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天然低共熔溶剂从香草豆植物中绿色提取香草醛

发布日期:2019/10/23 10:06:30

近年来,一种新型溶剂天然低共熔溶剂已被开发出来,它作为一种替代常规有机溶剂的“绿色溶剂” ,如今越来越受欢迎。从香草醛等植物材料中提取香料或香味涉及有机溶剂的使用,是一个繁琐的过程。在此情况下,我们评估了香草醛的溶解性以及在14种天然低共熔溶剂中从香草豆提取香草醛的可行性。结果发现香草醛在某些些天然低共熔溶剂中的溶解度如乳酸:丙二醇(620mg / mL)和乳酸:果糖(320mg / mL)几乎接近于在有机溶剂(如甲醇(632.94mg / mL)或乙醇(375.81mg / mL))中的溶解度。有趣的是,从香草豆荚提取香草醛的可行性并未反映出溶解度测试中观察到的结果。一些含有适合作为食物配料的成分的天然低共熔溶剂,如含柠檬酸- 果糖 - 葡萄糖(7.6 mg/g DW ),果糖 - 葡萄糖(16.7  mg/g DW ),苹果酸 - 葡萄糖( 16.3 mg/g DW )和苹果酸 - 果糖 - 葡萄糖(MAFG),比乙醇( 4.4mg/g DW )显示出更高的提取能力。溶解度和可提取性之间的差异可能是由于天然低共熔溶剂与基质的相互作用的差异造成的。我们还研究了某些天然低共熔溶剂中水含量对香草醛可提取性的影响。天然低共熔溶剂具有高提取能力,而且无组分毒性,非常适合提取食品和化妆品中使用的香精和香料。

香草作为世界上最受欢迎的香料之一,目前正应用于包括糖果,冰淇淋,食品,香水和饮料等在内的各种产品。在香草提取物的多种挥发性芳香化合物中,香草醛(即4-羟基-3-甲氧基苯甲醛)是香料中最具特征的组分。香兰素是在成熟的香草花荚中生产的,通过至少六个月的精心固化过程,豆荚变成黑色并形成其独特的风味。香草(Vanilla planifolia)是一种原产于墨西哥的热带攀缘兰花,但目前主要种植在马达加斯加,印度尼西亚,印度和塔希提岛。

香草产量每年在2,000至3,000吨之间波动,马达加斯加是2008年最大的生产商,产量为1,750吨。香兰素可以通过合成方式或通过其他天然产品的发酵工艺获得。目前,香料市场中不到1%香草醛(约12,000吨)来自天然的自香草植物。然而,就质量而言,天然香草具有优于纯香草醛的香气和香味。这是由于豆荚中存在各种微量化合物,赋予了香草味特别的香味。利用渗滤或油树脂的方法从香草豆荚中获得最高质量的香草提取物。渗滤方法包括在真空下在豆荚上循环含水乙醇(35-50%,v / v),此过程需要48到72小时。

在油树脂方法的情况下,将豆荚粉碎并在约45℃下在真空下用乙醇提取8-9天。美国食品和药物管理局将香草提取物定义为含有不少于35%乙醇和香草成分的溶液,如果在一加仑成品中含有不超过25%的水分,则从13.35的香草豆荚中获得。然而,我们通常是不希望为了溶解要求的较高的乙醇含量,这甚至可能成为在某些应用中使用香草提取物的障碍,如当产品要求不含乙醇时。然而,乙醇是有机溶剂中唯一可接受的相对无毒的选择,其可提供用作调味品添加剂的可接受的产品。因此,寻找乙醇的替代品具有一定意义,天然低共熔溶剂是一种可能的选择,它们提供了绿色替代品的这项附加利益。

按照它们的组分,天然低共熔溶剂可分为5大类:(1)离子液体,由酸和碱制成; (2)中性物质,仅由糖制成,或由糖和其他多元醇组成; (3)与酸混合的中性物质,由糖/多元醇和有机酸制成; (4)与碱混合的中性物质,由糖/多元醇和有机碱制成; (5)含氨基酸的天然低共熔溶剂,由氨基酸和有机酸/糖组成。从各种核磁共振的研究中可以清楚地看出,天然低共熔溶剂通过大量氢键形成化合物网络,在参与的分子之间显示出NOE效应。当稀释达50%时,可以观察到分子之间的相互作用,这可以从化学位移看出。当应用于天然产物的提取时,天然低共熔溶剂比现有替代品具有以下优点,包括成本低,生物降解性优异,相对无毒,具有可持续性,且易于制备等。

现有多种天然低共熔溶剂中,我们选择了14种代表不同类别的天然低共熔溶剂(如表1所示),包括四种离子液体型(BeCA,BeMAG,CCMA,CCCA),一种中性型(FG),两种氨基酸 - 酸组合(SrMA,bACA)混合物,两种中性碱型(BeS,CCGo)和五种中性 -酸(CAFG,MAG,MAGF,LAF; LAPo)。天然低共熔溶剂粘度较高,这是对它们进行处理的一个难点。以前的研究表明,温度和含水量对粘度均有很大影响。通常情况下,天然低共熔溶剂的粘度在高于40 ℃时迅速下降。因此,出于比较研究的目的,香草醛在不同天然低共熔溶剂中的溶解度测试在50℃下完成,此过程持续1 小时。

香草醛在甲醇中的溶解度为632.94mg/ mL,在乙醇中为375.81mg / mL,在水中仅为30mg/ mL。对于天然低共熔溶剂,在天然低共熔溶剂的情况下,香草醛的溶解度在LAPo(620 mg / mL)中最高,其次是LAF(320 mg / mL)和CCGo(270mg / mL),很可能是由于香草醛与这些天然低共熔溶剂形成氢键的能力更强。它在CCCA(90 mg / mL),CCMA(90mg / mL)和BeCA(60 mg / mL)中也可溶,但溶解度较低,而BeMAG,CAFG,MAFG,MAG,bACA,SrMA,FG和BeS对香草醛显示出更低的溶解能力,这与水相似(如表1所示)。

表1 天然低共熔溶剂(NADES)被用作提取香草豆中的香草醛,溶解度测试温度为50oC

香草醛在乙醇、甲醇和水中的溶解度分别为375.81 mg/mL, 632.94 mg/mL, 30 mg/mL

由于香草醛非常易溶于乙醇和甲醇,我们将其在天然低共熔溶剂中的提取效率与在这些有机溶剂中进行了比较。就乙醇而言,香草醛用于生产用于食品调味品的提取物,因此比较其产率显得尤为重要。通过HPLC / DAD测试,比较保留时间,与纯参考化合物UV光谱进行对比,从而确定天然低共熔溶剂提取物中香草醛的存在(如图1所示)。结果表明,甲醇作为萃取溶剂的效率是乙醇的3-4倍(分别为18.0和4.4 mg / g DW)。在所测试的天然低共熔溶剂中,从CCCA,BeCA,LAPo和LAF(分别为18.6mg,19.8mg,19.9mg和21.8mg / g DW)获得的香草豆荚中提取的香草醛含量最高,均高于用甲醇获得的含量。香草醛在氯化胆碱与苹果酸(CCMA)的组合物中与在甲醇中的产率接近,为17.9 mg / g DW。而在BeMAG,bACA,MAG,MAFG,CCGo和SrMA等其他一些天然低共熔溶剂中的产率则略低,分别为17.6mg,16.7mg,16.3mg,15.7mg和14.5mg / g DW香草豆荚。

图1 香草醛在标准NADES(A)中的HPLC色谱以及NADES(B)萃取香草豆的色谱图。注射之前这些样品在气相中已稀释

其他如CAFG(7.6 mg / g DW),FG(10.1mg / g DW)和BeS(6.2 mg / g DW)的效率明显较低(如图2所示)。因此,我们可以观察到,所有测试的天然低共熔溶剂对香草醛的提取能力均高于乙醇,并且许多还具有与甲醇大致相同或甚至略高的产率(见图2)。然而,众所周知,甲醇对人体有毒,不能用于任何食品加工步骤。有趣的是,香草醛在天然低共熔溶剂中的溶解度与从天然低共熔溶剂中豆荚提取香草醛的可行性之间没有相关性,这意味着从其基质中除去香草醛是从豆荚中彻底提取该化合物的重要因素。

图2 用甲醇、乙醇和NADES从香草豆中萃取香草醛的含量

天然低共熔溶剂的粘度根据其组成而不同,并且添加少量水也会显著降低其粘度。天然低共熔溶剂的粘度越低,在实际应用中就越容易处理。在开发香草提取物和香草醛作为食品添加剂的配方时,这个问题也很重要。但是,水的存在会影响目标化合物的溶解度。因此,我们还研究了天然低共熔溶剂中水含量对香草醛的溶解度及其从香草豆荚中提取香草醛的可提取性的影响。根据某些组合中的制备方法,水是分子相互作用的一部分,不能蒸发。含天然低共熔溶剂的糖中约5%的水含量对应于混合物中约1摩尔。所有天然低共熔溶剂都易于用水稀释,从质子的NMR位移可以看出,随着稀释度的增加,分子之间的相互作用逐渐消失,并且水含量高于50%左右时,分子表现得像在水溶液中一样。

在目前的工作中,我们在某些天然低共熔溶剂中加入高达60%w / w的水,以便更多地了解香草醛在天然低共熔溶剂提取物稀释时的行为,这与天然低共熔溶剂的潜在应用相关。一些天然低共熔溶剂被用作模型,如FG,BeCA,LAF和LAPo。结果表明,天然低共熔溶剂的含水量影响香草醛的可提取性,这与预期相符。在所有测试的天然低共熔溶剂中,水的稀释度从10%至60%( v / v ),提取的香草醛的量随着水含量的增加而增加,达到25%(见图3)。高于25%的稀释液未显着提高香草醛的可提取性,甚至在LAPo溶剂中有所降低。这些结果与先前用槲皮素,芦丁和红花素进行的研究一致,这表明水含量可以提高中极性化合物在天然低共熔溶剂中的溶解度,而更多非极性化合物更易溶于含有较少量水,或甚至无水的天然低共熔溶剂。但是,在确定最佳含水量时,还应考虑其他因素,如化合物的稳定性和可能的微生物污染等。

在这项研究中,我们已经报道了我们关于纯香草醛在天然低共熔溶剂中的溶解度以及使用天然低共熔溶剂从香草豆荚中提取香草醛的结果。因此,使用天然低共熔溶剂可以获得用于制备香草类调味剂的两种不同的产品:香草醛溶液和香草提取物。香草醛制剂的理想溶剂应无毒,并且除了提供稳定介质外,还可使香草醛具有较高产率。目前,乙醇是工业生产的首选溶剂,有一些天然低共熔溶剂具有相似的(LAF,CCGo)或甚至更高的(LAPo)溶解度。天然低共熔溶剂的优点是在于,它们通常是无毒的,非挥发性的,而且它们可以增加所有酚类物质的稳定性。由于天然低共熔溶剂完全溶于水,因此可以向溶剂中添加水。一些天然低共熔溶剂含有限制性成分(如LD50),限制了其作为食品成分或药物赋形剂的使用达到一定水平。但在许多情况下,它们在高剂量下是安全的,并且已获得GRAS认证(如FG和FGS)。这些天然低共熔溶剂可以直接包含在食品中,如冰淇淋,饮料,饼干,糖果,一般烹饪以及餐馆中其他类型的甜点。因此,天然低共熔溶剂可以作为从植物中提取香料的潜在替代溶剂,也可用于溶解食品添加剂中的香味成分。