Purification of pharmaceuticals and nutraceutical compounds by sub- and supercritical extraction and chromatography

This thesis discusses the use of sub- and supercritical fluids as the medium in extraction and chromatography. Super- and subcritical extraction was used to separate essential oils from herbal plant Angelica archangelica. The effect of extraction parameters was studied and sensory analyses of the extracts were done by an expert panel. The results of the sensory analyses were compared to the analytically determined contents of the extracts. Sub- and supercritical fluid chromatography (SFC) was used to separate and purify high-value pharmaceuticals. Chiral SFC was used to separate the enantiomers of racemic mixtures of pharmaceutical compounds. Very low (cryogenic) temperatures were applied to substantially enhance the separation efficiency of chiral SFC. The thermodynamic aspects affecting the resolving ability of chiral stationary phases are briefly reviewed. The process production rate which is a key factor in industrial chromatography was optimized by empirical multivariate methods. General linear model was used to optimize the separation of omega-3 fatty acid ethyl esters from esterized fish oil by using reversed-phase SFC. Chiral separation of racemic mixtures of guaifenesin and ferulic acid dimer ethyl ester was optimized by using response surface method with three variables per time. It was found that by optimizing four variables (temperature, load, flowate and modifier content) the production rate of the chiral resolution of racemic guaifenesin by cryogenic SFC could be increased severalfold compared to published results of similar application. A novel pressure-compensated design of industrial high pressure chromatographic column was introduced, using the technology developed in building the deep-sea submersibles (Mir 1 and 2). A demonstration SFC plant was built and the immunosuppressant drug cyclosporine A was purified to meet the requirements of US Pharmacopoeia. A smaller semi-pilot size column with similar design was used for cryogenic chiral separation of aromatase inhibitor Finrozole for use in its development phase 2.

Development of Sample Pretreatment and Liquid Chromatographic Techniques for Antioxidative Compounds

In this study, novel methodologies for the determination of antioxidative compounds in herbs and beverages were developed. Antioxidants are compounds that can reduce, delay or inhibit oxidative events. They are a part of the human defense system and are obtained through the diet. Antioxidants are naturally present in several types of foods, e.g. in fruits, beverages, vegetables and herbs. Antioxidants can also be added to foods during manufacturing to suppress lipid oxidation and formation of free radicals under conditions of cooking or storage and to reduce the concentration of free radicals in vivo after food ingestion. There is growing interest in natural antioxidants, and effective compounds have already been identified from antioxidant classes such as carotenoids, essential oils, flavonoids and phenolic acids. The wide variety of sample matrices and analytes presents quite a challenge for the development of analytical techniques. Growing demands have been placed on sample pretreatment. In this study, three novel extraction techniques, namely supercritical fluid extraction (SFE), pressurised hot water extraction (PHWE) and dynamic sonication-assisted extraction (DSAE) were studied. SFE was used for the extraction of lycopene from tomato skins and PHWE was used in the extraction of phenolic compounds from sage. DSAE was applied to the extraction of phenolic acids from Lamiaceae herbs. In the development of extraction methodologies, the main parameters of the extraction were studied and the recoveries were compared to those achieved by conventional extraction techniques. In addition, the stability of lycopene was also followed under different storage conditions. For the separation of the antioxidative compounds in the extracts, liquid chromatographic methods (LC) were utilised. Two novel LC techniques, namely ultra performance liquid chromatography (UPLC) and comprehensive two-dimensional liquid chromatography (LCxLC) were studied and compared with conventional high performance liquid chromatography (HPLC) for the separation of antioxidants in beverages and Lamiaceae herbs. In LCxLC, the selection of LC mode, column dimensions and flow rates were studied and optimised to obtain efficient separation of the target compounds. In addition, the separation powers of HPLC, UPLC, HPLCxHPLC and HPLCxUPLC were compared. To exploit the benefits of an integrated system, in which sample preparation and final separation are performed in a closed unit, dynamic sonication-assisted extraction was coupled on-line to a liquid chromatograph via a solid-phase trap. The increased sensitivity was utilised in the extraction of phenolic acids from Lamiaceae herbs. The results were compared to those of achieved by the LCxLC system.

FTIR-spektroskopia kasviuutteiden analysoinnissa

FTIR-spektroskopia (Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopia) on nopea analyysimenetelmä. Fourier-laitteissa interferometrin käyttäminen mahdollistaa koko infrapunataajuusalueen mittaamisen muutamassa sekunnissa. ATR-liitännäisellä varustetun FTIR-spektrometrin käyttö ei edellytä juuri näytteen valmistusta ja siksi menetelmä on käytössä myös helppo. ATR-liitännäinen mahdollistaa myös monien erilaisten näytteiden analysoinnin. Infrapunaspektrin mittaaminen onnistuu myös sellaisista näytteistä, joille perinteisiä näytteenvalmistusmenetelmiä ei voida käyttää. FTIR-spektroskopian avulla saatu tieto yhdistetään usein tilastollisiin monimuuttuja-analyyseihin. Klusterianalyysin avulla voidaan spektreistä saatu tieto ryhmitellä samanlaisuuteen perustuen. Hierarkkisessa klusterianalyysissa objektien välinen samanlaisuus määritetään laskemalla niiden välinen etäisyys. Pääkomponenttianalyysin avulla vähennetään datan ulotteisuutta ja luodaan uusia korreloimattomia pääkomponentteja. Pääkomponenttien tulee säilyttää mahdollisimman suuri määrä alkuperäisen datan variaatiosta. FTIR-spektroskopian ja monimuuttujamenetelmien sovellusmahdollisuuksia on tutkittu paljon. Elintarviketeollisuudessa sen soveltuvuutta esimerkiksi laadun valvontaan on tutkittu. Menetelmää on käytetty myös haihtuvien öljyjen kemiallisten koostumusten tunnistukseen sekä öljykasvien kemotyyppien havaitsemiseen. Tässä tutkimuksessa arvioitiin menetelmän käyttöä suoputken uutenäytteiden luokittelussa. Tutkimuksessa suoputken eri kasvinosien uutenäytteiden FTIR-spektrejä vertailtiin valikoiduista puhdasaineista mitattuihin FTIR-spektreihin. Puhdasaineiden FTIR-spektreistä tunnistettiin niiden tyypilliset absorptiovyöhykkeet. Furanokumariinien spektrien intensiivisten vyöhykkeiden aaltolukualueet valittiin monimuuttuja-analyyseihin. Monimuuttuja-analyysit tehtiin myös IR-spektrin sormenjälkialueelta aaltolukualueelta 1785-725 cm-1. Uutenäytteitä pyrittiin luokittelemaan niiden keräyspaikan ja kumariinipitoisuuden mukaan. Keräyspaikan mukaan ryhmittymistä oli havaittavissa, mikä selittyi vyöhykkeiden aaltolukualueiden mukaan tehdyissä analyyseissa pääosin kumariinipitoisuuksilla. Näissä analyyseissa uutenäytteet pääosin ryhmittyivät ja erottuivat kokonaiskumariinipitoisuuksien mukaan. Myös aaltolukualueen 1785-725 cm-1 analyyseissa havaittiin keräyspaikan mukaan ryhmittymistä, mitä kumariinipitoisuudet eivät kuitenkaan selittäneet. Näihin ryhmittymisiin vaikuttivat mahdollisesti muiden yhdisteiden samanlaiset pitoisuudet näytteissä. Analyyseissa käytettiin myös muita aaltolukualueita, mutta tulokset eivät juuri poikenneet aiemmista. 2. kertaluvun derivaattaspektrien monimuuttuja-analyysit sormenjälkialueelta eivät myöskään muuttaneet tuloksia havaittavasti. Jatkotutkimuksissa nyt käytettyä menetelmää on mahdollista edelleen kehittää esimerkiksi tutkimalla monimuuttuja-analyyseissa 2. kertaluvun derivaattaspektreistä suppeampia, tarkkaan valittuja aaltolukualueita.

Konjac- ja galaktoglukomannaanipohjaiset emulsiokalvot

Emulsiokalvolla tarkoitetaan kalvoa, joka on valmistettu haihduttamalla ylimääräinen vesi pois emulsiosta. Polysakkaridipohjainen emulsiokalvo koostuu kalvonmuodostuspolysakkaridista, rasvasta, emulgointiaineesta ja pehmittimestä. Kirjallisuusosassa selvitettiin, mitä raaka-aineita polysakkaridipohjaisissa emulsiokalvoissa käytetään ja mitkä tekijät vaikuttavat emulsiokalvojen vesihöyrynläpäisevyyteen ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Tutkimuksen kokeellisen osan tavoitteena oli selvittää, miten konjac-glukomannaani (KGM) ja kuusen galaktoglukomannaani (GGM) soveltuvat emulsiokalvon raaka-aineiksi. Lisäksi selvitettiin, miten rasvan tyyppi ja rasvapitoisuus vaikuttavat GGM-KGM-pohjaisten emulsiokalvojen mekaanisiin ominaisuuksiin ja vesihöyrynläpäisevyyteen. Mehiläisvahasta, mäntyöljystä ja rypsiöljystä valmistettiin emulsiokalvot, joissa oli 30 %:n (paino-% GGM:sta) rasvapitoisuudet. Lisäksi mehiläisvahasta valmistettiin emulsiokalvot, joissa oli 10 ja 50 % mehiläisvahaa. Emulsiokalvoja verrattiin vertailukalvoon, jossa ei ollut rasvaa. Kalvoissa käytetty KGM:n ja GGM:n suhde oli 1:1. Kalvoista mitattiin vesihöyrynläpäisevyys ja -läpäisynopeus, vetolujuus, Youngin moduuli ja murtovenymä. Näiden lisäksi kalvojen poikkileikkaus kuvattiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. GGM ja KGM soveltuvat emulsiokalvon raaka-aineiksi. Huoneenlämpötilassa kuivatuista kalvoista saatiin tasaisemman näköisiä kuin lämpökaapissa kuivatuista. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvissa vahapisarat olivat öljypisaroita pienempiä, mikä mahdollisesti vaikutti siihen, että vahapisarat pysyivät paremmin kiinnittyneenä kalvomatriisissa. Öljypisaroiden koko oli kalvoissa noin 10 ?m ja vahapisaroiden 2–6 ?m. Vesihöyrynläpäisynopeus oli pienin 50 %:n mehiläisvahakalvolla (p < 0,05). Vesihöyrynläpäisevyys laski lineaarisesti mehiläisvahapitoisuuden suurentuessa. Öljykalvot ja 10 %:n mehiläisvahakalvo eivät eronneet tilastollisesti merkitsevästi vesihöyrynläpäisevyyden suhteen vertailukalvosta. Pienin vetolujuus ja Youngin moduuli oli 50 %:n mehiläisvahakalvolla. Vertailukalvo oli kestävin ja jäykin. Murtovenymän suhteen kalvot eivät eronneet toisistaan tilastollisesti merkitsevästi. Tutkimuksessa onnistuttiin valmistamaan GGM-KGM-pohjaisia emulsiokalvoja, jotka pidättivät vesihöyryä vertailukalvoa paremmin ja silti säilyttivät mekaaniset ominaisuutensa kohtuullisen hyvin.