Herstellung, In-line-Einschluss und Charakterisierung lipophiler und hydrophiler Kamillenextrakte unter Einsatz von verdichtetem Kohlendioxid

Abstract

In dieser Arbeit werden die Möglichkeiten der Anwendung von überkritischem CO2 im Bereich der Naturstoffextraktion anhand der Kamille als Modellpflanze untersucht. Kamillenblüten enthalten eine Vielzahl von pharmakologisch wirksamen Inhaltsstoffen mit unterschiedlichsten Eigenschaften im Hinblick auf Polarität und Stabilität und stellen damit eine ideale Matrix dar, um ein breites Spektrum an Einflussgrößen zu untersuchen. Die Optimierung der Extraktionsparameter ergibt hohe Selektivität für die Bestandteile des ätherischen Kamillenöls bei guter Gesamtausbeute und kurzer Prozesszeit, wenn die Extraktion bei 40 °C, 90 bar und 8 kg CO2/h über 3 h durchgeführt wird. Der Einsatz zerkleinerten Drogenmaterials verbessert die Gesamtausbeute ohne einen negativen Einfluss auf die Stabilität der Inhaltsstoffe zu haben. Aufgrund der Hydrolyseempfindlichkeit des Matricins in Gegenwart des co-extrahierten Wassers ist eine Gefriertrocknung der Extrakte obligatorisch. Damit kann die Extraktion mit überkritischem CO2 als schnelle, schonende, gut reproduzierbare Methode eine Alternative zu herkömmlichen Extraktionsverfahren darstellen. Sie führt zu Extrakten hoher Qualität und ohne toxikologisch bedenkliche Rückstände an Lösungsmitteln. Matricin kann mittels überkritischem CO2 angereichert und bei kühler Lagerung (-30 °C bis +5 °C) über 6 Monate stabilisiert werden. Bei Raumtemperatur oder +30 °C erfolgt eine kontinuierliche Abnahme des Matricingehaltes über 3-4 Monate, die auf den nach der Trocknung im Extrakt verbleibenden Restwassergehalt zurückgeführt werden kann. Ein In-line-Einschluss des CO2-Extraktes in b-Cyclodextrin (CD) kombiniert die Verfahrensschritte der CO2-Extraktion und der Komplexherstellung ohne weiteren apparativen und zeitlichen Aufwand, sowie unter Verzicht auf den Einsatz organischer Lösungsmittel. Die Herstellung der Einschlussverbindung wird erreicht, indem CD vor Beginn der Extraktion in den Abscheidebehälter gegeben werden. Die Bildung der Einschlussverbindung findet während der Extraktion in flüssigem CO2 bei 8 °C/40 bar statt. Es werden in Abhängigkeit vom gewählten Verhältnis CD:CO2-Extrakt und je nach betrachtetem Kamilleninhaltsstoff hohe Einschlussraten von bis zu 95 % erzielt. Die Komplexbildung ermöglicht, den zähfließenden CO2-Extrakt in eine pulverförmige Substanz zu überführen, was eine enorme Verbesserung der Handhabbarkeit mit sich bringt. Eine weitergehende Stabilisierung von Matricin als empfindlichstem Inhaltsstoff ist durch den Einschluss in CD nicht möglich. Der durch die Hydrophilie der CD intensivierte Kontakt mit co-extrahiertem Wasser, der deutlich erhöhte Restwassergehalt nach Gefriertrocknung und die Möglichkeit einer Katalyse von Schritten der Matricinzersetzungsreaktion bewirken im Vergleich zu einem reinen CO2-Extrakt eine Beschleunigung der Abbauvorgänge. Der Einsatz von Schleppmitteln erweitert das Anwendungsspektrum der CO2-Extraktion auf polare Inhaltsstoffe wie Flavonoide. Der Einsatz von Ethanol in Konzentrationen von etwa 15 mol% bei einer Extraktionstemperatur von 40 °C und im Druckbereich zwischen 90 und 250 bar führt zu einer deutlichen Steigerung der Ausbeute an mittelpolaren Substanzen wie z. B. Apigenin. Bei Verwendung von Methanol und einer gleichzeitigen Erhöhung von Extraktionstemperatur und –druck auf 60 °C und 380 bar wird Apigenin nahezu quantitativ gewonnen. Apigenin-7-glucosid – das hydrophilere Derivat – weist unter diesen Bedingungen eine Ausbeute von 10 % auf. Um Flavonoid-Glykoside quantitativ zu extrahieren, kann eine CO2-Extraktion mit Methanol als Schleppmittel im Zweiphasengebiet der binären Mischung durchgeführt werden. Dies wird bei 70 °C und 100 bar untersucht, hier findet eine Aufspaltung des Extraktionssolvens in eine Methanol-gesättigte CO2-Gasphase und eine CO2-gesättigte Methanol-Flüssigphase statt. Letztere ist aufgrund eines Methanolanteils von 50 mol% und einer deutlich erhöhten Dielektrizitätskonstante von 10-12 geeignet, Apigenin-7-glucosid zu extrahieren. Die überkritische Extraktion mit einer CO2/Methanol-Mischung im Zweiphasengebiet ermöglicht weiter die Herstellung eines Gesamtextraktes in einem Extraktionsschritt. Sowohl die Bestandteile des ätherischen Öls als auch hydrophile Inhaltsstoffe wie Apigenin-7-glucosid können in quantitativen Ausbeuten gewonnen werden. Um vergleichbare Ausbeuten mit einer Lösungsmittelextraktion zu erzielen, ist mindestens die Anwendung zweier unterschiedlich polarer Solventien notwendig. Die CO2-Extraktion stellt demzufolge ein vielseitiges Instrument zur Herstellung von Pflanzenextrakten dar. Durch geeignete Wahl der Extraktionsbedingungen und gegebenenfalls durch Zusatz eines Schleppmittels lassen sich unterschiedlichste Inhaltsstoffspektren extrahieren, sowie durch fraktionierte Extraktionsschemata selektiv anreichern. Daraus ergeben sich hochwertige Arzneimittel im Sinne einer rationalen Phytotherapie.

The present work describes the possibilities of the application of supercritical carbon dioxide (CO2) in the extraction of plant material with chamomile as a model crude drug. Chamomile flowers contain a lot of pharmacologically active substances with different properties with respect to polarity and stability, and therefore are an ideal matrix for the investigation of several process parameters. An optimised selectivity of the components of the chamomile essential oil and an acceptable total extract yield is obtained at an extraction temperature of 40°C, an extraction pressure of 90 bar and a CO2-mass flow rate of 8 kg/h over 3 h. The use of finely ground plant material leads to an increase of the total yield without any negative influence on the stability of the chamomile constituents. Because of the fast hydrolytic degradation of matricine in the presence of co-extracted water, freeze-drying as a fast and gentle drying method is applied. Thus the extraction of lipophilic components of chamomile flowers using supercritical CO2 represents a fast, gentle and highly reproducible alternative compared to conventional methods. The resulting extracts are solvent- and therefore ethanol-free, which is a desirable aspect mainly in paediatrics. Matricine, which easily undergoes hydrolytic and oxidative degradations, can be enriched by means of supercritical CO2 and is stabilised in the resulting CO2-extracts over six months at storage temperatures of -30°C to +5°C. At room temperature and at elevated temperatures (+30°C) a continuous decrease of the matricine content takes place. After 3-4 months matricine is no more detectable. The reason is a residual water content of 0.5-3.5% even after freeze-drying. An in-line-inclusion of the CO2-extract into b-CD combines the two steps of CO2-extraction and the preparation of an inclusion-complex without using any further equipment or organic solvents. The inclusion is obtained by placing b-CD in the separator before starting the extraction procedure. So the formation of the complexes takes place during the extraction in liquid CO2 at separation conditions of 8°C and 40 bar. Depending on the b-CD:CO2-extract-ratio and on the chamomile component high inclusion rates of up to 95% are achieved. The complex formation transfers the pasty CO2-extract into a free flowing powder form, which is easily manageable. A further stabilisation of matricine in b-CD-complexes compared to pure CO2-extracts is not possible. The hydrophilic b-CD retains the co-extracted water from separation of the complexes and the residual water contents after freeze-drying are drastically higher than in pure CO2-extracts (6-8% vs. 0.5-3.5%). Another explanation for the accelerated degradation of matricine in the presence of b-CD may be that b-CD act as artificial enzymes catalyzing the hydrolysis of esters if they are included in the b-CD-cavity. The addition of polar modifiers allows the extraction of more hydrophilic chamomile components like flavonoids. The use of ethanol (15 mol%) at an extraction temperature of 40°C and pressures of 90-250 bar leads to a significant increase in the yield of moderately polar substances like apigenin. This substance is quantitatively extractable by the use of methanol as modifier and 60°C / 380 bar. Under these conditions apigenin-7-glucoside, the more hydrophilic derivative, shows an extraction efficiency of only 10%. To obtain a quantitative extraction of apigenin-7-glucoside, the extraction is conducted in the two-phase region of the binary mixture CO2/methanol. This can be realised at 70°C / 100 bar. Under these conditions the extraction solvent splits up into a gaseous and CO2-rich phase on the one hand, and on the other hand a liquid and methanol-rich phase emerges, containing between 50-60% of methanol. The liquid, subcritical phase with a significantly increased dielectric constant of 10-12 actually represents the extraction solvent and is suitable for the extraction of apigenin-7-glucoside. Furthermore the subcritical extraction in the two-phase region of the CO2/methanol-mixture enables the production of a chamomile extract, containing the whole polarity range of chamomile constituents. Both, the constituents of the essential oil and the hydrophilic substances like apigenin-7-glucoside, are quantitatively extracted. To obtain comparative yields by means of solvent maceration, the use of at least two solvents of different polarity is necessary and the required solvent volumes are 5 times higher. Therefore the CO2-extraction represents a versatile tool for the production of plant extracts. By an appropriate choice of extraction conditions and by the addition of polar modifiers as necessary, different groups of constituents are extractable and may be enriched selectively by means of fractionated extraction.