Współczesny przemysł farmaceutyczny i kosmetyczny intensywnie poszukuje nowych metod ekstrakcji substancji bioaktywnych, które będą mogły sprostać rosnącym wymaganiom związanym z ochroną zdrowia, środowiska, regulacjami prawnymi i oczekiwaniami odbiorców.
Konsumenci stają się coraz bardziej świadomi kwestii ekologicznych oraz zdrowotnych. Coraz częściej wybierają produkty, które powstają z zastosowaniem bezpiecznych, ekologicznych metod produkcji, bez użycia toksycznych chemikaliów. Chociaż użycie rozpuszczalników organicznych może być na krótką metę tanie, wiąże się jednak z długoterminowymi kosztami, takimi jak specjalne systemy ochrony zdrowia i bezpieczeństwa w zakładach produkcyjnych, skomplikowane procesy odzyskiwania lub utylizacji odpadów oraz wysokie opłaty za spełnienie norm środowiskowych. Poza tym tradycyjne metody ekstrakcji są często nieselektywne, a proces rozdziału i oczyszczania docelowych składników czaso- i energochłonny. Coraz więcej krajów wprowadza surowe regulacje ograniczające stosowanie toksycznych rozpuszczalników organicznych w produkcji, zarówno ze względu na ochronę zdrowia, jak i ochronę środowiska. Przemysł musi dostosować się do tych przepisów, co wymaga inwestowania w alternatywne, bezpieczniejsze metody ekstrakcji. Wprowadzenie nowoczesnych “zielonych” technologii pozwala firmom uniknąć kar i problemów prawnych.
DES-y, czyli alternatywa dla rozpuszczalników organicznych
Ciekawą alternatywą dla rozpuszczalników organicznych są DES-y, rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES, ang. deep eutectic solvents). DES-y zaliczane są do tzw. zielonych rozpuszczalników ze względu na szereg zalet: są łatwe w przygotowaniu, tanie, nielotne, biodegradowalne i charakteryzują się niską toksycznością. DES-y powstają poprzez zmieszanie w odpowiednim stosunku molowym co najmniej dwóch związków, z których jeden pełni funkcję dawcy wiązań wodorowych (HBD, ang. hydrogen bond donor), a drugi jest ich akceptorem (HBA, ang. hydrogen bond acceptor). Otrzymane mieszaniny cechują się znacznie niższą temperaturą topnienia niż ich poszczególne komponenty. Sztandarowym przykładem DES-u jest relina (ang. reline), która składa się z chlorku choliny i mocznika (w stosunku molowym odpowiednio 1:2). Temperatura zamarzania reliny wynosi 12°C, co umożliwia jej stosowanie jako rozpuszczalnika w temperaturze pokojowej (temperatura topnienia chlorku choliny wynosi 302°C, a mocznika 133°C).
Jako HBA najczęściej stosuje się czwartorzędowe sole amoniowe (np. chlorek choliny), a typowymi HBD są poliole, kwasy karboksylowe, cukry i amidy. Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne uzyskane z naturalnych składników często określane są jako NADES (ang. natural deep eutectic solvents). Rozpuszczalniki te są często wykorzystywane do izolowania związków fenolowych, jednak, ze względu na szeroką gamę możliwych kombinacji HBA i HBD, pula związków ekstrahowanych za pomocą DES stale się powiększa.
W procesie pozyskiwania związków naturalnych, oprócz doboru odpowiedniego rozpuszczalnika, bardzo ważny jest trafny wybór wyjściowego surowca o możliwie wysokiej zawartości pożądanych związków. Dla ekonomiki całego procesu ważna jest również cena biomasy, jej dostępność i pochodzenie.
Zastosowanie wychmielin – produktu ubocznego przemysłu piwowarskiego
W Katedrze Chemii Żywności i Biokatalizy Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu od kilku lat prowadzone są badania nad wykorzystaniem rozpuszczalników głęboko eutektycznych do izolowania związków naturalnych z produktów ubocznych przemysłu rolno-spożywczego. Inicjatorką tego nurtu badań jest Aleksandra Grudniewska, która szczególnie interesuje się wychmielinami – produktem ubocznym przemysłu piwowarskiego. Wychmieliny powstają podczas ekstrakcji z szyszek chmielowych gorzkich kwasów i olejków chmielowych z wykorzystaniem nadkrytycznego ditlenku węgla. Uzyskane ekstrakty są stosowane w produkcji piwa, nadając mu charakterystyczny aromat i gorzki smak. W procesie tym substancje polarne, takie jak flawonoidy i białka, nie są ekstrahowane, pozostając w wychmielinach.
Głównym flawonoidem obecnym w chmielu i wychmielinach jest ksantohumol, który wykazuje szerokie spektrum działania biologicznego, w tym właściwości przeciwnowotworowe, przeciwzapalne, przeciwutleniające, przeciwbakteryjne, przeciwgrzybicze i przeciwwirusowe. Chmiel stanowi główne naturalne źródło ksantohumolu, a zatem wychmieliny są atrakcyjnym i tanim surowcem do jego izolowania. Ponadto wychmieliny zawierają około 30% białka, co czyni je potencjalnie cennym źródłem składników odżywczych. Niestety, gorzki smak wychmielin ogranicza ich zastosowanie w żywności i paszach, dlatego są głównie używane jako nawóz.
Zrównoważona metoda izolowania ksantohumolu
Badania prowadzone pod kierunkiem A. Grudniewskiej zaowocowały opracowaniem nowej, prostej i “zielonej” metody izolowania ksantohumolu z wychmielin przy użyciu wybranych rozpuszczalników głęboko eutektycznych. Rozwiązanie to zostało objęte ochroną patentową (Pat.240599, oferta technologiczna). W procesie ekstrakcji zastosowano głównie mieszaniny eutektyczne oparte na związkach uznanych za bezpieczne (posiadających status GRAS – generally recognized as safe), takich jak chlorek choliny, glicerol, glikol propylenowy oraz kwas mlekowy. Zwrócono również uwagę na możliwość odzyskiwania i ponownego wykorzystania DES, co dodatkowo polepsza ekonomikę procesu. Warto podkreślić, że opracowana metoda pozwala na uzyskanie produktów wzbogaconych zarówno w ksantohumol, jak i białka, co znacząco podnosi ich wartość. Rozwiązanie to jest szczególnie interesujące w kontekście rosnącej popularności białek jako nośników związków bioaktywnych.
Nowa metoda nie tylko oferuje innowacyjne podejście do izolowania ksantohumolu. Stanowi także przykład zrównoważonego wykorzystania produktu ubocznego, jakim są wychmieliny. Wpisuje się to w koncepcję biorafinacji, której celem jest maksymalne wykorzystanie biomasy do otrzymywania produktów o wartości dodanej, co wspiera ideę gospodarki o obiegu zamkniętym i minimalizuje marnowanie zasobów.
Więcej artykułów od Naukowców UPWr TUTAJ.
Aleksandra Grudniewska pracuje w Katedrze Chemii Żywności i Biokatalizy UPWr na stanowisku profesora uczelni. W latach 2011-2013 przebywała na stażu podoktorskim w Tokushima Bunri University w Japonii. W lutym 2024 r. uzyskała stopień doktora habilitowanego w dziedzinie nauk rolniczych w dyscyplinie technologia żywności i żywienia. Jest współautorką 28 publikacji naukowych z listy JCR i 22 patentów RP. Brała udział w realizacji 7 projektów badawczych. Od września br. jest współwykonawcą w projekcie “Innowacyjne techniki biowaloryzacji – międzynarodowa sieć badawcza kluczem do stworzenia Centrum Doskonałości Naukowej” przyznanym przez NAWA w ramach programu Partnerstwa Strategiczne