Isolating valuable ingredients of saffron using extraction and preparative chromatography

Abstract

The stigmas of Crocus sativus Linnaeus are the basis for the most expensive spices in the world (saffron). Picrocrocin (PC), crocine I (CI), and crocin II (CII) are the main valuable constituents of saffron extract, responsible for the bitter taste, the red color of saffron, and for its usage as the fragrance. Crocin and picrocrocine have significant potential for the treatment of human diseases and disorders, such as depressive disorders, multiple sclerosis, eye diseases, inflammatory diseases and cancer. Since the production of pure crocines and picrocrocin is not well developed, two main separation methods, namely solid-liquid extraction and solid-liquid chromatography are used to efficiently extract and purify these valuable components from high quality Iranian saffron. With respect to extraction, a systematic experimental study was performed to identify a suitable solvent and to determine key thermodynamic and kinetic properties of the three mentioned valuable saffron ingredients. These parameters were used in a theoretical study predicting both batch-wise and continuous counter-current extraction operation. A simplified model for the counter-current operation using the determined parameters was used to predict process productivities. Regarding chromatographic purification, a three-step gradient elution method was developed to perform the separation of the three target molecules. The innovative aspect is the application of the equilibrium theory. It applies validate Henry constants to design a simple step-gradient elution. The developed three-step gradient elution was first validated on the analytical column. Then, preparative chromatography was used. It achieved good performance productivities. A prove of the applicability is the provision of three fractions of very pure picrocrocin, crocin I, and crocin II. ii

Die Narben von Crocus sativus Linnaeus sind die Grundlage für das teuerste Gewürz der Welt (Safran). Picrocrocin (PC), Crocin I (CI) und Crocin II (CII) sind die wichtigsten wertvollen Bestandteile von Safranextrakten, die für den bitteren Geschmack, die rote Farbe des Safrans und für seine Verwendung als Duftstoff verantwortlich sind. Crocin und Picrocrocin haben ein erhebliches Potenzial für die Behandlung menschlicher Krankheiten und Störungen wie depressive Störungen, multiple Sklerose, Augenkrankheiten, entzündliche Erkrankungen und Krebs. Da die Produktion von reinem Crocin und Picrocrocin sowohl hinsichtlich der Extraktion als auch der Reinigung noch nicht weit entwickelt ist, wurden zwei Haupttrennmethoden, nämlich Fest- Flüssig-Extraktion und Fest-Flüssig-Chromatographie, eingesetzt, um diese wertvollen Bestandteile aus hochwertigem iranischem Safran effizient zu extrahieren und zu reinigen . Im Hinblick auf die Extraktion wurde eine systematische experimentelle Studie durchgef ührt, um ein geeignetes Lösungsmittel zu identifizieren und die wichtigsten thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften der drei genannten wertvollen Safraninhaltsstoffe zu bestimmen. Diese Parameter wurden in einer theoretischen Studie zur Vorhersage sowohl des diskontinuierlichen als auch des kontinuierlichen Gegenstromextraktionsvorgangs verwendet. Ein vereinfachtes Gegenstrommodell wurde unter Verwendung der ermittelten Parameter zur Vorhersage der Prozessproduktivit äten verwendet. Bezüglich der chromatographischen Reinigung wurde eine dreistufige Gradientenelutionsmethode zur Durchführung der Trennung der drei Zielmoleküle entwickelt. Der innovative Aspekt ist die Anwendung der Gleichgewichtstheorie. Mit validierten Henry-Konstanten wurden einfache Stufengradientenelution entworfen. Die entwickelte dreistufige Gradientenelution wurde auf einer Analysesäule validiert. Später wurde die präparative Chromatographie unter Verwendung der Stufengradientenelution eingesetzt. Dabei wurden gute Leistungsproduktivitäten erzielt. Nachweis der Anwendbarkeit des Konzeptes ist die Bereitstellung von drei hochreinen Fraktionen an Picrocrocin, Crocin I und Crocin II.