VERFAHREN ZUR GEWINNUNG VON ALKALOIDEN, INSBESONDERE VON LUPANIN, AUS ALKALOIDHALTIGEN PFLANZEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Alkaloiden nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik ist es bisher bekannt, Alkaloide durch Extraktion eines, beispielsweise aus Pflanzensamen gewonnenen Mehls mit einem organischen Lösungsmittel zu gewinnen. In der Literatur werden dabei als Extraktionsmittel Diethylether oder chlorierte Kohlenwasserstoffe, z.B. Chloroform oder Dichlormethan, vorgeschlagen. Ein derartiges Verfahren ist in Planta Medica 1984, Seite 420 ff von Kokou Yovo et. al. beschrieben.
Nachteilig ist, daß die Ethylether zur Peroxidbildung neigen, so daß ein großer verfahrenstechnischer und apparativer Aufwand nötig ist. Um solche explosiven Peroxide zu verhindern, werden Etherstabilisatoren zugesetzt. Diese verunreinigen aber die Extrakte, was als nachteilig angesehen wird. Die Reinheit der erhaltenen Alkaloide ist deshalb nicht befriedigend.
Es ist weiter bekannt, insbesondere zur Entbitterung von Bitterlupinen, sogenannte wässrige Alkaloidextrakte herzustellen. Derartige wässrige Alkaloidextrakte können auf verschiedene Art gewonnen werden. Ein Beispiel zur Gewinnung eines solchen wässrigen Alkaloidextraktes ist in der EP 00 84 547 offenbart. Gemäß dieser Druckschrift werden Lupinensamen zu einem Mehl einer bestimmten Korngröße vermählen und anschließend wird dieses Mehl in verschiedenen Arbeitsgängen mit Wasser vermischt und wieder abgetrennt.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, mit
dem es möglich ist, einfach, kostengünstig und in großer Reinheit Alkaloide aus Pflanzen zu gewinnen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist, Lupanin in reiner Form mit Ethern in einer Flüssig/Flüssig-Extraktion aus einem wässrigen Alkaloidextrakt zu isolieren.
Darum wird erfindungsgemäß ein Alkaloidextrakt, sofern er noch nicht als wässrige Lösung vorliegt, in Wasser gelöst. Der wässrige Alkaloidextrakt wird auf einen alkalischen pH- Wert eingestellt. Falls der Alkaloidextrakt zuvor bereits auf andere Weise aufgeschlossen wurde, kann auch eine daraus hervorgehende Fraktion eines solchen Alkaloidextrakts verwendet werden. Anschließend wird die genannte Flüssig/Flüssig-Extraktion mit einem Ether durchgeführt und die organische Phase von der wässrigen Phase abgetrennt. In der organischen Phase befindet sich nun nahezu vollständig das Alkaloid Lupanin, während in der wässrigen Phase weitere, in dem Ausgangsextrakt vorhandene Alkaloide enthalten sind.
Aus der nun vorliegenden organischen Phase kann dementsprechend das Lupanin gewonnen werden, während die wässrige Phase zur Gewinnung wenigstens eines weiteren, von Lupanin verschiedenen Alkaloids verwendet werden kann.
Eine besonders große Ausbeute an Lupanin bzw. eine besonders gute Abtrennung des Lupanins von der wässrigen Phase ist bei pH-Werten im Bereich von 10 bis 13,5 während der Extraktion möglich. Insbesondere im Bereich von pH-Werten zwischen 10,5 und 11,5 wurden sehr gute Ergebnisse erzielt. Die
Verfahrensführung im Alkalischen bietet zudem den Vorteil, daß keine säurebeständigen Materialien bei den Geräten verwendet werden müssen.
Vorzugsweise wird als Ether tert.-Butylmethylether (tMBE) verwendet. Der besondere Vorzug des tMBE gegenüber herkömmlichen Diethylethern besteht darin, daß dieser Ether nicht zur Peroxydbildung neigt und dadurch in der technischen Anwendung unbedenklich ist. Dadurch wird die Durchführung des Verfahrens einfacher und somit auch kostengünstiger.
Vorteilhafterweise wird zur Gewinnung des Lupanins die Lupanin enthaltende organische Phase wenigstens teilweise, z.B. in einem Vakuumextraktor, verdampft, so daß der organische Extrakt zumindest eingeengt wird.
In besonders reiner Form kann das Lupanin aus der organischen Phase gewonnen werden, in dem diese oder vorzugweise der eingeengte organische Extrakt so weit abgekühlt wird, bis das Lupanin auskristallisiert. Außer der beschriebenen hohen Reinheit bietet dieses Verfahren den Vorteil, daß außer Wasser und dem Ether als Extraktionsmittel keine weiteren Lösemittel für die Isolierung von Lupanin verwendet werden. Die Tatsache, daß Lupanin in kristalliner, molekularer Form ohne weitere Verfahrensmaßnahmen direkt aus dem Extraktionsmittel gewonnen werden kann, stellt eine weitere überraschende und neue Erkenntnis gegenüber dem bisherigen Stand der Technik dar. Zur Beschleunigung der Lupaninkristallisation empfiehlt sich zudem die Zugabe von Kristallisationskeimen.
Der bereits erstaunlich hohe Reinheitsgrad des so gewonnenen Lupanins läßt sich nochmals steigern, indem man die gewonnenen Kristalle, bevorzugt wiederum in tBME, umkristallisiert. Das so gewonnene Lupanin weist eine Reinheit von > 98 % auf.
Wie bereits erwähnt, kann die bei der erfindungsgemäß durchgeführten Flüssig/Flüssig-Extraktion zurückgebliebene wässrige Phase ebenfalls verarbeitet werden, um wenigstens ein weiteres Lupinenalkaloid zu gewinnen. In Frage kommen hier insbesondere die Alkaloide Spartein, 13-Hydroxylupanin, 3-Hydroxylupanin, 17-0xolupanin, n-Methylaibin, Angustifolin, Tetrahydrorhombifolin, Lupinin, Multiflorin. Albin, Ammodendrin und Esteralkaloide, die sich von 13- und 3- Hydroxylupanin ableiten.
Zur weiteren Isolation solcher Alkaloide wird nun die wässrige Phase aus der erfindungsgemäßen Flüssig/Flüssig- Extraktion auf einen pH-Wert größer 12,5 eingestellt. Besonders gute Ergebnisse wurden im pH-Wert-Intervall zwischen 13 und 13,5 erreicht. Nun wird wiederum eine Flüssig/Flüssig-Extraktion mit einem organischen Lösungsmittel durchgeführt. Zur Verwendung als Lösungsmittel haben sich hier als besonders geeignet chlorierte Kohlenwasserstoffe und insbesondere Dichlormethan oder Chloroform erwiesen, aber auch Diethylether oder Ethylacetat sind dazu beispielsweise geeignet.
Aus der sich hieraus ergebenden organischen Phase können weitere Alkaloide beispielsweise durch Chromatographie aufgetrennt werden, wobei eine vorherige Einengung z.B. im Vakuum zu empfehlen ist. Zur Auftrennung ist insbesondere die Anwendung der sogenannten Flash-Chromatographie zu erwähnen, deren Anwendung in diesem Zusammenhang bislang noch nicht bekannt war.
Die Gewinnung eines von Lupanin verschiedenen Alkaloids kann auch über eine Destillation erfolgen. Dieses Verfahren kann insbesondere unmittelbar auf die wässrige Phase angewandt werden. Vor allem das Alkaloid Spartein läßt sich über Destillation gut isolieren.
Als Ausgangsmaterial für das vorliegende Verfahren sind sämtliche alkaloidhaltigen Pflanzen, vor allem solche mit Chinolizidinalkaloiden und insbesondere deren Samen geeignet. Überwiegend finden sich derartige Pflanzen im Bereich der Schmetterlingsblütler, von denen wiederum die Lupinen, z.B. Lupinus albus, Lupinus luteus, Lupinus utabilis, Lupinus angustifolius, Lupinus polyphyllus, Lupinus varius, Lupinus micrantus oder Lupinus cosentinii, hervorzuheben sind. Einen hohen Anteil an Lupanin enthalten hierbei Lupinus albus, Lupinus angustifolius sowie Lupinus mutabilis. Weiterhin ist bei Lupinus luteus der große Sparteingehalt zu erwähnen. Weitere Alkaloide sind in unterschiedlichen Zusammensetzungen in sämtlichen Lupinen, vor allem den sogenannten Bitterlupinen, enthalten. Auch in den sogenannten Süßlupinen ist ein Restalkaloidgehalt, der jedoch in der Regel unter 0,05 Gewichtsprozenten liegen sollte, enthalten.
Ein lupaninreicher Extrakt als Ausgangsextrakt für das erfindungsgemäße Verfahren kann über eine überkritische Cθ2~ Extraktion aus Pflanzen, insbesondere aus einem Pflanzensamenmehl, hergestellt werden, der wie beschrieben durch Flüssig/Flüssig-Extraktion weiterzuverarbeiten ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachstehenden Beschreibung näher erläutert.
Als Ausgangspunkt kann ein gemäß der im Stand der Technik zitierten EP 00 84 547 erhaltener wässriger Alkaloidextrakt oder auch der oben angegebene durch CO2-Extraktion erhaltene Extrakt verwendet werden. Der Ausgangsextrakt kann jedoch auch über die im folgenden beschriebene Mehlextraktion erhalten werden.
Mehlextraktion:
Das Mehl von Lupinus albus oder Lupinus angustifolius wird mit Wasser versetzt und längere Zeit gerührt. Dabei stellt sich eine Gleichgewichtskonzentration der Alkaloide im Mehl und Flüssigkeit ein. Bei Ausgangsmengen von 10 kg Mehl und 90 kg Wasser können nach Phasenabtrennung (beispielsweise mittels Dekanter oder Filtration) ca. 75 kg wässriger Extrakt mit einem Alkaloidgehalt von etwa 2,5 g/1 gewonnen werden. Um daraus eine klare Lösung zu erhalten, muß dieser Extrakt noch aufgereinigt werden. Dies geschieht durch Zentrifugieren oder Separation und anschließender Filtration. Die dabei auftretenden Verluste an Extraktlösung bzw. durch Abtrennen an Feststoffen betragen zwischen 15 und 25 %. Für die Flüssig/Flüssig-Extraktion stehen etwa 60 kg Extrakt zur Verfügung mit einem Alkaloidgehalt von 2,5 g/1. Im Extrakt sind insgesamt 150 g Alkaloide enthalten.
Lupanin-Isolierung
Flüssig/Flüssig-Extraktion
Dieser wässrige Extrakt wird mit Natronlauge auf einen pH- Wert von etwa 11 eingestellt und mit tert.-Butylmethylether (tMBE) im Verhältnis 1:1 (v/v) extrahiert. Bei mehrstufiger Extraktion geht Lupanin fast vollständig in die organische Phase über. Für einen konstanten pH-Wert während der Extraktion ist eine pH-Steuerung notwendig, da mit zunehmender Extraktion der pH-Wert fällt und dabei den für die Extraktion von Lupanin optimalen Bereich verläßt. Somit können 105 g Lupanin und noch weitere 14 bis 15 g andere Alkaloide in die organische Phase extrahiert werden. Der organische Extrakt enthält etwa 120 g Alkaloide mit einem Lupaninanteil von 88 bis 90 %. Der wässrige Extrakt nach der Extraktion enthält noch etwa 30 g Alkaloide mit einem 13- Hydroxylupaninanteil von über 50 %.
Organischer Extrakt
Die organische Phase wird auf ca. 1/100 ihres Ausgangsvolumens eingeengt (z. B. am Rotationsverdampfer unter Vakuum, ca. 100 mbar, T = ca. 40 ° C) und das so erhaltene Konzentrat (enthält ca. 90 % Lupanin und 10 % Restalkaloide und sonstige Verunreinigungen) wird auf ca. - 12 ° C gekühlt. Während dieser Zeit fallen bereits weiße Lupaninkristalle aus der Lösung aus. Der Vorgang läßt sich durch Animpfen der gekühlten Lösung mit einem Lupaninkristall beschleunigen.
Die beispielsweise noch durch Abdekantieren des Lösemittels gewonnenen Kristalle enthalten ca. 93 % Lupanin (94,5 g) und ca. 7 % Verunreinigungen (ca. 7 g) . Im organischen Überstand befinden sich ca. 10 % des Gesamt-Lupanins sowie Restalkaloide und andere Verunreinigungen (Farbstoffe) .
Umkristallisation
Die abgetrennten Kristalle werden mit der ca. 3- bis 5-fachen Menge ihres Gewichts mit tBME gelöst und wieder abgekühlt. Nach erneuter Kristallisation, Abtrennung der Etherphase und Reinheitsbestimmung von Lupanin weist dieses eine Reinheit von > 98 % auf. Die Gesamtmenge an abtrennbarem Lupanin beträgt ca. 85 g, was einer Ausbeute von ca. 80 % entspricht.
Durch Wiederholen dieser Prozedur lassen sich Reinheiten von über 99 % erzielen. Beim Umkristallisieren bzw. Waschen der Kristalle betragen die Lupaninverluste ca. 20 %.
13-Hγdroxylupanin-Isolierung
Der wässrige Extrakt nach der vollständigen Lupaninextraktion dient für die Isolierung von 13-Hydroxylupanin (enthält ca. 15 g 13-Hydroxylupanin) . Hierzu wird der pH-Wert auf > 12,5
eingestellt und mit Dichlormethan im Verhältnis 1:1 extrahiert.
Nach ausreichender Extraktion wird die organische Phase abgezogen und das organische Lösemittel schonend abgezogen. Das verbleibende ölige Konzentrat wird auf eine Silica-Gel- Säule aufgegeben.
Durch Variation des Elutionsmittels mit steigender Polarität (Toluol -> tBME -> CHC13 -> CH2C12 -> CH2Cl2/MeOH) werden nacheinander die Verunreinigungen und Farbstoffe von der Säule gewaschen, so daß schließlich mit einem
CH C1 /Methanol-Gemisch eine relativ saubere Fraktion von 13- Hydroxylupanin gewonnen werden kann.
Nach Abtrennen des Lösungsmittels kann auf diese Weise ca. 10 g 13-Hydroxyl-Lupanin als ölige Flüssigkeit (Reinheit > 80 %) isoliert werden.
Die übrigen Lupinenalkaloide können entsprechend isoliert werden, wobei sich eine Flash-Chromatographie als besonders geeignet erwiesen hat.