Ехtraction of thyme (Thimus vulgaris L.) By supercritical carbon dioxide

Ispitana je ekstrakcija timijana (Thymus vulgaris L.) primenom ugljendioksida u superkritičnom stanju kao ekstragensa. Razrađen je postupak tečne hromatografije pod visokim pritiskom (HPLC) za određivanje farmakološki aktivnih fenolnih jedinjenja, timola i karvakrola, koji obezbeđuje visok stepen reproduktivnosti određivanja (za timol Kw = 1,29%). Za kvalitativnu i kvantitativnu analizu proizvoda na bazi timijana, etarskog ulja i ekstrakata, primenjen je metod gasne hromatografije (GC) sa masenom spektrometrijom (MS). Sadržaj etarskog ulja određen oficinalnim postupkom koji propisuje jugoslovenska farmakopeja iznosi 1,75% (V/m). Dominantna komponenta etarskog ulja timijana je timol čiji je sadržaj 50,06% (m/m), dok je karvakrol prisutan, praktično, u tragovima (1,15%). Od prisutnih parafina u etarskom ulju, največi sadržaj ima n-tetradekan (16,11%). U totalnom ekstraktu timijana dobijenom metilen- hloridom primenom ekstrakcije sa povremenim ispuštanjem ekstrakta (Ekstrakcija po Soxhlet-u), koji je dobijen u prinosu 4,95% (m/m), dominantna komponenta je n-tetradekan (47,18%), dok je sadržaj timola 16,11%. Kinetika ekstrakcije timola se može uspešno predstaviti analogno izrazu za kinetiku reakcije prvog reda, primenom koje se dobija največa vrednost konstante brzine ekstrakcije (k) 0,2209 h-1 za selektovani protok superkritičnog ugijendioksida 97,725 dm3/h. Primenom timijana stepena usitnjenosti d2 srednjeg prečnika 0,35 mm za ekstrakciju superkritičnim ugijendioksidom (100 bar; 40°C; 2,5 sata) postiže se kvantitativna ekstrakcije prisutnog etarskog ulja. Po svom sastavu ovaj ekstrakt je najsličniji etarskom ulju timijana dobijenom destliacijom pomoću vodene pare. Produžavanje vremena ekstrakcije iznad 2,5 sata ima za posledicu povećani prinos, pre svega, parafina. Primenom ugljendioksida male moći rastvaranja (80 bar; 400C; d=0,1918 g/cm3) ne postiže se kvantitativna ekstrakcija etarskog ulja. Povećavanjem radnog pritiska od 100 do 400 bar, usled povećanja moći rastvaranja, dobijaju se ekstrakti koji su po svom sastavu sve sličniji totalnom ekstraktu dobijenom ekstrakcijom metilenhloridom. Za modelovanje ekstrakcionog sistema timijan - superkritični ugljendioksid je primenjena jednačina Reverchon-a i Sesti Osseo-a: Y = 100 [1-exp(-t/ti)] gde je: Y - normalizovani ekstrakcioni prinos (%); t - vreme ekstrakcije (s) i ti - vreme unutrašnje difuzije (s) odnosno njen modifikovani oblik: Y = 100 [1 - ehr (at + b)] Izračunate vrednosti standardne greške regresije (SY,X) ukazuju da u osnovi modifikovana jednačina bolje fituje normalizovane prinose kako totalnog ekstrakta, tako i timola, u odnosu na polaznu jednačinu. Jednačine: log S = a mrel + b i log S = a dC02 + b gde je: S - rastvorljivost totalnog ekstrakta (g/dm3), odnosno timola (mg/dm ) u ugljendioksidu; mrel - relativna masa ugljendioksida (g CO2/g timijana) i dCO2 zapreminska masa ugljendioksida (g/cm3) se mogu, takođe, uspešno primeniti za modelovanje ekstrakcije ispitivanog sistema. Primenom ugljendioksida u tečnom stanju (65 bar; 23°C) se dobija ekstrakt timijana sličan po svom sastavu ekstraktu dobijenom ekstrakcijom superkritičnim ekstragensom na pritisku 100 bar. U cilju dobijanja ekstrakta timijana koji je po svom kvalitativnom i kvantitativnom sastavu najsličniji etarskom ulju dobijenom oficinalnim postupkom destilacije pomoću vodene pare, neophodno je za ekstrakciju koristiti ugljendioksid zapreminske mase 0,6302 g/cm3( 100 bar;40°C), biljni materijal stepena usitnjenosti d2, vreme ekstrakcije 2,5 sata i protok ekstragensa 97,725 dm3/h.The extraction of thyme (Thymus vulgaris L.) by supercritical carbon dioxide as an extragent was investigated. The developed HPLC (High Pressure Liquid Chromatography) method for determination of pharmacologically active phenolic compounds, thymol and carvacrol, showed a high reproducibility (Kw for thymol 1.29%). Qualitative and quantitative analyses of thyme products, essential oil and extracts, were carried out by gas chromatography - mass spectrometry (GC-MS). The content of essential oil determined by an official procedure given by Yugoslav pharmacopoeia was 1.75% (V/w). The predominant compound of the essential oil is thymol (50.06%; w/w), while carvacrol is present, practically, in traces (1.15%; w/w). The content of n-tetradecane in the thyme essential oil (16.11%; w/w) is higher than that of other paraffins. In the total thyme extract obtained by methylene chloride using extraction with periodical exchange of the extract (Soxhlet extraction) in a yield of 4.95%(w/w), the predominant compound was n-tetradecane (47.18%), while the content of thymol was 16.11%. The extraction kinetic of thymol can be successfully expressed by analogy to first order reaction kinetic, and a highest value of extraction rate constant (k) of 0.2209 h-1 for the selected flow rate of supercritical carbon dioxide of 97.725 dm3/h. A quantitative extraction of thyme essential oil by supercritical carbon dioxide (100 bar; 40°C; 2.5hours) was obtained using thyme of the grinding degree d2 (mean particle diameter 0.35 mm). The composition of this extract is very similar to that of the essential oil obtained by steam distillation. A higher yield of extraction, primarily of paraffins, was obtained by prolonging the extraction time over 2.5 hours. The use of carbon dioxide of low solubility power (80 bar; 400C; d =0.1918 g/cm3) did not yield a quantitative extraction of thyme essential oil. Ву increasing extraction pressure from 100 to 400 bar, i.e. solubility power, the extract composition was more and more similar to the composition of total extract obtained by methylene chloride. То model extraction of the system thyme - supercritical carbon dioxide use was made of the Reverchon - Sesti Osseo equation: Y = 100 [1-exp(-t/ti)] where: Y - normalized extraction yield (%); t - extraction time (s) and ti - internal diffusion time (s) i.e. of its modified form: Y = 100 [1 - ехр (at + b)] The calculated values of standard error of regression (SY,X) show that the modified equation is generally a better fit for the normalized yields of total extract and thymol compared to the original equation. Equations: log S = a mrel + b and log S = a dC02 + b where: S - solubility of total extract (g/dm3), i.e. of thymol (mg/dm3) in carbon dioxide; mrel - relative mass of carbon dioxide (g CO2/g thyme) and dCO2 carbon dioxide density (g/cm3) could be successfully used for modelling of the investigated extraction system. The composition of thyme extract obtained by liquid carbon dioxide (65 bar; 23°C ) is very similar to that obtained by supercritical extragent at a pressure of 100 bar. То obtain a thyme extract whose qualitative and quantitative characteristics are most similar to those of the essential oil obtained using official procedure by steam distillation, it is necessary to use a carbon dioxide density of 0.6302 g/cm3 (100 bar; 400C), grinding degree of thyme d2, extraction time of 2.5 hours and extragent flow rate of 97.725 dm3/h