Using natural deep eutectic solvents for the extraction of bioactive compounds from plant material
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The main goal of this project is to develop more efficient and sustainable extraction methods of bioactive compounds from biomass residues. In particular, the use of sustainable natural deep eutectic solvents DES to extract and fractionate high value phenolic compounds from the leaves of walnut trees is proposed, and their potential application is demonstrated by incorporating the fully characterized extract in innovative dermopharmaceutical formulations.
DES arise as a more benign alternative to conventional volatile organic solvents and ionic liquids, circumventing most sustainability, synthesis and toxicity issues of the latter. They can be formed by mixing, in a due proportion, two or more specific primary plant metabolites such as polyols, amino acids, organic acids, choline derivatives, etc., resulting in a room temperature liquid which often is an excellent solvent for bioactive compounds of wide polarity present in plants.
To accomplish the project aims, the work team assembled for the project combines relevant expertise in two main fields: 1 Chemistry of Natural Products BioChemCore-CIMO, Polytechnic Institute of Bragança IPB; and 2 Bioseparations CICECO, University of Aveiro; LSRE, IPB pole.
From the characterization of the chemical and biological properties of more than 100 plants from Northeast NE Portugal, walnut leaves stand out as a significant source of bioactive compounds and, therefore, were chosen as a plant model.
First, the composition and structure of all the phenolic compounds found in walnut leaves will be elucidated and the DES screening will be carried out by measuring the solubility of polyphenols model compounds. Then, the most promising solvents will be used to get the crude extract from the plant material and the operational extraction conditions will be optimized. After, the DES extracts with higher polyphenols content will undergo several bioactivity studies. As a case study, an innovative dermopharmaceutical formulation will be studied, by incorporating the DES extract with higher bioactivity in hydrophilic gels.
In parallel, the development of strategies for the recovery of the phenolic compounds from the non-volatile DES crude extract will be addressed. A pre-concentration process using biphasic systems will be designed, followed by fractionation using centrifugal partition chromatography, a scalable technique up to pilot and industrial levels.
The contribution of this project is intended to go far beyond its timeline, by extending the methodologies proposed here to other plant residues, with relevant economic potential for the regions supplying the plant materials.
O principal objetivo deste projeto é o desenvolvimento de processos de extração mais eficientes e sustentáveis de compostos bioativos da biomassa. Em particular, propõe-se o uso de solventes eutécticos DES naturais para extrair compostos fenólicos de folhas de nogueira, demonstrando a sua potencial aplicação ao incorporar o extrato caracterizado em formulações dermo-farmacêuticas inovadoras.
Os DES surgem como uma alternativa mais benigna aos solventes orgânicos voláteis convencionais e aos líquidos iónicos, evitando a maioria das questões de sustentabilidade, síntese e toxicidade destes últimos. Podem ser preparados por mistura, numa dada proporção, de dois ou mais metabolitos primários de plantas, tais como polióis, aminoácidos, ácidos orgânicos, derivados de colina, etc., resultando num líquido à temperatura ambiente que é muitas vezes um excelente solvente para um grande número de compostos bioativos presentes nas plantas.
Para alcançar os objetivos do projeto, a equipa de trabalho reunida neste projeto combina conhecimentos relevantes em dois domínios principais:
1 Química de Produtos Naturais BioChemCore-CIMO, Instituto Politécnico de Bragança IPB; 2 Bioseparações CICECO, Universidade de Aveiro; LSRE, pólo do IPB.
A partir da caracterização das propriedades químicas e biológicas de mais de 100 plantas do Nordeste Transmontano NE, as folhas de nogueira, escolhidas como planta modelo, destacam-se como uma importante fonte de compostos bioativos.
Em primeiro lugar, serão determinadas a composição e estrutura dos compostos fenólicos das folhas de nogueira e será feita a seleção inicial dos DES, medindo a solubilidade de três compostos modelo de polifenóis. Depois, os solventes mais promissores serão utilizados na etapa de extração e as condições operacionais serão otimizadas. Os extratos com maior conteúdo em polifenóis serão então submetidos a diversos estudos de bioatividade. Finalmente, como exemplo de aplicação, estudar-se-á uma formulação dermo-farmacêutica, incorporando o extrato de DES com maior bioatividade em géis hidrofílicos.
Em paralelo, serão desenvolvidas estratégias para a recuperação dos compostos fenólicos do extrato não volátil de DES. Desenvolver-se-á um processo de pré-concentração utilizando sistemas bifásicos, seguido de fracionamento por cromatografia centrífuga de partição, uma técnica dimensionável às escalas piloto e industrial.
É ainda importante realçar que as metodologias aqui propostas poderão ser alargadas a outros resíduos de biomassa, com potencial económico relevante sobre as populações que fornecem as matéria-primas.
