Extraction of Curcuma longa L. with supercritical CO2

Abstract

Curcuma longa L. ist eine traditionelle Heil- und Gewürzpflanze, die eine Vielzahl von lipophilen Wirkstoffen mit vielversprechenden therapeutischen Eigenschaften enthält [1]. In dieser Arbeit wurden die Lösungsmitteleigenschaften von überkritischem Kohlenstoffdioxid in einem Druck- und Temperaturbereich von 75-425 bar und 35-75 °C bei der Extraktion von getrockneten und gemahlenen Curcuma longa L.-Rhizomen untersucht [1]. Die resultierenden Extrakte wurden auf die drei Hauptcurcuminoide, nämlich Curcumin, Demethoxycurcumin und Bisdemethoxycurcumin zusammen mit den drei Hauptkomponenten des ätherischen Öls, d.h. ar-Turmeron, α-Turmeron und β-Turmeron hin analysiert [1]. Für die statistische Auswertung wurden Experimente unter Verwendung eines vollfaktoriellen Versuchsdesigns durchgeführt, bei dem Durchflussrate, Extraktionszeit und Drogenmenge konstant gehalten wurden [1]. Unter den gegebenen Bedingungen ergab das Versuchsdesign eine optimale Ausbeute aller oben genannten Substanzen, wenn die Extraktion mit überkritischem Kohlenstoffdioxid bei 425 bar und 75 °C durchgeführt wurde [1]. Zum Vergleich wurden Lösungsmittelextrakte mit Methanol und n-Hexan hergestellt und deren Hauptbestandteile mittels LC-MS und GC-MS charakterisiert [1]. Die Stabilität der Extrakte wurde nach 6-monatiger Lagerung bei 22 und 40 °C unter Lichtschutz überwacht [1]. Die Zersetzung der einzelnen Verbindungen wurde hauptsächlich in Anwesenheit von Restwasser in den Extrakten beobachtet [1]. Der zweite Teil der Arbeit war die Entwicklung einer stabilen Hartkapselformulierung mit dem erhaltenen überkritischen Kohlenstoffdioxid-Extrakt aus Curcuma longa L. mit optimaler Ausbeute bei 425 bar und 75 °C. Es wurde festgestellt, dass die Gefriertrocknung des überkritischen Kohlenstoffdioxid-Extrakts die Verträglichkeit des Extrakts mit der Hartgelatinekapselhülle erhöht. 4 Matrixformulierungen auf der Basis von Hartfett (mit und ohne oberflächenaktive Zusätze), Polyethylenglykol 4000 und mesoporösen Silikapartikeln wurden mit dem gefriergetrockneten Extrakt beladen und die Extrakt- Beladungskapazität wurde bestimmt. Die mesoporösen Silikapartikel wiesen mit 64 % die höchste Extrakt-Beladungskapazität auf, gefolgt von der Makrogolmatrix (57 %) und dem Hartfett (19-25 %). Lagerungsversuche der entwickelten Kapselformulierungen mit Extrakt-Konzentrationen, die 5% unter den gefundenen Beladungskapazitäten lagen, wurden für 3 Monate bei 22 °C und Temperaturwechsel durchgeführt. Insbesondere in den hydrophilen Matrixformulierungen auf Basis von Polyethylenglykol 4000 und mesoporösem Siliciumdioxid wurde eine Abnahme der Konzentrationen der einzelnen Extrakt-Komponenten festgestellt.

Curcuma longa L. is a traditional medicinal plant and spice containing a variety of lipophilic active substances with promising therapeutic properties [1]. For the purpose of this thesis, in a pressure and temperature range of 75–425 bar and 35–75 °C, the solvent properties of supercritical carbon dioxide were investigated when dried and milled Curcuma longa L. rhizomes were extracted [1]. The three main curcuminoids (curcumin, demethoxycurcumin, and bisdemethoxycurcumin) together with the three main constituents of the essential oil (ar-turmerone, α-turmerone, and β-turmerone) were analysed in the resulting extracts [1]. For statistical evaluation, experiments were performed employing a full factorial design, in which flow rate, extraction time, and drug load were kept constant [1]. Within the given conditions, the experimental design revealed an optimum yield of all aforementioned substances when supercritical carbon dioxide extraction was performed at 425 bar and 75 °C [1]. For comparison, solvent extracts using methanol and n-hexane were prepared and their main components were characterized using LC-MS and GC-MS [1]. The stability of the extracts was monitored during storage for 6 months at 22 and 40 °C under protection from light [1]. The decomposition of individual compounds was mainly observed in the presence of residual water in the extracts [1]. The second part of this thesis was the development of a stable hard capsule formulation with the resulting supercritical carbon dioxide extract of Curcuma longa L. with optimum yield at 425 bar and 75 °C. Freeze drying of the supercritical carbon dioxide extract was found to increase the compatibility of the extract with the hard gelatine capsule shell. 4 matrix formulations based on hard fat (with and without surface active additives), polyethylene glycol 4000, and mesoporous silica particles were loaded with the freeze-dried extract, and the extract loading capacity was determined. The mesoporous silica particle revealed the highest extract loading capacity (64%) followed by the polyethylene glycol matrix (57%) and the hard fat (19-25%). Storage trials of the developed hard capsule formulations, with extract concentrations 5% below these loading capacities were carried out for 3 months at 22 °C and at temperature cycle. A decrease in concentrations of individual extract compounds was noted especially in the hydrophilic matrix formulations based on polyethylene glycol 4000 and mesoporous silica.