DE4409156A1 - Verfahren zur Gewinnung von Wirkstofflösungen aus Pflanzenmaterial - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Wirkstofflösungen aus vorzugsweise alkaloidhaltigem Pflanzenmaterial durch Extraktion mit einem eine wäß­ rige Ethanollösung enthaltenden Extraktionsmittel.

Die Herstellung von alkaloidhaltigen Extrakten aus Pflanzen, wie Schöllkraut (Chelidonium-Extrakt) wird bisher im pharmazeutisch-technischen Maßstab durch eine modifizierte Mazeration durchgeführt. Als Auszugsmittel dient ein 40%iges Ethanol-Wasser-Gemisch. Die getrock­ nete und zerkleinerte Droge wird in ruhender Schüttung mit der fünffachen Menge Extraktionsmittel bedeckt und über einen längeren Zeitraum (10-15 Tage) stehengelas­ sen, dann wird der Extrakt abgelassen und die Droge ausgepreßt. Der erhaltene Extrakt (ca. 4 Teile) wird anschließend mit Auszugsmittel auf 5 Teile aufgefüllt und erneute mit 1 Teil Droge in den Extraktionsbehälter gefüllt. Nach weiteren 10-15 Tagen wird der Extrakt wiederum abgelassen und die Droge ausgepreßt. Die ver­ einigten Extrakte werden durch Rühren homogen vermischt und vor der Weiterverwendung 10 Tage lang unterhalb von 10°C aufbewahrt. Diese Verfahrensweise führt dazu, daß aus einem Teil Droge zwei Teile Extrakt gewonnen wer­ den. Dabei erhält man Extraktionsausbeuten von 15-25%, d. h. nach herkömmlichen Verfahren werden von den im pflanzlichen Material enthaltenden Alkaloiden nur etwa 1/6-1/4 der Gesamtmenge extrahiert.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das herkömmliche Extraktionsverfahren zu verbessern, insbesondere die Extraktionszeiten zu verkürzen und höhere Extraktaus­ beuten zu erzielen.

Dies kann zum einen durch eine geeignete Vorbehandlung des pflanzlichen Material erfolgen, wie z. B. eine wei­ tere Zerkleinerung oder eine Quellung der Droge. Ein höherer Zerkleinerungsgrad erlaubt eine schnellere Gleichgewichtseinstellung und damit eine kürzere Ex­ traktionszeit. Ein zu hoher Zerkleinerungsgrad kann je­ doch Probleme bei der Abtrennung des Extraktes verursa­ chen und Schwierigkeiten durch Verstopfungen der Appa­ ratur bewirken. Eine Quellung der Droge bewirkt eine Aufweitung der Zell-Kapillaren, was die Diffusion des Extraktionsmittels erleichtert. Das Aufquellen kann mit Wasser, Säuren oder Laugen durchgeführt werden. Bei stark schleimhaltigen Drogen kann jedoch durch die Quellung die Extraktion behindert werden. Auch der pH- Wert des Lösungsmittels beeinflußt die Selektivität ei­ ner Extraktion. Er hat Einfluß auf die quantitative Ausbeute an extrahierbaren Wirkstoffen, aber auch auf die Art und Menge der extrahierten Begleitstoffe.

Schließlich kann man bessere Extraktionsausbeuten auch durch höhere Lösungsmittelverhältnisse erzielen. Ver­ wendet man, bezogen auf das eingesetzte Pflanzenmate­ rial mehr Ethanollösung, so steigen die Extraktionsgra­ de an. Gleichzeitig erhält man aber auch stärker ver­ dünnte Wirkstofflösungen, die eine nachträgliche Ex­ traktaufkonzentrierung erforderlich machen. Da die Alkaloide thermisch empfindliche Substanzen sind, darf dies nur mit schonenden Methoden, z. B. Vakuumverdampfung oder Ultrafiltration, erfolgen. Das bedeutet einen zu­ sätzlichen apparativen und kostenmäßigen Aufwand.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zu entwickeln, das es ermöglicht, höhere Extraktionsgrade in kürzeren Extraktionszeiten zu erzielen. Dabei sollte das Wirkstoffspektrum erhalten bleiben und der Extrakt in einer Konzentration anfallen, die möglichst keine nachträgliche Aufkonzentrierung erforderlich macht.

Dieses Ziel wird erreicht durch eine Druckextraktion mit C₂H₅OH/H₂O/CO₂-Gemischen, d. h. mit wäßrigen Ethanol­ lösungen, in denen unter Druck Kohlendioxid gelöst wird. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn

• - vorzugsweise 40-60 vol-%ige wäßrige Ethanollösungen eingesetzt werden,
• - und darin Kohlendioxid bei Drücken von 50-220 bar ge­ löst wird.

Während bei der üblichen drucklosen Extraktion mit 40 vol-%igem Ethanol Extraktionsausbeuten von nur 15-25% erreicht werden und dazu Extraktionszeiten von 50-500 h erforderlich sind, kann durch Aufpressen von CO₂ die Extraktionszeit auf 3-8 h reduziert werden, wobei sich die Ausbeute auf 45-60% erhöht. Das Kohlendioxid übt offenbar einen speziellen positiven Effekt aus. Ver­ gleichsversuche mit Stickstoff ergeben z. B. nur eine Steigerung des Extraktionsgrades auf 35-45%. Ein wei­ terer Vorteil des CO₂ ist seine physiologische Unbe­ denklichkeit. Es ist sicherheitstechnisch problemlos zu handhaben und läßt sich aus dem Extraktionsgut durch Entspannung auf Normaldruck einfach entfernen. Man er­ hält nach der Druckabsenkung alkoloidhaltige wäßrig-al­ koholische Lösungen wie bei der drucklosen Ethanol-Ex­ traktion. Bei Verwendung von 40-60 vol-%igen Ethanol- Lösungen ist auch das Wirkstoffspektrum der erhaltenen Lösungen mit den auf herkömmliche Art gewonnenen Präpa­ raten vergleichbar, so daß deren unmittelbare Substitu­ tion möglich ist.

Die Extraktionsausbeuten können auch durch eine Verbes­ serung des Stoffaustausches zwischen der Droge und dem Extraktionsmittel erhöht werden. Das kann beispielswei­ se dadurch bewirkt werden, daß das Auszugsmittel umge­ pumpt und dadurch wiederholt durch das Extraktionsgut geleitet wird (Perkolation). Eine weitere Variante be­ steht darin, nicht in einer ruhenden Feststoffschüttung zu arbeiten, sondern den pflanzlichen Rohstoff durch Rühren oder Schütteln im Extraktionsmittel zu suspen­ dieren. Dadurch wird der Zutritt des Extraktionsmittels erleichtert, so daß die Extraktionszeiten erheblich verkürzt werden können.

Das erfindungsgemäße Extraktionsverfahren wird bevor­ zugt für alkaloidhaltiges Pflanzenmaterial aus der Gruppe Herba Chelidonii majus (Schöllkraut), Folia Belladonnae (Tollkirschenblätter), Radix Belladonnae (Tollkirschenwurzel), Folia Hyoscyami (Bilsenkrautblät­ ter), Folia Stramonii (Stechapfelblätter), Herba Lobe­ liae (Lobelienkraut), Herba Sarothamni (Besenginster­ kraut), Herba Ephedrae (Ephedrakraut), Herba Esch­ scholtziae (Eschscholtzienkraut (Kaliforn. Mohn), Radix Rauwolfiae (Rauwolfiawurzel), Radix lpecacuanhae (Brech­ wurzel) und Secale cornutum (Mutterkorn) durchgeführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in Fig. 1 bis 4 schematisch dargestellten technischen Ausführun­ gen der Druckextraktion mit Gemischen aus C₂H₅OH,H₂O und CO₂ näher erläutert.

Die einfachste Möglichkeit gemäß Fig. 1 besteht darin, den Feststoff 10 in einem Druckgefäß 12 mit CO₂-belade­ ner Ethanollösung zu bedecken. Diese Lösung läßt man eine gewisse Zeit einwirken bevor man auf Normaldruck entspannt. Beim Entspannen entweicht die Hauptmenge des CO₂, die Wirkstofflösung kann abgelassen werden und zur vollständigen Abtrennung noch mit weiterem CO₂ gespült oder der Feststoff abgepreßt werden.

Oftmals ist es günstiger, den Feststoff 10 in einer mit CO₂-beladenen Ethanollösung in einem Autoklaven 12 mit­ tels eines Rührwerks 14 zu verrühren (Fig. 2). Nach er­ folgter Extraktion der Wirkstoffe führt man die Fest­ stoffsuspension einer Fest-flüssig-Trennung durch Fil­ tration, Zentrifugieren oder dergleichen zu. Die erfor­ derlichen Extraktionszeiten sind bei dieser Verfahrens­ variante erheblich kürzer als bei der Festbett-Extrak­ tion mit ruhendem Extraktionsmittel.

Ähnlich günstig, aber apparativ einfacher kann es sein, eine Schüttung des Feststoffes 10 mit einer CO₂-belade­ nen Ethanollösung im Kreislauf mittels einer Pumpe 16 umzuwälzen (Fig. 3). Dabei erhöht sich die Wirkstoff­ konzentration in der Lösung ebenfalls in kürzeren Zei­ ten, denn bei dieser Verfahrensvariante wird, infolge der Strömung des Lösungsmittels durch die Festbett­ schüttung, ein guter Stoffübergang gewährleistet.

Bei allen drei Fahrweisen ist es möglich, zur Erhöhung der Gesamtausbeute, die Extraktion mehrfach nacheinan­ der mit frischem Extraktionsmittel zu wiederholen.

Schließlich ist es auch möglich, den Feststoff 10 stän­ dig mit einer frischen CO₂-beladenen Ethanollösung un­ ter Druck zu durchströmen (Fig. 4). Auch auf diese Wei­ se können hohe Extraktionsgrade erreicht werden. Aller­ dings benötigt man (im Gegensatz zu den vorher be­ schriebenen diskontinuierlichen Fahrweisen) ziemlich große Lösungsmittelmengen, so daß sich relativ niedrig konzentrierte Wirkstofflösungen ergeben.

Ausführungsbeispiele

Bei den nachstehenden Ausführungsbeispielen wurde aus­ schließlich die Schöllkrautpflanze als alkaloidhaltige Droge verwendet. Die Schöllkrautpflanze wurde zu allen Zeiten als Heilmittel eingesetzt, vor allem zur inner­ lichen Behandlung von Galle- und Leberleiden und zur äußeren Anwendung bei Hauterkrankungen. Die Volksmedi­ zin empfiehlt Schöllkrautpräparate außerdem zur Behand­ lung von Warzen. Die Hauptalkaloide des Schöllkrautes sind Chelidonin, Sanguinarin, Chelerythrin, Berberin und Protopin-Alkaloid.

Beispiel 1: Einmalige Extraktion in Kreislaufdurchströmung

In einen beheizbaren Autoklaven aus Edelstahl mit einem Innendurchmesser von 14 cm und einem Volumen von 8,2 l wurden 474 g Schöllkraut (Alkaloidgehalt ca. 0,9 Gew.-%) eingefüllt und 3,9 l wäßrige Ethanollösung hineingepumpt, so daß die Droge von der Flüssigkeit bedeckt war. Nun wurde CO₂ bis zu einem Druck von 200 bar aufgepreßt, wo­ bei sich ein Teil des CO₂ im Ethanol-Wasser-Gemisch löst. Anschließend wurde die Umlaufpumpe in Betrieb genommen, so daß das CO₂-beladene Ethanol-Wasser-Gemisch, entspre­ chend der in Fig. 3 dargestellten Fahrweise, etwa 3 h lang durch die Feststoffschüttung gepumpt wurde. Nach Beendigung der Extraktion wurde auf Normaldruck entspannt und die Flüssigkeit aus dem Autoklaven abgelassen. Es wurden ca. 2,2 l einer braunen Extraktlösung erhalten, die sowohl in der Alkaloid-, der Flavon- als auch in der Säurezusammensetzung mit den herkömmlichen Extrakten vergleichbar war. Der Extraktionsgrad betrug bei dieser einstufigen Extraktion ca. 44%.

Beispiele 2-6: Zweimalige Extraktion in Kreislaufdurch­ strömung

In dieselbe Apparatur wurden bei vier weiteren Versuchen jeweils 300-500 g Schöllkraut eingefüllt und dann wieder 2,3-31 40 vol-%ige Ethanollösung hineingepumpt. Bei CO₂-Drücken von 50-220 bar wurde durch Umpumpen der gasbe­ ladenen Ethanollösung extrahiert, entspannt und die Wirk­ stofflösung abgelassen. Anschließend wurde erneut 0,9-1,5 l Ethanollösung zugepumpt und bei gleichem CO₂-Druck noch ein zweites Mal extrahiert. Die genauen Versuchsda­ ten sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt. Die jeweils erreichten Gesamt-Extraktionsgrade lagen durchweg zwischen 45-60%. Die Farbe der Extrakte und das Wirk­ stoffspektrum der Alkaloide unterschied sich nicht von denen bei der einstufigen Extraktion erhaltenen Lösung.

Beispiel 7: Zweimalige Extraktion in ruhender Schüttung

Zum Vergleich wurde ein Versuch durchgeführt, der dem vorhergehenden entspricht. Die gasgesättigte Ethanollö­ sung wurde jedoch nicht umgepumpt. Auch hier konnte ei­ ne Ausbeute von 42,5% erzielt werden.

Beispiele 8-9: Vergleichsversuche mit höheren Ethanol­ konzentrationen in Kreislauf-Durchströmung

Zusätzlich wurde die zweimalige Extraktion mit Kreis­ lauf-Durchströmung auch mit höher konzentrierten Etha­ nollösungen durchgeführt. Dabei wurde, wie nachfolgende Tabelle aufweist, zunächst eine 60 vol-%ige und dann eine 80 vol-%ige wäßrige C₂H₅OH-Lösung verwendet, auf die jeweils CO₂ bis zu einem Druck von 220 bar aufge­ preßt wurde.

Die erreichten Gesamt-Extraktionsgrade lagen mit Werten zwischen 70 und 80% höher als bei Verwendung von 40 vol-%igem Ethanol. Das Wirkstoffspektrum des Extraktes hatte sich allerdings bei Einsatz von 80 vol-%igem Ethanol schon deutlich verändert, was auch äußerlich an der dunkelgrünen Farbe erkenntlich war. Bei höheren Etha­ nol-Konzentrationen löst sich erheblich mehr CO₂ in der flüssigen Phase, wodurch auch andere Komponenten mitex­ trahiert werden.

Beispiele 10-11: Vergleichsversuche mit Stickstoff

Um die spezielle Wirksamkeit des CO₂ zu belegen, wurden auch zwei Vergleichsversuche mit Stickstoff durchge­ führt. Ein Versuch wurde wieder mit zweimaliger Extrak­ tion unter Kreislauf-Durchströmung ausgeführt, so daß die Ergebnisse mit den Versuchen 2-5 direkt vergleich­ bar sind. Der zweite Versuch wurde jedoch in ruhender Schüttung vorgenommen, entsprechend dem Versuch 7. Wie nachfolgende Daten zeigen, erhält man unter einem N₂- Druck von 140 bar in 2 × 3 h Extraktionszeit einen Ex­ traktionsgrad von knapp 40%, während alle mit CO₂ durchgeführten Versuche unter vergleichbaren Bedingun­ gen 45-60% ergaben.

Beispiele 12-13: Drucklose Vergleichsversuche

Schließlich wurden noch zwei drucklose Vergleichsversu­ che mit 40%igem Ethanol ausgeführt, wobei die Mischun­ gen geschüttelt wurden. Aus der Tabelle ist ersicht­ lich, daß eine Extraktion mit CO₂-freien C₂H₅OH/H₂O-Ge­ mischen zu wesentlich ungünstigeren Ergebnissen führt, und zwar selbst bei hohen Lösungsmittelverhältnissen und einer guten Vermischung durch Schütteln. Aus der nachfolgenden Tabelle ist zu entnehmen, daß sowohl mit 40- als auch mit 80 vol-%igem Ethanol ohne CO₂-Druck nur Extraktionsgrade von 20-35% erreichbar sind.

Diese Beispiele zeigen, daß die Extraktion von Schöll­ kraut nur dann zu kurzen Extraktionszeiten, guten Aus­ beuten und dem gewünschten Wirkstoffspektrum führt, wenn die Extraktionsbedingungen gewählt werden wie sie in den Beispielen 1-8 wiedergegeben sind. Als besonders günstige Extraktionsmittel erwiesen sich 40-60 vol-%ige wäßrige Ethanollösungen, auf die mit Drücken von ca. 50-250 bar Kohlendioxid aufgepreßt wurde. Mit 40%igem C₂H₅OH-Lösungen können bei Extraktionszeiten von 3 h Extraktionsgrade von ca. 45% erhalten werden, die bei zweimaliger Extraktion von je 3 h auf ca. 60% gestei­ gert werden können. Derartige Ergebnisse sind in druck­ loser Fahrweise bei weitem nicht, aber auch mit Stick­ stoffzusatz unter Druck nicht ganz zu erreichen.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin­ dung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Wirkstofflösungen aus Alkaloid-Drogen durch Extraktion mit wäßrigen Ethanollösungen, in denen unter Druck Koh­ lendioxid gelöst wird.

Claims (10)

1. Verfahren zur Gewinnung von Wirkstofflösungen aus vorzugsweise alkaloidhaltigem Pflanzenmaterial durch Extraktion mit einem eine wäßrige Ethanollö­ sung enthaltenden Extraktionsmittel, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Pflanzenmaterial mit einem Ethanol-Wasser-Kohlendioxid-Gemisch als Extraktions­ mittel unter erhöhtem Druck extrahiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Extraktionsmittel eine 20-80 vol-%ige, vor­ zugsweise 40-60 vol-%ige wäßrige Ethanollösung ver­ wendet wird, in der unter einem Druck von 5 bis 1000 bar, vorzugsweise 50 bis 220 bar, Kohlendioxid gelöst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Pflanzenmaterial 1 bis 8 Stunden, vorzugsweise 2 bis 4 Stunden lang dem Extraktions­ mittel unter Druck ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pflanzenmaterial mit dem Extraktionsmittel unter Bildung einer Feststoff-in- Wirkstoff-Suspension unter Druckeinwirkung verrührt und nach der Entspannung durch Filtration, Zentri­ fugieren und/oder Abpressen von dem Feststoffanteil getrennt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Extraktionsmittel nach dem Extraktionsvorgang unter Freigabe des beigemischten Kohlendioxids auf Normaldruck entspannt, von dem Pflanzenmaterial getrennt und als Wirkstofflösung gesammelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Extraktionsmittel zusammen mit dem Pflanzen­ material nach der Entspannung und vor der Trennung nochmals mit frischem CO₂ unter Druck gespült wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die CO₂-beladene Ethanollösung während des Extraktionsvorgangs im Kreislauf durch das in Form eines Festbettes vorliegende Pflanzen­ material umgewälzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktion des Pflanzenma­ terials mit frischem Extraktionsmittel wiederholt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pflanzenmaterial kontinuier­ lich von der CO₂-beladenen Ethanollösung unter Druck durchströmt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktion mit Pflanzenma­ terial aus der Gruppe Herba Chelidonii majus, Folia Belladonnae, Radix Belladonnae, Folia Hyoscyami, Folia Stramonii, Herba Lobeliae, Herba Sarothamni, Herba Ephedrae, Herba Eschscholtziae, Radix Rau­ wolfiae, Radix Ipecacuanhae, Secale cornutum durch­ geführt wird.