| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen ohne Print on Demand (8MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-337109
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.33710
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 1 Dezember 2017 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Werner Kunz |
| Tag der Prüfung: | 18 April 2016 |
| Institutionen: | Chemie und Pharmazie > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Lehrstuhl für Chemie IV - Physikalische Chemie (Solution Chemistry) > Prof. Dr. Werner Kunz |
| Stichwörter / Keywords: | extraction, supercritical carbon dioxide, iris germanica, rosmarinus officinalis, rosemary, fragrances, antioxidants, micellar extraction, hydro distillation, microemulsion |
| 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: | 33710 |
Zusammenfassung (Englisch)
This dissertation deals with the investigation and optimization of new and existing extraction methods in regard to the principles of “green extraction” and “green chemistry”. The thesis consists of three major topics. In the first part, the application of a supercritical fluid extraction unit is described, whereas in the second part the unit is used to extract odorants from iris (Iris germanica ...
Zusammenfassung (Englisch)
This dissertation deals with the investigation and optimization of new and existing extraction methods in regard to the principles of “green extraction” and “green chemistry”. The thesis consists of three major topics. In the first part, the application of a supercritical fluid extraction unit is described, whereas in the second part the unit is used to extract odorants from iris (Iris germanica L.) rhizomes. The third part deals with the extraction and application of antioxidants from rosemary (Rosmarinus officinalis L.) leaves.
Over the last years, new sustainable and green extraction methods became more and more important. Supercritical fluid extraction (SFE) with carbon dioxide is an alternative technique to conventional methods for plant extraction. The first topic deals with the planning and installation of a new supercritical fluid extraction unit. In detail, this unit was purchased from Separex/France and is a major part of the new research topic “plant extractions” at the “Institute of Physical and Theoretical Chemistry” of the University Regensburg. This device enables extractions with supercritical carbon dioxide up to 1,000 bar and 150 °C. Also pressurized solvent extraction with water, ethanol, and other solvents up to 400 bar and 250 °C, are feasible. In addition, a combination of both techniques can be performed. Furthermore, the fractionation of the extract can be achieved by two separators. The construction with the different components of the extraction unit is described in Chapter 5. This section is considered to be a handbook and instruction manual for the handling of the unit for future PhD students. Besides, some troubles with the unit and the corresponding troubleshooting will be described.
The main aim of the second part of this thesis was the establishment of a new extraction method to obtain iris butter, the essential oil of iris rhizomes. Supercritical fluid extraction with carbon dioxide was used as an alternative technique to conventional extraction methods. The research was focused on a fast, selective, and environmentally friendly extraction of irones, the main odorants in iris rhizomes. Preliminary experiments by SFE showed that the extraction of irones from iris rhizomes is a very complex process. For this reason, a design of experiments (DoE) was used in order to investigate the importance and best values of several extraction parameters on the irone yield. In detail, the extraction time, the flow of CO2, and both the temperature and pressure in the extraction vessel, the first separator, and the second separator of SFE were investigated. However, the result of DoE showed that the extraction of irones by SFE is not exhaustive and selective enough. Only one third of the actual irone content in the rhizomes were extracted. For this reason, the parameters obtained by DoE were used as the basis of further experiments in order to improve the extraction efficiency and selectivity. It was determined that an extraction pressure of 100 bar and a temperature of 60 °C increase significantly the selectivity of irone extraction from iris rhizomes. In fact, SFE-extracts were obtained which contain up to 30% of irones. This is three times the amount compared to conventional iris butter obtained by steam distillation. The only disadvantage of this procedure is the non-exhaustive extraction efficiency of irones. Further attempts to enhance the irone yield were not successful. In addition, appropriate methods to determine the residual moisture and irone content of iris rhizomes are described.
The third part of this thesis deals with antioxidant compounds in rosemary leaves. The importance of natural sources of antioxidants has significantly increased in the last years. The reason is that artificial antioxidants are prohibited as food additives because of the potential toxic and carcinogen properties. The main antioxidants in rosemary are rosmarinic acid (water soluble) and carnosic acid (not water soluble). First investigations were performed in order to determine the influence of hydro distillation on these antioxidants. Hydro distillation is a common way to extract essential oil from rosemary leaves. It was found that large amounts of antioxidants get lost during hydro distillation. On the one hand, antioxidants, especially rosmarinic acid, are solubilized in the hydro distillation water residue. The antioxidant activity in the residual water, determined by radical scavenging experiments with DPPH, reaches a maximum value after 2.5 h of hydro distillation. On the other hand, the long exposure of heat during distillation also influences the residual antioxidants, especially carnosic acid, in the leaves. Actually, 76% of the initial rosmarinic acid and 36% of the initial carnosic acid get lost during hydro distillation. In regard to the concept of biorefinery, it would be desirable to see the hydro distillation water residue as co-product of the extraction and not as waste product. Therefore, this residue was taken and introduced in different microemulsions. It was shown that the hydro distillation water residue can enhance the antioxidant activity of drinkable microemulsions. Thus, this antioxidant water residue can be an alternative to common antioxidants, like ascorbic acid, in conventional beverages. In the final part of the rosemary chapter, an alternative green extraction method of antioxidants from rosemary leaves is presented. In particular, micellar extractions with different salts of fatty acids were performed. It is shown that almost the total amount of rosmarinic acid and three-quarter of the water insoluble carnosic acid can be extracted by means of a 4 wt% sodium myristate within 5 min. In addition, an alternative processing method of the extract was invented in order to recover selectively the carnosic acid. This is the first process used to obtain carnosic acid by extractions of rosemary leaves with aqueous solutions.
To sum up, two new green extraction methods were established for the extraction of odorants from iris rhizomes and antioxidants from rosemary leaves. In addition, an approach is presented to valorize the hydro distillation water residue of rosemary leaves. These methods enhance the extraction techniques in regard to the principles of green extraction and biorefinery.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Doktorarbeit handelt über die Erforschung neuer und die Optimierung bestehender Extraktionsverfahren im Hinblick auf die Grundsätze von grüner Extraktion und Bioraffinerie. Diese Arbeit ist dabei in drei große Themengebiete gegliedert. Im ersten Teil werden der Aufbau und die Anwendung einer Anlage zur Extraktion mit überkritischen Lösungsmitteln beschrieben. Im zweiten Teil wird diese ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Diese Doktorarbeit handelt über die Erforschung neuer und die Optimierung bestehender Extraktionsverfahren im Hinblick auf die Grundsätze von grüner Extraktion und Bioraffinerie. Diese Arbeit ist dabei in drei große Themengebiete gegliedert. Im ersten Teil werden der Aufbau und die Anwendung einer Anlage zur Extraktion mit überkritischen Lösungsmitteln beschrieben. Im zweiten Teil wird diese Anlage dazu verwendet, um Duftstoffe aus Rhizomen der Schwertlilie (Iris germanica L.) zu extrahieren. Der dritte Teil beschäftigt sich dagegen mit der Gewinnung und Anwendung von Antioxidantien aus Rosmarinblättern (Rosmarinus officinalis L.).
In den letzten Jahren wurde die Bedeutung von neuen nachhaltigen und grünen Extraktionsverfahren immer wichtiger. Die Extraktion von Inhaltsstoffen aus Pflanzen mit Hilfe von überkritischem Kohlenstoffdioxid ist eine alternative Methode zu herkömmlichen Extraktionsverfahren. Das erste Thema dieser Doktorarbeit befasst sich mit der Planung und Installation einer neuen erworbenen Hochdruckextraktionsanlage. Das Gerät wurde von der Firma Separex/Frankreich hergestellt. Diese soll ein wichtiger Bestandteil des neuen Forschungsgebiets "Pflanzenextraktionen" am "Institut für Physikalische und Theoretische Chemie" der Universität Regensburg werden. Mit Hilfe der Anlage ist es möglich Extraktionen mit überkritischem Kohlendioxid bis zu 1.000 bar und 150 °C durchzuführen. Außerdem ermöglicht sie Lösungsmittelextraktionen mit Wasser, Ethanol oder anderen Lösungsmitteln bis zu einem Druck von 400 bar und einer Temperatur von 250 °. Darüber hinaus kann auch eine Kombination beider Verfahren durchgeführt werden. Weiterhin kann mit Hilfe von zwei Separatoren eine Fraktionierung des Extrakts erreicht werden. Der Aufbau und die verschiedenen Komponenten der Extraktionsanlage sind in Kapitel 5 beschrieben. Dieser Abschnitt soll dabei als Bedienungsanleitung für den Umgang mit der Anlage dienen, vor allem für zukünftige Doktoranden. Außerdem werden einige Probleme mit dem Gerät und die entsprechende Fehlerbehebungen beschrieben.
Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wird eine neue Extraktionsmethode zur Gewinnung von Iris Butter, dem ätherischen Öl von Irisrhizomen, beschrieben. Dazu wird die Extraktion mit überkritischem Kohlenstoffdioxid als Alternative zu herkömmlichen Extraktionsverfahren verwendet. Das Ziel dabei war die Hauptduftstoffe in Irisrhizomen, nämlich Irone, auf eine schnelle, selektive und umweltfreundliche Weise zu extrahieren. Jedoch zeigten bereits Vorversuche, dass die Extraktion von Ironen aus den Rhizomen mit überkritischem CO2 ein sehr komplexer Vorgang ist. Aus diesem Grund, wurde die Statistische Versuchsplanung angewandt, um die Wichtigkeit und die besten Werte von mehreren Extraktionsparametern auf die Ironausbeute zu bestimmen. Im Einzelnen wurden der CO2 Fluss, die Extraktionszeit und jeweils der Druck und die Temperatur in der Extraktionszelle und den beiden Separatoren untersucht. Jedoch zeigten die Ergebnisse, dass die Extraktion von Ironen mit überkritischem CO2 nicht vollständig und selektiv genug ist. Es konnte nur ein Drittel des aktuellen Irongehalts in den Rhizomen extrahiert werden. Um die Extraktionseffizienz und Selektivität zu verbessern wurden weitere Versuche auf Basis den zuvor bestimmten Parameter, durchgeführt. Es konnte festgestellt werden, dass ein Extraktionsdruck von 100 bar und einer Temperatur von 60 °C die Selektivität der Ironextraktion deutlich steigert. Tatsächlich enthalten die CO2-Extrakte bis zu 30% Irone. Das ist die dreifache Menge im Vergleich zu herkömmlicher Iris Butter, die durch Wasserdampfdestillation gewonnen wird. Der einzige Nachteil dieses Extraktionsverfahren ist weiterhin die nicht vollständige Extraktion von Ironen. Weitere Versuche, um die Extraktionseffizienz zu steigern, waren nicht erfolgreich.
Der dritte Teil dieser Doktorarbeit befasst sich mit Antioxidantien aus Rosmarinblättern. Die Bedeutung natürlicher Quellen von Antioxidanten hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Der Grund dafür ist, dass künstliche Antioxidanten, aufgrund ihrer potentiell toxischen und karzinogenen Eigenschaften, als Nahrungsmittelzusatz verboten wurden. Die wichtigsten Antioxidanten in Rosmarin sind Rosmarinsäure (wasserlöslich) und Carnosolsäure (nicht wasserlöslich). Zuerst wurde der Einfluss von Hydrodestillation auf die beiden Antioxidanten untersucht. Normalerweise wird dieses Verfahren für die Extraktion des ätherischen Öls von Rosmarin eingesetzt. Jedoch wurde herausgefunden, dass eine große Menge an Antioxidantien während der Destillation verloren gehen. Einerseits werden Antioxidanten, vor allem Rosmarinsäure, in dem wässrigen Rückstand gelöst. Die antioxidative Wirkung dieses Restwassers erreicht einen Maximalwert nach einer Destillationszeit von 2.5 h. Andererseits, reduziert die lange Hitzeeinwirkung die Konzentration von Antioxidantien, vor allem Carnosolsäure, in den Blättern. Tatsächlich gehen 76% an Rosmarinsäure und 36% Carnosolsäure während der Hydrodestillation verloren. In Bezug auf das Konzept von Bioraffinerie wäre es erstrebenswert den wässrigen Rückstand der Destillation als Nebenprodukt und nicht Abfallprodukt zu sehen. Aus diesem Grund wurde dieser Rückstand dazu verwendet die antioxidative Stärke in Mikroemulsion zu initialisieren bzw. zu erhöhen. Der Destillationsrückstand könnte somit als Alternative zu konventionellen Antioxidanten, wie z.B. Ascorbinsäure, in Getränken eingesetzt werden. Im letzten Abschnitt des Rosmarin-Kapitels wird ein alternatives grünes Extraktionsverfahren von Antioxidantien aus Rosmarin vorgestellt. Dabei handelt es sich um eine mizellare Extraktion mit Hilfe von verschiedenen Fettsäuresalzen. Es wird gezeigt, dass nahezu die komplette Menge an Rosmarinsäure und dreiviertel der nicht wasserlöslichen Carnosolsäure mit einer 4 Gew%-igen wässrigen Natriummyristatlösung innerhalb von 5 min extrahiert werden kann. Zusätzlich wurde eine alternative Aufarbeitungsmethode des Extrakts entwickelt, um einen hohen Anteil an Carnosolsäure zu erhalten. Dies ist das erste beschriebene Verfahren, in dem selektiv Carnosolsäure mit Hilfe von wässrigen Lösungen extrahiert werden kann.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 22:44
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