מיצוי בסיוע מיקרוגל של תרכובות פנוליות ונוגדי חמצון ליישומים קוסמטיים באמצעות טכנולוגיה מבוססת פוליאול
Summary
פרוטוקול זה מפרט את השימוש בשיטת מיצוי מבוססת פוליאול בסיוע מיקרוגל למיצוי תרכובות פנוליות ונוגדי חמצון טבעיים, המייצגת גישה מעשית ובת קיימא מבחינה סביבתית לפיתוח תמציות מוכנות לשימוש.
Abstract
השימוש בפוליאולים כממסים ירוקים להפקת תרכובות ביו-אקטיביות מחומרים צמחיים זכה לתשומת לב בשל בטיחותם והתנהגותם האינרטית עם כימיקלים ביו-אקטיביים צמחיים. מחקר זה בוחן מיצוי בר-קיימא של תרכובות פנוליות ונוגדי חמצון טבעיים מעור כסוף קפה באמצעות שיטת מיצוי בסיוע מיקרוגל (MAE) עם ממיסים מבוססי פוליאול: גליצרין, פרופילן גליקול (PG), בוטילן גליקול (BG), מתילפרופנדיול (MPD), איזופנתילדיול (IPD), פנטילן גליקול, 1,2-הקסנדיול והקסילן גליקול (HG). ניתוח השוואתי נערך על מיצויי ממסים קונבנציונליים ולא קונבנציונליים, תוך התמקדות בהשפעתם על התרכובות הביו-אקטיביות של MAE, המקיף פרמטרים כגון תוכן פנולי כולל (TPC), תכולת פלבנואידים כוללת (TFC), ופעילויות נוגדות חמצון כמו 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl radical scavenging assay (DPPH), 2,2′-azino-bis(-3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid) רדיקלים scavenging assay (ABTS), ואת ferric reduction antioxidant power assay (FRAP). הערכים הגבוהים ביותר נצפו עבור TPC עם מיצוי מימי-1,2-הקסנדיול (52.0 ± 3.0 מ”ג GAE/g דגימה), TFC עם מיצוי מימי-1,2-הקסנדיול (20.0 ± 1.7 מ”ג QE/g דגימה), DPPH עם מיצוי מימי-HG (13.6 ± 0.3 מ”ג TE/g דגימה), ABTS עם מיצוי מימי-פנטילן גליקול (8.2 ± 0.1 מ”ג TE/g דגימה), ו-FRAP עם מיצוי מימי-HG (21.1 ± 1.3 מ”ג Fe (II) E/g דגימה). מחקר זה נועד לקדם טכנולוגיית מיצוי ידידותית לסביבה באמצעות רכיבים צמחיים טבעיים, קידום קיימות על ידי מזעור השימוש בכימיקלים מסוכנים תוך הפחתת זמן וצריכת אנרגיה, עם יישומים פוטנציאליים בקוסמטיקה.
Introduction
כיום, קיימת מגמה עולמית של מודעות סביבתית בתעשיית היופי, המובילה יצרנים להתמקד בטכנולוגיה ירוקה למיצוי רכיבי צמחים באמצעות חלופות בנות קיימא1. בדרך כלל, ממסים מסורתיים כגון אתנול, מתנול והקסאן משמשים למיצוי רכיבים פנוליים צמחיים ונוגדי חמצון טבעיים2. עם זאת, נוכחותם של שאריות ממס בתמציות צמחים מהווה סיכון פוטנציאלי לבריאות האדם, וגורמת לגירוי בעור ובעיניים3, במיוחד בנוגע ליישומן המיועד בקוסמטיקה. כתוצאה מכך, קשה לסלק שאריות ממס כאלה מהתמציות, תהליך הדורש השקעה ניכרת בזמן, אנרגיה ומשאבי אנוש4. לאחרונה, מים מחוממים במיוחד, נוזלים יוניים, ממיסים אאוטקטיים עמוקים וממיסים שמקורם ביולוגי התגלו כגישות מבטיחות למיצוי ממס ירוק5. עם זאת, השימוש בהם עדיין מוגבל על ידי הפרדת מוצרים בתהליכים מבוססי מים. כדי להתמודד עם אתגרים אלה, הפיתוח של תמציות מוכנות לשימוש מתגלה כפתרון בר קיימא6.
פוליאולים משמשים לעתים קרובות בפורמולציות קוסמטיות כחומרי לחות בגלל הקוטביות הטובה שלהם ויכולתם לשמור על לחות מהסביבה7. נוסף על כך, ניתן להשתמש בפוליאולים כגון גליצרין, פרופילן גליקול, בוטילן גליקול, מתילפרופנדיול, איזופנתילדיול, פנטילן גליקול, 1,2-הקסנדיול והקסילן גליקול למיצוי צמחים. הם נחשבים לממסים לא רעילים, מתכלים, ידידותיים לסביבה, לא תגובתיים ובטוחים לשימוש במיצוי צמחים8. בנוסף, פוליאולים יכולים לעמוד בחום שנוצר במהלך מיצוי בעזרת מיקרוגל (MAE) בשל נקודות הרתיחה הגבוהות והקוטביותשלהם 9. פוליאולים אלה מוכרים בדרך כלל ככימיקלים בטוחים (GRAS) על ידי מנהל המזון והתרופות האמריקני (FDA). שלא כמו ממסים קונבנציונליים כגון אתנול או מתנול, אשר עשויים לדרוש הסרה קפדנית מן התמצית בשל ההשפעות המזיקות האפשריות שלהם, פוליאולים מציעים את היתרון של מזעור האנרגיה, הזמן, ואת העלויות הכרוכות בתהליכי הסרת ממס10. זה לא רק מייעל את תהליך החילוץ אלא גם משפר את היעילות הכוללת והקיימות של שיטת החילוץ. מחקרים קודמים השתמשו בפוליאולים כגון פרופילן גליקול ובוטילן גליקול כממסים במיצוי תרכובות ביו-אקטיביות מפרחי Camellia sinensis 10 ועיסת קפה11, וחשפו פוטנציאל משמעותי לתפקידם כממיסים חלופיים בני קיימא בתהליך מיצוי הצמח. לפיכך, המשך הפיתוח והאופטימיזציה של מערכת ממס מים פוליאולים טומן בחובו פוטנציאל להתקדמות משמעותית בכימיה ירוקה ובשיטות תעשייתיות בנות קיימא.
באופן כללי, תרכובות ביו-אקטיביות הנמצאות בצמחים מסונתזות כמטבוליטים משניים. ניתן לסווג תרכובות אלה לשלוש קבוצות עיקריות: טרפנים וטרפנואידים, אלקלואידים ותרכובות פנוליות12. שיטות מיצוי שונות משמשות בתנאים שונים כדי לבודד תרכובות ביו-אקטיביות ספציפיות מצמחים. ניתן להפיק תרכובות ביו-אקטיביות מחומרים צמחיים בטכניקות קונבנציונליות או לא קונבנציונליות. השיטות המסורתיות כוללות מיצוי רפלוקס וזיקוק הידרו, בעוד שהשיטות הלא קונבנציונליות כוללות מיצוי בעזרת אולטרסאונד, מיצוי בעזרת אנזימים, מיצוי בסיוע מיקרוגל (MAE), מיצוי בסיוע שדה חשמלי פועם, מיצוי נוזלים סופר-קריטי ומיצוי נוזלים בלחץ13. שיטות לא קונבנציונליות אלה נועדו לשפר את הבטיחות על ידי שימוש בממסים וחומרי עזר בטוחים יותר, שיפור היעילות האנרגטית, מניעת התפרקות של רכיבים ביו-אקטיביים והפחתת זיהום סביבתי14.
יתר על כן, MAE היא בין הטכנולוגיות הירוקות המתוחכמות למיצוי תרכובות ביו-אקטיביות מצמחים. הליכי מיצוי קונבנציונליים דורשים כמויות משמעותיות של זמן, אנרגיה וטמפרטורות גבוהות, אשר לאורך זמן עלולות לפגוע בתרכובות ביו-אקטיביות רגישות לחום13. בניגוד למיצוי תרמי קונבנציונלי, MAE מאפשר מיצוי של תרכובות ביו-אקטיביות על ידי יצירת חימום מקומי בתוך הדגימה, שיבוש מבני התא ושיפור העברת המסה, ובכך מגביר את יעילות מיצוי התרכובות. חום מועבר מתוך תאי הצמח באמצעות גלי מיקרו, הפועלים על מולקולות המים שבתוך רכיבי הצמח13. יתר על כן, MAE התקדמה לשיפור המיצוי וההפרדה של חומרים פעילים, הגדלת תפוקת המוצר, שיפור יעילות המיצוי, הדורשת פחות כימיקלים, וחיסכון בזמן ובאנרגיה תוך מניעת הרס של תרכובות ביו-אקטיביות15.
מחקר זה מתמקד במיצוי של תרכובות פנוליות צמחיות ונוגדי חמצון טבעיים באמצעות מיצוי בסיוע מיקרוגל (MAE) תוך שימוש בסוגים שונים של פוליאולים כממסים. התוכן הפנולי הכולל (TPC), תכולת הפלבנואידים הכוללת (TFC) והפעילות נוגדת החמצון (DPPH, ABTS ו-FRAP) של תמציות MAE מבוססות פוליאול נקבעות. בנוסף, MAE מבוסס פוליאול מושווה עם MAE באמצעות ממסים קונבנציונליים כגון מים ואתנול. מחקר זה צפוי לתרום לפיתוח טכנולוגיית מיצוי בת קיימא מבחינה סביבתית עבור רכיבים טבעיים, קידום קיימות על ידי הפחתת ההסתמכות על כימיקלים מסוכנים, קיצור זמני עיבוד ומזעור צריכת האנרגיה בייצור חומרי גלם ליישומים פוטנציאליים בתעשיית הקוסמטיקה.
Protocol
Representative Results
Discussion
גורמים שונים ממלאים תפקיד מכריע ביישום מוצלח של MAE, כגון התוכן הפיטוכימי של רכיבי הצמח, משך המיצוי, טמפרטורה, עוצמת מיקרוגל, יחס מוצק-נוזל וריכוז ממס13. צמחים בדרך כלל מציגים פרופילים שונים של פיטוכימיקלים; לפיכך, הבחירה של צמחים טבעיים עשירים נוגדי חמצון ותרכובות פנוליות הוא ח?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי אוניברסיטת מה פאה לואנג. המחברים מבקשים להודות למכון התה והקפה של אוניברסיטת מה פאה לואנג על הקלת הקשר בין החוקרים לחקלאים המקומיים בנוגע לרכישת דגימות קפה כסופות עור.
Materials
| 1,2-Hexanediol | Chanjao Longevity Co., Ltd. | ||
| 2,2 -Azino-bis 3 ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid diammonium salt (ABTS) | Sigma | A1888 | |
| 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) | Sigma | D9132 | |
| 2,4,6-Tri(2-pyridyl)-s-triazine (TPTZ) | Sigma | 93285 | |
| 2-Digital balance | Ohaus | Pioneer | |
| 4-Digital balance | Denver | SI-234 | |
| 6-hydroxy-2,5,7,8 tetramethylchroman -2-carboxylic acid (Trolox) | Sigma | 238813 | |
| 96-well plate | SPL Life Science | ||
| Absolute ethanol | RCI Labscan | 64175 | |
| Acetic acid | RCI Labscan | 64197 | |
| Aluminum chloride | Loba Chemie | 898 | |
| Automatic pipette | Labnet | Biopett | |
| Butylene glycol | Chanjao Longevity Co., Ltd. | ||
| Ethos X advanced microwave extraction | Milestone Srl, Sorisole, Italy | ||
| Ferrous sulfate | Ajex Finechem | 3850 | |
| Folin-Ciocalteu's reagent | Loba Chemie | 3870 | |
| Freezer SF | Sanyo | C697(GYN) | |
| Gallic acid | Sigma | 398225 | |
| Grinder | Ou Hardware Products Co.,Ltd | ||
| Hexylene glycol | Chanjao Longevity Co., Ltd. | ||
| Hydrochloric acid (37%) | RCI Labscan | AR1107 | |
| Iron (III) chloride | Loba Chemie | 3820 | |
| Isopentyldiol | Chanjao Longevity Co., Ltd. | ||
| Methanol | RCI Labscan | 67561 | |
| Methylpropanediol | Chanjao Longevity Co., Ltd. | ||
| Pentylene glycol | Chanjao Longevity Co., Ltd. | ||
| Potassium persulfate | Loba Chemie | 5420 | |
| Propylene glycol | Chanjao Longevity Co., Ltd. | ||
| Quercetin | Sigma | Q4951 | |
| Refrigerated centrifuge | Hettich | ||
| Sodium acetate | Loba Chemie | 5758 | |
| Sodium carbonate | Loba Chemie | 5810 | |
| Sodium hydroxide | RCI Labscan | AR1325 | |
| Sodium nitrite | Loba Chemie | 5954 | |
| SPECTROstar Nano microplate reader | BMG- LABTECH | ||
| SPSS software | IBM SPSS Statistics 20 | ||
| Tray dryer | France Etuves | XUE343 |
Riferimenti
- Wawoczny, A., Gillner, D. The most potent natural pharmaceuticals, cosmetics, and food ingredients isolated from plants with deep eutectic solvents. J Agric Food Chem. 71 (29), 10877-10900 (2023).
- Syukur, M., Prahasiwi, M. S., Yuliani, S., Purwaningsih, Y., Indriyanti, E. Profiling of active compounds of extract ethanol, n-hexane, ethyl acetate and fraction ethanol of star anise (Illicium verum hook. F.) and determination of total flavonoids, total phenolics and their potential as antioxidants. Sci Technol Indones. 8 (2), 219-226 (2023).
- Supjaroenporn, C., Khongcharoen, P., Myo, H., Khat-Udomkiri, N. Studying the optimization, characterization, and antioxidant activities of phenolic extracts extracted from Rhus chinensis Mill. Leaf using microwave-assisted extraction system with glycerol as a green solvent. Curr Bioact Compd. 20 (3), 68-82 (2024).
- Gasser, M. S., Abdel Rahman, R. O. Sustainability of solvent extraction techniques in pollution prevention and control. Handbook of advanced approaches towards pollution prevention and control. , 33-66 (2021).
- Płotka-Wasylka, J., Rutkowska, M., Owczarek, K., Tobiszewski, M., Namieśnik, J. Extraction with environmentally friendly solvents. TrAC, Trends Anal Chem. 91, 12-25 (2017).
- Queffelec, J., Beraud, W., Torres, M. D., Domínguez, H. Advances in obtaining ready-to-use extracts with natural solvents. Sustain Chem Pharm. 38, 101478 (2024).
- Can Karaca, A., Erdem, I. G., Ak, M. M. Effects of polyols on gelation kinetics, gel hardness, and drying properties of alginates subjected to internal gelation. LWT. 92, 297-303 (2018).
- Nastasi, J. R., Daygon, V. D., Kontogiorgos, V., Fitzgerald, M. A. Qualitative analysis of polyphenols in glycerol plant extracts using untargeted metabolomics. Metabolites. 13 (4), 566 (2023).
- Khat-Udomkiri, N., Gatnawa, G., Boonlerd, N., Myo, H. Valorization of Camellia sinensis flowers in cosmetic and pharmaceutical applications: Optimization of microwave-assisted glycerin extraction. Waste Biomass Valori. 15, 323-335 (2023).
- Myo, H., Yaowiwat, N., Pongkorpsakol, P., Aonbangkhen, C., Khat-Udomkiri, N. Butylene glycol used as a sustainable solvent for extracting bioactive compounds from Camellia sinensis flowers with ultrasound-assisted extraction. ACS omega. 8 (5), 4976-4987 (2023).
- Myo, H., Khat-Udomkiri, N. Optimization of ultrasound-assisted extraction of bioactive compounds from coffee pulp using propylene glycol as a solvent and their antioxidant activities. Ultrason Sonochem. 89, 106127 (2022).
- Twaij, B. M., Hasan, M. N. Bioactive secondary metabolites from plant sources: Types, synthesis, and their therapeutic uses. Int J Plant Biol. 13 (1), 4-14 (2022).
- Bitwell, C., Sen, I. S., Luke, C., Kakoma, M. K. A review of modern and conventional extraction techniques and their applications for extracting phytochemicals from plants. Sci Afr. 19, e01585 (2023).
- Chakrabortty, S., Kumar, A., Patruni, K., Singh, V., et al. . Recent advances in food biotechnology. , 353-370 (2022).
- Fan, L., et al. Mechanochemical assisted extraction as a green approach in preparation of bioactive components extraction from natural products – A review. Trends Food Sci Technol. 129, 98-110 (2022).
- Bessada, S. M., C Alves, R., Pp Oliveira, M. B. Coffee silverskin: A review on potential cosmetic applications. Cosmetics. 5 (1), 5 (2018).
- Myo, H., Nantarat, N., Khat-Udomkiri, N. Changes in bioactive compounds of coffee pulp through fermentation-based biotransformation using Lactobacillus plantarum TISTR 543 and its antioxidant activities. Fermentation. 7 (4), 292 (2021).
- Molole, G. J., Gure, A., Abdissa, N. Determination of total phenolic content and antioxidant activity of Commiphora mollis (oliv). Engl. Resin. BMC Chem. 16 (1), 48 (2022).
- Barku, V., Opoku-Boahen, Y., Owusu-Ansah, E., Mensah, E. Antioxidant activity and the estimation of total phenolic and flavonoid contents of the root extract of Amaranthus spinosus. Asian J Plant Sci Res. 3 (1), 69-74 (2013).
- Samarasiri, M., Chandrasiri, T., Wijesinghe, D., Gunawardena, S. Antioxidant capacity and total phenolic content variations against Morinda citrifolia L. fruit juice production methods. Int J Food Eng. 5, 293-299 (2019).
- Rumpf, J., Burger, R., Schulze, M. Statistical evaluation of DPPH, ABTS, FRAP, and Folin-Ciocalteu assays to assess the antioxidant capacity of lignins. Int J Biol Macromol. 233, 123470 (2023).
- Lainez-Cerón, E., Ramírez-Corona, N., Jiménez-Munguía, M. T., Palou, E., López-Malo, A. Extraction of bioactive compounds from plants by means of new environmentally friendly solvents. Research and technological advances in food science. , 301-332 (2022).
- Yu, M., Gouvinhas, I., Rocha, J., Barros, A. I. R. N. A. Phytochemical and antioxidant analysis of medicinal and food plants towards bioactive food and pharmaceutical resources. Sci Rep. 11 (1), 10041 (2021).
- Lefebvre, T., Destandau, E., Lesellier, E. Selective extraction of bioactive compounds from plants using recent extraction techniques: A review. J Chromatogr A. 1635, 461770 (2021).
- Nandasiri, R., Eskin, N. M., Thiyam-Höllander, U. Antioxidative polyphenols of canola meal extracted by high pressure: Impact of temperature and solvents. J Food Sci. 84 (11), 3117-3128 (2019).
- Jha, A. K., Sit, N. Extraction of bioactive compounds from plant materials using combination of various novel methods: A review. Trends Food Sci Technol. 119, 579-591 (2022).
- Czarnecki, M. A., et al. Solvent effect on the competition between weak and strong interactions in phenol solutions studied by near-infrared spectroscopy and DFT calculations. Phys Chem Chem Phys. 23 (35), 19188-19194 (2021).
- Lu, W., Mackie, C. J., Xu, B., Head-Gordon, M., Ahmed, M. A computational and experimental view of hydrogen bonding in glycerol water clusters. J Phys Chem A. 126 (10), 1701-1710 (2022).
- Fan, C., Liu, Y., Sebbah, T., Cao, X. A theoretical study on terpene-based natural deep eutectic solvent: Relationship between viscosity and hydrogen-bonding interactions. Glob Chall. 5 (3), 2000103 (2021).
- Liese, S., Schlaich, A., Netz, R. R. Dielectric constant of aqueous solutions of proteins and organic polymers from molecular dynamics simulations. J Chem Phys. 156 (22), 224903 (2022).
- Noreland, E., Gestblom, B., Sjöblom, J. Dielectric relaxation studies of 1-hexanol and 1, 2-hexanediol in heptane. J Solution Chem. 18, 303-312 (1989).
- Wohlfarth, C. Permittivity (dielectric constant) of liquids. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 6, (1994).
- Dean, J. R. . Extraction techniques for environmental analysis. , (2022).
- Nour, A. H., Oluwaseun, A. R., Nour, A. H., Omer, M. S., Ahmed, N. Microwave-assisted extraction of bioactive compounds. Microwave heating. Electromagnetic fields causing thermal and non-thermal effects. , 1-31 (2021).
- David, F., Ochiai, N., Sandra, P. Stir bar sorptive extraction: A versatile, sensitive and robust technique for targeted and untargeted analyses. Evolution of solid-phase microextraction technology. , (2023).
- López-Fernández, O., et al. Determination of polyphenols using liquid chromatography-tandem mass spectrometry technique (LC-MS/MS): A review. Antioxidants. 9 (6), 479 (2020).
.