Extracția cu apă subcritică a produselor naturale Partea 1

Vă rog contactațioscar.xiao@wecistanche.compentru mai multe informatii

Abstract:Apa subcritică se referă la apa de înaltă temperatură și de înaltă presiune. O caracteristică unică și utilă a apei subcritice este că polaritatea acesteia poate fi redusă dramatic odată cu creșterea temperaturii. Prin urmare, apa subcritică se poate comporta în mod similar metanolului sau etanolului. Acest lucru face ca apa subcritică să fie un fluid de extracție verde utilizat pentru o varietate de specii organice. Această recenzie se concentrează pe extracția subcritică a apei (SBWE) a produselor naturale. Materialele extrase includ ierburi medicinale și condimente, legume, fructe, subproduse alimentare, alge, arbuști, frunze de ceai, cereale și semințe. O gamă largă de produse naturale, cum ar fi alcaloizi, carbohidrați, ulei esențial, flavonoide, glicozide, lignani, acizi organici, polifenolici, chinone, steroizi și terpene au fost extrase folosind apă subcritică. Diverse sisteme SBWE și avantajele și dezavantajele acestora au fost, de asemenea, discutate în această recenzie. În plus, am analizat co-solvenții, inclusiv etanol, metanol, săruri și lichide ionice utilizate pentru a ajuta SBWE. Alte tehnici de extracție, cum ar fi cuptorul cu microunde și sonicare, combinate cu SBWE, sunt, de asemenea, acoperite în această recenzie. Este foarte clar că temperatura are cel mai semnificativ efect asupra eficienței SBWE și, astfel, poate fi optimizată. Temperatura optimă variază de la 130 la 240 de grade pentru extragerea produselor naturale menționate mai sus. Această recenzie poate ajuta cititorii să învețe mai multe despre tehnologia SBWE, în special pentru cititorii interesați de domeniul extracției ecologice a produselor naturale. Avantajul major al SBWE al produselor naturale este că apa este netoxică și, prin urmare, este mai potrivită pentru extracția de ierburi, legume și fructe. Un alt avantaj este că nu este necesară eliminarea deșeurilor lichide după SBWE. În comparație cu solvenții organici, apa subcritică nu numai că are avantaje în ecologie, economie și siguranță, dar și densitatea, produsul ionic și constanta dielectrică pot fi ajustate în funcție de temperatură. Aceste proprietăți reglabile permit apei subcritice să efectueze extracții selective de clasă, cum ar fi extragerea compușilor polari la temperaturi mai scăzute și a ingredientelor mai puțin polare la temperaturi mai ridicate. SBWE poate imita decoctul tradițional din plante pentru prepararea medicamentelor din plante cu o eficiență de extracție mai mare. Deoarece SBWE utilizează temperaturi ridicate și presiune înaltă, este nevoie de mare precauție pentru funcționarea în siguranță. O altă provocare pentru aplicarea SBWE este degradarea organică potențială în condiții de temperatură ridicată. Vă recomandăm cu căldură efectuarea verificărilor stabilității analiților atunci când efectuați SBWE. Pentru analiții cu eficiență SBWE slabă, se pot adăuga un număr mic de modificatori organici, cum ar fi etanol, agenți tensioactivi sau lichide ionice.

Cuvinte cheie:produse naturale; extracția apei subcritice;alcaloizi; glicozide; flavonoide; Uleiuri esentiale;chinone; terpene;lignani; acizi organici; polifenolici; steroizi; carbohidrați

Vă rugăm să faceți clic aici pentru a afla mai multe

1. Introducere

De mii de ani, medicina pe bază de plante a jucat un rol vital în tratarea bolilor, în special în Asia de Est. Componentele bioactive din ierburi și plante sunt baza pentru prevenirea și tratarea multor boli [1. Datorită efectelor sale secundare relativ scăzute împotriva medicamentelor sintetizate chimic, se acordă multă atenție extracției și separării unei game largi de compuși bioactivi din ierburi și plante. Procesul de extracție de 1000-ani a ingredientelor farmaceutice active (API) din ierburi medicinale este metoda tradițională de decoct din plante (THD). Cu toate acestea, există unele defecte în THD, cum ar fi un timp lung de extracție și descompunerea ingredientelor farmaceutice active. Metanolul, etanolul, n-hexanul, eterul de petrol, dietileterul, cloroformul, acetatul de etil și glicerolul sunt adesea utilizați ca solvenți de extracție pentru a crește eficiența extracției și a reduce timpul de extracție. Evident, acești solvenți organici sunt volatili, inflamabili, în mare parte toxici și scumpi. Astfel, nu sunt fluide de extracție sigure pentru ierburi, plante, fructe, legume și altele asemenea.

Dintre diferitele tehnologii noi de extracție și separare ecologică dezvoltate recent, SBWE este cea mai promițătoare. Apa subcritică se referă la apa lichidă la temperatură și presiune sub punctul său critic (Tc= 374,15 grade, Pc=22,1 Mpa). Presiunea apei subcritice trebuie să fie mai mare decât presiunea vaporilor la o temperatură dată pentru a menține apa în stare lichidă. Odată cu creșterea temperaturii, proprietățile fizico-chimice ale apei subcritice se modifică drastic. Constanta dielectrică, vâscozitatea și tensiunea superficială scad în mod constant, iar coeficientul său de difuzie este îmbunătățit odată cu creșterea temperaturii apei [2-5].

După cum se arată în Figura 1, la 27 de grade și 100 Mpa apa este un solvent polar, iar constanta sa dielectrică este 81,2. Din fericire, atunci când temperatura este ridicată la 350 de grade la 100 Mpa, constanta dielectrică a apei scade la aproximativ 20. Cu un alt cuvânt, polaritatea apei se schimbă de la polar puternic la mult mai puțin polar[2]. De exemplu, constanta dielectrică a apei la 200 de grade, 250 de grade și 300 de grade este echivalentă cu cea a acetonitrilului, metanolului și, respectiv, etanolului (Figura 1). Astfel, chiar și mai puțini compuși polari pot fi extrași prin apă subcritică la temperaturi ridicate. Teoretic, pe baza polarității reglabile, apa subcritică poate extrage multe substanțe prin ajustarea temperaturii de extracție și a condițiilor de presiune.

În procesele efective de extracție, deoarece presiunea are o influență minimă asupra constantei dielectrice a apei, temperatura apei este ajustată pentru a controla constanta dielectrică a apei pentru a imita diverși solvenți organici. Această caracteristică unică a apei subcritice permite ca apa să fie singurul fluid de extracție fără co-solvenți, cum ar fi acizi, alcalii, catalizatori sau solvenți organici; aceasta îndeplinește principiile extracției chimice verzi, deoarece apa este netoxică.

Aplicații pentru apă subcritică pot fi găsite în următoarele domenii:(1)cromatografia lichidă în fază inversă folosind apa subcritică ca unică cromatografia mobilă cu apă subcritică cu pHază [3];(2)extracția probelor de mediu, cum ar fi determinarea poluanților organici în deșeuri solide, soluri, sedimente și particule atmosferice [5,6];(3)reacții de hidroliză, degradare, polimerizare și sinteză folosind apă subcritică atât ca solvent, cât și ca reactant [7l;(4)remedierea mediului, cum ar fi curățarea ape reziduale și soluri contaminate, poluanți în descompunere (pesticide, hidrocarburi aromatice policiclice și bifenili policlorurați) și explozivi [8];(5)extracția ingredientelor active din ierburi medicinale și condimente, legume, fructe și alte matrici legate de plante [4, 9].

Cistanche poate îmbunătăți imunitatea

Această recenzie se concentrează pe SBWE a produselor naturale din ultimii ani. Principiile, mecanismele, modurile de extracție statice și dinamice și factorii care afectează eficiența SBWE au fost descrise de Gbashi și colegii [10]. Deoarece diferite cercetări s-au concentrat pe extracția de flavonoide, carbohidrați, glicozide, acizi organici, polifenolici, alcaloizi, uleiuri esențiale, chinone, terpene, lignani și steroizi[11,12], oferim o privire de ansamblu sistematică și cuprinzătoare asupra condițiilor SBWE, funcția și activitățile ingredientelor active și extractelor subcritice, metode de analiză și comparație cu alte metode de extracție pentru produsele naturale menționate mai sus. Apa subcritică poate extrage simultan mai multe ingrediente active din produsele naturale. Separarea, identificarea și cuantificarea fiecărui compus al produsului natural din extractele apoase subcritice sunt realizate prin cromatografie lichidă, cromatografie gazoasă, spectru infraroșu și/sau spectrometrie de masă.

2. Matrice probe extrase prin apă subcritică

În general, matricele de probă extrase de apă subcritică includ următoarele patru grupe: Plante, subproduse alimentare, ciuperci și alge marine. Pe baza analizei și statisticilor referințelor citate în această recenzie, am generat Figura 2 pentru a arăta procentele fiecărui tip de matrice de probă extrase de apă subcritică. După cum se arată în Figura 2, 62,3 la sută din matricele probei extrase de apă subcritică provin din plante, urmate de subproduse alimentare cu 29,0 la sută, alge marine cu 4,9 la sută și ciuperci cu 3,8 la sută.

Pentru unele plante medicinale, plantele lor întregi au valori pH-armaceutice și sunt prescrise în medicina tradițională pe bază de plante, în timp ce singura parte sau părți din alte plante medicinale sunt folosite în medicina pe bază de plante. Părțile plantelor medicinale includ rădăcini, tulpini, frunze, flori, semințe și fructe. De exemplu, plantele întregi de Hedyotis diffusa Willd. [13]și Centella asiatica L.[14] au valori medicinale, iar frunzele, nodurile, petiolele și rădăcinile acestor două ierburi au fost împământate înainte de SBWE. Tulpini și frunze de ginseng [15], rădăcină de Sophora flavescens Ait. [16] și Rheum tanguticum [17] și flori de mușețel ligulat [18] au fost extrase folosind apă subcritică. Am sortat cu atenție ierburile medicinale, iar procentul fiecărei părți medicinale este ilustrat în Figura 3. Se pot vedea din Figura 3 frunzele plantelor medicinale care sunt cel mai larg investigate în SBWE. Deși cojile, cojile, tărâțele, scoarțele, cojile, epicarpii, pericarpii, sorgurile fructelor și semințelor sunt produse secundare, ele conțin și multe API. De exemplu, ceapa, una dintre cele mai des consumate legume, este cunoscută că are multe beneficii pentru sănătate datorită conținutului său de flavonoide. Unele rezultate au demonstrat că extractele din coajă de ceapă produse prin tehnica SBWE au un mare potențial ca sursă de antioxidanți utili [19,20]. Cerealele, semințele, porumbul și fructele au fost, de asemenea, investigate folosind SBWE [21]. Dintre toate lucrările revizuite, doar un articol a raportat că lemnul de Aquilaria malaccensis are aplicații medicinale utile și este folosit în medicina tradițională pentru a trata durerea, febra, reumatismul și astmul [22].

2.1.Plante

Plantele extrase prin apă subcritică includ în principal ierburi [15,23-29], legume cu valori medicinale [30,31], fructe 32-36], culturi de semințe oleaginoase [37-40], arbuști, cereale, frunze de ceai și fasole [41-46]. Aceste plante au fost folosite în medicina tradițională de mii de ani în unele țări și s-a dovedit că posedă o mulțime de componente pH-armacologic active. De exemplu, ginseng este un medicament chinezesc valoros, care a fost folosit în China, Coreea, Japonia și Brazilia. S-a raportat că ginsengul conține o varietate de compuși chimici bioactivi, inclusiv terpene, poliacetilene, alcaloizi, vitamine, minerale, fenolici, flavonoide și triterpene [15]. Aceste componente active posedă activități antioxidante, antiinflamatorii, antidiabetice, antineoplazice, cardiovasculare, imunoreglatoare și neuroreglatoare [26]. Oregano este o plantă erbacee originară din regiunile mediteraneene [4748]. Unele proprietăți sănătoase au fost atribuite acestei plante, cum ar fi efectele sale puternice antibacteriene și antifungice legate de compușii carvacrol și timol și o anumită activitate antioxidantă.

2.2.Subproduse alimentare

În esență, subprodusele sunt deșeurile produse de cojile de fructe, filtrele de ceai, reziduurile de semințe, cojile de legume, coajele de castan, cojile de cacao, tărâțele de cereale, epicarpul din semințe de lotus și tulpini [49]. Multe tipuri de fructe au coji, cum ar fi bananele, portocalele și merele. Deși le aruncăm adesea, cojile de fructe pot conține multe API. Prin urmare, merită făcută cercetarea asupra produselor secundare. De exemplu, coaja de portocală este principalul produs secundar al industriei de extracție a sucului [50]. Cu toate acestea, coaja de portocală este o sursă atractivă de compuși bioactivi, care includ o mulțime de compuși pHenolici și flavonoizi.

2.3. Algele marine

Algele marine studiate în SBWE includ microalge, alge marine și Haematococcus Pluvialis [51-53]. Algele sunt bogate în acizi grași saturați, acizi grași mononesaturați și acizi grași polinesaturați, care sunt sănătoși pentru sistemul cardiovascular. Omega-3, care joacă un rol semnificativ în căile inflamatorii ale organismului și în sănătatea celulelor, este utilizat în special pentru prevenirea și terapia cancerului. Folosind tehnologia SBWE, algele ar putea deveni una dintre sursele potențiale pentru generația viitoare de omega-3.

2.4.Ciuperci

Unele ciuperci sunt, de asemenea, responsabile de unele boli ale plantelor și animalelor, care pot fi, de asemenea, sub formă de legume, cum ar fi ciupercile comestibile-medicinale, care includ ciupercile (Lentinus edodes [54-57]; Grifola frondosa [58], Sagittaria sagittifolia). L. [50-61]), și Cordyceps militaris(C.militaris)[62]. C.militaris este un tip de ciuperci comestibile-medicinale prețioase răspândite pe scară largă în întreaga lume. Cercetări ample au demonstrat că extractele de C.militaris au acțiuni pH-armacologice multiple, cum ar fi antiinflamație, îmbunătățirea rezistenței la insulină și activitate antioxidantă.

3. Sisteme SBWE și mecanism de extracție

In the beginning, supercritical water (T>374°C, P>22,064 Mpa) a fost implicat pe scară largă în extracția cărbunelui, a bitumului de nisip petrolier [63,64] și a oxidării [65]. Apa supercritică necesită condiții experimentale dure, cum ar fi temperatură extrem de ridicată și presiune ridicată, care adesea aduc coroziune severă asupra echipamentelor experimentale și a tuburilor de conectare. Începând cu anii 1990, apa subcritică a înlocuit treptat apa supercritică în domeniul extracției, deoarece apa subcritică necesită temperatură și presiune relativ blândă. Astfel, apa subcritică a fost utilizată pe scară largă în extracția poluanților organici [66,67], iar cercetătorii au încercat să cupleze SBWE cu cromatografia lichidă pentru a reduce etapele analitice în procesul de extracție și analiză cromatografică [68-70]. Pentru a îmbunătăți eficiența extracției, au fost raportate, de asemenea, SBWE asistată cu ultrasunete [71] și SBWE asistată cu microunde [72].

3.1.Moduri de SBWE

Există în principal două moduri SBWE, și anume extracția statică și extracția dinamică. Extracția statică se referă la o metodă de extracție în care apa subcritică și proba de extras sunt adăugate într-un vas de extracție, așa cum se arată în Figura 4, și apoi încălzite la temperatura dorită sub o presiune moderată pentru a menține apa în stare lichidă. După ce timpul de extracție setat este atins, extractantul este colectat pentru analiza cromatografică. Acest proces de extracție este similar cu extracția accelerată cu solvent. Eficiența extracției statice este în mod normal mai mică decât cea a extracției dinamice.

Dynamic SBWE este un proces de extracție continuu, ceea ce înseamnă că, după ce probele sunt adăugate în vasul de extracție, apa este alimentată continuu în extractor cu o pompă, iar extracția se realizează la o temperatură fixă ​​sau în condiții de gradient de temperatură. Pompa poate fi setată fie în modul presiune constantă, fie în modul debit constant. Dynamic SBWE nu numai că accelerează eficiența transferului de masă și scurtează timpul de extracție, dar realizează și o extracție continuă selectivă. Cu toate acestea, SBWE dinamic poate provoca blocarea sistemului SBWE.

În multe cazuri, sunt utilizate atât modurile SBWE statice, cât și cele dinamice. Operatorii SBWE efectuează în mod normal o perioadă de extracție statică, apoi urmată de o extracție dinamică. Deși majoritatea lucrărilor SBWE se desfășoară fără captarea solidă a analiților extrași (după cum se arată în Figura 4, sus), SBWE cu o capcană solidă (Figura 4, jos), care colectează analiții extrași poate fi cuplată cu ușurință cu cromatografia lichidă. pentru analiză, după cum se discută mai jos.

3.2. Cuplare online și offline a SBWE cu cromatografie lichidă

Sistemul SBWE a fost cuplat cu cromatografie lichidă de înaltă performanță prin captare în fază solidă [69]. A fost raportată cuplarea offline a SBWE cu HPLC [70]. Capcana solidă a fost îndepărtată fizic din sistemul SBWE după fiecare extracție și conectată la un sistem HPLC pentru analiză. Cu toate acestea, acest pas este eliminat în abordarea online SBWE-HPLC. După SBWE, capcana analitului rămâne pe loc în timp ce analiza HPLC este efectuată prin simpla comutare a supapelor pentru a conecta capcana analitului la unitatea HPLC.

De asemenea, a fost raportată cuplarea offline a SBWE cu cromatografia subcritică de apă (SBWC) [70]. SBWC se referă la cromatografia lichidă în fază inversă folosind apă subcritică ca unică componentă a fazei mobile. După cum se arată în Figura 5 (sus), analiții extrași sunt colectați în capcana de absorbție în timpul etapei SBWE. După extracția SBWE, capcana de probă este conectată la un sistem de cromatografie cu apă subcritică (Figura 5, de jos). Analiții colectați în capcana de absorbție în timpul SBWE sunt desorbiți termic prin încălzirea capcanei de probă și apoi sunt livrați în sistemul SBWC pentru analiză. Avantajul evident al cuplării SBWE-SBWC este că solvenții organici sunt eliminați atât în ​​etapele de extracție, cât și de analiză cromatografică. Provocarea este, totuși, că desorbția termică necesită în mod normal o temperatură ridicată, care poate provoca degradarea analitului.

3.3. Mecanisme de extracție subcritică a apei

Mecanismul principal de extracție SBWE urmează regula „ca se dizolvă ca”. După cum sa menționat în secțiunea Introducere, polaritatea apei poate fi reglată de temperatură [2,3]. După cum se arată în figura 1, constanta dielectrică a apei este redusă dramatic (devine mai puțin polară) odată cu creșterea temperaturii. Aceasta înseamnă că polaritatea apei este reglabilă prin schimbarea temperaturii. Din această cauză, compușii polari pot fi extrași eficient de apă la temperaturi „mai scăzute”, în timp ce analiții mai puțin polari necesită temperaturi mai ridicate pentru a obține o eficiență rezonabilă de extracție. Prin urmare, cu cât analitul este mai puțin polar, cu atât temperatura necesară este mai mare. În plus, moleculele mai mari și mai complexe necesită temperaturi mai ridicate. Presiunea nu are un efect semnificativ asupra eficienței SBWE atâta timp cât presiunea este suficient de mare pentru a menține apa în stare lichidă.

Figura 5. Cuplarea offline a SBWE cu SBWC. Adaptat cu permisiunea de la [70] (Lamm, L.; Yang, Y. Cuplarea off-line a SBWE cu cromatografia subcritică a apei printr-o capcană de absorbție și desorbție termică. Anal. Chem.2003,75,2237-2242.) .Copyright 2003 American Chemical Society.

Acest articol este extras din Molecules 2021, 26, 4004. https://doi.org/10.3390/molecules26134004 https://www.mdpi.com/journal/molecules