Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)
Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)
การแยกลูทีนอิสระและกรดไขมันในดีเอสเทอริไฟด์โอริโอเรซินของดาวเรืองด้วยโครมาโตรกราฟีและการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์
Year (A.D.)
2017
Document Type
Thesis
First Advisor
Artiwan Shotipruk
Faculty/College
Faculty of Engineering (คณะวิศวกรรมศาสตร์)
Department (if any)
Department of Chemical Engineering (ภาควิชาวิศวกรรมเคมี)
Degree Name
Doctor of Engineering
Degree Level
Doctoral Degree
Degree Discipline
Chemical Engineering
DOI
10.58837/CHULA.THE.2017.105
Abstract
The petal of marigold flowers has been reported to be the richest source of a xanthophyll, namely lutein which exhibits strong antioxidant and anticancer properties. Although large amount of lutein can be obtained, the compound in the flowers exists as esterified lutein, which is not readily bio-available. As a result, a number of separation and purification steps are required after solvent extraction of marigold flowers. One of the key steps is de-esterification of lutein fatty acid esters in the extract, or namely marigold oleoresin, by the reaction of the oleoresin with alkali solution, e.g., KOH, to obtain free lutein. The impurities remained in the reaction product, particularly fatty acids, were separated in the further purification process, e.g., chromatography. In this study, we aimed to study chromatographic separation of free lutein and fatty acids in a normal-phase semi-preparative scale with silica gel as a stationary phase and hexane and ethyl acetate mixture as a mobile phase. Based on HPLC, MS, NMR and FT-IR analyses of organic phase of the de-esterification reaction product, fatty acids were found to be the main impurity. The amount of fatty acids was determined to be 49.12 g/g of oleoresin and it was mostly palmitic acid. At the most suitable mobile phase velocity (0.16 cm/s), determined based on HETP evaluation, free lutein of 93.3% purity could be achieved with an isocratic mode of operation, and as high as 99.2% purified lutein was resulted when a single step gradient mode was employed. Further investigation then involved the development of a suitable mathematical model to describe the mass transfer of the two compounds to be separated: free lutein and fatty acids. Required model parameters: adsorption isotherms, overall mass transfer and axial dispersion coefficients, were determined. The adsorption isotherms were determined from a batch isotherm experiment and were to be linear for the lower range of equilibrium concentrations (<100 µg/ml), while other model parameters were determined from empirical correlation from literature or from correlations developed experimentally in this study. The isotherms and model parameters were then applied to the mass transfer model. The transport model was found to best predict the experimental data of both compounds in both semi-preparative and preparative columns. The correlation factor, higher than 0.70, indicated that the model prediction and experimental results were highly consistent.
Other Abstract (Other language abstract of ETD)
กลีบของดอกดาวเรืองเป็นแหล่งที่อุดมไปด้วยสารแซนโทฟิลล์ คือ ลูทีนซึ่งเป็นสารที่มีความสามารถต้านอนุมูลอิสระและมะเร็ง แม้ว่าดอกดาวเรืองจะมีลูทีนในปริมาณมาก แต่ทว่าลูทีนส่วนใหญ่อยู่ในรูปกรดไขมันของลูทีนซึ่งเป็นสารที่ไม่มีค่าชีวประสิทธิผล ดังนั้นกระบวนการแยกและการทำบริสุทธิ์ของลูทีนหลังการสกัดดอกดาวเรืองด้วยตัวทำละลายอินทรีย์จึงมีความจำเป็น ขั้นตอนที่สำคัญขั้นตอนหนึ่ง คือ ปฏิกิริยาดีเอสเทอริฟิเคชันของกรดไขมันของลูทีนในสารสกัดโอริโอเรซินของดาวเรือง โดยการทำปฏิกิริยากับสารละลายเบส เช่น สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ เพื่อให้ได้ลูทีนอิสระ ผลิตภัณฑ์ที่ได้ยังมีสิ่งปนเปื้อนเจือปนโดยเฉพาะอย่างยิ่งกรดไขมัน ซึ่งต้องนำไปผ่านกระบวนการทำบริสุทธิ์อีกขั้นตอนหนึ่ง เช่น กระบวนการโครมาโตรกราฟี ในงานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการแยกลูทีนอิสระและกรดไขมันในคอลัมน์โครมาโตรกราฟีวัฏภาคธรรมดาขนาดกึ่งอุตสาหกรรม โดยใช้ซิลิกาเจลเป็นเฟสนิ่งและสารละลายผสมเอกเซนและเอทิลอะซิเตตเป็นเฟสเคลื่อนที่ จากการวิเคราะห์วัฏภาคของตัวทำละลายอินทรีย์ของผลิตภัณฑ์จากกระบวนการดีเอสเทอริฟิเคชั่นด้วย HPLC, MS, NMR และ FT-IR พบว่า กรดไขมันเป็นสิ่งเจือปนหลัก มีปริมาณเท่ากับ 49.12 มิลลิกรัมต่อกรัมโอริโอเรซิน และ ส่วนใหญ่เป็นกรดปาล์มิติก ความเร็วที่เหมาะสมของเฟสเคลื่อนที่ซึ่งประเมินจาก HETP คือ 0.16 เซนติเมตรต่อวินาที ซึ่งที่สภาวะนี้ความบริสุทธิ์ของลูทีนอิสระที่ได้เมื่อชะด้วยเฟสเคลื่อนที่แบบไอโซเครติกเท่ากับ 93.3% และเมื่อชะด้วยเฟสเคลื่อนที่แบบเกรเดียนท์เท่ากับ 99.2% จากนั้นผู้วิจัยได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เหมาะสมเพื่ออธิบายการถ่ายโอนมวลของการแยกสารประกอบ 2 ชนิด ได้แก่ ลูทีนอิสระและกรดไขมัน พารามิเตอร์ของแบบจำลองที่จำเป็น คือ สมดุลดูดซับ สัมประสิทธิ์การถ่ายเทมวลรวม และ สัมประสิทธิ์การแพร่ตามแนวแกน โดยสมดุลดูดซับคำนวณจากการทดลองแบบกะ ซึ่งพบว่า เป็นเส้นตรงในช่วงความเข้มข้นที่สมดุลต่ำ (<100 ไมโครกรัมต่อมิลลิลิตร) ในขณะที่สัมประสิทธ์การถ่ายเทมวลรวมและสัมประสิทธิ์การแพร่ตามแนวแกนคำนวณจากความสัมพันธ์ในงานวิจัยที่มีการตีพิมพ์ก่อนหน้าหรือความสัมพันธ์ที่พัฒนามาจากการทดลองในงานวิจัยนี้ จากนั้นนำสมดุลดูดซับและพารามิเตอร์ของแบบจำลองไปประยุกต์กับแบบจำลอง ผลการทดลองพบว่า transport model ทำนายผลการทดลองของสารทั้ง 2 ชนิดในคอลัมน์ขนาดกึ่งอุตสาหกรรมและขนาดอุตสาหกรรมได้แม่นยำที่สุด ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ซึ่งมีค่ามากกว่า 0.70 แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองและผลการทดลองมีความสอดคล้องกันสูง
Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-No Derivative Works 4.0 International License.
Recommended Citation
Clowutimon, Weerawat, "Chromatographic separation of free lutein and fatty acids in de-esterified marigold oleoresin and its mathematical modelling" (2017). Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD). 595.
https://digital.car.chula.ac.th/chulaetd/595