| License: Creative Commons Attribution 4.0 (4MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-370625
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.37062
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 12 April 2018 |
| Referee: | Prof. Dr. Werner Kunz |
| Date of exam: | 22 March 2018 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry) > Prof. Dr. Werner Kunz |
| Keywords: | plant extracts, extraction, fragrances, soap surfactants, Iris germanica L., fatty acids |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 37062 |
Abstract (English)
The aim of this thesis was the invention of alternative green extraction methods for the isolation of fragrance compounds from plants paying particular attention to the concepts and principles of Green Chemistry. Iris butter obtained from iris rhizomes (Iris germanica L. and Iris pallida Lam.) is one of the most luxurious raw materials for the perfume industry. The attractive violet-like ...
Abstract (English)
The aim of this thesis was the invention of alternative green extraction methods for the isolation of fragrance compounds from plants paying particular attention to the concepts and principles of Green Chemistry. Iris butter obtained from iris rhizomes (Iris germanica L. and Iris pallida Lam.) is one of the most luxurious raw materials for the perfume industry. The attractive violet-like fragrance is due to irones, i.e., terpenoids formed by oxidative degradation of iridals during rhizome aging. By using aqueous soap solutions, especially a myristate solution, an almost complete extraction of the desired irones was possible within a short time and at moderate temperatures. This gentle method prevents the degradation and volatilization of the fragrances at high temperatures, which are disadvantages of conventional extraction methods. Furthermore, various fatty acids, particularly myristic acid, are naturally occurring in the rhizomes. Thus, this extraction method uses an intrinsic plant substance as a highly efficient extraction medium and solubilizer. After the removal of the rhizomes from the aqueous soap solution, myristic acid containing the desired nonpolar fragrance molecules was precipitated by neutralization and separated from the remaining aqueous phase. Excess myristic acid can be recovered by crystallization in cold ethanol or by molecular distillation. As myristic acid is already a frequent ingredient of formulations like crèmes, lotions, or perfumes, the final extract with its remaining fatty acid represents an ideal basic raw material.
In a second part, this newly invented extraction method was transferred to rose blossoms to evaluate its extraction power and applicability. The most important ingredient in roses is the essential oil, which contains around 400 substances such as citronellol, geraniol, and 2-phenylethanol. Since 2-phenylethanol is soluble in water, its content in the distillate obtained by steam distillation is very low. Consequently, the rose absolute, which is obtained by solvent extraction commonly with hexane, is of high interest for perfume industry due to its fragrance composition similar to the rose petals. Extracting rose blossoms with an aqueous soap solution prevents the risk of handling large quantities of flammable and toxic solvents as well as the danger of potential petrochemical residues in the extract. In collaboration with a major international perfume company, it could be demonstrated that the experimental procedure of the micellar extraction of Rosa x centifolia L. is less complicated compared to iris rhizomes due to the different nature of the plant material. The odoriferous extract is completely soluble in ethanol and with its remaining fatty acid an ideal basic raw material for cosmetics or perfumes. However, compared to the extraction of the non-water-soluble irones, the addition of an inorganic salt to the aqueous extraction solution is necessary to decrease the solubility of partially water-soluble substances such as 2-phenylethanol but also geraniol.
In a third part, the extraction of plant material solely with the pure fatty acids without using water was examined. Therefore, a ternary mixture of lauric acid, myristic acid, and palmitic acid was used as extraction solution since a low melting system with a melting point around 30 °C is formed. Thereby, the advantages of classical enfleurage and solvent extraction can be combined. The focus of this study was mainly the isolation of the fragrance compounds from the fatty acid mixture. Therefore, molecular distillation, which is a continuous thermal separation process with only short exposure to increased temperature and decreased pressure, was investigated. In contrast to solvent extraction, not the extraction medium but the fragrance compounds were distilled. As a result, a product free of toxic residues with a composition similar to the origin was obtained, which was not feasible applying simple vacuum distillation. Moreover, the separated extraction medium can be reused for further extraction cycles due to the chemical and thermal stability of fatty acids. For the recycling of the extraction medium, the solution does not even have to be purified or saponified in contrast to micellar extraction. Instead, the solution can be reused directly. So far, a proof of concept regarding the isolation of the fragrance compounds was accomplished. The aim is to continue the investigation of the extraction power of the fatty acid mixture in future. With the approach “modern enfleurage” a solvent-free, non-toxic and sustainable extraction process for fragrances from plant material is possible without thermal degradation of sensitive compounds.
Translation of the abstract (German)
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von alternativen, grünen Extraktionsmethoden zur Gewinnung von Duftstoffen aus Pflanzen. Die Irisbutter, welche aus den Rhizomen der Iris germanica L. oder Iris pallida Lam. gewonnen wird, ist eines der kostbarsten Naturprodukte. Der veilchenartige Geruch beruht auf den Ironen, welche erst durch oxidativen Abbau von Iridalen während der Rhizomalterung ...
Translation of the abstract (German)
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von alternativen, grünen Extraktionsmethoden zur Gewinnung von Duftstoffen aus Pflanzen. Die Irisbutter, welche aus den Rhizomen der Iris germanica L. oder Iris pallida Lam. gewonnen wird, ist eines der kostbarsten Naturprodukte. Der veilchenartige Geruch beruht auf den Ironen, welche erst durch oxidativen Abbau von Iridalen während der Rhizomalterung entstehen. Durch das Einweichen der Rhizome in einer wässrigen Seifenlösung, insbesondere einer Myristatlösung, war eine nahezu vollständige Extraktion der Irone innerhalb kurzer Zeit bei milden Temperaturen möglich. Bei dieser schonenden Methode werden die Duftstoffe nicht zersetzt oder verflüchtigt wie es häufig bei herkömmlichen Extraktionsverfahren eintritt. Darüber hinaus kommen verschiedene Fettsäuren, insbesondere Myristinsäure, natürlich in Rhizomen vor. Somit wird eine natürlich in der Pflanze vorkommende Substanz durch Anreicherung als hocheffizientes Lösungsmittel bzw. Lösungsvermittler eingesetzt. Nach dem Entfernen der Rhizome aus der wässrigen Seifenlösung wurde durch Neutralisation die Myristinsäure zusammen mit den unpolaren Duftstoffmolekülen ausgefällt und von der verbleibenden wässrigen Phase separiert werden. Überschüssige Myristinsäure kann durch Kristallisation in kaltem Ethanol oder durch molekulare Destillation abgetrennt werden. Da Myristinsäure allerdings häufig in Formulierungen wie Cremes, Lotionen oder Parfüms enthalten ist, stellt das fertige Extrakt mit der verbleibenden Fettsäure eine ideale Basis dar.
In einem zweiten Teil wurde diese neu entwickelte Extraktionsmethode auf Rosenblüten übertragen. Der wichtigste Inhaltstoff in Rosen ist das ätherische Öl, welches rund 400 Substanzen wie Citronellol, Geraniol und 2-Phenylethanol enthält. Da 2-Phenylethanol in Wasser löslich ist, ist sein Gehalt im Rosendestillat sehr gering. Folglich ist das Rosen-Absolute, welches durch Lösungsmittelextraktion gewonnen wird, für die Parfümindustrie von großem Interesse, da somit eine Duftstoffzusammensetzung ähnlich dem Duft der Rosenblüten erhalten wird. Das Extrahieren von Rosenblüten mit einer wässrigen Seifenlösung stellt eine alternative, schonende und grüne Extraktionsmethode dar, ohne dem Risiko beim Umgang mit brennbaren und toxischen Lösungsmitteln sowie der Gefahr möglicher petrochemischer Rückstände im Extrakt. In Zusammenarbeit mit einem großen internationalen Parfümunternehmen konnte gezeigt werden, dass das experimentelle Verfahren der mizellaren Extraktion von Rosa x centifolia L. im Vergleich zu den Irisrhizomen aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit des Pflanzenmaterials weniger kompliziert ist. Das Extrakt ist bereits ohne Aufreinigung vollständig in Ethanol löslich und stellt mit seiner verbleibenden Fettsäure einen idealen Grundrohstoff für Kosmetika oder Parfüms dar. Im Vergleich zur Extraktion der nicht wasserlöslichen Irone ist jedoch die Zugabe eines anorganischen Salzes zu der wässrigen Seifenlösung nötig, um die Löslichkeit von teilweise wasserlöslichen Substanzen, wie 2-Phenylethanol, aber auch Geraniol, zu verringern.
In einem dritten Teil wurde die Extraktion von Pflanzen ausschließlich mit den reinen Fettsäuren, ohne Verwendung von Wasser, untersucht. Dazu wurde ein niedrig schmelzendes System, bestehend aus einer ternären Mischung von Laurinsäure, Myristinsäure und Palmitinsäure, mit einem Schmelzpunkt von etwa 30 °C verwendet. Somit können die Vorteile der klassischen Enfleurage mit der Lösungsmittelextraktion kombiniert werden. Der Fokus dieser Studie lag hauptsächlich auf der Isolierung der Duftstoffe aus diesem Fettsäuregemisch im Anschluss an die Extraktion. Dazu wurde die molekulare Destillation untersucht, bei der es sich um ein kontinuierliches thermisches Trennverfahren handelt, bei der die Duftstoffe nur sehr kurze Zeit erhöhter Temperatur und vermindertem Druck ausgesetzt sind. Im Gegensatz zur Lösungsmittelextraktion wird dabei nicht das Extraktionsmedium, sondern der gewünschte Stoff destilliert. Das Ergebnis ist nicht nur die Gewinnung der Duftstoffe in gleichbleibender Zusammensetzung ohne toxischer Rückstände, sondern auch ein Recycling des Extraktionsmediums, welches direkt für weitere Extraktionszyklen verwendet werden kann. Ziel ist es, die Extraktionskraft des Fettsäuregemisches in Zukunft weiter zu untersuchen. Mit dem Ansatz „moderne Enfleurage“ ist eine lösungsmittelfreie, ungiftige und nachhaltige Extraktion von Duftstoffen aus Pflanzen, ohne großer thermischer Belastung, möglich.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 20:10
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