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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-532828
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.53282
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 12 Dezember 2022 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Werner Kunz |
| Tag der Prüfung: | 24 November 2022 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Lehrstuhl für Chemie IV - Physikalische Chemie (Solution Chemistry) > Prof. Dr. Werner Kunz |
| Stichwörter / Keywords: | Extraktion; Löslichkeit; gamma-Irone; Iris germanica L.; Curcumin; Curcuma longa L.; Zimtaldehyd; Cinnamomum cassia |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 53282 |
Zusammenfassung (Englisch)
Three plants of interest and their active ingredients were examined throughout this thesis: γ-irone of Iris germanica L., the curcuminoids of Curcuma longa L., and cinnamaldehyde of Cinnamomum cassia. They also dictate the structure of the presented study. Chapter 3 deals with the extraction and concentration of the odiferous γ-irone from Iris Barbata-Elatior, a cultivar of Iris germanica L. ...
Zusammenfassung (Englisch)
Three plants of interest and their active ingredients were examined throughout this thesis: γ-irone of Iris germanica L., the curcuminoids of Curcuma longa L., and cinnamaldehyde of Cinnamomum cassia. They also dictate the structure of the presented study.
Chapter 3 deals with the extraction and concentration of the odiferous γ-irone from Iris Barbata-Elatior, a cultivar of Iris germanica L. The dried and ground rhizomes were extracted in four different approaches with solvents based on myristic acid. The best result with a γ-irone yield of ~ 66% was achieved through the extraction of rhizomes soaked in water with pure myristic acid. This model extraction was scaled up in order to obtain enough extract to successively perform molecular distillation for concentration purposes. The optimum distillation method was developed beforehand by taking the Clausius-Clapeyron relation as a theoretical basis and validating it with experiments using structural analogues of γ-irone. Eventually, the γ-irone content could be concentrated 18-fold after two molecular distillation cycles.
The curcuminoids of Curcuma longa L. were the molecules of interest throughout Chapters 4 and 5. A screening of different natural deep eutectic solvents in terms of curcumin solubility was performed. The most promising ones were the mixtures of choline chloride with lactic and levulinic acid. They were chosen to replace the aqueous phase in ternary mixtures with ethanol and triacetin. Successively, the phase behavior of these ternary mixtures was examined while also mapping the solubility of curcumin depending on the weight ratios of these ternary mixtures. In the domains of highest solubility, extraction experiments were performed. It was possible to achieve curcuminoid extraction yields of up to 79% (lactic acid) and 84% (levulinic acid). Consecutively, cycle extractions were investigated, showing that the solvents could be concentrated through repeated extraction of fresh rhizomes. The change of the solvent during these cycle extractions was monitored and determined to be the limiting factor of cycles.
After determining the natural deep eutectics’ capability to solve and extract curcuminoids, the mechanism of solubility was investigated. Nine different eutectics based on the quaternary ammonium compounds choline chloride, betaine, and carnitine mixed with lactic, levulinic, and pyruvic acid were examined. UV/Vis spectroscopy was used to monitor the eutectics’ capability to solve curcumin. The underlying intermolecular interactions were assessed theoretically by using COSMO-RS predictions of the chemical potential and experimentally backing those with 1H and NOESY NMR measurements. Different additional functionalities of the quaternary ammonium compounds did not influence the solubility of curcumin in ethanolic solutions, while functionalities had a significant effect when regarding ethanolic solutions of the acids. The natural deep eutectics containing levulinic acid yielded the highest curcumin solubilities based on a solubility synergy between the acid and the quaternary ammonium compounds. Non-specific and directed intermolecular interactions were identified as the driving force behind the strong solubility increase.
In the last part, Chapter 6, the curcumin solubility in ethanolic solutions of natural aromas was examined. A series of natural aromas with different functionalities were screened experimentally with UV/Vis spectroscopy and theoretically with COSMO-RS, yielding cinnamaldehyde as the molecule of highest solving ability. Natural essential cinnamon oils of Cinnamomum cassia and Cinnamomum verum, high in cinnamaldehyde, were examined in view of composition and solving capability. The phase behavior of ternary mixtures of the best cinnamon essential oil (Cinnamomum cassia oil), water, and ethanol was characterized, and the curcumin solubility was mapped. Cycle extraction experiments showed that rather the loss of solvent was the limiting factor of cycles than the solvent change over time. A theoretical model for cycle extractions was developed.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Drei Pflanzen sowie deren Inhaltsstoffe waren von besonderer Bedeutung für diese Arbeit und wurden untersucht: γ-Iron aus Iris germanica L, die Curcuminoide von Curcuma longa L und Zimtaldehyd aus Cinnamomum verum. Diese geben auch die Struktur der Arbeit vor. Kapitel 3 beschäftigt sich mit der Extraktion und Aufkonzentrierung des Duftstoffes γ-Iron aus der Pflanze Iris Barbata-Elatior, einem ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Drei Pflanzen sowie deren Inhaltsstoffe waren von besonderer Bedeutung für diese Arbeit und wurden untersucht: γ-Iron aus Iris germanica L, die Curcuminoide von Curcuma longa L und Zimtaldehyd aus Cinnamomum verum. Diese geben auch die Struktur der Arbeit vor.
Kapitel 3 beschäftigt sich mit der Extraktion und Aufkonzentrierung des Duftstoffes γ-Iron aus der Pflanze Iris Barbata-Elatior, einem Kultivar der Spezies Iris germanica L. Die getrockneten und gemahlenen Rhizome wurden auf vier unterschiedliche Arten mit myristinsäurebasierten Lösemitteln extrahiert. Das beste Ergebnis mit einer Ausbeute von ~ 66% γ-Iron wurde durch die Extraktion von zuvor in Wasser eingelegten Rhizomen mit reiner Myristinsäure erreicht. Um genügend Extrakt für eine darauffolgende Aufarbeitung mittels einer Molekulardestillationsanlage zu erhalten, wurde ein Upscaling dieser Modellextraktion vorgenommen. Die optimale Destillationsmethode wurde theoretisch anhand der Clausius-Clapeyron-Beziehung entwickelt und mit Experimenten zu γ-Iron strukturellen Analoga validiert. Somit wurde nach zwei Destillationszyklen eine 18-fache Aufkonzentrierung von γ-Iron ermöglicht.
Die Curcuminoide von Curcuma longa L. werden in den Kapiteln 4 und 5 behandelt. Ein Screening verschiedener natürlicher Eutektika mit Blick auf die Löslichkeit von Curcumin wurde durchgeführt. Am vielversprechendsten waren die Mischungen aus Cholinchlorid mit Milch- und Lävulinsäure, die ausgewählt wurden, um die wässrige Phase in ternären Mischungen mit Ethanol und Triacetin zu ersetzen. Das Phasenverhalten dieser ternären Mischungen wurde charakterisiert und die Curcuminlöslichkeit in Abhängigkeit von den ternären Zusammensetzungen kartographiert. In den Bereichen der höchsten Löslichkeit wurden Extraktionsexperimente durchgeführt. So war es möglich, Extraktionsausbeuten von 79% (mit Milchsäure) und 84% (mit Lävulinsäure) zu erreichen. Daraufhin wurden die besten Lösemittelmischungen im Hinblick auf zyklische Extraktionen untersucht. Bei wiederholten Extraktionen von frischem Rohmaterial konnten die Lösemittel wiederverwendet und aufkonzentriert werden. Die Veränderung des Lösemittels während der Zyklen wurde als limitierender Faktor der Zyklen festgestellt.
Nachdem die Curcumin-Lösungs- und Extraktionsfähigkeit der natürlichen tiefen Eutektika-Mischungen gezeigt werden konnten, wurde der diesbezügliche Mechanismus untersucht. Neun verschiedene Eutektika auf der Basis der quaternären Ammoniumverbindungen Cholinchlorid, Betain und Carnitin gemischt mit Milch-, Lävulin- und Brenztraubensäure wurden betrachtet. Mittels UV/Vis Spektroskopie wurde die Löslichkeit von Curcumin beobachtet. Die zugrundeliegenden intermolekularen Interaktionen wurden theoretisch durch die Vorhersage des chemischen Potentials mittels COSMO-RS bemessen und durch 1H- und NOESY-NMR-Messungen bekräftigt. Funktionelle Gruppen hatten kaum Einfluss auf die Löslichkeit von Curcumin in ethanolischen Lösungen der quaternären Ammoniumverbindungen, während ihr Einfluss im Hinblick auf die Säuren nicht zu vernachlässigen war. Die höchsten Curcuminlöslichkeiten wurden in ethanolischen Lösungen mit natürlichen tiefen Eutektika mit Lävulinsäure als Bestandteil erreicht, was auf eine Synergie zwischen den quaternären Ammoniumverbindungen und der Säure zurückzuführen war. Unspezifische und direkte intermolekulare Wechselwirkungen wurden als treibende Kraft hinter der starken Löslichkeitserhöhung identifiziert.
Im letzten Teil, Kapitel 6, wurde die Curcuminlöslichkeit in ethanolischen Lösungen von natürlichen Aromastoffen erforscht. Eine Reihe natürlicher Aromen mit verschiedenen Funktionalitäten wurde experimentell mittels UV/Vis-Spektroskopie und theoretisch mittels COSMO-RS-Rechnungen untersucht. Zimtaldehyd wurde als Verbindung mit der höchsten Löslichkeitskraft identifiziert. Natürliche ätherische Öle von Cinnamomum cassia mit hohem Zimtaldehydanteil wurden mit Blick auf ihre Zusammensetzung und Löslichkeitskraft untersucht. Das Phasenverhalten des besten Öls in der Mischung mit Wasser und Ethanol wurde untersucht sowie die Curcuminlöslichkeit in Abhängigkeit der Zusammensetzung. Zyklische Extraktionen zeigten, dass weniger die Veränderung des Lösemittels als der Lösemittelverlust der limitierende Faktor der Zyklen war. Ein theoretisches Modell für zyklische Extraktionen wurde entwickelt.
Metadaten zuletzt geändert: 12 Dez 2022 08:37
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