Einsatz schwingungsspektroskopischer Methoden zur Qualitätsbewertung pflanzlicher Rohstoffe und Charakterisierung von Phytoextraktionsprozessen

Abstract

Zusammenfassung Als Hauptziele der vorliegenden Arbeit wurden die Entwicklung und praktische Anwendung schwingungsspektroskopischer Methoden (IRS, NIRS und Raman-S) für die Qualitätsbewertung ausgewählter pflanzlicher Rohmaterialien und in der Prozesskontrolle begleitend zur technologischen Gewinnung und Verarbeitung dieser Rohstoffe benannt. Dazu wurden drei taxonomisch sehr verschiedene Modellorganismen - Fenchel, Salbei und Eibe untersucht. Am Beispiel von Fenchel wurde gezeigt, dass mittels FTIR-spektroskopischer Techniken die unterschiedlichen Chemotypen des Fenchels auch nach Arzneibuchvorgaben hinsichtlich Süß- und Bitterfenchel erfolgreich diskriminiert werden können. Diese Diskriminierung gelang erstmalig sowohl an einzelnen Früchten mittels ATR-FTIR, als auch bei größeren Probeneinwaagen im Makrosampling mittels NIRS. Für eine Diskriminierung der Extrakte (CCl4) wurde die Raman-Spektroskopie erfolgreich eingesetzt. Neben der chemotypischen Charakterisierung wurde auch ein neuer, bislang nicht beschriebener Fenchel- Chemotyp gefunden. Dieser enthält hohe Mengen an -Asaron und ist aufgrund der Toxizität dieser Verbindung nicht als Medizinaldroge zugelassen. Jedoch werden -Asaron in der Literatur fungizide und allelopathische Eigenschaften zugeschrieben, weshalb Extrakte dieser Chemotyps als biobasierte Pflanzenschutzmittel Verwendung finden könnten. Aufgrund des relativ hohen Gehaltes an EOCs in den Drogen konnte mithilfe der ATR-FTIR eine Expressbestimmung von EOC-Gehalt und -Zusammensetzung direkt am getrockneten Rohmaterial entwickelt werden. Neben dem Gesamtgehalt an EOCs konnten somit auch Vorhersagemodelle für die hauptsächlichen Einzelkomponenten in guter bis sehr guter Qualität erstellt werden. Ebenso konnte mittels Hauptkomponentenanalyse eine schnelle Identifizierung von Salbeiblättern in unterschiedlichen Wachstumsstadien (junge Blätter in der Größe bis <10/30 mm Breite/Länge beinhalten fast die doppelte Menge an EOCs als altere Blätter - >15/30 mm) und zu unterschiedlichen Erntezeitpunkten (Hauptunterschiede liegen in der Zusammensetzung der pflanzlichen Matrix) entwickelt werden. Diese zerstörungsfreien Bestimmungen nehmen laut dem entwickelten Protokoll nur wenige Minuten in Anspruch und benötigen keine aufwendige Probenpräparation. Es bestehen daher gute Voraussetzungen, diese Bestimmung auch an intakten frischen Blättern durchzuführen, was ein wesentlicher Bestandteil fortführender Untersuchungen sein wird. Anhand von Eibennadeln wurden im dritten Arbeitspaket die Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes von IR- und Raman-Spektroskopie für die routinemäßige Qualitätskontrolle auch in der prozessbegleitenden Analytik in der technologischen Verarbeitung der Pflanzenrohstoffe und Extrakte umfassend untersucht. Die sehr geringe Konzentration des wertgebenden Zielstoffes 10-Deacetylbakkatin III im pflanzlichen Rohmaterial, den Eibennadeln, liegt unterhalb der Nachweisgrenze der verwendeten spektroskopischen Techniken und ermöglichte daher keine direkte Quantifizierung von 10-DAB. Mit Hilfe der NIRS konnten aber vielfältige, für den Phytoextraktionsprozess relevante technologische Parameter, die zur Vorbereitung der Droge für die Extraktion sowie zur Berechnung von z.B. benötigen Lösungsmittelmengen, Extraktionszeiten in verschiedenen Stufen etc. wesentlich beitragen, wie Restfeuchte und Reinheit des Materials sowie ggf. botanische Kontamination erfolgreich bestimmt und entsprechende Vorhersagemodelle entwickelt werden. Damit bietet besonders die NIRS ein umfangreich einsetzbares Werkzeug in der Wareneingangskontrolle bei der Qualitätsbewertung des pflanzlichen Rohmaterials und eine ideale Ergänzung zu der aktuell nur visuell erfolgenden Begutachtung. In den nächsten Prozessstufen, z.B. während unterschiedlicher Extraktionsstadien (Perkolation, Mazeration), mittels ATR-FTIR-Spektroskopie und Raman-Spektroskopie konnten im Anschluss valide Vorhersagemodelle für die Bestimmung des Wassergehaltes (ATR- FTIR) und der 10-DAB-Konzentration (RS) im Extrakt entwickelt werden, sowie die Anreicherung der Zielkomponente über den Prozess verfolgt werden.

Summary The main objectives of the present work were focused on method development and application of vibrational spectroscopy (IRS, NIRS and Raman-S) for the quality evaluation of selected plant raw materials, in process control of the technological extraction and in processing of these raw materials. In this context, three taxonomically very different model organisms, fennel, sage and yew were investigated. Using the example of fennel showed that FTIR spectroscopic techniques discriminated the different chemotypes of fennel as well as sweet and bitter fennel according to Pharmacopoeia specifications. This discrimination succeeded for the first time, both on individual fruits using ATR-FTIR, as well as with larger sample weights by NIRS. Raman spectroscopy was successful for discrimination of extracts (CCl4) of fennel fruits. Besides, a new, not previously described fennel chemotype was found. This contains a high level of -asarone and because of its toxicity this chemotype is not in use as a drug. Nevertheless, in literature -asarone is described to possess antifungal and allelopathic properties and extracts of this chemotype could therefore be applied as bio- pesticides, which however should be evaluated in further studies. Because of the relatively high content of essential oil components (EOCs) in drugs a rapid analysis of EOCs content and composition directly on the dried raw material using ATR-FTIR could be developed. In addition to the total content of EOCs, also predictive models for the major EOCs of good to very good quality could be established. Also, a rapid identification of dried sage leaves at different growth stages (young leaves of the sizes up to <10/30 mm width / length include almost double of the amount of EOCs of old ones - >15/30 mm calculated on dry weight) and harvest time (main differences are in the composition of vegetable matrix) could be done by principal component analysis. These non-destructive procedures take, according to the developed protocol, only a few minutes and do not require laborious sample preparation. These are good prerequisites to carry out this method also on intact fresh leaves, which will be an essential part of further investigations. In the third work package the possibilities and limitations of the use of IR and Raman spectroscopy for routine quality control in process-related analytics in the technological processing of plant raw materials and extracts have been extensively studied on the basis of yew needles. The very low concentration of the valuable target substance 10-deacetylbaccatin III (DAB) in the plant raw material, the yew needles, is below the detection limit of the spectroscopic techniques used here and therefore did not allow a direct quantification of DAB. Using NIRS, diverse technological parameters with relevance for the extraction process, such as residual moisture and purity of the material and botanical contamination, were successfully determined and corresponding prediction models were developed. These are significant for preparing the drug for extraction and calculating of required amount of solvents, extraction time at various stages etc. Thus especially NIRS was found to be a powerful tool in the incoming goods inspection in the quality control of herbal raw material and an improvement the procedure, which is very often based only on visual inspections. In the next stages of the process, e.g., during different extraction stages (percolation, maceration), valid predictive models for the determination of water content (ATR-FTIR) and 10-DAB concentration (RS) in extracts have been developed by means of ATR-FTIR spectroscopy and Raman spectroscopy and finally the enrichment of the target component tracked through the process.