Ekstrakcja nadkrytyczna jako metoda pozyskiwania karotenoidów z

Ekstrakcja nadkrytyczna jako metoda pozyskiwania karotenoidów z

Ekstrakcja
nadkrytyczna
jako
metoda
pozyskiwania
karotenoidów
z czerwonej papryki
Dorota KOSTRZEWA, Edward RÓJ
Instytut Nawozów Sztucznych, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 13A, 24 – 110 Puławy
STRESZCZENIE
Celem pracy było przedstawienie wyników badań pozyskiwania karotenoidów
z czerwonej papryki. Badania przeprowadzono na instalacji doświadczalnej w skali
laboratoryjnej z użyciem nadkrytycznego ditlenku węgla oraz metodą Soxhleta. Ocenie
poddano surowiec użyty do ekstrakcji oraz jakość otrzymanych ekstraktów z wykorzystaniem
metody spektrofotometrycznej.
Słowa kluczowe: papryka, ekstrakcja nadkrytyczna ditlenkiem węgla, ekstrakcja Soxhletem
1. Wstęp
Czerwona papryka roczna (Capsicum annuum) należy do rodziny psiankowatych i jest
bogatym źródłem węglowodanów, witamin: A i C, E, K, B1, B6, kwasu foliowego, potasu,
naturalnych karotenoidów oraz tłuszczów [1, 2, 3]. Zawartość oleju w owocni papryki wynosi
około 6 %, w mielonej papryce około 10 – 14 %, natomiast ziarna papryki zawierają nawet
20 – 30 %. Olej otrzymany z papryki zawiera niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe
(linolowy,
-linolenowy), mononienasycone kwasy tłuszczowe (kwas oleinowy) oraz
nasycone kwasy tłuszczowe (kwas stearynowy, palmitynowy, arachidowy, behenowy,
mirystynowy), z czego największy udział mają nienasycone kwasy tłuszczowe [4].
Barwa owoców papryki zależy od obecności karotenoidów oraz flawonoidów,
a głównymi karotenoidami odpowiedzialnymi w 65 - 80 % za kolor czerwonej papryki są
kapsantyna i kapsorubina. Ponadto w papryce występuje również zeaksantyna, luteina,
kryptoksantyna, kapsoluteina, α- i β-karoten. Zawartość karotenoidów oraz witaminy C
w surowcu zależy od rodzaju, fazy dojrzałości papryki i zwiększa się wraz z jej
dojrzewaniem. Dlatego też czerwona papryka ma więcej przeciwutleniaczy i witamin niż inne
odmiany.
Ze względu na wysoką zawartość witaminy A, C i E papryka pozytywnie wpływa na
stan skóry, paznokci czy włosów. Witamina B6 i kwas foliowy, zawarte w papryce, pomagają
obniżyć poziom homocysteiny, co zmniejsza ryzyko udaru. Papryka jest także dobrym
źródłem błonnika pokarmowego, który wiąże cholesterol i pomaga wyeliminować jego
nadmiar z organizmu. Wyjątkowo wysoka zawartość przeciwutleniaczy w papryce sprawia,
że wzmacnia ona układ odpornościowy, zmniejsza ryzyko chorób sercowo-naczyniowych
oraz bierze udział w profilaktyce raka.
Karotenoidy charakteryzują się wysoką aktywnością wobec reaktywnych form tlenu,
jak i wolnych rodników. W badaniach wykazano, że β-karoten w porównaniu z innymi
antyoksydantami, witaminą C i E, wykazuje wyższą aktywność antyoksydacyjną wobec tlenu
singletowego, powstającego w procesie fotosyntezy. Hamuje on fazę początkową, jak
również etap propagacji peroksydacji lipoprotein. Równoczesne stosowanie β-karotenu oraz
witamin C i E powoduje cofanie się miażdżycy [3]. Badania przeprowadzone przez
Matsufuji’ego wykazały, że kapsantyna, specyficzny dla czerwonej papryki barwnik
karotenoidowy, była bardziej efektywnym antyoksydantem niż
-karoten, a jej estry
z kwasami nienasyconymi miały taką samą zdolność wychwytywania wolnych rodników, jak
-karoten [5].
Badania nad karotenoidami potwierdzają, że likopen zawarty w czerwonej papryce
zapobiega niektórym rodzajom nowotworów, m.in. prostaty, trzustki, pęcherza moczowego
i szyjki macicy [1, 3, 6]. Potwierdzono również skuteczne działanie ochronne β-karotenu na
skórę u pacjentów chorych na protoporfirię erytropoetyczną, którzy są nadwrażliwi na światło
słoneczne. Choć współczynnik ochrony przeciwsłonecznej β-karotenu jest stosunkowo niski
(SPF ≈ 2) to wykazuje on działanie zapobiegające oparzeniom skóry u osób zdrowych. Wiąże
się to z jego właściwościami zmiatania wolnych rodników i reaktywnych form tlenu,
powstających w wyniku ekspozycji skóry na promieniowanie UVA.
Natomiast luteina i zeaksantyna zawarte w papryce, obecne również w wysokim
stężeniu w plamce żółtej oka, są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania narządu
wzroku. Stosowanie diety bogatej w te dwa karotenoidy może stanowić ochronę przed zaćmą
i związanym z wiekiem zwyrodnieniem plamki żółtej, które prowadzi do utraty wzroku.
Karotenoidy są szeroko wykorzystywane w przemyśle, szczególnie jako barwniki
żywności i pasz oraz suplementy [7]. Preparaty z papryki stosowane są również do
przedłużania trwałości produktów końcowych (mięsnych dań gotowych, zarówno
chłodzonych, jak i mrożonych) [2].
Światowy rynek dodatków do żywności opiera się głownie na produkcji syntetycznych
substancji dodatkowych, jednakże coraz większa świadomość konsumentów wymusza wzrost
wykorzystania związków pochodzenia naturalnego [8, 9].
Nowoczesną metodą pozyskiwania cennych składników roślin jest ekstrakcja
w warunkach nadkrytycznych, gdzie czynnikiem ekstrahującym jest skompresowany pod
wysokim ciśnieniem ditlenek węgla. Proces ten przebiega w stosunkowo niskich
temperaturach, bez dostępu powietrza, przez co aktywne składniki roślin nie ulegają
degradacji termicznej oraz przemianom oksydacyjnym, a tym samym nie powoduje to
obniżenia ich jakości zdrowotnej i organoleptycznej. Jest to bardzo ważne, szczególnie
w odniesieniu do pozyskiwania nietrwałych składników, takich jak karotenoidy.
W wyniku ekstrakcji nadkrytycznej uzyskuje się ekstrakty roślinne o najwyższym
poziomie czystości, które są czyste mikrobiologicznie i zachowują naturalne składniki
aktywne. Tajemnicą czystości wyciągów roślinnych uzyskiwanych metodą ekstrakcji
w warunkach nadkrytycznych jest ostatni etap procesu, w którym następuje obniżenie
ciśnienia i cały rozpuszczalnik zostaje oddzielony od ekstraktu. Ekstrakcja nadkrytyczna jest
procesem znacznie bardziej zaawansowanym technologicznie od tradycyjnych procesów
ekstrakcji, gdzie temperatura i utlenianie towarzyszące procesom otrzymywania są szkodliwe
dla witamin, enzymów, substancji lotnych oraz wielu innych substancji aktywnych. Wadą
konwencjonalnych metod otrzymywania ekstraktów, w których stosuje się rozpuszczalniki
organiczne
są
ścieki,
emisja
lotnych
związków
organicznych
oraz
możliwość
zanieczyszczenia ekstraktów roślinnych śladami rozpuszczalników, które w nich pozostają
[10]. Ponadto ekstrakcja z użyciem rozpuszczalników organicznych jest mało selektywna ze
względu na ekstrahowane składniki.
2. Część eksperymentalna
2.1. Materiały
Ditlenek węgla (czystość 99,8%) użyty do procesu ekstrakcji nadkrytycznej papryki
z firmy „Linde Gaz Polska" Sp. z o.o..
Surowcem do badań była papryka mielona z firmy KAMIS Przyprawy S.A.
o natężeniu barwy ok. 160 ASTA (American Spice Trade Association).
Odczynniki do oznaczeń spektrofotometrycznych oraz do ekstrakcji Soxhletem:
aceton czda z firmy POCH S.A. Polska.
2.2. Aparatura i metodyka badań ekstrakcji
Do badania procesu ekstrakcji nadkrytycznej papryki mielonej wykorzystano
aparaturę firmy SITEC (SITEC-Sieber Engineering AG, Szwajcaria) znajdującą się
w Instytucie Nawozów Sztucznych w Puławach. Instalacja jest wyposażoną w ekstraktor
o pojemności ok. 1 dm3 i umożliwia prace pod ciśnieniem do 500 bar i w temperaturze
do 200 oC.
Próby ekstrakcji papryki z użyciem ditlenku węgla prowadzono w koszu, który
umieszczano w ekstraktorze. Proces pozyskiwania karotenoidów z papryki przebiegał według
schematu przedstawionego na rysunku 2.
Załadunek surowca do
ekstraktora
Ekstrakcja papryki
Redukcja ciśnienia od
ciśnienia ekstrakcji do
ciśnienia separacji
Podgrzewanie mieszaniny
CO2 - ekstrakt
Dekompresja
ekstraktora
Wyładunek pozostałości
po ekstrakcji
Separacja ekstraktu
Skraplanie CO2
Odbiór ekstraktu
Sprężanie ciekłego CO2
Podgrzewanie CO2
Rys. 2 . Schemat blokowy ekstrakcji nadkrytycznej papryki.
Badania ekstrakcji nadkrytycznej czerwonej papryki mielonej prowadzono pod
ciśnieniem 200 ÷ 450 bar i w temperaturze 60 °C oraz przy stałym obciążeniu CO2
(ok. 20 kg/h). Warunki separacji ekstraktów były jednakowe w każdym z przeprowadzonych
doświadczeń. W trakcie procesu pobierano próbki ekstraktu z separatora w stałych
odstępach czasu, a następnie ważono je w celu określenia wydajności ekstrakcji.
Porównawczo do ekstrakcji nadkrytycznej przeprowadzono ekstrakcje papryki
mielonej w aparacie Soxhleta. Jako rozpuszczalnika do ekstrakcji użyto acetonu (300 ml),
który utrzymywano w stanie wrzenia. Po zakończonym procesie ekstrakcji rozpuszczalnik
oddzielono w wyparce próżniowej firmy Büchi, a ekstrakt zważono i poddano analizie.
2.3. Metody oceny analitycznej karotenoidów otrzymanych z papryki
Badania natężenia barwy próbek surowca, ekstraktów i pozostałości po ekstrakcji
papryki (ogólna zawartość karotenoidów) oznaczano metodą spektrofotometryczną. Do badań
wykorzystano dwuwiązkowy spektrofotometr UV-Vis – typ JASCO V-650. Oznaczenia
prowadzono zgodnie z przepisami zamieszczonymi w Official Methods of Analysis 14’th
Edition 1984 Association of Official Analytical Chemists (AOAC).
Przygotowanie próbki ekstraktu otrzymanego z papryki.
Z homogenicznej próbki ekstraktu w zlewce wykonywano ok. 100 mg naważkę.
Następnie do zlewki dawano aceton i umieszczano w płuczce ultradźwiękowej do
rozpuszczenia próbki. Rozpuszczoną próbkę przenoszono ilościowo do kolby miarowej na
100 ml i uzupełniano acetonem do kreski. Kolbę z próbką krótko wytrząsano na wytrząsarce
i pozostawiano w temperaturze pokojowej przez ok. 2 minuty. Z tak otrzymanego roztworu
odpipetowywano 10 ml do kolby miarowej na 100 ml i uzupełniano acetonem do kreski.
Pomiar absorbancji otrzymanego roztworu wykonywano w kuwecie szklanej o długości drogi
optycznej l = 10 mm w odniesieniu do czystego acetonu przy długości 460 nm.
Przygotowanie próbki papryki.
Z homogenicznej próbki papryki lub papryki po ekstrakcji wykonywano ok. 100 mg
naważkę do kolby miarowej na 100 ml i uzupełniano acetonem do kreski. Kolbę wstawiano
do wytrząsarki i krótko wytrząsano. Tak przygotowaną próbkę pozostawiano w temperaturze
pokojowej na ok. 16 godzin. Po wyznaczonym czasie kolbę z próbką intensywnie wytrząsano
przez ok. 2 minuty. Następnie roztwór sączono przez filterki 0.45 µm, po czym wykonywano
pomiar absorbancji badanej próbki analogicznie jak wyżej.
Barwę surowca, ekstraktu i pozostałości po ekstrakcji wyrażano w skali zabarwienia
ASTA, która stanowi międzynarodowy wzorzec do określania koloru sproszkowanej papryki
oraz ekstraktów z niej uzyskanych. Obliczenia natężenia barwy wykonano zgodnie
z prezentowanymi poniżej równaniami (rów. 1, 2).
ASTA
ASTA
A460 nm 164 f
dla ekstraktu z papryki
(1)
dla papryki lub papryki po ekstrakcji
(2)
m1
A460 nm 16,4 f
m2
gdzie:
A – zmierzona absorbancja próbki, f – współczynnik korekcji drogi optycznej, m1, m2 – masa
próbek użyta do badań, 164 i 16,4 – współczynniki obliczeniowe.
3. Wyniki badań i dyskusja
Podczas procesu ekstrakcji papryki mielonej określano wydajność i barwę
otrzymywanych ekstraktów. Warunki prowadzenia eksperymentów prezentuje tabela 1,
zamieszczona poniżej.
Tabela 1. Warunki prowadzenia doświadczeń.
Ekstrakcja papryki
Wsad
Warunki ekstrakcji
0
g
Barwa, ASTA
T, C
P, bar
Czas, min
ekstrakcja nadkrytyczna nr 1
150,8
158
60
200
240
ekstrakcja nadkrytyczna nr 2
150.2
158
60
350
240
ekstrakcja nadkrytyczna nr 3
150.0
158
60
400
240
ekstrakcja nadkrytyczna nr 4
146.9
158
60
450
240
ekstrakcja metodą Soxhleta
15.4
158
-
-
180
Wyniki ekstrakcji papryki uzyskane dla poszczególnych doświadczeń, dotyczące
odzysku ekstraktu w stosunku do masy wyjściowej wsadu oraz analizy ekstraktu
i pozostałości po ekstrakcji papryki, przedstawia tabela 2.
Tabela 2. Wyniki ekstrakcji czerwonej papryki.
Ekstrakcja papryki
Sumaryczny odzysk
ekstraktu
Natężenie barwy
ekstraktu
Natężenie barwy
pozostałości po
ekstrakcji
g
% wag.
ASTA
ASTA
ekstrakcja nadkrytyczna nr 1
12,1
8,0
484
21,5
ekstrakcja nadkrytyczna nr 2
12,7
8.5
1677
19,1
ekstrakcja nadkrytyczna nr 3
12,6
8.4
1799
22,6
ekstrakcja nadkrytyczna nr 4
12,2
8,2
1909
18,5
ekstrakcja metodą Soxhleta
2,1
13,6
1215
1,6
Jak wynika z tabeli 2 podczas doświadczeń prowadzonych z użyciem ditlenku węgla
w warunkach nadkrytycznych uzyskano dużo mniejszą wydajność ekstrakcji papryki niż
metodą Soxhleta. Niezależnie od zastosowanego ciśnienia ekstrakcji wydajność ekstrakcji
nadkrytycznej kształtowała się na poziomie 8,0 – 8,5 % wag. Natomiast w wyniku ekstrakcji
papryki mielonej w aparacie Soxhleta uzyskano wydajność procesu na poziomie 14 % wag.
Analiza pozostałości po ekstrakcji papryki potwierdziła wysoki stopień wyekstrahowania
złoża dla ekstrakcji prowadzonej metodą Soxhleta. Jednak podczas omawianego
doświadczenia nie uzyskano wysokiej wartości natężenia barwy ekstraktu. Wartość barwy
otrzymanego ekstraktu wynosiła zaledwie 1215 ASTA, ponieważ ekstrakcja metodą Soxhleta
jest mało selektywna. W wyniku ekstrakcji papryki z użyciem acetonu uzyskano związki
nierozpuszczalne w warunkach prowadzenia ekstrakcji ditlenkiem węgla, które znacznie
obniżyły stężenie karotenoidów w otrzymanym ekstrakcie.
W przypadku ekstrakcji nadkrytycznej papryki natężenie barwy otrzymywanych
ekstraktów wzrastało wraz ze wzrostem ciśnienia ekstrakcji. Najwyższe natężenie barwy
ekstraktu uzyskano dla ekstrakcji papryki z użyciem ditlenku węgla pod ciśnieniem 450 bar.
Podczas
ekstrakcji
i w temperaturze 60
papryki
ditlenkiem
węgla
pod
ciśnieniem
450
bar
o
C wykonano również pomiar natężenia barwy ekstraktu na
poszczególnych etapach procesu ekstrakcji. Wyniki oznaczeń przedstawiono na rysunku 3.
Natężenie barwy w skali ASTA
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
30
60
120
Czas, min
180
240
Rys. 3: Zmiana natężenia barwy ekstraktu podczas ekstrakcji nadkrytycznej papryki.
Kontrola analityczna procesu wykazała, że natężenie barwy ekstraktu w trakcie
procesu ekstrakcji papryki mielonej pod ciśnieniem 450 bar rosło od wartości ok. 1400 ASTA
do wartości ok. 2400 ASTA.
Na rysunku 4 zamieszczono przykładowe widma UV-Vis dla ekstraktu z papryki
otrzymanego w temperaturze 60 oC i pod ciśnieniem 400 bar oraz pozostałości po ekstrakcji
papryki. Próbki ekstraktu i pozostałości po ekstrakcji papryki rozpuszczono w acetonie
i wykonano pomiar widm absorpcyjnych w zakresie 190 – 800 nm.
Rys. 4. Widmo absorpcyjne dla próbki ekstraktu otrzymanego z papryki (kolor zielony) i pozostałości
po ekstrakcji papryki (kolor pomarańczowy).
Na otrzymanym widmie wyraźnie widoczne są pasma absorpcyjne charakterystyczne
dla barwników karotenoidowych w zakresie 390 – 550 nm. Dla
–karotenu maksimum
absorpcji w acetonie występuje przy długości fali 451 i 477 nm. Natomiast dla głównych
karotenoidów zawartych w papryce, kapsantyny i kapsorubiny, maksimum absorpcji
występuje przy długości 460 nm.
4. Podsumowanie
W pracy przedstawiono wyniki badań ekstrakcji czerwonej papryki mielonej za
pomocą ditlenku węgla o parametrach nadkrytycznych oraz metodą Soxhleta. Największą
wydajność procesu w stosunku do masy wsadu uzyskano dla ekstrakcji papryki mielonej
metoda Soxhleta. Natomiast najwyższe natężenie barwy ekstraktu otrzymano podczas
ekstrakcji nadkrytycznej ditlenkiem węgla pod ciśnieniem 450 bar. Wartość natężenia barwy
wynosiła wówczas 1909 ASTA. W badanym zakresie parametrów nie stwierdzono wpływu
ciśnienia na szybkość i wydajność ekstrakcji nadkrytycznej papryki, ale obserwowano wpływ
ciśnienia na barwę otrzymanych ekstraktów i ogólną zawartość karotenoidów z nią związaną.
W wyniku podniesienia ciśnienia ekstrakcji papryki od 200 do 450 bar uzyskano prawie
4-krotny wzrost natężenia barwy ekstraktu.
LITERATURA
1. G. Maiani, M.J. Periago Castón, G. Catasta, E. Toti, I. Go˜ni Cambrodon, A. Bysted,
F. Granado-Lorencio, B. Olmedilla-Alonso, P. Knuthsen, M. Valoti, V. Böhm, E. MayerMiebach, D. Behsnilian, U. Schleme, Carotenoids: actual knowledge on food sources,
intakes, stability and bioavailability and their protective role in humans, Molecular
Nutrition and Food Research, 2009, 53, 194–218.
2. I. Perucka, M. Materska, L. Jachacz, Ocena jakości preparatów otrzymanych
z wysuszonych owoców papryki (Capsicum annuum l.), Żywność. Nauka. Technologia.
Jakość, 2010, 1 (68), 30 – 39.
3. A. Gryszczyńska, B. Gryszczyńska, B. Opala, Karotenoidy. Naturalne źródła, biosynteza,
wpływ na organizm ludzki, Postępy Fitoterapii, 2011, 2, 127-143.
4. Li Guoliang, Song Cuihua, You Jinmao, Sun Zhiwei, Xia Lian, Suol Yourui, Optimisation
of red pepper seed oil extraction using supercritical CO2 and analysis of the composition
by reversed-phase HPLC-FLD-MS/MS, International Journal of Food Science and
Technology, 2011, 46, 44–51.
5. H. Matsufuji, H. Nakamura, M. Chino, M. Takeda, Antioxidant activity of capsantin and
the fatty acid esters in paprika (Capsicum annuum), J. Agric Food Chem., 1998, 46,
3468-3472.
6. H. Nishino, Cancer prevention by carotenoids, Mutation Research, 1998, 402, 159–163,
7. P.D. Fraser, P.M. Bramley, The biosynthesis and nutritional uses of carotenoids, Progress
in Lipid Research, 2004, 43, 228-265.
8. A. Rutkowski, S. Gwiazda., K. Dobrowski, Kompendium dodatków do żywności, 2003.
9. J. Pokorny, Are natural antioxidants better – and safer – than synthetic antioxidants, Eur.
J. Lipid Sci. Technol., 2007, 109, 629-642.
10. N. Aleksandra N. Tepić, Gordana R. Dimić, Biserka L. Vujičić, Žarko S. Kevrešan,
Marika Varga and Zdravko M. Šumić, Quality of commercial ground paprika and its
oleoresins, APTEFF, 2008, 39, 1-212.