PL225876B1 - Sposób ekstrakcji ksantohumolu z wychmielin - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób ekstrakcji ksantohumolu z wychmielin, będących odpadem po ekstrakcji granulatu szyszek chmielowych ciekłym lub nadkrytycznym ditlenkiem węgla lub alkanem C5+C7 (pentanem, heksanem, heptanem).

Ksantohumol o sumarycznym wzorze cząsteczkowym C₂-|H₂2O₅, jest substancją inhibitującą kancerogenezę, głównie w odniesieniu do raka prostaty, piersi i wątroby. Inhibituje on resorpcję kości zapobiegając osteoporozie, ma działanie przeciwwirusowe i antyutleniające oraz poprawia ogólną kondycję organizmu. Jest on bardzo silnym przeciwutleniaczem, zapobiega chorobie niedokrwiennej serca, wykazuje silne działanie antynowotworowe, przeciwbakteryjne, przeciwwirusowe, przeciwgrzybicze i przeciwmalaryczne. Ksantohumol, ale tylko rozpuszczony w środowisku wodnym, posiada więc bardzo szeroki zakres aktywności biologicznej i z tego względu może być bardzo cennym i pożądanym składnikiem leków, suplementów diety i kosmetyków. Ze względu na prozdrowotne działanie ksantohumolu już produkowane są medykamenty zawierające ten związek oraz piwa o zwiększonej jego zawartości maksymalnie do 4 mg/l. Ksantohumol jest praktycznie nierozpuszczalny w wodzie a dosyć dobrze rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak na przykład alkohole o liczbie atomów węgla C1-C4, aceton, eter dietylowy. W ciekłym i nadkrytycznym ditlenku węgla pod ciśnieniem poniżej 50 MPa ksantohumol jest praktycznie nierozpuszczalny. Dopiero pod ciśnieniem powyżej 60 MPa i w temperaturze powyżej 70°C jego rozpuszczalność jest na tyle wysoka, że można prowadzić skuteczny proces jego ekstrakcji wraz z innymi towarzyszącymi mu substancjami zawartymi w wychmielinach. Ksantohumol można otrzymywać z chmielu, z ekstraktu chmielowego uzyskanego za pomocą alkoholu C1+C4, najczęściej etanolu, lub z wychmielin pozostałych po ekstrakcji chmielu, w postaci szyszek lub granulatu, ciekłym lub nadkrytycznym ditlenkiem węgla pod ciśnieniem poniżej 50 MPa lub alkanem C5+C7 (pentanem, heksanem, heptanem).

Wychmieliny zawierają włókna celulozy i jej pochodnych oraz ligninę, białka, wodę, tłuszcze, związki metali, takich jak: K, Mg, Ca, Na, Zn, Cu, P, resztki niewyekstrahowanych kwasów chmielowych a ponadto bardzo cenne substancje bioaktywne, tak zwane prenyloflawonoidy, głównie ksantohumol w stężeniach od 0,2 do 1,2%. Zawartość pochodnych ksantohumolu, takich jak: izok santohumol, dimetyloksantohumol, 6-prenylonaringenina, 8-prenylonaringenina, jest 10-100 razy mniejsza. Zawartość poszczególnych składników w wychmielinach zależy głównie od odmiany chmielu a w zdecydowanie mniejszym stopniu od warunków jego uprawy, czasu i warunków przechowywania, sposobu i parametrów ekstrakcji chmielu oraz czasu i warunków przechowywania wychmielin.

Znanych jest wiele sposobów ekstrakcji ksantohumolu i towarzyszących mu substancji z wychmielin. Według zgłoszenia patentowego US 2010/0151107 stosuje się frakcjonowaną ekstrakcję wodą i jej roztworami o różnych stężeniach etanolu (25-35%v, 45-55%v, 75-85%v i 90-96%v), pod ciśnieniem zbliżonym do atmosferycznego i w temperaturze zbliżonej do otoczenia. W patencie US 8 142 821 i US 7 833 552 zastrzeżono ekstrakcję rozpuszczalnikiem zawierającym do 90%v wody i co najmniej 3%v rozpuszczalnika rozpuszczalnego w wodzie, wytrącenie z ekstraktu (poprzez wysalanie przy pH 10,5-12) i odseparowanie zanieczyszczeń a następnie wytrącenie z roztworu surowego ksantohumolu poprzez obniżenie pH do 7-8, odfiltrowanie go i wysuszenie. Według WO 2005/092353 ekstrakcję ksantohumolu prowadzi się ditlenkiem węgla pod ciśnieniem 4-50 MPa, w temperaturze 40-80°C, z dodatkiem entrainera w postaci alkoholu C1+C4, w proporcji 1 I na 1-15 kg CO₂. W zgłoszeniach patentowych US 2007/0254086 i US 2010/0136190 opisano ekstrakcję ditlenkiem węgla pod ciśnieniem 50-100 MPa, w temperaturze powyżej 60°C (70-90°C) bez dodatku lub z niewielkim dodatkiem entrainera i separację pod ciśnieniem do 20 MPa, w temperaturze poniżej 90°C. W pracy habilitacyjnej (M. Anioł, UP Wrocław, 2009) ujawniono możliwość ekstrakcji ksantohumolu różnymi czystymi rozpuszczalnikami organicznymi ((alkohole C1+C4 (metanol, etanol 92-100%v, propanol, butanol), aceton, octan etylu, eter dietylowy i chloroform)). Z kolei według patentu polskiego 214468 rozpuszczalnikiem do ekstrakcji ksantohumolu mogą być mieszaniny rozpuszczalników organicznych (np. aceton - eter dietylowy, heksan - etanol). W patencie polskim 217043 zastrzeżono ekstrakcję etanolem nasyconym ditlenkiem węgla pod ciśnieniem 1-10 MPa a w zgłoszeniu patentowym US 2005/0042318 (DE 101 39 479.9) najpierw gorącą wodą a następnie 86-92%v. etanolem. Według WO 2008/089137 (US 2008/050996 i US 2011/003888) ksantohumol ekstrahuje się niejonowymi ciekłymi środkami powierzchniowo czynnymi rozpuszczalnymi w wodzie, takimi jak: mono-, di- i tri-glicerydy, mono- lub di-ester kwasu tłuszczowego glikolu polietylenowego, ester sorbitanu i kwasu tłuszczowego, poliglikolizydowany gliceryd, kopolimer triblokowy lub ich pochodne.

PL 225 876 B1

Produkty ekstrakcji zawierające ksantohumol, uzyskane po oddzieleniu rozpuszczalnika, mają różny skład chemiczny i właściwości w zależności od użytego surowca oraz sposobu i warunków ekstrakcji. Przeważnie jest to proszek lub gęsta i lepka masa zawierająca od 2 do 30% ksantohumolu. Resztę stanowią inne substancje zawarte w wychmielinach, które są rozpuszczalne w zastosowanym rozpuszczalniku, w tym tzw. żywice twarde i resztki kwasów chmielowych.

Opisane powyżej znane sposoby ekstrakcji ksantohumolu posiadają różne wady. Na przykład wysokociśnieniowa ekstrakcja nadkrytycznym ditlenkiem węgla wymaga bardzo drogiej wysokociśnieniowej aparatury, posiada niską sprawność (około 50%) a uzyskiwany produkt jest w postaci stałej i wymaga ręcznego usuwania z separatora. W sposobie ze wstępnym przemywaniem wychmielin gorącą wodą, woda użyta do ekstrakcji powoduje nasiąkanie i pęcznienie wychmielin, jest trudna do odseparowania przed ekstrakcją etanolem, zaś oddzielony ekstrakt wodny jest odpadem (ściekiem) o wysokiej temperaturze zawierającym substancje organiczne, a do następnej ekstrakcji etanolem potrzeba dużej ilości tego rozpuszczalnika, w związku z tym do jego odparowania potrzeba dużej ilości ciepła. Wadą znanych sposobów ekstrakcji z zastosowaniem rozpuszczalników organicznych jest duże zużycie rozpuszczalnika, tj. od 10 do 30 dm /kg wychmielin, a w związku z tym do jego odparowania potrzeba dużej ilości ciepła. W wychmielinach pozostaje duża ilość pochłoniętego rozpuszczalnika, którego nie daje się odfiltrować i jedynym sposobem na jego usunięcie jest jego odparowanie. Ponadto większość rozpuszczalników organicznych jest toksycznych i łatwopalnych, tworzących z powietrzem mieszaniny wybuchowe, wszystkie posiadają znacznie wyższe ciepło parowania niż ditlenek węgla pod ciśnieniem 5-7 MPa i wyższą temperaturę wrzenia.

Sposób według wynalazku ogranicza lub eliminuje istotne wady znanych sposobów. Nie wym aga on stosowania wysokiego ciśnienia ekstrakcji, znacznie zmniejsza zużycie rozpuszczalnika organicznego, uzyskiwany ekstrakt jest płynnym roztworem zawierającym niewielkie ilości rozpuszczalnika, do odparowania którego potrzebne są niewielkie ilości ciepła.

Sposób ekstrakcji ksantohumolu z wychmielin z zastosowaniem ciekłego rozpuszczalnika, którym jest alkohol o liczbie atomów węgla C1-C4 lub aceton lub dowolna ich mieszanina, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wychmieliny w warunkach otoczenia nasącza się rozpuszczalnikiem a następnie przepuszcza się przez nie nadkrytyczny ditlenek węgla i prowadzi się proces ekstrakcji pod ciśnieniem 25-55 MPa, w temperaturze 40-85°C, po czym redukuje się ciśnienie ditlenku węgla z rozpuszczonymi w nim substancjami do 5-7 MPa i odseparowuje roztwór ekstraktu w temperaturze 17-40°C a pozostały po separacji gazowy ditlenek węgla wypuszcza się do atmosfery lub skrapla się i zawraca do ekstrakcji. Korzystnie w sposobie według wynalazku do nasączania wychmielin używa się rozpuszczalnika w ilości 0,5-1,5 kg na kg wychmielin, a czas nasączania wychmielin rozpuszczalnikiem wynosi co najmniej 0,5 h, korzystnie co najmniej 1 h. Korzystnie przez wychmieliny przepuszcza się ditlenek węgla w ilości 40-200 kg na kg wychmielin, przez 1 do 3 h. W wyniku przeprowadzonej zgodnie z wynalazkiem ekstrakcji otrzymuje się roztwór wyekstrahowanych substancji, w tym ksantohumolu, w stosunkowo małej ilości rozpuszczalnika zastosowanego do nasączania wychmielin.

Przykłady zastosowania sposobu ekstrakcji ksantohumolu z wychmielin według wynalazku przedstawiono poniżej. Sposób ten zrealizowano w laboratoryjnej instalacji, w której kosz ekstraktora, w którym umieszczano wychmieliny posiada pojemność 0,6 I.

P r z y k ł a d 1

198,4 g wychmielin zawierających 0,56% ksantohumolu umieszczono w naczyniu szklanym i dodano do nich 160 g izopropanolu. Wychmieliny wymieszano z izopropanolem, zamknięto i pozostawiono do równomiernego nasączenia na 1 h. Następnie nasączone wychmieliny umieszczono w ekstraktorze i poddano ekstrakcji nadkrytycznym ditlenkiem węgla pod ciśnieniem 50 MPa, w temperaturze 75°C przez 2 h, przy natężeniu przepływu około 6 kg/h, tj. przy zużyciu około 60 kg/kg wychmielin. Separację izopropanolu z rozpuszczonymi w nim substancjami, w tym ksantohumolem, prowadzono pod ciśnieniem 5,1 MPa w temperaturze 28°C. Roztwór odebrany w separatorze odparowano do sucha i otrzymano 9,1 g suchego ekstraktu. Po odseparowaniu roztworu ekstraktu gazowy ditlenek węgla kondensowano i zawracano do ekstrakcji. Po zakończeniu ekstrakcji masa wychmielin była niższa o 10,5 g a stężenie w nich ksantohumolu niższe o 0,43%. W suchym ekstrakcie stężenie ksantohumolu wynosiło 9%. Sprawność ekstrakcji ksantohumolu wyliczona na podstawie ubytku jego zawartości w wychmielinach wynosiła prawie 78% a wyliczona na podstawie jego zawartości w suchym ekstrakcie prawie 74%.

P r z y k ł a d 2

202,6 g wychmielin zawierających 0,56% ksantohumolu umieszczono w naczyniu szklanym i dodano do nich około 240 g mieszaniny metanolu i etanolu 95% w proporcjach wagowych 1:1. Wychmieliny

PL 225 876 B1 wymieszano z tą mieszaniną, zamknięto naczynie i pozostawiono do równomiernego nasączenia na 1,5 h. Następnie nasączone wychmieliny umieszczono w ekstraktorze i poddano ekstrakcji nadkrytycznym ditlenkiem węgla pod ciśnieniem 35 MPa w temperaturze 85°C, przez 2,5 h, przy natężeniu przepływu około 7 kg/h, tj. przy zużyciu około 86 kg/kg wychmielin. Separację alkoholi z rozpuszczonymi w nich substancjami prowadzono pod ciśnieniem 5,4 MPa, w temperaturze 36°C. Roztwór odebrany w separatorze odparowano do sucha i otrzymano 11,2 g suchego ekstraktu o zawartości 8,1% ksantohumolu. Po odseparowaniu roztworu ekstraktu gazowy ditlenek węgla kondensowano i zawracano do ekstrakcji. Masa wychmielin po ekstrakcji wynosiła 189,4 g a stężenie w nich ksantohumolu wynosiło 0,12%. Sprawność ekstrakcji ksantohumolu wyliczona na podstawie ubytku jego zawartości w wychmielinach i na podstawie zawartości w suchym ekstrakcie wynosiła prawie 80%.

P r z y k ł a d 3

201,7 g wychmielin zawierających 0,43% ksantohumolu umieszczono w naczyniu szklanym i dodano do nich około 200 g acetonu. Wychmieliny wymieszano z acetonem, zamknięto naczynie i pozostawiono do równomiernego nasączenia na 2 h. Następnie nasączone wychmieliny umieszczono w ekstraktorze i poddano ekstrakcji nadkrytycznym ditlenkiem węgla pod ciśnieniem 40 MPa w temperaturze 65°C, przez 3 h, przy natężeniu przepływu około 6,5 kg/h, tj. przy zużyciu około 97 kg/kg wychmielin. Separację acetonu z rozpuszczonymi w nim substancjami prowadzono pod ciśnieniem

5.7 MPa, w temperaturze 32°C. Roztwór odebrany w separatorze odparowano do sucha i otrzymano 10,8 g suchego ekstraktu o zawartości 5,9% ksantohumolu. Po odseparowaniu roztworu ekstraktu gazowy ditlenek węgla kondensowano i zawracano do ekstrakcji. Masa wychmielin po ekstrakcji wynosiła 190,6 g a stężenie w nich ksantohumolu wynosiło 0,10%. Sprawność ekstrakcji ksantohumolu wyliczona na podstawie ubytku jego zawartości w wychmielinach wynosiła 78% a na podstawie zawartości w suchym ekstrakcie 73,5%.

P r z y k ł a d 4

200,6 g wychmielin zawierających 0,43% ksantohumolu umieszczono w naczyniu szklanym i dodano do nich mieszaninę 150 g izopropanolu i 50 g acetonu. Wychmieliny wymieszano z tą mieszaniną i pozostawiono do nasączenia na około 1,5 h, następnie nasączone wychmieliny umieszczono w ekstraktorze i poddano ekstrakcji nadkrytycznym ditlenkiem węgla pod ciśnieniem 45 MPa, w temperaturze 70°C, przez 2,5 h, przy natężeniu przepływu około 6,8 kg/h, tj. przy zużyciu około

84.7 kg/kg wychmielin. Separację rozpuszczalników z rozpuszczonymi w nich substancjami prowadzono pod ciśnieniem 6,0 MPa, w temperaturze 34°C. Roztwór odebrany w separatorze odparowano do sucha i otrzymano 10,2 g ekstraktu o zawartości 6,43% ksantohumolu. Po odseparowaniu roztworu ekstraktu gazowy ditlenek węgla kondensowano i zawracano do ekstrakcji. Masa wychmielin po ekstrakcji wynosiła 191,6 g a stężenie w nich ksantohumolu 0,09%. Sprawność ekstrakcji ksantohumolu wyliczona na podstawie ubytku jego masy w wychmielinach wynosiła 80% a na podstawie zawartości w ekstrakcie 76%.

Claims (4)

1. Sposób ekstrakcji ksantohumolu z wychmielin z zastosowaniem ciekłego rozpuszczalnika, którym jest alkohol o liczbie atomów węgla C1-C4 lub aceton lub dowolna ich mieszanina, znamienny tym, że wychmieliny w warunkach otoczenia nasącza się rozpuszczalnikiem a następnie przepuszcza się przez nie nadkrytyczny ditlenek węgla i prowadzi się proces ekstrakcji pod ciśnieniem 25-55 MPa, w temperaturze 40-85°C, po czym redukuje się ciśnienie ditlenku węgla z rozpuszczonymi w nim substancjami do 5-7 MPa i odseparowuje roztwór ekstraktu w temperaturze 17-40°C a pozostały po separacji gazowy ditlenek węgla wypuszcza się do atmosfery lub skrapla się i zawraca do ekstrakcji.

2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że do nasączania wychmielin używa się rozpuszczalnika w ilości 0,5-1,5 kg na kg wychmielin.

3. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że czas nasączania wychmielin rozpuszczalnikiem wynosi co najmniej 0,5 h, korzystnie co najmniej 1 h.

4. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że przez wychmieliny przepuszcza się ditlenek węgla w ilości 40-200 kg na kg wychmielin, przez 1 do 3 h.