Mikrowellengestützte Extraktion von phenolischen Verbindungen und Antioxidantien für kosmetische Anwendungen mit polyolbasierter Technologie

Heutzutage gibt es einen globalen Trend zum Umweltbewusstsein in der Schönheitsindustrie, was die Hersteller dazu veranlasst, sich auf grüne Technologien zur Extraktion von Pflanzenbestandteilen mit nachhaltigen Alternativen zu konzentrieren¹. In der Regel werden traditionelle Lösungsmittel wie Ethanol, Methanol und Hexan verwendet, um pflanzliche phenolische Bestandteile und natürliche Antioxidantien zu extrahieren². Nichtsdestotrotz stellt das Vorhandensein von Lösungsmittelrückständen in Pflanzenextrakten ein potenzielles Risiko für die menschliche Gesundheit dar und führt zu Haut- und Augenreizungen³, insbesondere im Hinblick auf ihre beabsichtigte Anwendung in Kosmetika. Folglich ist es eine Herausforderung, solche Lösungsmittelrückstände aus den Extrakten zu entfernen, ein Prozess, der erhebliche Investitionen in Zeit, Energie und personelle Ressourcen erfordert⁴. In jüngster Zeit haben sich überhitztes Wasser, ionische Flüssigkeiten, tiefe eutektische Lösungsmittel und biobasierte Lösungsmittel als vielversprechende Ansätze für die Extraktion grüner Lösungsmittel herausgestellt⁵. Ihr Einsatz ist jedoch nach wie vor durch die Produkttrennung in wässrigen Prozessen begrenzt. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, erweist sich die Entwicklung gebrauchsfertiger Extrakte als praktikable Lösung⁶.

Polyole werden aufgrund ihrer guten Polarität und ihrer Fähigkeit, Feuchtigkeit aus der Umgebung zu speichern, häufig in kosmetischen Formulierungen als Feuchthaltemittel verwendet⁷. Darüber hinaus können Polyole wie Glycerin, Propylenglykol, Butylenglykol, Methylpropandiol, Isopentyldiol, Pentylenglykol, 1,2-Hexandiol und Hexylenglykol für Pflanzenextraktionen verwendet werden. Sie gelten als ungiftige, biologisch abbaubare, umweltfreundliche, nicht reaktive und sichere Lösungsmittel für den Einsatz in der Pflanzenextraktion⁸. Darüber hinaus können Polyole aufgrund ihres erhöhten Siedepunkts und ihrer Polarität der Hitze standhalten, die bei der mikrowellengestützten Extraktion (MAE) entsteht⁹. Diese Polyole sind von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) allgemein als sichere (GRAS) Chemikalien anerkannt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungsmitteln wie Ethanol oder Methanol, die aufgrund ihrer potenziell schädlichen Wirkungen möglicherweise eine rigorose Entfernung aus dem Extrakt erfordern, bieten Polyole den Vorteil, dass sie den Energie-, Zeit- und Kostenaufwand für Lösungsmittelentfernungsprozesse minimieren¹⁰. Dies rationalisiert nicht nur den Extraktionsprozess, sondern verbessert auch die Gesamteffizienz und Nachhaltigkeit der Extraktionsmethode. Frühere Untersuchungen haben Polyole wie Propylenglykol und Butylenglykol als Lösungsmittel bei der Extraktion von bioaktiven Verbindungen aus Camellia sinensis-Blüten ¹⁰ und Kaffeepulpe¹¹ verwendet, was ein erhebliches Potenzial für ihre Rolle als nachhaltige alternative Lösungsmittel im pflanzlichen Extraktionsprozess aufzeigt. Die kontinuierliche Entwicklung und Optimierung eines Polyol-Wasser-Lösungsmittel-Systems birgt daher das Potenzial für bedeutende Fortschritte in der grünen Chemie und in nachhaltigen industriellen Praktiken.

In der Regel werden bioaktive Verbindungen, die in Pflanzen vorkommen, als Sekundärmetaboliten synthetisiert. Diese Verbindungen können in drei Hauptgruppen eingeteilt werden: Terpene und Terpenoide, Alkaloide und phenolische Verbindungen¹². Verschiedene Extraktionsmethoden werden unter unterschiedlichen Bedingungen eingesetzt, um bestimmte bioaktive Verbindungen aus Pflanzen zu isolieren. Bioaktive Verbindungen aus pflanzlichem Material können entweder mit konventionellen oder nicht-konventionellen Techniken extrahiert werden. Zu den traditionellen Methoden gehören die Mazeration, die Refluxextraktion und die Hydrodestillation, während unkonventionelle Methoden aus der ultraschallgestützten Extraktion, der enzymgestützten Extraktion, der mikrowellengestützten Extraktion (MAE), der gepulsten elektrischen feldgestützten Extraktion, der überkritischen Flüssigkeitsextraktion und der Druckflüssigkeitsextraktion bestehen¹³. Diese unkonventionellen Methoden sollen die Sicherheit erhöhen, indem sie sicherere Lösungsmittel und Hilfsstoffe verwenden, die Energieeffizienz verbessern, die Degradation der bioaktiven Komponenten verhindern und die Umweltverschmutzung verringern¹⁴.

Darüber hinaus gehört MAE zu den ausgereiften grünen Technologien zur Extraktion bioaktiver Verbindungen aus Pflanzen. Herkömmliche Extraktionsverfahren erfordern einen erheblichen Zeit- und Energieaufwand sowie hohe Temperaturen, die im Laufe der Zeit wärmeempfindliche bioaktive Verbindungen abbauen können¹³. Im Gegensatz zu herkömmlichen thermischen Extraktionen erleichtert MAE die Extraktion bioaktiver Verbindungen, indem es eine lokale Erwärmung innerhalb der Probe erzeugt, die Zellstrukturen aufbricht und den Stofftransport verbessert, wodurch die Effizienz der Verbindungsextraktion erhöht wird. Die Wärme wird aus dem Inneren der Pflanzenzellen durch Mikrowellen übertragen, die auf die Wassermoleküle in den Pflanzenbestandteilen^{einwirken 13}. Darüber hinaus hat MAE Fortschritte gemacht, um die Extraktion und Trennung von Wirkstoffen zu verbessern, die Produktausbeute zu erhöhen, die Extraktionseffizienz zu erhöhen, weniger Chemikalien zu benötigen und Zeit und Energie zu sparen, während gleichzeitig die Zerstörung bioaktiver Verbindungen verhindert^{wird 15}.

Diese Forschung konzentriert sich auf die Extraktion von pflanzlichen phenolischen Verbindungen und natürlichen Antioxidantien durch mikrowellengestützte Extraktion (MAE) unter Verwendung verschiedener Arten von Polyolen als Lösungsmittel. Es werden der Gesamtphenolgehalt (TPC), der Gesamtflavonoidgehalt (TFC) und die antioxidative Aktivität (DPPH, ABTS und FRAP) von MAE-Extrakten auf Polyolbasis bestimmt. Darüber hinaus wird polyolbasierte MAE mit MAE unter Verwendung herkömmlicher Lösungsmittel wie Wasser und Ethanol verglichen. Es wird erwartet, dass diese Forschung zur Entwicklung einer umweltverträglichen Extraktionstechnologie für natürliche Bestandteile beiträgt und die Nachhaltigkeit fördert, indem sie die Abhängigkeit von gefährlichen Chemikalien verringert, die Verarbeitungszeiten verkürzt und den Energieverbrauch bei der Rohstoffproduktion für potenzielle Anwendungen in der Kosmetikindustrie minimiert.