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Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria Anno Accademico 2012/2013 Colture Erbacee Nutraceutiche (6 CFU) Relazione Il licopene come prodotto nutraceutico e funzionale Dalila Calabrese

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Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria

Anno Accademico 2012/2013

Colture Erbacee Nutraceutiche (6 CFU)

Relazione

Il licopene come prodotto nutraceutico e funzionale

Dalila Calabrese

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INDICE

1. Introduzione

2. Alimenti nutraceutici e funzionali

3. Il Licopene

3.1. Generalità sul licopene

3.2. Biosintesi dei carotenoidi: il licopene

3.3. Ruolo del licopene nelle piante

3.4. Ruolo del licopene nell’uomo

4. Colture agrarie caratterizzate da una buona produzione di metaboliti nutraceutici e

funzionali: il licopene

4.1. Il pomodoro

4.2. Areale di coltivazione

5. Tecniche agronomiche per l’ottimizzazione della produzione di licopene nel pomodoro

6. Tecniche di estrazione del licopene

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1. Introduzione

I prodotti ortofrutticoli contengono numerosi composti bioattivi fondamentali per la salute

umana. Numerosi studi epidemiologici hanno evidenziato una stretta correlazione tra il consumo

di diete prevalentemente ricche di frutta e verdura ed una ridotta incidenza di patologie croniche

quali malattie proliferative, neurodegenerative e cardiovascolari ed una più bassa mortalità. E’

stato dimostrato che queste patologie potrebbero essere prevenute attraverso un’adeguata dieta

su base vegetale (Netzel et al., 2002). Già nel 1982, in un report su dieta e cancro, la National

Academy Science sottolineava l’importanza della presenza di frutta e verdura nella dieta umana

(National Academy Sciences, 1982). Studi epidemiologici successivi (circa 200) hanno confermato

la stretta relazione tra il consumo di frutta e verdura con la riduzione di rischio di cancro del

polmone, colon, mammella, esofago, cavità orale, pancreas ed ovaio. Inoltre, numerosi studi

suggeriscono un forte legame tra consumo di frutta e verdura e ridotto rischio di malattie

cardiovascolari.

Recentemente, istituzioni come la FAO e l’OMS hanno suggerito il consumo di almeno 400

grammi di frutta e verdura al giorno, possibilmente in cinque momenti diversi della giornata, per

una dieta sana ed equilibrata ed un’ottimale prevenzione. Tali indicazioni ben si interfacciano con

le attuali richieste dei consumatori sempre più attenti agli aspetti relativi alla “qualità del

prodotto” connessi alle loro proprietà nutrizionali e salutistiche.

L’effetto benefico per la salute umana di una dieta ricca di frutta e verdura sembra essere

dovuto alla presenza di molecole a capacità antiossidante quali vitamine C ed E, glutatione, e

composti fitochimici, appartenenti al metabolismo secondario, quali flavanoidi, antocianine e

carotenoidi (Moyer et al., 2002; Reyes-Carmona et al., 2004), responsabili della tipica colorazione

dei frutti, e che insieme agli zuccheri disciolti, agli acidi, ai sali minerali, agli aminoacidi,

conferiscono valore nutrizionale e salutistico a tali prodotti (Figura 1).

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Figura 1 Principali composti della frutta ad azione

antiossidante

In tal senso, negli ultimi anni, frutta e verdura sono considerati “alimenti funzionali”

eccellenti sia per il basso contenuto di calorie che per l’apporto di elevate quantità di tali sostanze

a notevole capacità antiossidante in grado di prevenire lo stress ossidativo, alla base delle

principali malattie croniche e degenerative.

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2. Alimenti nutraceutici e funzionali

Oggi, il concetto di cibo sta mutando, intendendo il cibo come medicina, intuizione che possiamo

far risalire ad Ippocrate. Tuttavia, termine più recente è quello di alimenti funzionali e nutraceutici

essendo da molti ritenuto che certi alimenti procurino benefici per la salute.

Se fossimo in grado di fornire a

ciascuno la giusta dose di

nutrimento ed esercizio fisico,

né in eccesso né in difetto,

avremmo trovato la strada per

la salute" (Ippocrate 460-377

a.C.).

Infatti, è noto che un largo consumo di frutta ed ortaggi determinano un'incidenza ridotta di

malattie cardiovascolari e di neoplasie. Stanno così assumendo rilevanza gli alimenti funzionali

(functional foods), definiti dall'Institute of Medicine of the US National Academy of Sciences come

alimenti che oltre ai loro valori nutrizionali di base contengono sostanze regolatrici su alcune

funzioni vitali in grado di recare benefici fisiologici a chi li consuma. Tali proprietà funzionali

possono avere effetti positivi sul mantenimento della salute e/o sulla prevenzione di malattie.

Questi alimenti devono necessariamente includere le seguenti caratteristiche:

essere un alimento convenzionale o di uso quotidiano;

essere consumato come parte della normale/abituale dieta;

dover contenere componenti naturali generalmente assenti o presenti in basse concentrazioni in

altri alimenti;

avere un effetto positivo su particolari funzioni nell'organismo al di fuori del valore nutritivo o

della nutrizione di base;

essere in grado di migliorare lo stato di benessere e della salute, e/o ridurre il rischio di malattie o

fornire effetti benefici sulla salute così da migliorare la qualità di vita, incluso le performance

fisiche, psicologiche e comportamentali.

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Di contro, per nutraceutici, termine per la prima volta utilizzato dalla Foundation for Innovation in

Medicine, si intendono quei prodotti per uso orale contenenti alte concentrazioni di principi attivi

derivati da alimenti funzionali, e che forniscono benefici fisiologici sulla salute. Tuttavia, numerosi

neologismi sono usati nella classificazione di questi alimenti:

medical foods, termine con il quale l'US Food and Drug Administration definisce speciali composti

che devono essere consumati o somministrati per via enterale sotto controllo medico per

sopperire a richieste nutrizionali in specifiche condizioni cliniche (formulazioni enterali utilizzate

per la nutrizione di pazienti ospedalizzati e di soggetti affetti da malattie rare, alimenti per soggetti

affetti da diabete, da celiachia, o prodotti venduti come fonte di nutrimento supplementare);

designer foods termine coniato nel 1989 dal National Cancer Institute per descrivere alimenti che

contengono, in maniera naturale o attraverso processi di arricchimento, sostanze che prevengono

il cancro;

new foods con il quale si intendono alimenti o parti di essi non utilizzati in termini significativi per il

consumo umano, prodotti con procedimenti che comportano una sostanziale modifica della loro

composizione, del valore nutrizionale e dell'utilizzo previsto;

fitochimici e fitonutrienti con i quali si intendono componenti di origine vegetale che hanno

proprietà benefiche per la salute. In origine questi due termini erano limitati a sostanze presenti

nella frutta e negli ortaggi commestibili e che sembravano fornire protezione contro i tumori. Ora

il significato è più ampio e si applica ad ogni componente vegetale che possieda effetti benefici per

la salute;

farmaconutrienti ed integratori dietetici termini spesso usati non correttamente ed in maniera

indiscriminata per indicare nutrienti o alimenti arricchiti con nutrienti che possono prevenire o

trattare alcune malattie.

L'idea che la buona salute sia legata a particolari regimi alimentari è argomento antico e,

fortunatamente, questo concetto è ancora presente nel know-how di numerose popolazioni,

prima tra tutte quella del Giappone e dei paesi del bacino del Mediterraneo. Molti alimenti sono

ritenuti addirittura capaci di migliorare lo stato di salute. Per tale motivo si è cercato di

razionalizzare le conoscenze empiriche mediante la ricerca scientifica. Ciò ha stimolato lo studio di

alcune sostanze regolatrici, contenute negli alimenti, che potessero apportare benefici alla salute

umana.

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3. Il Licopene

3.1. Generalità sul Licopene

Il licopene, un carotenoide della stessa

famiglia del beta-carotene, è presente in

molti frutti caratterizzati da strutture

pigmentate (Tabella 1). Licopene viene

definito chimicamente un carotenoide

aciclico lineare caratterizzato da 11 doppi legami coniugati e, a differenza del β-carotene, non è

provitaminico A, cioè non viene trasformato nell'organismo in vitamina A. In natura il Licopene si

trova sotto forma strutturale di isomeri di tipo “trans” e, in particolare, nella frutta e nella verdura

fresca la sua percentuale risulta essere di 30 mg/Kg frutta fresca.

Esso, non è un semplice pigmento, ma rappresenta un potente antiossidante con la capacità,

quindi, di neutralizzare i radicali liberi, specie quelli derivati dall’ossigeno (Reactive Oxygen

Species, ROS), a tal punto che i carotenoidi ed in particolare il Licopene sono stati oggetto di

numerosi studi riguardanti il loro potenziale effetto nel ritardare lo sviluppo del cancro e di

inibirne la promozione.

Il Licopene è il principale responsabile del colore

rosso del pomodoro maturo e di altri pigmenti gialli e

rossi caratteristici di alcuni frutti e verdure, quali per

esempio il cocomero, l'albicocca, il pompelmo rosa, l'uva e la papaia.

Nel pomodoro il Licopene si trova maggiormente nella

parte più esterna del mesocarpo, dove in seguito alla

maturazione del frutto va a sostituire la clorofilla.

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3.2. Biosintesi dei carotenoidi: il Licopene

I carotenoidi sono pigmenti responsabili per la maggior parte del colore giallo, arancione, rosso

degli ortaggi e della frutta. Sono i pigmenti maggiormente diffusi in natura; si conoscono più di 560

strutture carotenoidiche, senza contare gli isomeri geometrici cis e trans. Si trovano in tutte le

piante fotosintetiche come componenti dei cromoplasti e anche in alcuni microorganismi.

I carotenoidi si distinguono in caroteni e xantofille e la loro biosintesi coinvolge tre passaggi:

1) Via dell’acido mevalonico a formare l’isopentil pirofosfato (IPP)

2) Sintesi del geranilgeranil pirofosfato

(GGPP)

3) Sintesi dei vari caroteni

Il primo passaggio della biosintesi dei

carotenoidi implica la condensazione di

due molecole di GGPP ad opera della

fitogene sintasi (PSY) che si compie in

due tappe portando prima alla

formazione di prefitoene pirofosfato

(PPPP) e quindi di fitoene. La reazione di

condensazione porta alla perdita

dell’idrogeno e del gruppo pirofosforico

in C-1’ della stessa molecola. Quindi si

ha il distacco del gruppo pirofosforico in

C-1 del PPPP seguito da un riaggiustamento C-1’ con la conseguente formazione del fitogene, che

può risultare 15-cis oppure tutto in trans. Successivamente una serie di quattro desaturazioni (ad

opera di fitoene desaturasi) portano alla formazione dei doppi legami coniugati convertendo il

fitoene (incolore) in fitofluene (incolore) in ς-carotene (giallo), in neurosporene (arancio) e

licopene (rosso).

L’azione della licopene ciclasi porta alla formazione del carotenoide biciclico β-carotene. Negli

ultimi stadi della via biosintetica si formano le xantofille.

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Il ruolo più importante è svolto dal pigmento carotenoide e precursore del β-carotene, il licopene,

responsabile della colorazione rossa di alcuni vegetali, principalmente il pomodoro ma anche

anguria, albicocche e guava.

3.3. Ruolo del licopene nelle piante

Nei vegetali freschi tale carotenoide si trova tutto in forma trans e in media nel pomodoro ha una

concentrazione di 30-200 mg/kg di peso fresco e rappresenta circa l’85% del contenuto totale di

carotenoidi. Ciononostante la sua concentrazione può variare notevolmente in base alla varietà e

allo stadio fisiologico della pianta (Siviero e Silvestri, 1998). E' stato infatti dimostrato che frutti di

pomodoro prossimi all'invaiatura, possono avere concentrazioni di licopene anche doppie rispetto

alla medesima varietà in fase fenologica diversa (Raffo et al.,2003). Il genotipo ha una grande

influenza sul contenuto di licopene tanto che forti delle recenti scoperte sulle sue proprietà

salutistiche, molte ditte sementiere sono riuscite ad ottenere ibridi ad alto contenuto di questo

pigmento.

3.4. Ruolo del licopene nell’uomo

Il licopene è particolarmente indicato per prevenire alcune malattie degenerative come certi

tumori epiteliali. In aggiunta al suo potere antiossidante il licopene ha un ruolo nella induzione

della comunicazione cellulare (Zhang et al.,1991) e nella modulazione delle risposte ormonali e del

sistema immunitario (Fuhramn et al.,1997).

In alcuni studi, effettuati su cellule umane e di ratto, è stato dimostrato che il Licopene, mediante

regolazione del gene contessina 43, era in grado di migliorare la comunicazione al livello delle

porte di giunzioni cellulari (GJC). (Paret et al., 1997)

L’ azione antitumorale del Licopene sul Carcinoma della mammella è stata riportata in uno studio

in vivo su topi trattati con l’ agente cancerogeno Dimetilbenzatracene.

La somministrazione preventiva, per 16 settimane, di un estratto di Licopene determinava una

riduzione sia del numero che delle dimensioni del tumore.

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Il licopene sembra anche regolare la crescita cellulare mediante l’inibizione dell’ espressione di

alcune cicline (proteine regolatrici coinvolte nella progressione del ciclo cellulare). Questo

meccanismo d’azione è confermato da numerosi studi condotti sia su topi che su cellule epiteliali

prostatiche. Si è inoltre evidenziato tramite 28 studi l’attività chemio preventiva del pomodoro. In

16 di questi studi è stato riportato che il consumo di pomodoro (fino a 17,3 g al giorno) riduceva il

rischio di cancro alla vescica, al tratto gastrointestinale, ai polmoni, al mesotelio, alle ovaie e alla

prostata. Dagli studi effettuati si attribuisce al pomodoro la caratteristica di un prodotto sicuro e

senza effetti collaterali. Alle molteplici azioni di questo antiossidante si associano funzioni

antibatteriche e antifungine e in condizioni sperimentali su ratti si è evidenziata inoltre la funzione

antitossica contro aflatossine, ciclosporine e cadmio (Basu e Imrhan, 2006)

Il Licopene essendo una sostanza lipofila, viene solubilizzato dagli acidi biliari e dai grassi della

dieta incorporata in micelle lipidiche che permettono il passaggio attraverso la mucosa intestinale,

mediante meccanismo di trasporto passivo; alcuni studi in vitro suggeriscono invece che ci sia uno

specifico trasportatore epiteliale. Il successivo metabolismo epatico è poco conosciuto, ma si

presume che come gli altri carotenoidi venga trasportato al sistema linfatico dai chilomicroni (Basu

e Imrham, 2006).

La concentrazione di Licopene al livello plasmatico è notevole (da 0,22 a 1,06 nmoli/ml,

rappresentando circa la metà dei carotenoidi totali nel flusso sanguigno) , ma c’ è molta variabilità

tra gli individui, a seconda delle abitudini alimentari e dell’area geografica di provenienza.

Per quanto riguarda la distribuzione periferica prevale nel tessuto adiposo, nella pelle, nelle

ghiandole surrenali, nella mammella, e nella prostata.

La cottura del pomodoro aumenta la biodisponibilità del licopene. Quella della passata di

pomodoro è circa quattro volte più grande rispetto a quella del pomodoro fresco, poiché

probabilmente si ha la dissociazione dei complessi proteici in cui è incorporato o per la dispersione

degli aggregati cristallini dei carotenoidi.

Gli effetti biologici del licopene sono determinati dal meccanismo d’azione specifico ma

soprattutto dall’ interazione con altri composti bioattivi.

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4. Colture agrarie caratterizzate da una buona produzione di licopene.

Il licopene è una sostanza naturale presente in alcuni alimenti di origine vegetale.

Appartiene al gruppo dei carotenoidi, un insieme di pigmenti di colore giallo-violetto molto diffusi

in natura. La maggiore fonte di licopene è rappresentata dal pomodoro da cui prende anche il

nome, e dai suoi derivati, nei quali rappresenta il 60% del contenuto totale in carotenoidi.

4.1. Il pomodoro

Il pomodoro (Solanum lycopersicum) è una pianta erbacea appartenente alla classe Magnoliopsida

(dicotiledoni), perennante, inizialmente classificata da Linneo come appartenente alla famiglia

delle Solanacee e raggruppata nel genere Solanum. Successivamente (1768) Miller scrisse il genere

Solanum, formando il genere indipendente Lycopersicon a sua volte comprendente due subgeneri:

Eulycopersicon C.H. Muller, a frutti rossi e glabri ed Eriopersicon C.H. Mull, caratterizzato da frutti

verdi e tomentosi (Amadei et al., 1990).

Il pomodoro è una pianta erbacea, annuale, alta

fino a 2 metri, con portamento iniziale eretto,

successivamente prostrato a causa del peso dei

frutti. Ha un accrescimento simpodiale (ogni

segmento della pianta termina con

un’infiorescenza) e presenta gemme all’ascella di

ciascuna foglia (Tesi, 1994).

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Le foglie sono grandi, picciolate, irregolarmente

composte da foglioline diseguali a lembo più o

meno inciso. I fiori si formano in numero variabile

da 4 a 12 su infiorescenze a racemo che sorgono

all’ascella delle foglie.

I fiori sono gialli, bisessuati, con ovario supero pluriloculare e

pluriovulare, gli stami sono in numero di 5 o più, formanti con le

antere un manicotto intorno al pistillo.

Il frutto, unica parte commestibile, è una bacca

di forma e dimensioni variabili (globosa,

appiattita, allungata, ombelicata; liscia o

costoluta), con numero di logge variabile, di

colore generalmente rosso al raggiungimento

della maturazione. Nella polpa, contenuta nelle

logge delle bacche, stanno numerosi semi

discoidali schiacciati che quando sono secchi

sono tomentosi e di colore giallo-grigiastro.

La pianta del pomodoro presenta un apparato radicale fittonante che raggiunge una profondità di

2 m, anche se circa il 60% della radice più attiva è compresa nei primi 0,30 m di terreno.

L’apparato fittonante comprende una fitta rete di radici laterali più o meno superficiali e il suo

accrescimento è più intenso nella fase vegetativa rispetto alla fase di formazione dei frutti.

Nel pomodoro è presente un polimorfismo molto accentuato: esistono diverse varietà che si

diversificano tra di loro per ciclo (precoce-tardivo), copertura fogliare , caratteristiche estrinseche

del frutto (forma, dimensione, colore e pezzatura) e tolleranza alle malattie. Possiede un corredo

cromosomico 2n=24, che può presentare fenomeni di 10 poliploidia spontanea, caratterizzata da

fenotipi con foglie e fiori più grandi ed intensamente colorati e una completa (o quasi ) sterilità.

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4.2. Areale di coltivazione

Il pomodoro ben si adatta a condizioni di clima temperato–caldo, anche se il trasferimento in

ambienti più rigidi, porta questo ortaggio da

perennante ad annuale. I limiti termici per la

coltura sono: 0-2°C come temperatura minima

letale, 8-10 °C come minimo di vegetazione, 13-16

°C come valori termici ottimali notturni e 22-26°C

come valori ottimali diurni (Figura).

Il pomodoro si adatta a diversi tipi di suolo, con variazioni che dipendono dalla varietà scelta e

dalle condizioni nutritive di base che devono essere garantite. Predilige terreni a reazione sub

acida e risulta essere una specie suscettibile alla salinità: fino a EC= 2,5 mS cm-1 non presenta

effetti negativi mentre con EC= 5 mS cm-1 riduce del 25% le rese e tollera un valore massimo pari a

12,5 mS cm-1 (Marzi et al., 2001). Per quanto riguarda le esigenze nutritive, necessita di una

maggiore quantità di potassio a cui seguono in ordine di importanza azoto, fosforo e calcio. Il

potassio gioca un ruolo importante sulla qualità delle bacche influenzandone la quantità di

zuccheri, il residuo secco e il colore. L’azoto esalta il vigore vegetativo, quindi è un componente

molto importante per ottenere rese elevate, anche se un suo eccesso può favorire eccessivamente

il rigoglio della vegetazione a scapito della fruttificazione.

5. Tecniche agronomiche per l’ottimizzazione della produzione di licopene nel

pomodoro

Tecniche di gestione del suolo

La gestione del suolo nel suo complesso, condiziona la fisiologia e la morfologia della pianta. In

tale contesto, è facilmente deducibile che tecniche gestionali possono influenzare i metaboliti

sintetizzati dalla pianta. Infatti, in un recente articolo, due differenti tecniche di gestione del suolo,

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convenzionale ed organica, ha messo in luce che la seconda comportava un incremento del livello

di licopene nei frutti di pomodoro.

Nutrizione

Un recente lavoro pubblicato sul "Journal of Horticultural Science & Biotechnology (Serio et al.,

2007)" dimostra che il livello di potassio influenza il contenuto di licopene anche in bacche di

pomodoro high-pigment. E’ infatti possibile aumentare il contenuto di licopene delle bacche di

pomodoro gestendo oculatamente la nutrizione della pianta. Nella ricerca, condotta in ambiente

protetto, che ha avuto lo scopo di verificare l’influenza del potassio sul contenuto di licopene in

bacche di pomodoro, è emerso che la concentrazione di licopene nei frutti aumenta con

l’aumentare della dose di potassio distribuita. L’incremento di potassio tuttavia ha effetti diversi a

seconda dell’epoca di raccolta: in media il contenuto di licopene è stato pari a 60 mg/kg di peso

fresco nei frutti raccolti il 5 giugno contro i 72 mg/kg di peso fresco registrati in quelli raccolti il 4

novembre (con picchi, rispettivamente, di 70 e 79 mg/kg di prodotto fresco alla dose di 450 mg/L

di K). Questo a conferma del fatto che negli ambienti meridionali, il principale fattore limitante è

rappresentato dalle temperature elevate, soprattutto nei mesi estivi.

Miglioramento genetico

Sebbene il pomodoro è ricco di licopene, rispetto agli altri frutti, la concentrazione di questo

metabolita nelle varietà coltivate è molto bassa. A tal proposito tecniche di ingegneria genetica,

come quella sviluppata alla Pensylvania State University, ha comportato la nascita di nuove varietà

di pomodoro con elevati contenuti di licopene. In particolare è stato trasferito un gene, attraverso

selezione assistita, che determinava l’aumento della biosintesi di licopene, senza effetti

indesiderati durante l’accrescimento della pianta, sia in varietà ad accrescimento determinato che

indeterminato.(Ashrafi et al., 2012).

6. Tecniche di estrazione del licopene

Tra tutte le tecniche di estrazione del licopene, quali distillazione frazionata, estrazione in corrente

di vapore, estrazione con solventi o desorbimento termico, nella presente relazione, è stata

considerata la SFE (Supercritical fluids extration) la quale garantisce un’alta efficienza con un

minore degradamento chimico della sostanza (Gil-Chavev et al., 2013). Questa tecnica può essere

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applicata a scale diverse (laboratori o industrie). Sulla base di tali premesse, l’estrazione con fluidi

supercritici è una delle tecnologie migliori per trattare, con vari obiettivi, materie prime di

interesse alimentare, farmaceutico e cosmetico (estrazione dei principi attivi e dei componenti

delle erbe officinali). Tra i fluidi supercritici impiegabili l’anidride carbonica (CO2) è la più idonea,

infatti, priva di tossicità, inerte, non infiammabile, poco costosa, riciclabile e quindi priva di

impatto sull’ambiente. L'estrazione con CO2 è una tecnologia moderna di estrazione di

componenti vegetali lipofili realizzata secondo un procedimento estremamente rispettoso e senza

rilascio di residui di sostanze solventi. Il funzionamento avviene a basse temperature permettendo

l’assenza di degradamento fisico. Le sostanze naturali, come il licopene, sono spesso poco stabili a

temperature elevate, e richiedono quindi di essere mantenute e trattate a temperature vicine a

quella ambiente: la CO2 ha una temperatura critica di 31 °C, che la rende particolarmente adatta

come solvente per le sostanze di origine biologica (Egydio et al., 2010).

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