Extraktionsverhältnis

2.38.6.1.1 Fest-Flüssig-Extraktion (SLE)

Die Extraktion von phenolischen Verbindungen durch SLE wurde traditionell unter Verwendung von Methanol, Ethanol, Aceton oder Gemischen dieser Lösungsmittel mit Wasser durchgeführt. Anschließend kann eine weitere Fraktionierung durch Flüssigkeitsverteilung (LLE), üblicherweise mit Hexan oder Ethylacetat, durchgeführt werden, die in einer Aufreinigung durch SPE oder in einer säulenchromatographischen Fraktionierung enden kann (Ajila et al., 2010). Zum Beispiel wurde dieser traditionelle Arbeitsablauf verwendet, um Extrakte zu erhalten, die mit Cucurbitacinen und Flavonoiden aus Ecballium elaterium angereichert sind, beginnend mit einem Rohextrakt, der durch SLE mit Ethanol 96% bei einem Lösungsmittel−zu-Probe-Verhältnis von 20 ml g-1 hergestellt wurde. Die Fraktionierung des Rohextrakts mit Ethylacetat ergab einen Extrakt mit antioxidativer und entzündungshemmender Wirkung (Bourebaba et al., 2018). Dies ist jedoch nicht der umweltfreundlichste Ansatz, und es wird empfohlen, ihn durch Strategien zu ersetzen, die zu einer Verringerung des Lösungsmittelverbrauchs, der Zeit und der Verdampfungsschritte führen.

Die Verwendung von reinem Wasser ist eine der billigsten und einfachsten Möglichkeiten, SLE durchzuführen. Es wird häufig zur Herstellung von Extrakten aus Pflanzen, Lebensmitteln und Lebensmittelabfällen verwendet, um deren chemische Zusammensetzung und mögliche gesundheitliche Auswirkungen zu untersuchen. Die Verwendung von SLE mit kochendem Wasser ist sehr interessant, weil es die Prozesse emuliert, die während der Infusion oder Abkochung von Pflanzen auftreten, so dass die Zusammensetzung dieser Extrakte dem chemischen Profil der analog konsumierten Kräutertees ähnlich sein sollte. Darüber hinaus können Wasserextrakte aus Lebensmittelabfällen mit potenzieller biologischer Aktivität für die Aufwertung dieser Produkte leicht skaliert werden. Andererseits können einige Pflanzenmetaboliten während der Extraktion oder Konservierung wässriger Extrakte einer Hydrolyse unterzogen werden, und Wasser ist ein gutes Medium für das Wachstum von Bakterien (Belwal et al., 2018). Die Entfernung des Lösungsmittels ist ebenfalls nachteilig, da Wasser nicht leicht verdampft und die Gefriertrocknung einen hohen Energie- und Zeitaufwand erfordert; Dies ist üblicherweise ein erforderlicher Schritt, da Gefrier-Tau-Zyklen, die als Folge der Konservierung der Extrakte bei niedrigen Temperaturen erzeugt werden, die interessierenden Verbindungen abbauen können. Diese Nachteile werden üblicherweise durch die Verwendung von Mischungen von Wasser mit anderen organischen Lösungsmitteln überwunden.Gute Beispiele für die Anwendung von grünen Lösungsmitteln für die Extraktion von biologisch aktiven phenolischen Verbindungen sind mehrere Studien, die in letzter Zeit für SLE von phenolischen Verbindungen aus verschiedenen Salvia-Arten veröffentlicht wurden. Mazeration von Salvia eriophora (Bursal et al., 2019) und Salvia amplexicaulis Lam. (Alimpić et al., 2017) mit Wasser (10 ml g−1) produzierten vielversprechende Extrakte mit inhibitorischer Aktivität gegen Enzyme wie Acetylcholinesterase (AChE), die mit neurodegenerativen Signalwegen zusammenhängen. Wasserextrakte aus verschiedenen Salvia-Arten zeigten ein unterschiedliches phenolisches Profil, aber das chemische Profil von Ethanolextrakt derselben Art war analog zu dem wässrigen, so dass der alkoholische Extrakt auch bioaktiv war (Alimpić et al., 2017). In beiden Studien wurde auch Methanol als Lösungsmittel getestet, da es eine hohe Ausbeute an phenolischen Verbindungen liefert. Methanol ist etwas polar und billiger als Ethanol und aufgrund seines niedrigeren Siedepunkts leichter zu verdampfen; aufgrund seiner schlechteren Umwelteigenschaften wird Methanol jedoch zunehmend durch Ethanol oder Ethanol/Wasser-Gemische ersetzt. Dennoch ist das vorgeschlagene Extraktionsverfahren trotz der Verwendung von grünen Lösungsmitteln zeitaufwendig und kann verbessert werden, da die vorgeschlagene Extraktion von S. eriophora und S. amplexicaulis Lam. wurde für 12 h bzw. 24 h durchgeführt. Die Extraktion unter Rückfluss mittels eines Soxhlet-Extraktors kann dazu beitragen, die Zeit zu verkürzen, die benötigt wird, um die bioaktiven Verbindungen aus der Probe zurückzugewinnen. So wurde beispielsweise eine Soxhlet-Extraktion von bioaktiven Verbindungen aus grünen Kaffeebohnen mit Ethanol in 5 h erhalten (Resende Oliveira et al., 2019).

SLE unter Verwendung von Ethanol, Wasser und deren Gemischen wurde zur Rückgewinnung von Phenolverbindungen und Flavonoiden aus Nebenprodukten verschiedener Lebensmittelindustrien eingesetzt, mit dem Hauptziel, Produkte zu verwerten, die normalerweise als Abfall gelten. Zum Beispiel zeigte SLE mit 80% Ethanol in Wasser eine effiziente Rückgewinnung von Polyphenolen aus dem Trester (Haut und Samen) verschiedener Rotweinsorten in der Weinindustrie (Makris, 2018). Eine Mischung aus Ethanol / Wasser 70:30 (v/v) wurde zur Rückgewinnung von phenolischen Verbindungen aus der Schale von Citrus reticulata Blanco, einem weiteren lebensmittelindustriellen Nebenprodukt, verwendet. Der Extrakt wurde erhalten, indem die Probe im Lösungsmittel während 60 min mit einem Lösungsmittel−zu-Probe-Verhältnis von 20 ml g-1 gekocht wurde. Der gereinigte Extrakt von SPE zeigte antiproliferative Aktivität gegen BT-475 humane Brustkarzinomzellen (Ferreira et al., 2018). Dieser Ansatz ist aus Sicht der Grünen Chemie sehr interessant, da die Aufwertung eines Nebenprodukts zur Kreislaufwirtschaft und Nachhaltigkeit beiträgt und die vorgeschlagene Extraktionszeit von 1 h zur Gewinnung bioaktiver Extrakte lebensfähiger ist als Mazerationszeiten von 12 h bis 24 h. Für die Rückgewinnung bioaktiver phenolischer Verbindungen aus den Blättern von Kiwibäumen (Actinidia deliciosa), die als Abfall der Obstindustrie angesehen werden, wurde sogar eine kürzere Extraktionszeit vorgeschlagen. In dieser Anwendung wurden 10 min kochendes Wasser in einem Lösungsmittel−zu-Probe-Verhältnis von 10 ml g-1 verwendet, und auf den SLE-Schritt folgte eine ethanolische Fällung der Fasern. Effekte auf das Proteinprofil und die Hemmwirkung über AChE wurden beobachtet, was das Potenzial des Wasserextrakts dieses Nebenprodukts zeigt (Henriques et al., 2018).

Neben phenolischen Verbindungen werden Wasser- und Ethanolkombinationen in großem Umfang für die konventionelle Extraktion von Kohlenhydraten verwendet. Zum Beispiel wurde SLE mit Wasser zur Extraktion interessanter Polysaccharide aus dem Pilz Hericium erinaceus verwendet. Kochendes Wasser (15 ml g−1, 1h, zweimal) wurde verwendet, um eine rohe Polysaccharidfraktion zu erhalten, und danach wurde eine konzentrierte Polysaccharidfraktion durch Ethanolfällung erhalten. Dieser Extrakt wurde einer Proteinfällung unterzogen und dialysiert, um einen raffinierten Extrakt zu erhalten. Diese Fraktionen wurden Mäusen durch orale Verabreichung zugeführt und eine Verbesserung der Kolongesundheit wurde beobachtet (Wang et al., 2018c).

Aus allen bisher exponierten ist leicht zu beobachten, dass phenolische Verbindungen und Kohlenhydrate polare Moleküle sind, die für die Extraktion mit Wasser und Ethanol geeignet sind, aber weniger polare grüne Lösungsmittel werden für die Extraktion von Molekülen wie Carotinoiden oder Lipiden benötigt. Diese unpolaren Analyten wurden traditionell mit Chloroform / Methanol-Gemischen extrahiert, und ihr Ersatz durch umweltfreundlichere Lösungsmittel für herkömmliche SLE ist eine herausfordernde Aufgabe. In diesem Zusammenhang wurde ein chloroformfreies Verfahren zur Gesamtlipidextraktion von tierischen Geweben auf Basis von SLE mit Butanol/Methanol (3:1)-Gemisch vorgeschlagen (ca. 10 µL mg-1) gefolgt von LLE mit Essigsäure 1% und Heptan/Ethylacetat (3:1)-Gemisch (Löfgren et al., 2016). Diese Methode war der herkömmlichen Folch-Methode, die auf der Verwendung von Chloroform/Methanol (2:1)-Gemisch beruhte, bei der Gewinnung von Lipiden überlegen und auch besser als die Lipidextraktion mit Methyl-tert.-Butylether (MTBE). Dennoch sind nicht alle im vorgeschlagenen Protokoll verwendeten Lösungsmittel umweltfreundlich, obwohl jedes chlorierte Lösungsmittel enthalten ist.

Schließlich lohnt es sich, ein Beispiel für die Verwendung von SLE mit umweltfreundlichen Lösungsmitteln in Lebensmittelsicherheitsanwendungen zu nennen. In dieser Hinsicht ist die beliebteste Extraktionsmethode für die Analyse von Pestizidrückständen die sogenannte QuEChERS-Methode (Abkürzung für quick, easy, cheap, effective, rugged and safe), die auf SLE basiert, gefolgt von dispersiver SPE (dSPE) für die Reinigung der Extrakte (http://quechers.cvua-stuttgart.de). Polare Schädlingsbekämpfungsmittel werden normalerweise unter Verwendung des Acetonitrils oder des Methanols vor ihrer Analyse durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) extrahiert, aber weniger polare Schädlingsbekämpfungsmittel werden durch das umweltfreundliche Ethylacetatlösungsmittel, vorherige Gaschromatographieanalyse (GC) extrahiert. Als Beispiele werden zwei Methoden zur Analyse von Pestizidrückständen in Obst und Gemüse (Uclés et al., 2014) und in Süßigkeiten (Gérez et al., 2017) sind in Tabelle 1 enthalten, beide basierend auf QuEChERS Extraktion mit Ethylacetat.