Schleppmitteleinsatz in der Kohlendioxidextraktion hydrophiler Pflanzeninhaltsstoffe und Vorhersage der Extrahierbarkeit

Abstract

Die Möglichkeiten des Schleppmitteleinsatzes in der Kohlendioxidextraktion (CO2) unter Berücksichtigung der Anreicherung hydrophiler Inhaltsstoffe werden am Beispiel der Extraktionen von Teufelskralle und Rosskastanie untersucht. Beide Arzneipflanzen enthalten unterschiedliche polare Inhaltsstoffe, die zur optimalen Extrahierbarkeit verschieden polare Extraktionsmittel erfordern. Dabei wird eine Optimierung des Gehaltes einer hydrophilen wirksamkeitsbestimmenden Substanz, der Extraktausbeute und der Zusammensetzung der Extrakte vorgenommen. Der Einfluss der Schleppmittelart und -menge werden unter Berücksichtigung der Extraktionsparameter Druck und Temperatur betrachtet. Um hochwirksame Extrakte zu erhalten sind zwei Extraktionsschritte nötig. Die Vorextraktion dient zur Entfernung unerwünschter lipophiler Bestandteile und findet im überkritischen Bereich mit n-Butanol oder n-Propanol als Schleppmittel statt. Die Hauptextraktion wird entweder im überkritischen oder im unterkritischen Bereich mit den Schleppmitteln Ethanol oder Methanol durchgeführt. Die Samen der Rosskastanie (Aesculus hippocastanum) werden bevorzugt mit Methanol als Schleppmittel im unterkritischen Bereich extrahiert. Dabei sind nur hohe Schleppmittelkonzentrationen von 26 % (m/m) in der Lage, das große und schwere Aescin-Molekül bis zu 25 % im Extrakt anzureichern. Die Lösungskraft von überkritischem CO2/Methanol sowie über- und unterkritischem CO2/Ethanol ist zu gering, um Aescin in ausreichenden Mengen zu extrahieren. Bei der Teufelskralle (Harpagophytum procumbens) resultieren nach der Hauptextraktion mit überkritischem CO2/Ethanol Extrakte mit einem Harpagosidgehalt von 30 %. Im Gegensatz dazu weisen unterkritische Extrakte nur einen Harpagosidgehalt von 20 % auf, die Extraktausbeute ist jedoch, verglichen mit überkritischen Bedingungen, doppelt so hoch. Zusätzlich werden drei Harpagophytum-Extrakte, der Handelsextrakt, sowie ein über- und unterkritischer CO2-Extrakt, mittels in-vitro Tests auf die Hemmung der 5-Lipoxygenase oder Cyclooxygenase-2 untersucht. Beide CO2-Extrakte zeigen in einer Konzentration von 51,8 mg/l absolute Hemmwirkung auf die 5-Lipoxygenase. Im Gegensatz dazu weist der Handelsextrakt keinerlei Hemmung auf die 5-Lipoxygenase-Aktivität und demzufolge auf die Leukotrien B4-Biosynthese auf. Über- und unterkritische CO2-Extraktionen der sekundären Wurzeln der Teufelskralle (Harpagosid, Stachyose), der Samen der Rosskastanie (Aescin) und der Kamillenblüten ((-)-alpha-Bisabolol) werden mittels Molecular Modelling simuliert, um die Extrahierbarkeit unterschiedlich polarer Inhaltsstoffe unter verschiedenen Extraktionsbedingungen vorherzusagen. Die CO2-Extraktionsmittel werden entweder mit reinem CO2 oder mit CO2/Schleppmittel bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken simuliert. Das Molecular Modelling resultiert in drei verschiedenen Löslichkeitsparametern: der absolute Löslichkeitsparameter delta nach Hildebrand, der Löslichkeitsparameter deltaD, der aus den van der Waals-Kräften resultiert und der Löslichkeitsparameter deltaEL der polaren zwischenmolekularen Kräfte. Der Löslichkeitsparameter deltaEL ermöglicht demzufolge eine Abschätzung der Polarität des Extraktionsmittels und der zu lösenden Moleküle. Wenn der deltaEL-Wert des Extraktionsmittels den gleichen Wert annimmt wie das zu extrahierende Molekül aufweist, wird sich das Molekül unter diesen Extraktionsbedingungen lösen. Um die hydrophilen Moleküle weiter im Extrakt anzureichern, muss die Polarität des Lösungsmittels weiter gesteigert werden. Das bedeutet, dass deltaEL den minimalsten Extraktionswert angibt. Diese vier simulierten Pflanzeninhaltsstoffe mit verschiedenen Eigenschaften wie Molekülgröße, Polarität und die Verteilung der funktionellen Gruppen werden extrahiert, analysiert, simuliert und der Gehalt im Extrakt wird mit dem verwendeten Extraktionsmittel korreliert.

The possibilities of solvent modified carbon dioxide (CO2) extractions and the enrichment of polar substances have been studied by extracting the secondary roots of Harpagophytum procumbens and the seeds of Aesculus hippocastanum. Both crude drugs contain different polar constituents requiring different modifiers to reach the optimal extractability. The extractions have been investigated with respect to extraction efficiency and the content of active constituents and were compared to conventional extracts. The effects of pressure, temperature, type and concentration of the modifier have been examined. Two extraction steps were necessary to achieve enriched and potent extracts. The first extraction step was carried out in the supercritical state using n-butanol or n-propanol modified carbon dioxide to remove undesired lipophilic substances. The main extraction was performed either in the supercritical or in the subcritical state with ethanol or methanol modified carbon dioxide. The main extractions of the seeds of Aesculus hippocastanum were carried out with methanol as modifier. Only high modifier concentrations of 26 % (w/w) in the subcritical state were able to reach aescin contents up to 25 %. The solvent power of supercritical methanol modified carbon dioxide or extractions with ethanol as modifier was too low to reach aescin enriched extracts. In case of Harpagophytum procumbens the main extraction in the supercritical state with ethanol as modifier resulted in extracts containing up to 30 % harpagoside. The subcritical extracts showed a harpagoside content of about 20 %, but the extract yield was nearly two times greater compared to supercritical conditions. Furthermore, the conventional extract and two carbon dioxide extracts were tested for in-vitro inhibition of 5-lipoxygenase or cyclooxygenase-2. Both carbon dioxide extracts showed total inhibition on 5-lipoxygenase at a concentration of 51.8 mg/L. In contrast, the conventional extract failed to show any inhibition on 5-lipoxygenase and therefore leukotrien B4 biosynthesis. Super- and subcritical carbon dioxide extractions of the secondary roots of Harpagophytum procumbens (harpagoside, stachyose), the seeds of Aesculus hippocastanum (aescin) and the flowers of Matricaria recutita ((-)-alpha-bisabolol), were simulated by molecular modelling to predict the extractability of different hydrophilic plant constituents under various extraction conditions. The CO2 extraction fluids were simulated either with pure CO2 or with solvent modified CO2 at different pressures and temperatures. Molecular modelling resulted in three different solubility parameters: the total solubility parameter delta and the partial solubility parameters deltaD for the van der Waals- and deltaEL for the polar forces. Thus, deltaEL enabled the estimation of the polarity of the extraction fluids and the solute molecules. If the value of deltaEL of the extraction fluid reached the value of the solute molecule in the crude drug, i. e. minimum extraction value, the compound was soluble at the distinct extraction conditions. For a further increase in yield of the hydrophilic solutes, the polarity of the extraction fluid had to be increased, too. That means deltaEL of the fluid exceeded the minimum extraction value. These four simulated plant constituents with different properties, like molecular size and the allocation of polar functional groups were extracted, analysed, simulated and the extract content was correlated with the extraction fluid used, respectively.