| License: Creative Commons Attribution 4.0 (19MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-522686
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.52268
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 16 May 2022 |
| Referee: | Pr. Dr. Werner Kunz |
| Date of exam: | 8 April 2022 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry) > Prof. Dr. Werner Kunz |
| Keywords: | extraction; green chemistry; curcuminoid; Iris germanica L.; isoflavone; ICAM-1; anti-inflammatory; isolation; SFME; antimicrobial; irisbutter |
| 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: | 52268 |
Abstract (English)
The aim of this thesis was to investigate the extraction of potential valuable neutraceuticals from different rhizomes: Iris germanica L. and Curcuma longa. On the one hand, three different curcuminoids (curcumin, dimethoxy-, and bisdemethoxycurcumin) from Curcuma longa were extracted. On the other hand, extraction and isolation of isoflavones and benzophenones of Iris germanica L. were ...
Abstract (English)
The aim of this thesis was to investigate the extraction of potential valuable neutraceuticals from different rhizomes: Iris germanica L. and Curcuma longa. On the one hand, three different curcuminoids (curcumin, dimethoxy-, and bisdemethoxycurcumin) from Curcuma longa were extracted. On the other hand, extraction and isolation of isoflavones and benzophenones of Iris germanica L. were performed. Most of the isolated compounds from Iris germanica L. were tested for their potential anti-inflammatory and antibacterial abilities.
First, curcuminoids were successively extracted from Curcuma longa using a green, sustainable, bio-degradable and food-approved surfactant-free microemulsion (SFME) consisting of water, ethanol (EtOH) and triacetin (TriA) exhibiting high extraction yields (15.28 mg curcuminoids per g Curcuma longa). The best yield was achieved by the usage of a SFME consisting of 40/24/36 H2O/EtOH/TriA (wt%). The maximum of solubility of curcumin was investigated in the binary mixture EtOH/TriA via UV measurements. The binary mixture EtOH/TriA (40/60 in wt%) turned out to be the best one for the solubilisation of curcumin. The structuring of the SFME was previously investigated with DLS and conductivity measurements. It was also found and demonstrated that the addition of water to the binary mixture of EtOH/TriA was responsible for the structuring of the SFME and for the high extraction yield. Indeed, bisdemethoxycurcumin, one of the curcuminoids, is the most “polar” curcuminoid and therefore, the most sensitive to water. Compared to the binary mixture EtOH/TriA (40/60 in wt%), the extraction yield of demethoxycurcumin and especially bisdemethoxycurcumin could be increased by 14 % and 32 % respectively.
Recycling and up-concentration of the SFME with curcuminoids was attempted. Therefore, the SFME was re-used to perform several extraction cycles and to concentrate the curcuminoids in the SFME. One of the goals of this study was to solubilise the curcuminoids in an aqueous solution. Therefore, different purification methods (hydro distillation, vacuum distillation and freeze-drying) were used to remove the essential oils of Curcuma longa and to enhance the relative purity of the extract. Purification of the extract was achieved by freeze-drying the rhizome of Curcuma longa, as it leads to high relative purity of the extract (about 94%) through repetitive lyophilisation cycles and did not destroy the curcuminoids before extraction. Using an appropriate composition of the SFME (50/32.5/17.5 H2O/EtOH/TriA in wt%), dilution of the curcuminoids extract solution with water and stabilisation against day light and precipitation were achieved.
The extraction efficiencies of the curcuminoids were further enhanced using different additives, which were solubilised in the water phase of the SFME. Meglumine has been found to be the best additive while using pyroglutamic acid (PCA) as pH regulator of the SFME and as hydrotrope for curcumin. Using meglumine with and without PCA, high extraction efficiencies of the curcuminoids were achieved: 17.3 mg curcuminoids per g Curcuma longa using a SFME (15/34/51 H2O/EtOH/TriA in wt%) at pH 9 containing 5 wt% meglumine neutralised with PCA in pure water and 18.3 mg curcuminoids per g Curcuma longa using a SFME (5/38/57 H2O/EtOH/TriA in weight percent) at pH 11.5 containing 15 wt% meglumine without PCA in pure water. A simple water extraction (water containing 15 wt% of meglumine) achieved the best extraction efficiency for bisdemethoxycurcumin (3.46 ± 0.62 mg per g Curcuma longa).
Further, another SFME consisting of water, sodium salicylate (NaSal) and ethyl acetate (EtOAc) was investigated concerning its capacity to solubilize, stabilize and separate the three curcuminoids. The extraction efficiency of one curcuminoid could be enhanced using different SFME compositions: H2O/NaSal/EtOAc 17/12/71 and 7/13/80 (in wt%) for respectively bisdemethoxy- and demethoxycurcumin and the pure EtOAc for curcumin. The presence of NaSal in the SFME enhanced the stability of curcumin and the other two curcuminoids in solution, because of its antioxidant and UV absorbing properties.
In the second part of this thesis, isoflavones and benzophenones were successively extracted and isolated from the rhizomes and the roots of Iris germanica L. by chromatographic methods (silica gel column followed by high-performance liquid chromatography (HLPC) and semi preparative HPLC). Using NMR and LC-MS data, structures of eleven isolated compounds were revealed. Some of the isolated compounds were tested as potential anti-inflammatory agents but had unexpected pro-inflammatory properties, of which the rhizome extract showed the highest pro-inflammatory activity. The isolates and the extracts were also tested as potential antibacterial agents. None of the extracts nor isolates were active against the bacterium S. aureus. Only the iris butter (the essential oil of orris) showed a potent antibacterial activity, certainly due to the presence of irones. The iris butter showed also an antibacterial activity against the bacterium E. coli.
Translation of the abstract (German)
Das Ziel dieser Dissertation war die Extraktion von wertvollen Pflanzinhaltsstoffen aus den Rhizomen von Iris germanica L. und Kurkuma longa zu extrahieren und untersuchen. Einerseits wurden 3 verschiedene Kurkuminoide (Kurkumin, Dimethoxykurkumin und Bisdemethoxykurkumin) aus Kurkuma longa extrahiert. Andererseits wurden Extraktion und Isolierung von Isoflavonen und Benzophenonen aus Iris ...
Translation of the abstract (German)
Das Ziel dieser Dissertation war die Extraktion von wertvollen Pflanzinhaltsstoffen aus den Rhizomen von Iris germanica L. und Kurkuma longa zu extrahieren und untersuchen. Einerseits wurden 3 verschiedene Kurkuminoide (Kurkumin, Dimethoxykurkumin und Bisdemethoxykurkumin) aus Kurkuma longa extrahiert. Andererseits wurden Extraktion und Isolierung von Isoflavonen und Benzophenonen aus Iris germanica L. durchgeführt. Die meisten der isolierten Verbindungen aus Iris germanica L. wurden auf ihre potentiellen entzündungshemmenden und antibakteriellen Fähigkeiten getestet.
Zunächst wurden Kurkuminoide erfolgreich aus Kurkuma longa mit Hilfe einer grünen, nachhaltigen, biologisch abbaubaren und lebensmittelzugelassenen tensidfreien Mikroemulsion (SFME) extrahiert, die aus Wasser, Ethanol (EtOH) und Triacetin (TriA) bestand. Diese SFME zeigte hohe Extraktionsausbeuten (15,28 mg Kurkuminoide pro g Kurkuma longa). Die beste Ausbeute wurde durch die Verwendung einer SFME erzielt, die aus 40/24/36 H2O/EtOH/TriA (Gew.-%) bestand. Das Löslichkeitsmaximum von Kurkumin wurde im binären Gemisch EtOH/TriA mittels UV-Messungen untersucht. Die binäre Mischung EtOH/TriA (40/60 in Gew.-%) erwies sich als die beste für die Löslichkeit von Kurkumin. Die Strukturierung der SFME wurde zuvor mit DLS- und Leitfähigkeitsmessungen untersucht. Es wurde auch gefunden und demonstriert, dass die Zugabe von Wasser zu der binären Mischung aus EtOH/TriA für die Strukturierung der SFME und für die hohe Extraktionsausbeute verantwortlich war. Tatsächlich ist Bisdemethoxykurkumin, das „polarste“ Kurkuminoid und daher am empfindlichsten gegenüber Wasser. Im Vergleich zu dem binären Gemisch EtOH/TriA (40/60 in Gew.-%) konnte die Extraktionsausbeute von Demethoxykurkumin und insbesondere Bisdemethoxykurkumin um 14 % bzw. 32 % erhöht werden. Danach wurde versucht die SFME zu rwiederverwerten und mit Kurkuminoiden anzureichern. Daher wurde die SFME erneut verwendet, um mehrere Extraktionszyklen durchzuführen und die Kurkuminoide in der SFME aufzukonzentrieren. Eines der Ziele dieser Arbeit war die Kurkuminoide in einer wässrigen Lösung zu lösen. Daher wurden verschiedene Reinigungsmethoden (Hydrodestillation, Vakuumdestillation und Gefriertrocknung) verwendet, um die ätherischen Öle von Kurkuma longa zu entfernen und die relative Reinheit des Extrakts zu verbessern. Die Reinigung des Extrakts wurde durch Gefriertrocknung des Rhizoms von Kurkuma longa erreicht, da dies durch wiederholte Gefriertrocknungszyklen zu einer hohen relativen Reinheit des Extrakts (etwa 94 %) führt und die Kurkuminoide vor der Extraktion nicht zerstört. Unter Verwendung einer geeigneten Zusammensetzung der SFME (50/32,5/17,5 H2O/EtOH/TriA in Gew.-%) wurde eine Verdünnung der KurKuminoide-Extraktlösung mit Wasser und eine Stabilisierung gegen Tageslicht und Niederschlag erreicht.
Die Extraktionsausbeute der verschiedenen Kurkuminoiden wurden mit Hilfe von verschiedenen Additiven weiterverbessert. Die Addditiven wurden in der wässrigen Phase der SFME gelöst. Meglumine hat sich als beste Additive erwiesen. Pyroglutaminsäure (PCA) wurde als pH-Regulator und auch als Hydrotrop für Kurkumin benutzt. Mit der Verwendung von Meglumine als Additive mit und ohne PCA wurden hohe Extraktionsausbeute erreicht: 17,3 mg Kurkuminoide pro g Kurkuma longa mit Hilfe einer SFME (5/34/51 H2O/EtOH/TriA in Gew.-%) bei pH 9 mit 5 Gew.-% Meglumine im Wasser und 18,3 mg Kurkuminoide pro g Kurkuma longa mit Hilfe einer SFME (5/38/57 H2O/EtOH/TriA in Gew.-%) bei pH 11,5 mit 15 Gew.-% Meglumine ohne PCA im Wasser. Eine einfache Wasser-Extraktion (Wasser mit Meglumine) wurde durchgeführt und erzielte die höchste Extraktionsausbeute für Bisdemethoxykurkumin (3,46 ± 0,62 mg pro g Kurkuma longa).
Eine andere SFME, die aus wasser, Natriumsalicylat (NaSal) und Ethylacetat (EtOAc), wurde auch untersucht um die Kurkuminoide zu lösen, extrahieren und abtrennen. Je nach Zusammensetzung der SFME könnte die Extraktionsausbeute von einer der drei Kurkuminoide selektiv erhöht werden: H2O/NaSal/EtOAc 17/12/71 und 7/13/80 (in Gew.-%) für Bisdemethoxy- bzw. Demethoxykurkumin und das reine EtOAc für Kurkumin. NaSal ist ein Antioxidant und kann dadurch die Stabilität der Kurkuminoide in Lösung verbessern.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Isoflavone und Benzophenone erfolgreich aus den Rhizomen von Iris germanica L. mit Hilfe von verschiedenen Chromatographie-Methoden (Kieselgelsäule, HPLC und präparative HPLC) extrahiert und isoliert. Die Struktur von 11 Isolate wurden mit HIlfe von NMR und LC-MS Daten erklärt. Die meisten Isolaten und Extrakte wurden als potentielle anti-inflammatorische Agenten mit der ICAM-1 Assay getestet. Erstaunlicherweise zeigten die meisten Isoflavone und Benzophenone pro-inflammatorische Eigenschaften und der EtOAc-Extrakt aus den Rhizomen von Iris germanica L. die höchste pro-inflammatorische Eigenschaften. Die Isolate und die Extrakte wurden auch als potenzielle antibakterielle Wirkstoffe getestet. Keiner der Extrakte oder Isolate war gegen das Bakterium S. aureus aktiv. Nur die Irisbutter (das ätherische Öl) zeigte eine starke antibakterielle Aktivität, sicherlich aufgrund der Anwesenheit von Ironen. Die Irisbutter zeigte auch eine antibakterielle Aktivität gegen das Bakterium E. coli.
Metadata last modified: 16 May 2022 06:01
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