ETD

• brown algae
• DES
• green chemistry
• IL
• Methyl esters
• sustainable extraction

This Thesis work falls within the field of Green Chemistry, focusing on bioactive compounds extraction from biomass using sustainable solvents.
Over the last few decades, the need to transition towards a circular economy with low environmental impact has placed the abandonment of fossil fuels at the center of scientific research, in line with the objectives of the 2030 European Agenda.
In this scenario, the development of bio-based solvents is crucial to replace traditional solvents, which are often associated with high human and environmental toxicity.
Biomass represents a renewable resource that can be employed directly in the industrial production of many materials (including solvents), or as a starting material from which a wide variety of bioactive compounds can be extracted. In this Thesis work, vegetable oils of low food value were used for the synthesis of different bio-based solvents, while algal biomass was used as a source of bioactive compounds.
Therefore, in the first phase of the project, conducted at the University of Pisa, different Deep Eutectic Solvents (DES), Ionic Liquids (IL), and methyl esters were synthesized using cottonseed, linseed, and castor oils as starting materials. Conversely, in the second part, conducted at the University of Aveiro, the previously prepared solvents were used in the extraction of chlorophyll and fucoxanthin from the brown alga Fucus vesiculosus, using maceration as the extraction technique.
Chlorophyll and fucoxanthin are two natural pigments that present a complex hydrophobic structure. In literature, DESs and ILs are reported to be highly efficient in the extraction of this type of bioactive compounds, because they improve the disruption of cellular structures and the solubilization of the pigments themselves. Furthermore, by adequately selecting the components, it is possible to prepare DESs entirely derived from natural sources, which exhibit, in some cases, a low toxicity and therefore greater sustainability. In the present work, the precursors used for the synthesis of the solvents were vegetable oils and choline hydroxide, both derived from natural sources and characterized by low toxicity.
During the first phase of this work, the solvents were synthesized and characterized by NMR, TGA, and DSC. In addition, the molar ratio between the DES components was optimized, along with the reaction conditions of each employed process, in order to reduce the high viscosity initially obtained, in view of their subsequent use as extraction solvents.
During the period spent at the University of Aveiro, the synthesized solvents were subjected to a preliminary screening, from which the castor oil derivatives emerged as the most promising. In particular, the DES formulated with 1,2-propanediol was selected for the subsequent optimization phases. The extraction yields of the screening phase and the subsequent parameter optimization phase
were determined by UV-Vis spectrophotometry, using a microplate reader, to evaluate the absorbance of the different extracts at 457 nm and 662 nm, respectively.
Finally, the extraction process was rigorously optimized by evaluating the influence of critical parameters such as the type and percentage of co-solvent (necessary to regulate viscosity), the solid-solid ratio (SSR), and the extraction time.
The obtained results showed that the solvent possesses good extraction properties towards the selected pigments, confirming its high application potential as an ecological, safe, and sustainable alternative to conventional solvents.

Questo lavoro di Tesi si inserisce nel contesto della Green Chemistry, focalizzandosi sull'estrazione di sostanze bioattive da biomassa mediante l'impiego di solventi sostenibili.
Negli ultimi decenni, la crescente necessità di transizione verso un'economia circolare e a basso impatto ambientale ha posto al centro della ricerca scientifica l'abbandono delle fonti fossili, in linea con gli obiettivi dell'Agenda Europea 2030. In questo scenario, lo sviluppo di solventi bio-based è cruciale per sostituire i solventi tradizionali, spesso associati a elevata tossicità umana e ambientale.
Le biomasse rappresentano una risorsa rinnovabile che può essere impiegata direttamente nella produzione industriale di molti materiali (compresi i solventi), oppure come materiale di partenza da cui estrarre una elevata varietà di composti bioattivi. In questo lavoro di Tesi, oli vegetali di scarso valore alimentare sono stati impiegati per la sintesi di diversi solvente bio-based, mentre biomasse algali sono state impiegate come fonte di composti bioattivi.
Quindi, nella prima fase progetto, condotta presso l'Università di Pisa, sono stati sintetizzati differenti Deep Eutectic Solvents (DES), Liquidi Ionici (IL) e metilesteri impiegando come materiali di partenza oli di cotone, lino e ricino. Invece, nella seconda parte, condotta presso l'Università di Aveiro, i solventi precedentemente preparati sono stati utilizzati nell'estrazione di clorofilla e fucoxantina dall'alga bruna Fucus Vesiculosus, utilizzando come tecnica estrattiva la macerazione.
La clorofilla e la fucoxantina sono due pigmenti naturali che presentano una complessa struttura idrofobica. In letteratura, i DESs e i ILs sono riportati come molto efficienti nell'estrazione di questo tipo di composti bioattivi, perché migliorano la disgregazione delle strutture cellulari e la solubilizzazione dei pigmenti stessi. Inoltre, selezionando adeguatamente i componenti è possibile preparare DES interamente derivanti da fonti naturali, che presentano, in alcuni casi, anche una bassa tossicità e quindi una maggiore sostenibilità. Nel presente lavoro, i precursori utilizzati per la sintesi dei solventi sono stati gli oli vegetali e la colina idrossido, che sono entrambi derivanti da fonti naturali e presentano bassa tossicità.
Durante la prima fase di questo lavoro, i solventi sono stati sintetizzati e caratterizzati tramite NMR, TGA e DSC. Inoltre, il rapporto molare tra i componenti dei DES è stato ottimizzato, insieme alle condizioni di reazione di ogni processo impiegato, in modo da ridurre l’alta viscosità inizialmente ottenuta, in vista del successivo utilizzo come solventi di estrazione.
Nel periodo trascorso presso l'Università di Aveiro, i solventi sintetizzati sono stati sottoposti a uno screening preliminare, dal quale i derivati dell'olio di ricino sono emersi come i più promettenti. In particolare, il DES formulato con 1,2-propandiolo è stato selezionato per le successive fasi di ottimizzazione. Le rese di estrazione della fase di screening e della successiva fase di ottimizzazione dei parametri sono state determinate mediate la spettrofotometria UV-VIS, tramite un lettore di micropiastre, per valutare l'assorbanza dei diversi estratti rispettivamente a 457 nm e 662 nm.
Infine, il processo estrattivo è stato rigorosamente ottimizzato valutando l'influenza di parametri critici quali il tipo e la percentuale di co-solvente (necessario per regolare la viscosità), la solid-solid ratio (SSR) e il tempo di estrazione.
I risultati ottenuti hanno mostrato che il solvente possiede buone proprietà estrattive nei confronti dei pigmenti selezionati, confermando il suo elevato potenziale applicativo come alternativa ecologica, sicura e sostenibile ai solventi convenzionali.