a quella della maggior parte delle sostanze di riferimento come la vitamina C. Non esistono praticamente limiti alle dosi di composti antiossidanti per produrre benefici per la nostra salute in termini di contrasto alle infiammazioni, all’invecchiamento cellulare e alle pericolose mutazioni, quindi la disponibilità di prodotti ad elevatissima attività antiossidante è molto preziosa.

Inoltre, lo stesso team ha scoperto una notevole azione antibatterica ad ampio spettro, molto superiore rispetto a quella della pectina commerciale: si tratta di veri e propri antibiotici polivalenti, funzionali contro un ampio spettro di batteri patogeni che risiedono sia nel nostro organismo, sia per esempio nei cibi. Oltre alle applicazioni diretta per la salute umana, quindi, si prospettano applicazioni per la conservazione naturale di prodotti alimentari deteriorabili.

La pectina stessa è un prebiotico, un composto cioè che favorisce la salute intestinale, mentre per esempio il flavonoide esperidina contribuisce alla salute delle membrane intestinali: la loro azione sinergica potrà risultare molto utile proprio per mantenere in buona salute l’intestino. 

• La tecnologia messa a punto nel vostro istituto è definita “verde”, perché? 

Rispetto alle tecniche tradizionali, che necessitano di prodotti chimici o solventi organici, le tecnologie di estrazione basate sulla cavitazione idrodinamica permettono di utilizzare solo acqua quale materiale di processo e solvente, garantendo l’estrazione di prodotti di alta qualità e più sani.

Le tecnologie basate sulla cavitazione idrodinamica permettono una drastica riduzione del consumo di energia, principalmente a causa delle temperature di processo inferiori e dei brevi tempi di processo, della semplificazione delle stesse fasi di processo (spesso, ad esempio, la macinazione delle materie prime avviene contestualmente e non richiede un pretrattamento, oppure non sono necessarie onerose fasi di processo condotte ad alta temperatura), della maggiore efficienza nell’estrazione e della riduzione dei tempi di processo. Il consumo di energia nel processo di produzione della birra, ad esempio, è stato ridotto di oltre il 60%. Gli impianti sono inoltre alimentati unicamente da energia elettrica, che è sempre più frequentemente prodotta attraverso fonti rinnovabili e, comunque, non comporta emissioni inquinanti sul posto.

Un altro aspetto “verde” è dato dalla possibilità di riutilizzare gli scarti di processo. Di fatto, il processo estrattivo produce sottoprodotti anziché rifiuti. La frazione residua della massa originale di materia prima, può infatti essere destinata al compostaggio, alla digestione anaerobica o al riutilizzo come materia prima per la produzione di biochar (una forma estremamente stabile di carbone vegetale). Nel caso del residuo solido dell’estrazione dalle bucce di agrumi, inoltre, l’efficace eliminazione dell’olio essenziale d-limonene (migrato nella soluzione acquosa) dallo scarto finale, aumentava notevolmente il potenziale di generazione di metano in caso di digestione anaerobica, in quanto il d-limonene stesso è un inibitore dei batteri metanogeni.

Fonti:

1)https://doi.org/10.3390/pr8050549

2)http://hct.fi.ibimet.cnr.it/

3)https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04452799?term=hesperidin&cond=Covid19&draw=2&rank=1

Foto di Robin Kumar Biswal da Pexels

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