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

In de wereld van plantaardige geneeskunde en voeding is een veelvoorkomende uitdaging hoe je waardevolle verbindingen uit taai plantmateriaal krijgt zonder schadelijke chemicaliën te gebruiken of energie te verspillen. Planten zijn opgebouwd uit stevige vezels die hun nuttige ingrediënten stevig vasthouden, vergelijkbaar met hoe een kluis zijn inhoud vasthoudt. Om die ingrediënten eruit te krijgen, wenden wetenschappers zich vaak tot oplosmiddelen, wat vloeistoffen zijn die specifieke stoffen zijn ontworpen om op te lossen. Traditionele methoden vertrouwen vaak op water of alcohol, maar deze kunnen inefficiënt zijn voor bepaalde olieachtige plantaardige verbindingen of residuen achterlaten die onveilig zijn voor voedsel en medicijnen. Onlangs is een nieuwere klasse vloeistoffen genaamd diepe eutectische oplosmiddelen opgekomen als een groener alternatief. Dit zijn mengsels van veelvoorkomende, veilige stoffen die samen smelten om een vloeistof te vormen die moeilijk oplosbare materialen kan oplossen, wat een manier biedt om waardevolle hulpbronnen te extraheren terwijl toxisch afval wordt vermeden.

Onderzoekers aan de Jiamusi Universiteit in China hebben dit concept toegepast op een specifiek agrarisch probleem: het afval dat overblijft na de oogst van de vrucht van de Schisandra chinensis-plant. Deze plant, waarvan de bessen bekend staan om hun gebruik in gezondheidsvoedingsmiddelen en traditionele medicijnen, produceert stengels en ranken die gewoon worden weggegooid. Deze weggegooide ranken zijn in werkelijkheid rijk aan lignanen, een groep natuurlijke verbindingen die bekend staan om hun vermogen om het zenuwstelsel te kalmeren, de lever te beschermen en oxidatieve stress te bestrijden. Het doel van de studie was om een schoon, efficiënt proces te creëren om deze waardevolle lignanen uit de afgedankte ranken te halen, de extractievloeistof te herwinnen voor hergebruik, en ervoor te zorgen dat het eindproduct puur genoeg is voor hoogwaardige toepassingen.

Het team begon met het testen van een specifiek type groen oplosmiddel gemaakt van glycine, een aminozuur dat in eiwitten wordt gevonden, en melkzuur, een veelvoorkomend voedselconserveermiddel. Ze mengden deze twee voedselveilige ingrediënten in een specifieke verhouding om een vloeistof te creëren die effectief de olieachtige lignanen kon oplossen die gevangen zitten in de taaie ranken. Om het proces nog effectiever te maken, introduceerden ze een tweestapsstrategie. Eerst behandelden ze de gedroogde, gemalen ranken met gewoon water. Deze initiële waterbehandeling werkte als een zacht zwelmiddel, waardoor de celwanden van de plant werden verzacht en wateroplosbare "rommel" zoals suikers en eiwitten werd weggewassen die de volgende stap zouden kunnen verstoren. Zodra het materiaal was voorbehandeld en gedroogd, brachten ze het glycine-melkzuurmengsel aan met behulp van ultrasone golven om de vloeistof diep in de plantenvezels te laten penetreren.

De resultaten toonden aan dat deze gecombineerde aanpak veel superieur was aan standaardmethoden. Wanneer de onderzoekers hun tweestaps water- en oplosmiddelmethode vergeleken met het gebruik van alleen alcohol of alleen water, was het verschil groot. De nieuwe methode leverde 2,5 keer meer van de doelverbindingen op dan de standaard alcoholextractie en 1,6 keer meer dan het gebruik van het oplosmiddel alleen. De waterbehandeling was de sleutel; door de plantenstructuur eerst te versoepelen, kon het gespecialiseerde oplosmiddel de lignanen veel gemakkelijker bereiken. Door verschillende variabelen zorgvuldig te testen, stelde het team vast dat de beste condities bestonden uit het weken van het plantmateriaal gedurende 40 minuten bij een temperatuur van 40 graden Celsius, met een specifieke verhouding tussen het plantpoeder en de vloeistof. Onder deze omstandigheden slaagden ze erin om aanzienlijke hoeveelheden van vijf verschillende soorten lignanen te extraheren, waaronder schisandrol A en schisandrine B.

Het extraheren van de verbindingen is echter slechts de helft van de strijd. Als het eindproduct het oplosmiddel bevat, kan het niet worden gebruikt in voedsel of medicijnen. De onderzoekers hadden een manier nodig om de glycine en het melkzuur te verwijderen zonder de waardevolle lignanen te verliezen of nieuwe afvalstoffen te creëren. Ze maakten gebruik van een techniek genaamd elektrodialyse, waarbij elektriciteit wordt gebruikt om geladen deeltjes door speciale membranen te bewegen. In deze opstelling werd de vloeistof die de geëxtraheerde lignanen en het oplosmiddel bevatte, in een centrale kamer geplaatst. Wanneer er een elektrische stroom werd toegepast, migreerden de geladen componenten van het oplosmiddel — de glycine en het melkzuur — uit het midden naar aparte zijkamers, waardoor de neutrale lignaanmoleculen achterbleven. Dit proces slaagde erin meer dan 92 procent van de glycine en bijna 87 procent van het melkzuur te herwinnen. Cruciaal was dat de lignanen in de middelste kamer bleven, wat resulteerde in een zuiver extract.

De studie bevestigde dat het teruggewonnen oplosmiddel weer samengevoegd kon worden en met bijna dezelfde effectiviteit als een verse batch gebruikt kon worden, wat bewees dat het proces in een gesloten lus kon draaien zonder constante afvalgeneratie. Het uiteindelijke extract, nu vrij van het oplosmiddel en rijk aan lignanen, werd getest op zijn vermogen om schadelijke vrije radicalen te neutraliseren, een belangrijke maatstaf voor antioxidante kracht. Het extract vertoonde een sterke activiteit, wat bevestigde dat het milde, groene proces de biologische waarde van de verbindingen heeft behouden. Door landbouwafval om te zetten in een bron van hoogwaardige natuurlijke producten, biedt deze geïntegreerde methode een duurzaam model voor de toekomst van biomassaverwerking, waarmee wordt aangetoond dat wat ooit als afval werd beschouwd, door middel van slimme, schone chemie kan worden getransformeerd tot een hulpbron.