A fast, simple and green method for the extraction and purification of Bixin from the seeds of Bixa orellana L. by microwave-assisted extraction coupled with Box-Behnken Design

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Extraktion von Bixin aus Samen von Bixa orellana L. mittels Mikrowellenextraktion (MAE) mit dem Box-Behnken-Design optimiert. Das Box-Behnken-Design ist eine Methode, durch die die besten Bedingungen für eine Extraktion ermittelt werden können. Ziel der Studie war es, mit einem umweltfreundlichen Verfahren eine höhere Ausbeute an Bixin zu erzielen. Für den Optimierungsprozess wurden 3 Variablen festgelegt: Lösungsmittel-Samen-Verhältnis (mL Lösungsmittel für 1 g Samen), Extraktionszeit (Sekunden) und Leistungsstärke (Watt). Nach der Durchführung der durch das Box-Behnken-Design vorgegebenen Versuche und der Quantifizierung der Ausbeute mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) und einer Kalibriergeraden, wurden die Bedingungen, unter denen am meisten Bixin gewonnen werden konnte, festgestellt. Die höchste Ausbeute an Bixin sollte mit 50 mL EtOH, einer Extraktionszeit von 360 Sekunden bei einer Mikrowellenleistung von 600 Watt erhalten werden. Zusätzlich zum Bixingehalt wurde auch die antioxidative Aktivität, und der Farbtonwinkel gemessen. Um herauszufinden, ob durch die MAE mehr Bixin erhalten werden konnte, wurde ein Vergleich mit einer traditionellen Extraktionsmethode durchgeführt. Dafür wurden 25 g Samen für 15 Minuten bei Raumtemperatur mit 100 mL EtOAc auf einem Magnetrührer gerührt. Um den Versuch mit EtOH vergleichen zu können, wurde ein weiterer Extrakt unter den gleichen Bedingungen mit EtOH statt EtOAc durchgeführt. Nach der Messung der Ausbeute durch HPLC der beiden Versuche, bestätigte sich, dass durch die MAE eine deutliche Steigerung der erhaltenen Bixinmenge erreicht werden konnte. Nach der Optimierung wurden die Oberflächen der Samen vor und nach den Extraktionen mikroskopisch verglichen. Die erhaltenen Extrakte wurden durch eine autobiographische Methode auf ihre biologische Aktivität geprüft. Am Ende wurde das Bixin aufgereinigt und reine Kristalle gewonnen, die mittels NMR bestimmt wurden.The research to this diploma thesis focused on the extraction of bixin from the seeds of Bixa orellana L.. The extraction was optimized by using microwave-assisted extraction (MAE) coupled with Box-Behnken design. The Box-Behnken design is a Response Surface Method that determines the best conditions for a extraction. The aim of this study was to obtain a higher yield of bixin using a “green method”. The three variables defined for the optimization process were solvent-to-seed ratio (mL solvent for 1 g seeds), extraction time (seconds) and microwave power (Watt). After carrying out 17 experiments specified by the Box-Behnken design the yield of bixin was determined using high-performance liquid chromatography (HPLC) with a calibration curve. In addition, the antioxidant activity, the color, and the hue angle were measured. The Box-Behnken design was then able to predict the conditions under which the highest amount of bixin could be obtained. This was achieved by using 50 mL EtOH, an extraction time of 360 seconds and a microwave power of 600 W. In order to determine whether more bixin could be obtained, a comparison with a traditional extraction method was performed. This method specified the use of 25 g seeds and a subsequent placement on a magnetic stirrer for 15 min at room temperature with 100 mL EtOAc. To be able to compare the experiment with EtOH, another extraction was made under the same conditions replacing EtOAc with EtOH. After comparing the yields of bixin in these two experiments by HPLC, it was confirmed that a significant increase of the amount could be achieved using the MAE. In addition, the unprocessed seeds and the seeds left after the extraction procedures were examined under the microscope. The extracts were also examined regarding their bioactivity by using a autobiographic technique. At the end of the isolation process, the bixin was purified and the obtained crystals were specified using nuclear magnetic response (NMR) spectroscopy.Tatjana GrillitschZusammenfassungen in Deutsch und EnglischKarl-Franzens-Universität Graz, Diplomarbeit, 2019(VLID)359118