121-33-5/天然低共熔溶劑從香草豆植物中綠色提取香草醛

近年來，一種新型溶劑天然低共熔溶劑已被開發(fā)出來，它作為一種替代常規(guī)有機(jī)溶劑的“綠色溶劑” ，如今越來越受歡迎。從香草醛等植物材料中提取香料或香味涉及有機(jī)溶劑的使用，是一個繁瑣的過程。在此情況下，我們評估了香草醛的溶解性以及在14種天然低共熔溶劑中從香草豆提取香草醛的可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)香草醛在某些些天然低共熔溶劑中的溶解度如乳酸：丙二醇（620mg / mL）和乳酸：果糖（320mg / mL）幾乎接近于在有機(jī)溶劑（如甲醇（632.94mg / mL）或乙醇（375.81mg / mL））中的溶解度。有趣的是，從香草豆莢提取香草醛的可行性并未反映出溶解度測試中觀察到的結(jié)果。一些含有適合作為食物配料的成分的天然低共熔溶劑，如含檸檬酸- 果糖 - 葡萄糖（7.6 mg/g DW ），果糖 - 葡萄糖（16.7 mg/g DW ），蘋果酸 - 葡萄糖（ 16.3 mg/g DW ）和蘋果酸 - 果糖 - 葡萄糖（MAFG），比乙醇（ 4.4mg/g DW ）顯示出更高的提取能力。溶解度和可提取性之間的差異可能是由于天然低共熔溶劑與基質(zhì)的相互作用的差異造成的。我們還研究了某些天然低共熔溶劑中水含量對香草醛可提取性的影響。天然低共熔溶劑具有高提取能力，而且無組分毒性，非常適合提取食品和化妝品中使用的香精和香料。

香草作為世界上最受歡迎的香料之一，目前正應(yīng)用于包括糖果，冰淇淋，食品，香水和飲料等在內(nèi)的各種產(chǎn)品。在香草提取物的多種揮發(fā)性芳香化合物中，香草醛（即4-羥基-3-甲氧基苯甲醛）是香料中最具特征的組分。香蘭素是在成熟的香草花莢中生產(chǎn)的，通過至少六個月的精心固化過程，豆莢變成黑色并形成其獨(dú)特的風(fēng)味。香草（Vanilla planifolia）是一種原產(chǎn)于墨西哥的熱帶攀緣蘭花，但目前主要種植在馬達(dá)加斯加，印度尼西亞，印度和塔希提島。

香草產(chǎn)量每年在2,000至3,000噸之間波動，馬達(dá)加斯加是2008年最大的生產(chǎn)商，產(chǎn)量為1,750噸。香蘭素可以通過合成方式或通過其他天然產(chǎn)品的發(fā)酵工藝獲得。目前，香料市場中不到1％香草醛（約12,000噸）來自天然的自香草植物。然而，就質(zhì)量而言，天然香草具有優(yōu)于純香草醛的香氣和香味。這是由于豆莢中存在各種微量化合物，賦予了香草味特別的香味。利用滲濾或油樹脂的方法從香草豆莢中獲得最高質(zhì)量的香草提取物。滲濾方法包括在真空下在豆莢上循環(huán)含水乙醇（35-50％，v / v），此過程需要48到72小時。

在油樹脂方法的情況下，將豆莢粉碎并在約45℃下在真空下用乙醇提取8-9天。美國食品和藥物管理局將香草提取物定義為含有不少于35％乙醇和香草成分的溶液，如果在一加侖成品中含有不超過25％的水分，則從13.35的香草豆莢中獲得。然而，我們通常是不希望為了溶解要求的較高的乙醇含量，這甚至可能成為在某些應(yīng)用中使用香草提取物的障礙，如當(dāng)產(chǎn)品要求不含乙醇時。然而，乙醇是有機(jī)溶劑中唯一可接受的相對無毒的選擇，其可提供用作調(diào)味品添加劑的可接受的產(chǎn)品。因此，尋找乙醇的替代品具有一定意義，天然低共熔溶劑是一種可能的選擇，它們提供了綠色替代品的這項(xiàng)附加利益。

按照它們的組分，天然低共熔溶劑可分為5大類：（1）離子液體，由酸和堿制成; （2）中性物質(zhì)，僅由糖制成，或由糖和其他多元醇組成; （3）與酸混合的中性物質(zhì)，由糖/多元醇和有機(jī)酸制成; （4）與堿混合的中性物質(zhì)，由糖/多元醇和有機(jī)堿制成; （5）含氨基酸的天然低共熔溶劑，由氨基酸和有機(jī)酸/糖組成。從各種核磁共振的研究中可以清楚地看出，天然低共熔溶劑通過大量氫鍵形成化合物網(wǎng)絡(luò)，在參與的分子之間顯示出NOE效應(yīng)。當(dāng)稀釋達(dá)50%時，可以觀察到分子之間的相互作用，這可以從化學(xué)位移看出。當(dāng)應(yīng)用于天然產(chǎn)物的提取時，天然低共熔溶劑比現(xiàn)有替代品具有以下優(yōu)點(diǎn)，包括成本低，生物降解性優(yōu)異，相對無毒，具有可持續(xù)性，且易于制備等。

現(xiàn)有多種天然低共熔溶劑中，我們選擇了14種代表不同類別的天然低共熔溶劑（如表1所示），包括四種離子液體型（BeCA，BeMAG，CCMA，CCCA），一種中性型（FG），兩種氨基酸 - 酸組合（SrMA，bACA）混合物，兩種中性堿型（BeS，CCGo）和五種中性 -酸（CAFG，MAG，MAGF，LAF; LAPo）。天然低共熔溶劑粘度較高，這是對它們進(jìn)行處理的一個難點(diǎn)。以前的研究表明，溫度和含水量對粘度均有很大影響。通常情況下，天然低共熔溶劑的粘度在高于40 ℃時迅速下降。因此，出于比較研究的目的，香草醛在不同天然低共熔溶劑中的溶解度測試在50℃下完成，此過程持續(xù)1 小時。

香草醛在甲醇中的溶解度為632.94mg/ mL，在乙醇中為375.81mg / mL，在水中僅為30mg/ mL。對于天然低共熔溶劑，在天然低共熔溶劑的情況下，香草醛的溶解度在LAPo（620 mg / mL）中最高，其次是LAF（320 mg / mL）和CCGo（270mg / mL），很可能是由于香草醛與這些天然低共熔溶劑形成氫鍵的能力更強(qiáng)。它在CCCA（90 mg / mL），CCMA（90mg / mL）和BeCA（60 mg / mL）中也可溶，但溶解度較低，而BeMAG，CAFG，MAFG，MAG，bACA，SrMA，F(xiàn)G和BeS對香草醛顯示出更低的溶解能力，這與水相似（如表1所示）。

表1 天然低共熔溶劑（NADES）被用作提取香草豆中的香草醛，溶解度測試溫度為50oC

香草醛在乙醇、甲醇和水中的溶解度分別為375.81 mg/mL, 632.94 mg/mL, 30 mg/mL

由于香草醛非常易溶于乙醇和甲醇，我們將其在天然低共熔溶劑中的提取效率與在這些有機(jī)溶劑中進(jìn)行了比較。就乙醇而言，香草醛用于生產(chǎn)用于食品調(diào)味品的提取物，因此比較其產(chǎn)率顯得尤為重要。通過HPLC / DAD測試，比較保留時間，與純參考化合物UV光譜進(jìn)行對比，從而確定天然低共熔溶劑提取物中香草醛的存在（如圖1所示）。結(jié)果表明，甲醇作為萃取溶劑的效率是乙醇的3-4倍（分別為18.0和4.4 mg / g DW）。在所測試的天然低共熔溶劑中，從CCCA，BeCA，LAPo和LAF（分別為18.6mg，19.8mg，19.9mg和21.8mg / g DW）獲得的香草豆莢中提取的香草醛含量最高，均高于用甲醇獲得的含量。香草醛在氯化膽堿與蘋果酸（CCMA）的組合物中與在甲醇中的產(chǎn)率接近，為17.9 mg / g DW。而在BeMAG，bACA，MAG，MAFG，CCGo和SrMA等其他一些天然低共熔溶劑中的產(chǎn)率則略低，分別為17.6mg，16.7mg，16.3mg，15.7mg和14.5mg / g DW香草豆莢。

圖1 香草醛在標(biāo)準(zhǔn)NADES(A)中的HPLC色譜以及NADES(B)萃取香草豆的色譜圖。注射之前這些樣品在氣相中已稀釋

其他如CAFG（7.6 mg / g DW），F(xiàn)G（10.1mg / g DW）和BeS（6.2 mg / g DW）的效率明顯較低（如圖2所示）。因此，我們可以觀察到，所有測試的天然低共熔溶劑對香草醛的提取能力均高于乙醇，并且許多還具有與甲醇大致相同或甚至略高的產(chǎn)率（見圖2）。然而，眾所周知，甲醇對人體有毒，不能用于任何食品加工步驟。有趣的是，香草醛在天然低共熔溶劑中的溶解度與從天然低共熔溶劑中豆莢提取香草醛的可行性之間沒有相關(guān)性，這意味著從其基質(zhì)中除去香草醛是從豆莢中徹底提取該化合物的重要因素。

圖2 用甲醇、乙醇和NADES從香草豆中萃取香草醛的含量

天然低共熔溶劑的粘度根據(jù)其組成而不同，并且添加少量水也會顯著降低其粘度。天然低共熔溶劑的粘度越低，在實(shí)際應(yīng)用中就越容易處理。在開發(fā)香草提取物和香草醛作為食品添加劑的配方時，這個問題也很重要。但是，水的存在會影響目標(biāo)化合物的溶解度。因此，我們還研究了天然低共熔溶劑中水含量對香草醛的溶解度及其從香草豆莢中提取香草醛的可提取性的影響。根據(jù)某些組合中的制備方法，水是分子相互作用的一部分，不能蒸發(fā)。含天然低共熔溶劑的糖中約5％的水含量對應(yīng)于混合物中約1摩爾。所有天然低共熔溶劑都易于用水稀釋，從質(zhì)子的NMR位移可以看出，隨著稀釋度的增加，分子之間的相互作用逐漸消失，并且水含量高于50％左右時，分子表現(xiàn)得像在水溶液中一樣。

在目前的工作中，我們在某些天然低共熔溶劑中加入高達(dá)60％w / w的水，以便更多地了解香草醛在天然低共熔溶劑提取物稀釋時的行為，這與天然低共熔溶劑的潛在應(yīng)用相關(guān)。一些天然低共熔溶劑被用作模型，如FG，BeCA，LAF和LAPo。結(jié)果表明，天然低共熔溶劑的含水量影響香草醛的可提取性，這與預(yù)期相符。在所有測試的天然低共熔溶劑中，水的稀釋度從10％至60％（ v / v ），提取的香草醛的量隨著水含量的增加而增加，達(dá)到25％（見圖3）。高于25％的稀釋液未顯著提高香草醛的可提取性，甚至在LAPo溶劑中有所降低。這些結(jié)果與先前用槲皮素，蘆丁和紅花素進(jìn)行的研究一致，這表明水含量可以提高中極性化合物在天然低共熔溶劑中的溶解度，而更多非極性化合物更易溶于含有較少量水，或甚至無水的天然低共熔溶劑。但是，在確定最佳含水量時，還應(yīng)考慮其他因素，如化合物的穩(wěn)定性和可能的微生物污染等。

在這項(xiàng)研究中，我們已經(jīng)報(bào)道了我們關(guān)于純香草醛在天然低共熔溶劑中的溶解度以及使用天然低共熔溶劑從香草豆莢中提取香草醛的結(jié)果。因此，使用天然低共熔溶劑可以獲得用于制備香草類調(diào)味劑的兩種不同的產(chǎn)品：香草醛溶液和香草提取物。香草醛制劑的理想溶劑應(yīng)無毒，并且除了提供穩(wěn)定介質(zhì)外，還可使香草醛具有較高產(chǎn)率。目前，乙醇是工業(yè)生產(chǎn)的首選溶劑，有一些天然低共熔溶劑具有相似的（LAF，CCGo）或甚至更高的（LAPo）溶解度。天然低共熔溶劑的優(yōu)點(diǎn)是在于，它們通常是無毒的，非揮發(fā)性的，而且它們可以增加所有酚類物質(zhì)的穩(wěn)定性。由于天然低共熔溶劑完全溶于水，因此可以向溶劑中添加水。一些天然低共熔溶劑含有限制性成分（如LD50），限制了其作為食品成分或藥物賦形劑的使用達(dá)到一定水平。但在許多情況下，它們在高劑量下是安全的，并且已獲得GRAS認(rèn)證（如FG和FGS）。這些天然低共熔溶劑可以直接包含在食品中，如冰淇淋，飲料，餅干，糖果，一般烹飪以及餐館中其他類型的甜點(diǎn)。因此，天然低共熔溶劑可以作為從植物中提取香料的潛在替代溶劑，也可用于溶解食品添加劑中的香味成分。