7Biorefinery of Schisandra chinensis Vine Waste: An Integrated Green Process Coupling Deep Eutectic Solvent Extraction with Electrodialysis for Lignan Recovery

In der Welt der pflanzlichen Medizin und Ernährung besteht eine häufige Herausforderung darin, wie man wertvolle Verbindungen aus zähem Pflanzenmaterial extrahiert, ohne aggressive Chemikalien zu verwenden oder Energie zu verschwenden. Pflanzen bestehen aus robusten Fasern, die ihre nützlichen Inhaltsstoffe fest umschließen, ähnlich wie ein Tresor seinen Inhalt hält. Um diese Inhaltsstoffe zu gewinnen, greifen Wissenschaftler oft auf Lösungsmittel zurück, bei denen es sich um Flüssigkeiten handelt, die darauf ausgelegt sind, bestimmte Substanzen aufzulösen. Traditionelle Methoden stützen sich häufig auf Wasser oder Alkohol, aber diese können für bestimmte ölige Pflanzenverbindungen ineffizient sein oder Rückstände hinterlassen, die für Lebensmittel und Medizin unsicher sind. Vor kurzem ist eine neuere Klasse von Flüssigkeiten namens tiefe eutektische Lösungsmittel als grünere Alternative in den Fokus gerückt. Dies sind Mischungen aus gängigen, sicheren Substanzen, die zusammenschmelzen, um eine Flüssigkeit zu bilden, die in der Lage ist, schwierige Materialien aufzulösen, und somit einen Weg bietet, wertvolle Ressourcen zu gewinnen, während toxische Abfälle vermieden werden.

Forscher der Jiamusi-Universität in China haben dieses Konzept auf ein spezifisches landwirtschaftliches Problem angewendet: den Abfall, der nach der Ernte der Früchte der Pflanze Schisandra chinensis übrig bleibt. Diese Pflanze, deren Beeren für gesunde Lebensmittel und traditionelle Medizin bekannt sind, produziert Stängel und Ranken, die normalerweise weggeworfen werden. Diese verworfenen Ranken sind tatsächlich reich an Lignanen, einer Gruppe natürlicher Verbindungen, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, das Nervensystem zu beruhigen, die Leber zu schützen und oxidativen Stress zu bekämpfen. Das Ziel der Studie war es, einen sauberen, effizienten Prozess zu entwickeln, um diese wertvollen Lignane aus den Abfallranken zu ziehen, die Extraktionsflüssigkeit zur Wiederverwendung zurückzugewinnen und sicherzustellen, dass das Endprodukt rein genug für hochwertige Anwendungen ist.

Das Team begann damit, eine spezifische Art von grünem Lösungsmittel zu testen, das aus Glycin, einer Aminosäure, die in Proteinen vorkommt, und Milchsäure, einem gängigen Lebensmittelkonservierungsmittel, besteht. Sie mischten diese beiden lebensmittelechten Inhaltsstoffe in einem spezifischen Verhältnis, um eine Flüssigkeit zu erzeugen, die in der Lage war, die in den zähen Rankenstängeln eingeschlossenen öligen Lignane effektiv aufzulösen. Um den Prozess noch effektiver zu gestalten, führten sie eine zweistufige Strategie ein. Zuerst behandelten sie die getrockneten, gemahlenen Rankenstiele mit einfachem Wasser. Dieses anfängliche Wässern wirkte wie ein sanftes Quellmittel, das die Zellwände der Pflanze aufweichte und wasserlöslichen „Müll“ wie Zucker und Proteine auswusch, die beim nächsten Schritt stören könnten. Sobald das Material vorbehandelt und getrocknet war, wandten sie die Glycin-Milchsäure-Mischung unter Einsatz von Ultraschallwellen an, um der Flüssigkeit zu helfen, tief in die Pflanzenfasern einzudringen.

Die Ergebnisse zeigten, dass dieser kombinierte Ansatz weitaus überlegen war gegenüber Standardmethoden. Als die Forscher ihre zweistufige Wasser- und Lösungsmittelmethode mit der Verwendung von nur Alkohol oder nur Wasser verglichen, war der Unterschied eklatant. Die neue Methode lieferte 2,5 Mal mehr der Zielverbindungen als die Standard-Alkoholextraktion und 1,6 Mal mehr als durch die alleinige Verwendung des Lösungsmittels. Die Vorbehandlung mit Wasser war der entscheidende Faktor; indem sie die Pflanzenstruktur zuerst lockerten, ermöglichte sie es dem spezialisierten Lösungsmittel, die Lignane viel leichter zu erreichen. Durch sorgfältige Tests verschiedener Variablen ermittelte das Team, dass die optimalen Bedingungen ein Einweichen des Pflanzenmaterials für 40 Minuten bei einer Temperatur von 40 Grad Celsius mit einem spezifischen Verhältnis von Pflanzenpulver zu Flüssigkeit beinhalteten. Unter diesen Bedingungen extrahierten sie erfolgreich signifikante Mengen von fünf verschiedenen Arten von Lignanen, einschließlich Schisandrol A und Schisandrin B.

Die Extraktion der Verbindungen ist jedoch nur die halbe Miete. Wenn das Endprodukt das Lösungsmittel enthält, kann es nicht in Lebensmitteln oder Medikamenten verwendet werden. Die Forscher mussten einen Weg finden, das Glycin und die Milchsäure zu entfernen, ohne die wertvollen Lignane zu verlieren oder neue Abfälle zu erzeugen. Sie wandten sich einer Technik namens Elektrodialyse zu, bei der Elektrizität genutzt wird, um geladene Teilchen durch spezielle Membranen zu bewegen. In diesem Aufbau wurde die Flüssigkeit, die die extrahierten Lignane und das Lösungsmittel enthielt, in eine zentrale Kammer platziert. Wenn ein elektrischer Strom angelegt wurde, wanderten die geladenen Komponenten des Lösungsmittels – das Glycin und die Milchsäure – aus der Mitte in separate Seitenkammern ab, während die neutralen Lignan-Moleküle zurückblieben. Dieser Prozess gewann erfolgreich über 92 Prozent des Glycins und fast 87 Prozent der Milchsäure zurück. Entscheidend war, dass die Lignane in der mittleren Kammer blieben, was zu einem reinen Extrakt führte.

Die Studie bestätigte, dass das zurückgewonnene Lösungsmittel wieder zusammengemischt werden konnte und mit fast der gleichen Effektivität wie eine frische Charge wiederverwendet werden konnte, was bewies, dass der Prozess in einem geschlossenen Kreislauf ohne ständige Abfallerzeugung laufen kann. Das Endextrakt, das nun frei vom Lösungsmittel und reich an Lignanen ist, wurde auf seine Fähigkeit getestet, schädliche freie Radikale zu neutralisieren, ein Schlüsselmaß für die antioxidative Kraft. Das Extrakt zeigte eine starke Aktivität, was bestätigte, dass der sanfte, grüne Prozess den biologischen Wert der Verbindungen bewahrt hat. Indem sie landwirtschaftliche Abfälle in eine Quelle hochwertiger Naturprodukte verwandelten, bietet diese integrierte Methode ein nachhaltiges Modell für die Zukunft der Biomasseverarbeitung und zeigt, dass das, was einst als Abfall galt, durch kluge, saubere Chemie in eine Ressource verwandelt werden kann.