Further qualification of a model-based process design for plant-based products using macroscopic and microscopic material parameters and non-invasive vibrational spectroscopy

• Applicants: Professor Dr. Hartwig Schulz; Professor Dr.-Ing. Jochen Strube
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering ; Plant Physiology
• Term: from 2011 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 201143946

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Zusammenfassend konnten verschiedene schwingungsspektroskopische Methoden erfolgreich für die Charakterisierung des Rohmaterials als auch die prozessbegleitende Analytik eingesetzt werden. So konnte gezeigt werden, dass sich zur botanischen Charakterisierung der Rohdroge der Einsatz der NIRS empfiehlt, wodurch auch eine Bewertung größerer Probenmengen ermöglicht wird. Für eine Inline-Kontrolle ist die FTIR-ATR Spektroskopie wegen Verschmutzung der Kristalloberfläche nicht zu empfehlen. Eine potentielle Nutzung von IR/NIR/Raman in der Wareneingangskontrolle konnte für die betrachteten Modellpflanzen hinsichtlich Authentizität, Kontaminationen und Wassergehalt erfolgreich unter Beweis gestellt. Die prozessbegleitende Analyse durch IR/Raman-Spektroskopie in einem Extraktionsprozess ist meistens beschränkt, da die Konzentrationen der Zielstoffe der untersuchten Pflanzenarten selten über 1% m/m (Trockengewicht) betrug. In späteren Stufen des Prozesses ist eine Anwendung von Schwingungsspektroskopie zur Prozessüberwachung allerdings möglich, da durch Aufkonzentrieren der Lösungen und Entfernen der Pflanzenmatrix durch Wahl der Analysetechniken eine sehr gute Empfindlichkeit /Selektivität hinsichtlich der zu bestimmenden Stoffe erreicht werden konnte. Die Anwendung der SERS-Technik ist sehr stoffspezifisch und allgemein schlecht reproduzierbar; zudem müssen die SERS-Bedingungen stets individuell angepasst werden. Im Rahmen des Projektes konnten daher leider keine geeigneten Kolloid/Metall-Systeme entwickelt werden. Eine quantitative Aussage über die Lokalisation der Wertstoffe im Rohmaterial ist durch die geringe Empfindlichkeit der bildgebenden IR-/Raman-Verfahren (ohne spezifische Signalverstärkung) nur eingeschränkt möglich. Mit den genutzten Techniken ist aber eine qualitative bzw. halbquantitative Analyse des Materials möglich und bei Kenntnis von Polarität und Ort der Biosynthese/Speicherung eine Interpretation der Verteilung aufgrund von Gerüstsubstanzen und Pflanzengewebe möglich. Eine Untersuchung der Porosität und ähnlichen physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Drogen mittels Schwingungsspektroskopie-Imaging ist durch Zerstörung des dreidimensionalen Gewebeaufbaus nur begrenzt durchführbar. Im Rahmen des DFG-Vorhabens wurde die Schwingungsspektroskopie erfolgreich am ITVP etabliert. Die Zielsetzung, quantitative inline Messungen während der Extraktion einzusetzen, wurde mit dem Modellsystem Fenchel und einem dafür angeschafften Raman-Spektroskop erreicht. At-Iine Messungen waren mittels FTIR beim Modellsystem Eibe möglich. Durch die Zusammenarbeit mit dem JKI und der dort vorhandenen botanischen Expertise konnte die physiko­chemische Modellierung der Fest-Flüssig-Extraktion erweitert werden. Diese Ergebnisse wurden anhand des Beispielsystems Beifuß veröffentlicht. Im ersten Projektabschnitt wurde das Potential natürlicher Lösungsvermittler erkannt. Eine gut zugängliche Modellsubstanz (Rebaudiosid A aus Stevia) wurde daraufhin systematisch in der zweiten Projektphase untersucht und das Molekül in das Stoffdatenmodell COSMO-RS eingepflegt. Hier zeigt sich, dass COSMO-RS in der Lage ist, die Erhöhung der Löslichkeit einzelner Substanzen (z.B. Anethol aus Fenchel) qualitativ wiederzugeben. Die tatsächlich im Labor gemessenen Werte liegen Jedoch weit über den theoretischen Werten. Hier könnten sich weiterführende Forschungsarbeiten anschließen. Zusammenfassend werden beide Projektabschnitte seitens des ITVPs als äußerst erfolgreich angesehen und der Schwerpunkt Phytoextraktion hat sehr von der gemeinsamen Zusammenarbeit mit dem JKI profitiert.

Publications

• Discrimination of Fennel Chemotypes Applying IR and Raman Spectroscopy: Discovery of a New γ-Asarone Chemotype, J. Agric. Food Chem. 62, pp. 3537-3547
  Gudi G., Krähmer A., Krüger H., Hennig L. and Schulz H.
  
• „Panorama of Sustainable Solvents for Green Extraction Processes". In: J. Strube, F. Chemat. "Green Extraction of Natural Products". Wiley-VCH, Weinheim, 173-236
  Koudous J-, Kunz W., Strube J.
  
• Attenuated Total Reflectance - Fourier Transform Infrared Spectroscopy on Intact Dried Leaves of Sage (Salvia officinalis L.): Accelerated Chemotaxonomic Discrimination and Analysis of Essential Oil Composition. J. Agric. Food Chem., 63, pp. 8743-8750
  Gudi G., Krähmer A., Krüger H., Schulz H.
  
• Infrared and Raman spectroscopic methods for characterization of Taxus baccata L-Improved taxane isolation by accelerated quality control and process surveillance. Talanta 143, 42-49
  Gudi G., Krähmer A., Koudous J., Strube J., Schulz H.
  
• Process design based on physicochemical properties for the example of obtaining valuable products from plant based extracts. Comptes Rendus Chimie 17, 218-231
  Koudous J., Both S., Schulz H., Strube J.
  
• Process design for integration of extraction, purification and formulation with alternative solvent concepts. Comptes Rendus Chimie 19 (6), 733-748
  Sixt M., Koudous J., Strube J.
  
• In-Line Raman Spectroscopy and Advanced Process Control for the Extraction of Anethole and Fenchone from Fennel (Foeniculum vulgare L. MILL). Comptes Rendus Chimie 21 (2), 97-103
  Sixt M., Gudi G., Schulz H., Strube J.
  
• Pressurized hot water extraction of 10-deacetylbaccatin III from yew for Industrial application. Resource-Efficient Technologies 3 (2), 177-186
  Sixt M., Strube J.
  
• Systematic and Model-Assisted Evaluation of Solvent Based- or Pressurized Hot Water Extraction for the Extraction of Artemisinin from Artemisia annua L. Processes 5 (4), 86
  Sixt M., Strube J.