Extraction of 6-gingerol from ginger using deep-eutectic solvents

Abstract

O gengibre é uma planta que tem atraído um interesse crescente tanto no sector alimentar como farmacêutico devido às suas propriedades medicinais. Como planta medicinal, é uma das mais antigas e populares do mundo. As suas propriedades terapêuticas advêm dos compostos bioativos presentes na sua composição, entre os mais importantes destacam-se os compostos fenólicos, nomeadamente o 6-shogaol e o 6-gingerol. Estes compostos despertam um grande interesse na comunidade científica devido ao seu poder antioxidante e anti-tumoral. Os processos convencionais de extração destes compostos requerem o uso de solventes orgânicos, no entanto, nos últimos anos tem-se intensificado a procura por solventes alternativos com maior capacidade de solvatação, eficientes e economicamente viáveis. Os solventes eutécticos profundos (DES) são uma classe de solventes novos, de baixo custo e de origem natural, baseados em percursores renováveis que apresentam baixa toxicidade, podendo ser catalogados como solventes amigos do ambiente. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho foca-se na obtenção de um extrato rico em compostos bioativos (nomeadamente 6-gingerol) a partir do gengibre utilizando DES como solventes de extração com possibilidade de recuperação do extrato e reciclagem dos DES, criando assim um processo sustentável. Para atingir este objetivo, foram estudadas as solubilidades de dois compostos fenólicos modelo, nomeadamente os ácidos siríngico e ferúlico em DES (puros e em solução aquosa), por forma a avaliar os DES mais promissores na solubilização dos compostos bioativos, assim como, as condições de extração. Entre as várias combinações entre doadores (ácidos orgânicos, polióis, açúcares e ureia) e aceitadores (ureia, cloreto de colina, betaína e prolina) de pontes de hidrogénio, o DES ácido propiónico:ureia foi o que apresentou melhores resultados. Com base nestes resultados e recorrendo a metodologias de superfície de resposta, foram avaliados e otimizados diversos parâmetros de extração do 6-gingerol usando soluções aquosas de DES. Simultaneamente, efetuaram-se extrações convencionais como controlo, seguido da identificação e quantificação do 6-gingerol presente nos extratos usando a cromatografia líquida de alta resolução (HPLC). A metodologia de extração do 6-gingerol a partir do gengibre usando os DES como solventes alternativos demonstrou ser mais seletiva, capaz de extrair mais 60 % de 6-gingerol quando comparado com os métodos de extração convencionais. Além disso, foi possível recuperar um extrato sólido rico a partir da solução de DES utilizando uma extração em fase sólida (SPE). Por fim, a caracterização dos extratos foi complementada com a análise da atividade antioxidante, usando o radical 2,2-difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH). Os resultados indicam que os extratos obtidos a partir da metodologia proposta neste trabalho apresenta maior atividade antioxidante que os extratos obtidos com métodos de extração convencionais.

Ginger is a plant that has attracted the attention from both the food and pharmaceutical sectors due to its medicinal properties. As a medicinal plant, it is one of the oldest and most popular in the world. Its therapeutic properties arise from the bioactive compounds it contains, among which stand the phenolic compounds, and in particular 6-shogaol and 6- gingerol. These compounds aroused great interest in the scientific community due to its antioxidant and antitumoral properties. The conventional extraction methods of these compounds require the use of organic solvents, however, in recent years, there has been an intensified search for alternative solvents with higher solvation capacity, efficient and cheap. Deep-eutectic solvents (DES) are a new class of solvents, of low cost and natural origin, based on renewable precursors that have a low toxicity and can be categorized as environmentally friendly solvents. The goal of this work focuses on obtaining an extract rich in bioactive compounds (namely 6-gingerol) from ginger using DES as extraction solvents, and to evaluate the possibility of recycling of DES, thus creating a sustainable process. For that purpose the solubility of two phenolic model compounds, namely syringic and ferulic acids, were studied in DES (neat and in aqueous solution) in order to identify the most promising DES for the bioactive compound solubilisation, as well as the best extraction conditions. Between the several combinations amongst hydrogen bond donors (organic acids, polyols, sugars and urea) and hydrogen bond acceptors (urea, choline chloride, betaine and proline), propionic acid:urea revealed to have the best results. Based on these results and using the surface response methodology, several extraction parameters of ginger extraction using aqueous solutions of DES were optimized. Simultaneously, conventional extraction assays were carried for comparison, followed by the identification and quantification of 6- gingerol present in extracts by high pressure liquid chromatography (HPLC). Once optimized the different parameters of extraction it was possible to achieve an efficient methodology capable to enhance the 6- gingerol extraction in 60% when compared with the conventional extraction methodology. Besides, an extract was successfully recovered from the DES extract solution using solid-phase extraction (SPE). The extract characterization was complemented with the analysis of the antioxidant activity using 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazil (DPPH). Results show that the extracts obtained with the methodology proposed in this work present a higher antioxidant activity than those obtained with conventional extraction techniques.