CZ292834B6

CZ292834B6 - Způsob izolace anthokyanových barviv z rostlinného materiálu

Info

Publication number: CZ292834B6
Application number: CZ20013579A
Authority: CZ
Inventors: Martin Ing. Csc. Buchta; Ladislav Ing. Cvak Phd.
Original assignee: Ivax Pharmaceuticals S.R.O.
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2003-12-17
Also published as: CZ20013579A3

Abstract

Zmrazený rostlinný materiál se extrahuje vodným roztokem zředěné minerální kyseliny, zahřáté na teplotu 40 až 80 .degree.C a získaný primární extrakt se bezprostředně po extrakci podrobí rafinaci spočívající v adsorpci anthokyanových barviv na polymerní sorbent, z něhož se anthokyanová barviva eluují methanolem, ethanolem nebo 2-propanolem a získaný alkoholový roztok se pak usuší. Jako rostlinný materiál se s výhodou použije plod brusnice borůvky, plod aronie obecné, plod černého rybízu a/nebo plod bezu černého.ŕ

Description

Oblast techniky

Anthokyanová barviva jsou přírodní látky, které jsou obsaženy prakticky ve všech typech tzv. tmavého ovoce, jako borůvky (Vaccinium myrtillus L.), černý rybíz (Ribes nigrům L.), černý jeřáb (Aronia melanocarpa L.), černý bez (Sambucus nigra L.) aj. Pro své silné antioxidační schopnosti jsou používány ve farmaceutických a kosmetických přípravcích jako přírodní antioxidanty. U této skupiny látek byl prokázán efekt zlepšené mikrocirkulace ve vlásečnicových cévách s pozitivním vlivem na prokrvení oční sítnice. Druhou významnou aplikací anthokyanových barviv je jejich uplatnění jakožto přírodních potravinářských barviv.

Dosavadní stav techniky

Je známá celá řada postupů izolace anthokyanových barviv z různých rostlinných materiálů. Pro potravinářské účely se nejčastěji zpracovávají ovocné šťávy získané lisováním příslušných čerstvých plodů (borůvky, černý rybíz), naopak farmaceutický průmysl využívá extrakci sušených plodů. Touto rozdílnou surovinovou základnou je také dána odlišná technologie izolace anthokyanových barviv.

Ovocné šťávy získané lisováním plodů se bud’ pouze zahustí odpařením části vody a konzervují se přídavkem vhodné minerální či organické kyseliny, nebo se obsažené anthokyany koncentrují precipitací části polárních látek (minerální soli, sacharidy) přídavkem alkoholu, či se anthokyany izolují na měničích iontů. Společným nedostatkem všech postupů založených na zpracování ovocných šťáv je nízký výtěžek, protože podstatná část barviv zůstává ve vylisované hmotě, zejména vázána na ovocné slupky.

Sušené ovocné plody se obvykle extrahují vodnými roztoky nižších alkoholů, obvykle vodným methanolem nebo vodným ethanolem (např. patenty RU 2 007 543, RO 110 036, RU 2 025 475), často s přídavkem minerální či organických kyselin. Je známo použití kyseliny chlorovodíkové (např. patenty RO 93 530, NL 6 807 663, BE 715 809, BE 715 809, FR 6 760, JP 71 010 077, GB 1 135 379, NL 141 785, DE 1 767 614, KR 9 100 452, FR 2 260 620, IT 1 030 102), kyseliny sírové (např. patent FR 2 345 494), kyseliny citrónové (např. patenty RU 2 0999 371, PT 98 517, SU 522 216), kyseliny vinné (např. patenty US 3 963 700, SU 1 055 749), kyseliny mléčné (např. patent SU 1 763 460) nebo kyseliny jantarové (např. patent JP 63 145 235). Uvedené kyseliny se buď přidávají přímo do extrakčního média nebo až do získaného primárního extraktu s cílem zvýšení stability extraktu. Ze získaných extraktů se anthokyanová barviva izolují buď jenom odpařením na suchý extrakt (např. patent FR 2 641 283), nebo následuje rafinace precipitací přídavkem dalšího organického rozpouštědla (např. patenty RO 93 530, RO 74 798, FR 2 268 519), či na anthokyany izolují adsorpci na měničích iontů (např. patenty SU 1 705 324, FR 2 309 612, FR 2 299 385, JP 04 154 871, JP 2 821 946, JP 50 103 526, JP 76 035 483, NL 6 807 663, BE 715 809, FR 6 760, JP 71 010 077, GB 1 235 379, NL 141 785, Ε 1 767 614). Jsou popsány i postupy zahrnující odpaření alkoholu z primárního vodně alkoholového extraktu a absorpci anthokyanů ze získaných zahuštěných vodných roztoků na neionogenní sorbenty. Všechny tyto postupy mají dva hlavní společné nedostatky. První spočívá už v použité surovině. Sušením plodů se obvykle ztratí až 50 % anthokyanů obsažených v čerstvých plodech. K dalším podstatným ztrátám anthokyanových barviv pak dochází při zahušťování velkých objemů primárních vodně alkoholových extraktů. Tyto nevýhody se snaží odstranit postupy využívající extrakci na měničích iontů (např. patenty JP 07 157 679, JP 59 223 756, JP 01 224 389, US 4 320 009) nebo neionogenních sorbentech (např. patenty JP 59 223 756, WO 00 33 670, AU 200 023 584, EP 412 300, JP 03 099 090, IT 1 231 725, US 5 200 186, EP 412 300, EP 412 300, DE 69 023 569, ES 2 080 769, JP 3 041 803, KR 166 073, CA 2 022 962, JP 63 270 766, JP

-1 CZ 292834 B6

278 971, US 4 500 556, DE 3 310 340, GB 2 118 566, CA 1 182 323, GB 2 118 566), ale ani tyto postupy neposkytují často uspokojivý výtěžek a kvalitu získaných anthokyanových barviv.

Podstata vynálezu

Izolace anthokyanových barviv podle vynálezu spočívá v přímé extrakci zmrazeného rostlinného materiálu teplou vodou s přídavkem minerální kyseliny, s výhodou kyseliny fosforečné nebo kyseliny sírové. Extrakci je výhodné provádět v protiproudém uspořádání na baterii perkolátorů, čímž je zajištěn efektivní způsob extrakce zaručující nejvyšší výtěžnost anthokyanových barviv do primárního extraktu s minimální spotřebou extrakčního činidla. Extrakční poměr mezi vstupní drogou a primárním extraktem je možno při více než 95 % vyextrahovanosti vstupního materiálu z hlediska anthokyanových barviv udržovat na 4 kg extrakčního činidla na 1 kg vstupního materiálu. Koncentrace použití kyseliny v extrakčním činidle může být v rozmezí 0,02 % až 2,0 %, přičemž jako optimální se jeví koncentrace cca 0,1 %, která zaručuje za daných podmínek kvantitativní převedení kationtů anthokyanových barviv na soli použité kyseliny po celou dobu extrakce a rafinace extraktu a právě převedení anthokyanových barviv na stabilní soli minerálních kyselin má rozhodující vliv na výtěžek a kvalitu konečného produktu. Zejména výhodné se jeví použití kyseliny fosforečné, protože s ní je možno provádět jak extrakci, tak následnou rafinaci primárního extraktu v zařízeních z legovaných potravinářských nerezových ocelí nebo vysoce legovaných slitin používaných pro speciální účely ve farmaceutickém průmyslu bez rizika jejich koroze a možnosti kontaminace produktu solemi těžkých kovů. Použití kyseliny fosforečné umožňuje využít pro proces extrakce i pitnou vodu s vyšším obsahem minerálních solí, protože dochází k procesu změkčení vody převedením na rozpustné fosfáty a tím i ke značnému omezení rizika vylučování nerozpustných anorganických podílů v použitých zařízeních během technologického procesu.

Vzhledem k tomu, že vstupní surovinou je zmrazený biologický materiál, je rozhodujícím faktorem pro účinnou extrakci anthokyanových barviv teplota extrakčního média. Experimentálně bylo zjištěno, že je nutno extrakci provádět médiem o teplotě alespoň 40 °C. Na druhé straně bylo zjištěno, že ani při teplotě extrakčního media 80 °C nedochází k významnějšímu rozkladu anthokyanových barviv. Jako optimální se jeví extrakce při cca 50 °C.

Po semikontinuálním procesu extrakce bezprostředně následuje sorpce ještě teplého extraktu na sloupci polymemího neionogenního sorbentu. Při tomto kroku jsou z extraktu efektivně odstraněny balastní látky, které se na sorbentu nezachytí (sacharidy, anorganické soli, peptiny atd.). Zvýšená teplota při sorpci hraje pozitivní roli v selektivitě pro sorbované látky. Jako vhodné sorbenty lze použít všechny polymerované styren-divinylbenzenové pryskyřice s rozdílnou porozitou a velikostí částic, které mají schopnost sorbovat látky s planámí strukturní jednotkou na své molekule. Obdobně lze použít i ostatní polymery obsahující benzenové jádro (např. fenylmethakylátové polymery a podobně). Jako nejvýhodnější z hlediska kapacity a selektivity se přitom jeví neionogenní polymery na bázi polystyren-divinylbenzenové síťované pryskyřice nebo hromované polystyrendivinylbenzenové síťované pryskyřice se středním poloměrem pórů v rozmezí 3,5 až 30,0 nm, měrným povrchem 450 až 100 m²/g a středním objemem pórů 1,1 až 1,6 ml/g. Těmto požadavkům vyhovují například polymemí nosiče firmy Mitsubishi Chemical Co. pod označením HP20, HP21, SP207, SP 825, SP85O, dále polymemí nosiče firmy Serva pod označením SERDOLIT Π, SERDOLIT ΙΠ nebo polymemí nosiče firmy Rohm & Haas pod označením AMBERLITE XAD-4, AMBERLITE XAD-16 a AMBERLITE XAD-1180.

Na polymemím neionogenním sorbentu se nezachytí anorganické soli, takže kvýše popsané extrakci biologického materiálu je možno použít pitnou vodu, což představuje další výhodu postupu podle vynálezu.

Po sorpci anthokyanových barviv následuje promytí sorbentu demineralizovanou vodou čímž se odstraní zbytky nenasorbovaných látek a volné kyseliny fosforečné z použitého extrakčního

-2CZ 292834 B6 činidla. Nasorbované látky se potom desorbují vhodným alkoholem. Desorpci je možno provádět methanolem, ethanolem nebo izopropylalkoholem. Z hlediska akceptovatelných zbytkových rozpouštědel pro farmaceutický a potravinářský průmysl se pak jeví jako optimální použití ethanolu. Koncentrace ethanolu použitého pro desorpci se může pohybovat v širokém rozmezí 30% až 100 %, přičemž dochází k postupné úplné eluci sorbovaných barviv. Jako nejvýhodnější z hlediska možnosti opětovného použití regenerovaného rozpouštědla se jeví koncentrace ethanolu 85 % až 90%.

Alkoholový roztok eluovaných anthokyanových barviv je poté odpařen za sníženého tlaku na koncentrát o sušině 20 % až 80 % hmota., který je následně usušen na suchý extrakt. Sušení koncentrátu může probíhat např. sprejovým způsobem v proudu horkého vzduchu nebo v inertní atmosféře dusíku. Alternativní způsob sušení spočívá v sušení za sníženého tlaku na vakuové pásové sušárně nebo ve vakuové skříňové sušárně. V prvním případě sprejového sušení jsou získávány produkty s nižší sypnou hmotností (0,2 až 0,4 g/cm³), v případě sušení na vakuové pásové nebo skříňové sušárně pak produkty s vyšší sypnou hmotností (0,5 až 0,7 g/cm³). Při sušení na všech typech sušáren lze přidávat vhodný nosič upravující koncentraci anthokyanových barviv v suchém extraktu na předem stanovenou požadovanou koncentraci. Jako vhodné nosiče se jeví ve vodě rozpustné sacharidy nebo jejich deriváty (typicky maltodextrin, laktóza, mannitol) nebo jiné ve vodě nerozpustné nosiče převážně anorganického charakteru (typicky expandovaný oxid křemičitý).

Tímto způsobem je možno získat suché koncentráty anthokyanových barviv o koncentraci anthokyanových glykosidů 40 % a více. Získané extrakty jsou prakticky bez zápachu. Lze je proto použít pro farmaceutické, kosmetické i potravinářské aplikace bez rizika senzorického zařízení výsledného produktu. Stabilita extraktů je v důsledku efektivního rafinačního postupu velmi dobrá.

Popsaný způsobem je možno zpracovávat obecně jakékoli biologické materiály, ze kterých lze uvolnit anthokyanová barviva extrakcí vodou na normální nebo zvýšené teploty. Popsanou technologií byly připraveny suché extrakty z různých druhů tmavého ovoce (plody brusnice borůvky, černého jeřábu, černého rybízu a černého bezu).

Technologie izolace anthokyanových barviv podle vynálezu je velmi efektivní a zcela ekologická. Jediné organické rozpouštědlo, alkohol, s výhodou ethanol, a používá pouze pro eluci barviv po sorpci na polymemí sorbent a jeho spotřeba je tudíž podstatně nižší než v postupech používajících organická rozpouštědla k extrakci drogy. Použitý ethanol je plně regenerovatelný a jeho rezidua ve výsledném suchém extraktu neomezují jeho použití pro farmaceutické, kosmetické nebo potravinářské aplikace.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

5600 g zmrazených plodů brusnice bylo po rozdrcení extrahováno demineralizovanou vodou s přídavkem 0,5 % kyseliny fosforečné při teplotě 50 °C. Extrakce proběhla v protiproudem zapojení 4 perkolačních členů, z nichž první byl plněn délkou 1200 g a každý další pak dávkou 1100 g extrahovaného materiálu. Získaný primární extrakt odpovídající množství 4400 mg na jeden perkolační člen (extrakční poměr 1:4) byl ihned sorbován na 1250 ml neionogenního polystyren-divinylbenzenového sorbentu SP 825 L umístěné v chromatografickém sloupci. Po ukončení sorpce byl sloupec sorbentu promyt 4000 ml demineralizované vody a eluován 3000 ml vodného ethanolu o koncentraci 95 %. Získaný eluát byl odpařen při 60 °C za tlaku 3 kPa na tmavou pevnou hmotu (48,60 g) s průměrným obsahem 30 % anthokyanových barviv, stanoveno spektrofotometrickou metodou, počítáno jako aglyony (delfínidin - A\ = 1020).

-3CZ 292834 B6 »1

Příklad 2

5600 g zmrazených plodů brusnice borůvky bylo po rozdrcení extrahováno demineralizovanou 5 vodou s přídavkem 1,0 % kyseliny sírové při teplotě 50 °C. Extrakce proběhla v protiproudém zapojení 4 perkolaěních ělenů, z nichž první byl plněn dávkou 1200 g a každý další pak dávkou 1100 g extrahovaného materiálu. Získaný primární extrakt odpovídající množství 4400 g na jeden perkolační člen (extrakční poměr 1:4) byl ihned sorbován na 1250 ml neionogenního polystyren-divinylbenzenového sorbentu SP 825 L umístěného v chromatografickém sloupci. 10 Po ukončení sorpce byl sloupec sorbentu promyt 4000 ml demineralizované vody a eluován 3000 ml vodného ethanolu o koncentraci 95 %. Získaný eluát byl odpařen při 60 °C za tlaku 3 kPa na tmavou pevnou hmotu (44,20 g) s průměrným obsahem 28 % anthokyanových barviv, stanoveno spektrofotometrickou metodou, počítáno jako aglykony (delfinidin - A’i = 1020).

Příklad 3 t zmrazených plodů brusnice borůvky bylo extrahováno pitnou vodou s přídavkem 0,5 % kyseliny fosforečné při teplotě 50 °C. Extrakce proběhla v protiproudém zapojení 6 perkolaěních 20 členů, z nichž každý byl plněn dávkou 1,51 extrahovaného materiálu. Získaný primární extrakt odpovídající množství 15 t najeden perkolační člen (extrakční poměr 1:10) byl ihned sorbován na 1 m³ neionogenního polystyren-divinylbenzenového sorbentu SP 825 L umístěného v chromatografickém sloupci. Po ukončení sorpce byl sloupec sorbentu promyt 10 m³ demineralizované vody a eluován 6 m³ vodného ethanolu o koncentraci 90 %. Získaný eluát byl odpařen při 80 °C 25 za tlaku 3 kPa na koncentrát o sušině 20 %. Tento koncentrát byl sprejově usušen s přídavkem 10% maltodextrinu vztaženo na sušinu koncentrátu při 110°C v inertní atmosféře dusíku na tmavě fialový prach s průměrným obsahem 26 % anthokyanových barviv, stanoveno spektrofotomerickou metodou, počítáno jako aglyony (delfinidin - A\ = 1020).

Příklad 4

5200 g zmrazených plodů černého bezu bylo extrahováno demineralizovanou vodou s přídavkem 0,5 % kyseliny fosforečné při teplotě 50 °C. Extrakce proběhla v protiproudém zapojení 4 perko35 lačních členů, z nichž každý byl plněn dávkou 650 g extrahovaného materiálu. Získaný primární extrakt odpovídající množství 6500 g najeden perkolační člen (extrakční poměr 1:10) byl ihned sorbován na 1250 ml neionogenního polystyrendivinylbenzenového sorbentu SP 825 L umístěného v chromatografickém sloupci. Po ukončení sorpce byl sloupec sorbentu promyt 3000 ml demineralizované vody a eluován 4000 ml vodného ethanolu o koncentraci 95 %. Získaný eluát byl 40 odpařen při 60 °C za tlaku 3 kPa na tmavou pevnou hmotu (61,59 g) s průměrným obsahem 28 % anthokyanových barviv, stanoveno spektrofotomerickou metodou, počítáno jako aglykony (delfinidin -A¹] = 1020).

Příklad 5

6400 g zmrazených plodů aronie obecné (synonyma: jeřabina černá, jeřabina americká, jeřáb čemoplodý, jeřáb černý, temnoplodec aromatický) bylo po rozdrcení extrahováno demineralizovanou vodou s přídavkem 0,5 % kyseliny fosforečné při teplotě 50 °C. Extrakce proběhla 50 v protiproudém zapojení 4 perkolaěních členů, z nichž každý byl plněn dávkou 800 g extrahovaného materiálu. Získaný primární extrakt odpovídající množství 8000 g na jeden perkolační člen (extrakční poměr 1:10) byl ihned sorbován na 1250 ml neionogenního polystyren-divinylbenzenového sorbentu SP 825 L umístěného v chromatografickém sloupci. Po ukončení sorpce byl sloupec sorbentu promyt 3000 ml demineralizované vody a eluován 3000 ml vodného 55 ethanolu o koncentraci 95 %. Získaný eluát byl odpařen při 60°C za tlaku 3 kPa na tmavou

-4CZ 292834 B6 pevnou hmotu (62,67 g) s průměrným obsahem 28 % anťhokyanových barviv, stanoveno spektrofotomerickou metodou, počítáno jako aglykony (delfinidin - A\ = 1020).

Příklad 6

5200 g zmrazených plodů černého rybízu bylo extrahováno demineralizovanou vodou s přídavkem 0,5 % kyseliny fosforečné při teplotě 50 °C. Extrakce proběhla v protiproudém zapojení 4 perkolačních členů, z nichž každý byl plněn dávkou 650 g extrahovaného materiálu. Získaný primární extrakt odpovídající množství 6500 g najeden perkolační člen (extrakční poměr 1:10) byl ihned sorbován na 1250 ml neionogenního polystyrendivinylbenzenového sorbentu SP 825 L umístěného v chromatografickém. sloupci. Po ukončení sorpce byl sloupec sorbentu promyt 3000 ml demineralizované vody a eluován 4000 ml vodného ethanolu o koncentraci 95 %. Získaný eluát byl odpařen při 60 °C za tlaku 3 kPa na tmavou pevnou hmotu (19,17 g) s průměrným obsahem 26 % anthokyanových barviv, stanoveno spektrofotomerickou metodou, počítáno jako aglykony (delfinidin-A¹1 = 1020).

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob izolace anthokyanových barviv z rostlinného materiálu, vyznačený tím, že se zmrazený rostlinný materiál extrahuje vodným roztokem zředěné minerální kyseliny, zahřáté na teplotu 40 až 80 °C a získaný primární extrakt se bezprostředně po extrakci podrobí rafínaci spočívající v adsorpci anthokyanových barviv na polymemí sorbent, z něhož se anthokyanová barviva eluují methanolem, ethanolem nebo 2-propanolem a získaný alkoholový roztok se pak usuší.
2. Způsobem podle nároku 1, vyznačený tím, že se jako vodný roztok minerální kyseliny použije kyselina sírová v koncentraci 0,02 až 1,00 % nebo kyselina fosforečná v koncentraci 0,02 % až 2,00 %.
3. Způsob podle nároku 1,vyznačený tím, že se jako polymemí sorbent použije neionogenní polymer na bázi polystyren-divinylbenzenové síťové pryskyřice nebo brómované polystyren-divinylbenzenové síťované pryskyřice se středním poloměrem pórů v rozmezí 3,5 až 30,0 nm, měrným povrchem 600 až 1000 m²/g a středním objemem pórů 1,1 až 1,6 ml/g.
4. Způsob podle nároku 1,vyznačený tím, že se jako rostlinný materiál použije plod brusnice borůvky, plod aronie obecné, plod černého rybízu a/nebo plod bezu černého.