Ανάπτυξη νέων μεθόδων παραλαβής και ανάλυσης δευτερογενών μεταβολιτών από αρωματικά και ενεργειακά φυτά

Abstract

In the course of this study, the possibility of developing new methods to obtain and analysis of valuable natural products was explored. The fulfillment of this work demanded several obstacles to be overcome and innovative techniques to be applied. As a general conclusion, new methods of obtaining and analyzing like those described further in the text, are a promising field for further research. In this course of research the exploitation of spectroscopic techniques for the analysis of natural products and of the ultrasound and microwave techniques, is to be discussed. The reduction of the time needed for the quantitative determination of four key components in oregano and thyme essential oil (carvacrol, thymol, π-cymene and γ-terpinene), from 60 minutes using gas chromatography to just three minutes with Raman spectroscopy, was achieved. The new method’s accuracy and reproducibility was statistically confirmed.It was also possible to adapt a microwave assisted device for the distillation of essential oils in the laboratory. The device was used to obtain essential oils from aromatic plants and highly unstable sulfur containing volatiles from garlic.With this method, the time needed to obtain the essential oil was significantly reduced from 3-4 h to 40 minutes, yielding the same amount of product. The distillate shows some variations regarding that obtained through conventional heating. In the case of garlic components, the obtaining methods was scrutinized, since the presence of the highly reactive sulfur atom in most of the substances, makes the essential oil components very unstable. The method that was found to be more appropriate for the isolation of those compounds was ultrasonic extraction, followed by microwave heating and last was the conventional method of microdistillation-extraction Likens-Nickerson. The isolated mixture was analyzed with gas chromatography and its composition was determined. Gas chromatography is the only method generally available but there are a lot of references in the literature that criticize it as inadequate for heat sensitive compounds. An alternative method based on FT-Raman spectroscopy was developed. The new method proved to be fast, accurate and non destructive to the sample. Ultimately, Fourier Transform Infrared spectroscopy was used to monitor the degradation of allycin (a key component in garlic metabolism) in room temperature. This was a great help in understanding the effect of heat in the production of secondary metabolites produced by garlic. In the field of biofuel producing plants, an effort was made to extract and transform vegetable oils into biodiesel finally, an important breakthrough was the development of a method that simultaneously extracts and trans-esterifies the vegetable oil, directly from the plant tissue into biodiesel. This caused a drastic decrease in time and consumables usage. To monitor the above procedure, and determine the end of the trans-esterification reaction, an FT-IR method with zinc selenide windows was also developed.

Η παρούσα μελέτη είχε σαν στόχο την ανάπτυξη νέων μεθόδων για την παραλαβή και ανάλυση πολύτιμων συστατικών από φυτικό υλικό. Στα επόμενα κεφάλαια παρουσιάζονται οι συνειρμοί που ακολουθήθηκαν και τα προβλήματα τα οποία ετέθησαν ώστε να γίνει δυνατή η πρόοδος στην εργασία. Η γενική εντύπωση είναι ότι οι νέες μέθοδοι παραλαβής και ανάλυσης γενικά αλλά και αυτές που περιγράφονται παρακάτω, αποτελούν πρόκριμα για την περαιτέρω αξιοποίηση αφ’ ενός των φασματοσκοπικών τεχνικών στην ανάλυση των φυσικών προϊόντων και αφ’ ετερου την αξιοποίηση των μεθόδων υπερήχων και μικροκυμάτων στην παραλαβή τους. Στα μετρήσιμα αποτελέσματα συμπεριλαμβάνονται η μείωση του χρόνου που απαιτείται για τον ποσοτικό προσδιορισμό των τεσσάρων κύριων συστατικών του αιθερίου ελαίου ρίγανης και θυμαριού, καρβακρόλη,ς θυμόλης, π-κυμένιου και γ-τερπινένιου από 60 λεπτά με την καλσική μέθοδο αναφοράς με αέρια χρωματογραφία σε μόλις τρία λεπτά με την νέα μέθοδο με χρήση φασματοσκοπίας Raman. Η ακρίβεια και η επαναληψιμότητα της νέας μεθόδου επιβεβαιώθηκαν στατιστικά.Επίσης, έγινε δυνατή η προσαρμογή στο εργαστήριο συσκευής παραλαβής αιθερίων ελαίων με χρήση μικροκυμάτων. Με την συσκευή αυτή έγιναν παραλαβές αιθερίων ελαίων από αρωματικά φυτά αλλά και παραλαβές ασταθών θειόυχων πτητικών ενώσεων από σκόρδο. Στην περίπτωση των αιθερίων ελαίων ο χρόνος παραλαβής μειώθηκε σημαντικά από 3-4 ώρες σε 40 λεπτά για την ίδια ποσότητα αιθερίου ελαίου. Το παραλαμβανόμενο προϊόν παρουσιάζει μικρές διαφορές σε σχέση με αυτό της μεθόδου που εφαρμόζει απλή θέρμανση.Στην περίπτωση όπου παρελήφθησαν συστατικά του σκόρδου η μέθοδος παραλαβής τους αποτέλεσε αντικείμενο διεξοδικής μελέτης καθώς η παρουσία ενός πολύ δραστικού ατόμου θείου στα περισσότερα από τα συστατικά, τα κάνει εξαιρετικά ασταθή. Η μέθοδος που προσδιορίστηκε σαν πιο κατάλληλη ήταν η μέθοδος των υπερήχων με δεύτερη αυτή των μικροκυμάτων και τρίτη την μέθοδο Likens-Nickerson. Οι ουσίες που απομονώθηκαν από το σκόρδο αποτελούσαν μίγμα που αναλύθηκε σε αέριο χρωματογράφο και προσδιορίστηκε η σύστασή του. Η μέθοδος αυτή είναι βιβλιογραφικά η μοναδική διαθέσιμη παρόλο που δεν κρίνεται η πιο κατάλληλη. Αναπτύχθηκε μέθοδος βασισμένη στην φασματοσκοπία FT-RAMAN για τον προσδιορισμό ομάδας ενώσεων που απαντούν στο εκχύλισμα του σκόρδου. Η μέθοδος είναι ακριβής, γρήγορη, μη καταστροφική και πιο κατάλληλη για το εξαιρετικά ευαίσθητο δείγμα. Στη συνέχεια με φασματοσκοπία υπερύθρου παρακολουθήθηκε η διάσπαση της αλλυσίνης σε θερμοκρασία δωματίου για την καλύτερη κατανόηση της επίδρασης της θερμότητας στην παραγωγή των δευτερογενών μεταβολιτών που παράγονται στο σκόρδο. Στον τομέα των ενεργειακών φυτών, έγινε προσπάθεια τόσο στον τομέα της απομόνωσης αλλά και στον τομέα της μετατροπής των φυτικών ελαίων σε βιοκαύσιμα. Τέλος, σημαντική εξέλιξη ήταν η ανάπτυξη της μεθόδου σύγχρονης εκχύλισης μετεστεροποίησης όπου η παραλαβή σε λουτρό υπερήχων και η αντίδραση μετεστεροποίησης με μεθανόλη συμβαίνουν ταυτόχρονα εξοικονομώντας χρόνο και αναλώσιμα.