Természetes termékek szubkritikus vízkivonása 1. rész

Kérlek keress feloscar.xiao@wecistanche.comtovábbi információért

Absztrakt:A szubkritikus víz a magas hőmérsékletű és nagynyomású vízre vonatkozik. A szubkritikus víz egyedülálló és hasznos tulajdonsága, hogy polaritása drámaian csökkenthető a hőmérséklet emelkedésével. Ezért a szubkritikus víz a metanolhoz vagy az etanolhoz hasonlóan viselkedhet. Ez a szubkritikus vizet zöld extrakciós folyadékká teszi, amelyet számos szerves fajhoz használnak. Ez az áttekintés a természetes termékek szubkritikus vízkitermelésére (SBWE) összpontosít. A kivont anyagok gyógy- és fűszernövényeket, zöldségeket, gyümölcsöket, élelmiszer-melléktermékeket, algákat, cserjéket, tealeveleket, gabonákat és magvakat tartalmaznak. Természetes termékek széles skáláját, például alkaloidokat, szénhidrátokat, illóolajokat, flavonoidokat, glikozidokat, lignánokat, szerves savakat, polifenolokat, kinonokat, szteroidokat és terpéneket vontak ki szubkritikus vízzel. Különböző SBWE-rendszereket, valamint azok előnyeit és hátrányait is tárgyaltuk ebben az áttekintésben. Ezenkívül áttekintettük az SBWE segítésére használt társoldószereket, beleértve az etanolt, metanolt, sókat és ionos folyadékokat. Ez az áttekintés más extrakciós technikákkal is foglalkozik, mint például a mikrohullámú sütővel és az SBWE-vel kombinált ultrahangos kezeléssel. Nagyon világos, hogy a hőmérsékletnek van a legjelentősebb hatása az SBWE hatékonyságára, így optimalizálható. A fent említett természetes termékek kivonásához az optimális hőmérséklet 130 és 240 fok között van. Ez az áttekintés segíthet az olvasóknak többet megtudni az SBWE technológiáról, különösen azoknak az olvasóknak, akik érdeklődnek a természetes termékek zöld kitermelése iránt. A természetes termékek SBWE fő előnye, hogy a víz nem mérgező, ezért inkább gyógynövények, zöldségek és gyümölcsök kinyerésére alkalmas. További előny, hogy az SBWE után nincs szükség folyékony hulladék ártalmatlanítására. A szerves oldószerekkel összehasonlítva a szubkritikus víz nemcsak ökológiai, gazdaságossági és biztonsági előnyökkel rendelkezik, hanem sűrűsége, ionterméke és dielektromos állandója is beállítható hőmérséklettel. Ezek a hangolható tulajdonságok lehetővé teszik, hogy a szubkritikus víz osztály szelektív extrakciót hajtson végre, például poláris vegyületek extrakcióját alacsonyabb hőmérsékleten és kevésbé poláris összetevőket magasabb hőmérsékleten. Az SBWE képes utánozni a hagyományos gyógynövény-főzetet a gyógynövényes gyógyszerek előállításához, nagyobb extrakciós hatékonysággal. Mivel az SBWE magas hőmérsékletet és nagy nyomást alkalmaz, nagy körültekintésre van szükség a biztonságos működéshez. Az SBWE alkalmazásának másik kihívása a potenciális szerves lebomlás magas hőmérsékleti körülmények között. Erősen javasoljuk az analit-stabilitási ellenőrzések elvégzését az SBWE végrehajtásakor. A gyenge SBWE hatékonyságú analitokhoz kis számú szerves módosító, például etanol, felületaktív anyagok vagy ionos folyadékok adhatók hozzá.

Kulcsszavak:természetes termékek; szubkritikus vízkivétel;alkaloidok; glikozidok; flavonoidok; illóolajok;kinonok; terpének;lignánok; szerves savak; polifenolok; szteroidok; szénhidrátokat

További információért kattintson ide

1. Bemutatkozás

A gyógynövények évezredek óta létfontosságú szerepet játszottak a betegségek kezelésében, különösen Kelet-Ázsiában. A gyógynövényekben és növényekben található bioaktív összetevők számos betegség megelőzésének és kezelésének alapját képezik [1. A kémiailag szintetizált drogokkal szembeni viszonylag csekély mellékhatásai miatt nagy figyelmet fordítanak a bioaktív vegyületek széles körének gyógynövényekből és növényekből való kinyerésére és elkülönítésére. A gyógyszerhatóanyagok (API) gyógynövényekből való 1000-éves extrakciós eljárása a hagyományos gyógynövényfőzetes (THD) módszer. A THD-ben azonban vannak bizonyos hibák, mint például a hosszú extrakciós idő és a hatóanyagok bomlása. Metanolt, etanolt, n-hexánt, petrolétert, dietil-étert, kloroformot, etil-acetátot és glicerint gyakran használnak extrakciós oldószerként az extrakció hatékonyságának növelésére és az extrakciós idő csökkentésére. Nyilvánvaló, hogy ezek a szerves oldószerek illékonyak, gyúlékonyak, többnyire mérgezőek és drágák. Így ezek nem biztonságos extrakciós folyadékok gyógynövények, növények, gyümölcsök, zöldségek és hasonlók számára.

A közelmúltban kifejlesztett különféle új zöld extrakciós és elválasztási technológiák közül az SBWE a legígéretesebb. A szubkritikus víz a kritikus pontja alatti hőmérsékletű és nyomású folyékony vízre vonatkozik (Tc= 374.15 fok, Pc=22.1 Mpa). A szubkritikus víz nyomásának magasabbnak kell lennie, mint a gőznyomás egy adott hőmérsékleten, hogy a víz folyékony állapotban maradjon. A hőmérséklet emelkedésével a szubkritikus víz pH-fizikai-kémiai tulajdonságai drasztikusan megváltoznak. Dielektromos állandója, viszkozitása és felületi feszültsége folyamatosan csökken, diffúziós együtthatója pedig javul a víz hőmérsékletének növekedésével [2-5].

Amint az 1. ábrán látható, a víz 27 fokos és 100 Mpa nyomáson poláris oldószer, dielektromos állandója 81,2. Szerencsére, ha a hőmérsékletet 350 fokra emelik 100 Mpa mellett, a víz dielektromos állandója körülbelül 20-ra csökken. Más szóval, a víz polaritása erős polárisról sokkal kevésbé polárisra változik[2]. Például a víz dielektromos állandója 200 fokon, 250 fokon és 300 fokon megegyezik az acetonitril, a metanol és az etanol dielektromos állandójával (1. ábra). Így még sokkal kevesebb poláris vegyület vonható ki szubkritikus vízzel magas hőmérsékleten. Elméletileg hangolható polaritása alapján a szubkritikus víz számos anyagot képes kivonni az extrakciós hőmérséklet és a nyomás körülményeinek beállításával.

A tényleges extrakciós folyamatokban, mivel a nyomás minimális hatással van a víz dielektromos állandójára, a víz hőmérsékletét úgy állítják be, hogy a víz dielektromos állandóját szabályozzák, hogy utánozzák a különféle szerves oldószereket. A szubkritikus víznek ez az egyedülálló tulajdonsága lehetővé teszi, hogy a víz legyen az egyetlen extrakciós folyadék, anélkül, hogy tartalmaznak társoldószereket, például savakat, lúgokat, katalizátorokat vagy szerves oldószereket; ez megfelel a zöld kémiai extrakció elveinek, mivel a víz nem mérgező.

A szubkritikus vízalkalmazások a következő területeken találhatók meg:(1)fordított fázisú folyadékkromatográfia, amelynek egyetlen mobil pHáz-szubkritikus vízkromatográfiája a szubkritikus víz [3];(2)környezeti minták kinyerése, például szerves szennyezőanyagok meghatározása szilárd hulladékokban, talajokban, üledékekben és légköri részecskékben [5,6];(3)hidrolízis, lebomlás, polimerizáció és szintézis reakciók szubkritikus víz felhasználásával oldószerként vagy reagensként [7l;(4)környezeti kármentesítés, például tisztítás szennyezett szennyvizek és talajok, lebontó szennyező anyagok (peszticidek, policiklusos aromás szénhidrogének és poliklórozott bifenilek) és robbanóanyagok [8];(5) hatóanyagok kinyerése gyógy- és fűszernövényekből, zöldségekből, gyümölcsökből és egyéb növényi eredetű mátrixokból [4, 9].

A Cistanche javíthatja az immunitást

Ez az áttekintés az elmúlt évek természetes termékeinek SBWE-re összpontosít. Az elveket, mechanizmusokat, statikus és dinamikus extrakciós módokat, valamint az SBWE hatékonyságát befolyásoló tényezőket Gbashi és munkatársai írták le [10]. Mivel a különböző kutatások a flavonoidok, szénhidrátok, glikozidok, szerves savak, polifenolok, alkaloidok, illóolajok, kinonok, terpének, lignánok és szteroidok kivonására irányultak[11,12], szisztematikus és átfogó áttekintést adunk az SBWE-körülményekről, a hatóanyagok és a szubkritikus kivonatok funkciója, aktivitása, elemzési módszerei és összevetése a fent említett természetes termékek más extrakciós módszereivel. A szubkritikus víz egyszerre több hatóanyagot is kivonhat természetes termékekből. A szubkritikus vizes kivonatokban minden egyes természetes termékvegyület elválasztása, azonosítása és mennyiségi meghatározása folyadékkromatográfiával, gázkromatográfiával, infravörös spektrummal és/vagy tömegspektrometriával történik.

2. Szubkritikus vízzel extrahált mintamátrixok

Általában a szubkritikus vízzel kivont mintamátrixok a következő négy csoportot tartalmazzák: Növények, élelmiszer-melléktermékek, gombák és tengeri algák. A jelen áttekintésben hivatkozott hivatkozások elemzése és statisztikái alapján elkészítettük a 2. ábrát, amely bemutatja a szubkritikus vízzel kivont egyes mintamátrixok százalékos arányát. Amint az ábrán látható, a szubkritikus vízzel kivont mintamátrixok 262,3 százaléka növényekből származik, ezt követik az élelmiszer-melléktermékek 290 százalékkal, a tengeri algák 4,9 százalékkal és a gombák 3,8 százalékkal.

Egyes gyógynövények esetében az egész növény pH-értékekkel rendelkezik, és a hagyományos gyógynövénygyógyászatban felírják őket, míg más gyógynövények csak egy részét vagy részeit használják fel a gyógynövényekben. A gyógynövények részei közé tartoznak a gyökerek, szárak, levelek, virágok, magvak és gyümölcsök. Például a Hedyotis diffusa Willd egész növényei. [13] és Centella asiatica L.[14] gyógyászati ​​értékkel rendelkeznek, és ennek a két gyógynövénynek a leveleit, csomóit, levélnyéleit és gyökereit az SBWE előtt földelték. A ginzeng [15] szárai és levelei, a Sophora flavescens Ait gyökere. [16] és a Rheum tanguticum [17], valamint a kamilla ligulate virágait [18] szubkritikus vízzel vonták ki. Gondosan kiválogattuk a gyógynövényeket, és az egyes gyógynövények százalékos arányát a 3. ábra szemlélteti. A 3. ábrán láthatók azok a gyógynövények levelei, amelyeket az SBWE-ben a legszélesebb körben vizsgálnak. Bár a gyümölcsök és magvak héja, héja, korpa, kéreg, héj, héja, maghéj, cirok a melléktermékek, ezek is sok hatóanyagot tartalmaznak. Például a vöröshagyma, az egyik leggyakrabban fogyasztott zöldség, flavonoid tartalma miatt számos egészségügyi előnnyel rendelkezik. Egyes eredmények azt mutatták, hogy az SBWE technikával előállított hagymahéj-kivonatok nagy potenciállal rendelkeznek hasznos antioxidánsok forrásaként [19,20]. A szemeket, magvakat, kukoricát és gyümölcsöket SBWE-vel is vizsgálták [21]. Az összes áttekintett cikk közül csak egy cikk számolt be arról, hogy az Aquilaria malaccensis fájának hasznos gyógyászati ​​alkalmazásai vannak, és a hagyományos orvoslásban fájdalom, láz, reuma és asztma kezelésére használják [22].

2.1.Növények

A szubkritikus vízzel kinyert növények főként gyógynövényeket [15,23-29], gyógyhatású zöldségeket [30,31], gyümölcsöket 32-36], olajos magvakat [37-40], cserjéket, magvakat, tealevél és bab [41-46]. Ezeket a növényeket néhány országban évezredek óta használják a hagyományos gyógyászatban, és bizonyítottan bőséges pH-armakológiailag aktív komponenssel rendelkeznek. Például a ginzeng értékes kínai gyógyszer, amelyet Kínában, Koreában, Japánban és Brazíliában használnak. A ginzengről beszámoltak arról, hogy számos bioaktív kémiai vegyületet tartalmaz, beleértve a terpéneket, poliacetiléneket, alkaloidokat, vitaminokat, ásványi anyagokat, fenolokat, flavonoidokat és triterpéneket [15]. Ezek az aktív komponensek antioxidáns, gyulladáscsökkentő, antidiabetikus, daganatellenes, kardiovaszkuláris, immunszabályozó és neuroregulátor hatással rendelkeznek [26]. Az oregánó egy lágyszárú növény, amely a mediterrán régiókban őshonos [4748]. Néhány egészséges tulajdonságot tulajdonítottak ennek a növénynek, mint például a karvakrol- és timolvegyületekhez kapcsolódó erőteljes antibakteriális és gombaellenes hatása, valamint bizonyos antioxidáns hatása.

2.2. Élelmiszer-melléktermékek

Lényegében a melléktermékek a gyümölcshéjak, a teafilterek, a magmaradványok, a zöldséghéjak, a gesztenyekéreg, a kakaóhéj, a gabonakorpa, a lótuszmag epicarp és a szárak által termelt hulladékok [49]. Sokféle gyümölcsnek van héja, például a banánnak, a narancsnak és az almának. Bár gyakran kidobjuk őket, a gyümölcshéjak sok API-t tartalmazhatnak. Ezért érdemes kutatást végezni a melléktermékekkel kapcsolatban. Például a narancshéj a gyümölcslé-kivonó ipar fő hulladék-mellékterméke [50]. Ennek ellenére a narancshéj vonzó forrása a bioaktív vegyületeknek, amelyek rengeteg pH-enol- és flavonoidvegyületet tartalmaznak.

2.3. Tengeri algák

Az SBWE-ben vizsgált tengeri algák közé tartoznak a mikroalgák, a hínárok és a Haematococcus Pluvialis [51-53]. Az algák gazdagok telített zsírsavakban, egyszeresen telítetlen zsírsavakban és többszörösen telítetlen zsírsavakban, amelyek egészségesek a szív- és érrendszer számára. Az omega-3, amely jelentős szerepet játszik a szervezet gyulladásos folyamataiban és a sejtek egészségében, különösen a rák megelőzésében és kezelésében használatos. Az SBWE technológia használatával az algák az omega jövő generációjának egyik lehetséges forrásává válhatnak-3.

2.4.Gombák

Egyes gombák a növények és állatok bizonyos betegségeiért is felelősek, amelyek zöldségként is lehetnek, ilyenek például az ehető gyógygombák, amelyek közé tartozik a gombák (Lentinus edodes [54-57]; Grifola frondosa [58], Sagittaria sagittifolia) L. [50-61]), és Cordyceps militaris (C.militaris)[62]. A C.militaris az értékes ehető gyógygombák egyik fajtája, amely világszerte széles körben elterjedt. Kiterjedt kutatások kimutatták, hogy a C. militaris kivonatainak számos pH-armakológiai hatása van, mint például gyulladásgátló, javítja az inzulinrezisztenciát és antioxidáns aktivitást.

3. SBWE rendszerek és extrakciós mechanizmus

In the beginning, supercritical water (T>374°C, P>22,064 Mpa) széles körben részt vett szén, olajhomok bitumen kitermelésében [63,64] és oxidációjában [65]. A szuperkritikus víz kemény kísérleti körülményeket igényel, például rendkívül magas hőmérsékletet és nagy nyomást, amelyek gyakran súlyos korróziót okoznak a kísérleti berendezéseken és a csatlakozócsöveken. Az 1990-es évek óta a szubkritikus víz fokozatosan felváltja a szuperkritikus vizet a kitermelés területén, mivel a szubkritikus víz viszonylag enyhe hőmérsékletet és nyomást igényel. Így a szubkritikus vizet széles körben alkalmazzák a szerves szennyező anyagok extrakciójában [66,67], és a kutatók megpróbálták összekapcsolni az SBWE-t folyadékkromatográfiával, hogy csökkentsék az extrakciós és kromatográfiás elemzési folyamat analitikai lépéseit [68-70]. Az extrakciós hatékonyság javítása érdekében az ultrahanggal segített SBWE-ről [71] és a mikrohullámú sütővel segített SBWE-ről [72] is beszámoltak.

3.1. Az SBWE módozatai

Főleg két SBWE mód létezik, nevezetesen a statikus kivonás és a dinamikus extrakció. A statikus extrakció olyan extrakciós módszert jelent, amelyben a szubkritikus vizet és az extrahálandó mintát a 4. ábrán látható módon egy extraháló edénybe adják, majd mérsékelt nyomáson a kívánt hőmérsékletre melegítik, hogy a víz folyékony állapotban maradjon. A beállított extrakciós idő elérése után az extrahálószert összegyűjtjük kromatográfiás elemzés céljából. Ez az extrakciós eljárás hasonló a gyorsított oldószeres extrakcióhoz. A statikus extrakció hatékonysága általában alacsonyabb, mint a dinamikus extrakcióé.

A Dynamic SBWE egy folyamatos extrakciós eljárás, ami azt jelenti, hogy a minták extraháló edénybe adása után egy szivattyúval folyamatosan vizet táplálunk az extraktorba, és az extrakciót rögzített hőmérsékleten vagy gradiens hőmérsékleti körülmények között hajtjuk végre. A szivattyú állandó nyomású vagy állandó áramlási üzemmódra állítható. A Dynamic SBWE nemcsak felgyorsítja az anyagátvitel hatékonyságát és lerövidíti az extrakciós időt, hanem szelektíven folyamatos extrakciót is megvalósít. A dinamikus SBWE azonban blokkolhatja az SBWE rendszert.

Sok esetben mind statikus, mind dinamikus SBWE módot használnak. Az SBWE üzemeltetői általában egy statikus kivonási periódust hajtanak végre, amelyet egy dinamikus extrakció követ. Bár az SBWE-munka túlnyomó részét az extrahált analitok szilárd csapdázása nélkül végzik (lásd a 4. ábrát fent), az SBWE szilárd csapdával (4. ábra, lent), amely összegyűjti az extrahált analitokat, könnyen összekapcsolható folyadékkromatográfiával. elemzéshez, amint azt alább tárgyaljuk.

3.2. Az SBWE online és offline összekapcsolása folyadékkromatográfiával

Az SBWE rendszert nagy teljesítményű folyadékkromatográfiával kapcsolták össze szilárd fázisú csapdával [69]. Beszámoltak az SBWE és a HPLC offline összekapcsolásáról [70]. A szilárd csapdát minden extrakció után fizikailag eltávolítottuk az SBWE rendszerből, és elemzés céljából egy HPLC rendszerhez csatlakoztattuk. Ezt a lépést azonban az online SBWE-HPLC megközelítés kiküszöböli. Az SBWE után az analitcsapda a helyén marad, miközben a HPLC-elemzés a szelepek egyszerű átkapcsolásával történik, hogy az analitcsapdát a HPLC-egységgel összekapcsolják.

Az SBWE és szubkritikus vízkromatográfiás (SBWC) offline összekapcsolásáról is beszámoltak [70]. Az SBWC a fordított fázisú folyadékkromatográfiára utal, amelyben szubkritikus vizet használnak egyetlen mozgófázis-komponensként. Amint az 5. ábrán (fent) látható, az extrahált analitokat a szorbens csapdában gyűjtik össze az SBWE lépés során. Az SBWE extrakció után a mintacsapdát egy szubkritikus vízkromatográfiás rendszerhez csatlakoztatjuk (5. ábra, alul). Az SBWE során a szorbens csapdában összegyűjtött analitokat a mintacsapda melegítésével termikusan deszorbeálják, majd az SBWC rendszerbe szállítják elemzésre. Az SBWE-SBWC csatolás nyilvánvaló előnye, hogy a szerves oldószereket az extrakciós és a kromatográfiás elemzési lépésekben is kiküszöböli. A kihívás azonban az, hogy a termikus deszorpció általában magas hőmérsékletet igényel, ami potenciálisan az analit lebomlását okozhatja.

3.3. A szubkritikus vízkivonás mechanizmusai

A fő SBWE extrakciós mechanizmus a „hasonló feloldja a hasonlót” szabályt követi. Amint azt a Bevezetés részben említettük, a víz polaritása a hőmérséklettel szabályozható [2,3]. Amint az 1. ábrán látható, a víz dielektromos állandója drámaian csökken (kevésbé poláris lesz) a hőmérséklet emelkedésével. Ez azt jelenti, hogy a víz polaritása a hőmérséklet változtatásával szabályozható. Emiatt a poláris vegyületek hatékonyan extrahálhatók vízzel "alacsonyabb" hőmérsékleten, míg a kevésbé poláris analitoknak magasabb hőmérsékletre van szükségük az ésszerű extrakciós hatékonyság eléréséhez. Ezért minél kevésbé poláris az analit, annál magasabb a szükséges hőmérséklet. Ezenkívül a nagyobb és összetettebb molekulák magasabb hőmérsékletet igényelnek. A nyomásnak nincs jelentős hatása az SBWE hatékonyságára, amíg a nyomás elég magas ahhoz, hogy a vizet folyékony állapotban tartsa.

5. ábra: SBWE kapcsolat nélküli összekapcsolása SBWC-vel. A [70] engedélyével adaptálva (Lamm, L.; Yang, Y. Az SBWE off-line kapcsolása szubkritikus vízkromatográfiával szorbenscsapdán és termikus deszorpción keresztül. Anal. Chem.2003, 75, 2237-2242.) .Copyright 2003 American Chemical Society.

Ez a cikk a Molecules 2021, 26, 4004-ből származik. https://doi.org/10.3390/molecules26134004 https://www.mdpi.com/journal/molecules