Piperin (Extraktion)

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Extraktion von Piperin aus weißem Pfeffer

Piperin ist das Hauptalkaloid des Pfeffers Piper nigrum und anderer Pfeffersorten und verleiht dem Pfeffer seine Schärfe. Da im Pfeffer Piperin in einer beachtlichen Menge vorkommt (Literatur 5-9 %) kann dieser leicht isoliert werden. Der problematischste Teil der Aufarbeitung ist die Entfernung von Harzen und Fetten, die bei der Extraktion mit isoliert werden. In der Literatur findet sich deren Entfernung durch Kristallisation des eingeengten Extraktes aus einer verdünnten ethanolischen Kaliumhydroxid-Lösung wieder. Da dieser Schritt jedoch nur bedingt nachvollziehbar ist und - laut der Theorie - eine bedingte Zersetzung des Piperins nach sich zieht wird hier eine alternative Extraktionsmethode vorgestellt. Jedoch gibt es mittlerweile Patente die die Nutzung von 4-Butylbenzensulfonsäure-Natriumsalz zur Isolation des Piperins mit einer sehr hohen Recovery (>95 %) beschreiben und sich somit auch im Hobbymaßstab noch besser für eine Extraktion eignen würden.




Geräte:

Rundkolben mit passendem Heizpilz, Soxhletextraktor mit passendem Rückflusskühler, diverse Bechergläser, Möglichkeit nur Vakuumfiltration, Glasfritte oder Büchnertrichter


Chemikalien:

weißer Pfeffer, gemahlen

Ethylacetat
Calciumchlorid, wasserfrei
Kieselgur, geglüht

Kieselgel 60

n-Propanol
n-Hexan
Dichlormethan

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Piperin


Hinweis: Vorsicht beim Umgang mit Heizpilzen, vorher auf Funktionalität prüfen und ggf. austauschen. Eine dem Heizpilz angemessene Kühlleistung ermöglichen.


Durchführung:

Zur Gewinnung von Impfkristallen wird ca. 1 g des Pfeffers (trocknen nicht notwendig) mit ca. 3-5 mL einer Mischung aus Hexan und Dichlormethan (70:30) kurz zum Sieden erhitzt und heiß filtriert oder dekantiert. Trübt sich die organische Phase werden wenige Tropfen Dichlormethan dazugegeben bis sie klar ist. Innerhalb einer Stunde scheiden sich kleine, gelbe, stark lichtbrechende Kristalle reinen Piperins aus, welche als Impfkristalle verwendet werden können.

Der verwendete weiße Pfeffer (gemahlen) wird getrocknet (in diesem Fall wurden 240 g Pfeffer 75 Stunden bei 70 °C und weitere 25 Stunden bei 80 °C unter Lichtausschluss getrocknet, 209 g getrockneter Pfeffer, Trockenverlust ca. 13 %). 100 g getrockneter Pfeffer werden in einem Soxhletextraktor mit 400 mL Ethylacetat erschöpfend extrahiert (ca. 4-5 h, Nachweis erfolgt mittels DC des Pflanzenmaterials: eine Probe wird kurz in Dichlormethan aufgekocht und die Platte mit Chloroform/Ethylacetat 1:1 entwickelt, R_f=0,70). Zum Extrakt werden 15 g wasserfreies Calciumchlorid (wurde der Pfeffer zur Massenkonstanz getrocknet reicht eine kleinere Menge) gegeben und die Mischung eine Stunde gerührt, um eventuell enthaltenes Wasser und einige Nebenprodukte zu entfernen. Die Mischung wird durch ein Kieselgurpad filtriert und der Rückstand mit ca. 50 mL Ethylacetat nachgewaschen. Das Filtrat wird anschließend durch ein Kieselgelpad (ca. 50 cm³) gereinigt und die resultierende Lösung bis auf 15 mL eingeengt. Nach Zugabe eines Impfkristalls Piperin und kräftigem Schütteln wird im Gefrierschrank über Nacht das Piperin kristallisiert (falls erforderlich öfter schütteln). Anschließend wird filtriert, das Piperin mit wenig n-Propanol gewaschen und getrocknet. Eine anschließende DC zeigt nur einen Spot. Es kann aus kurzkettigen Alkoholen, Benzen/Ligroin, Diethylether, Aceton/Hexan, Dichlormethan/Hexan oder Ethylacetat (verlustreich) umkristallisiert werden.

Ausbeute: 2,382 g leicht gelb-beiges Pulver


Entsorgung:

Das Ethylacetat wird recycelt und das Filtrat nach der Kristallisation den halogenfreien Lösungsmittelabfällen zugeführt. Das Kieselgel wird gesondert entsorgt, das zum Trocknen verwendete Calciumchlorid kann über das Abwasser oder den Hausmüll entsorgt werden.


Erklärung:

Weißer Pfeffer eignet für die Extraktion wesentlich besser als schwarzer Pfeffer, da die Schale, welche kein Piperin sondern nur Begleitstoffe enthält, entfernt wurde. Der Trockenschritt mit Calciumchlorid dient dazu, das eventuell im Pfeffer enthaltene Wasser, welches mit extrahiert wurde, zu entfernen, um zu verhindern dass das Kieselgelpad desaktiviert wird. Das anfangs transluzente Kieselgelpad wird mit zunehmender Menge des darüber gereinigten Extraktes dunkler und undurchsichtig.


Bilder:


Soxhlet (Bild aus vorigem Ansatz)


Ethylacetat zu Beginn der Extraktion (Bild aus vorigem Ansatz)


Kolben während der Extraktion (Bild aus vorigem Ansatz)


Kieselgelpad (man erkennt in der oberen Hälfte die zurückgehaltenen Begleitstoffe)


Über Nacht im Gefrierschrank ausgefallenes Piperin


Isoliertes Produkt unter Normal- und UV-Licht (366 nm, Fluoreszenzfarbe nicht korrigiert)


Kristalle des Piperins (aus i-Propanol) unter Normal- und UV-Licht (366 nm, Fluoreszenzfarbe nicht korrigiert)

Literatur:

E. Stahl - Isolierung und Charakterisierung von Naturstoffen, Stuttgart; New York: Fischer, 1986.

Girija Raman, Vilas G. Gaikar - Extraction of Piperine from Piper nigrum (Black Pepper) by Hydrotropic Solubilization, Ind. Eng. Chem. Res. 2002, 41, 2966-2976

Mein Dank gilt Xyrofl, der zur Entwicklung dieser Extraktionsvorschrift einen erheblichen Teil - praktisch und theoretisch - beigetragen hat.

[NI2]

Bemerkungen:

- Der Versuch wurde zurvor bereits im größeren Maßstab durchgeführt, wobei aus 609 g trocknem Pflanzenmaterial 16,4 g Piperin isoliert wurden. Da dabei aber viele der Einzelschritte unsinnig komplex wurden, da wir probiert haben welche Methode sich am besten eignet wurde die Ausbeute massiv gesenkt und die Arbeitsweise eignet sich nicht als Vorschrift. Im großen und ganzen sind die Isolationen aber ähnlich.
- Eventuell sollte man weniger Calciumchlorid verwenden, da dieses nach der Filtration gelb ist und sich mittels Extraktion mit DCM darin auch Spuren von Piperin nachweisen lassen.
- Es wurden vorher verschiedene Lösungsmittel zur Extraktion getestet. Während Dichlormethan zu viele Nebenprodukte und Hexan weniger Piperin extrahierte schien das Piperin/Begleitstoff-Verhältnis bei Ethylacetat am effizientesten. Ethanol und Isopropanol wurden nicht getestet, da diese auch bei höherer Temperatur eine signifikant höhere dynamische Viskosität haben und das Ablaufen im Soxhlet verlangsamt hätten.
- Bei der ersten Extraktion schied sich bereits eine große Menge an Piperin aus dem Extrakt ab, nachdem dieses eingeengt und erneut mit trocknem Ethylacetat versetzt, erhitzt und über Nacht stehen gelassen wurde.



- das Kieselgelpad hatte bei einem Gemisch zweiter Fraktionen aus der ersten Extraktion ein außerordentliches gutes Resultat erzielt, leider wurde dieses Piperin mit einer anderen Fraktion zusammen gegebeben und dadurch wieder verunreinigt.



- Das Trocknen reduziert nicht nur den Wassergehalt sondern auch den Geruch des Pfeffers, das darin begründet sein könnte, dass sich Öle verflüchtigen und Harze polymerisieren, jedoch gibt es dafür bisher keinen Nachweis

- Interessant ist auch die Fluoreszenz des Pfeffers, leider kommt sie auf dem Bild nicht so stark rüber wie man sie mit dem Auge beobachten kann



- Die Wirkung des Kieselgelpads macht sich am besten dadurch bemerkbar, dass die eluierte Lösung im Gegensatz zum rohen Extrakt keinen klebrigen Rückstand beim Verdampfen hinterlässt
- Es wurde getestet den rohen Extrakt mit Aktivkohle (Norit) zu reinigen, dabei zeigte sich aber eine gleichmäßige Adsorption der in der DC (ohne zusätzliche Färbemedien) sichtbaren Spots, daher wurde auf eine Reinigung mit Aktivkohle verzichtet
- Ich denke, dass ich das Produkt noch umkristallisieren werden, um "schöne" Kristalle zu erhalten. Dies mindert zwar die Ausbeute, aber das Piperin ist laut DC ziemlich rein um daraus schöne Kristalle zu züchten (oft findet man auf der DC hinter dem Piperin noch 1-2 weitere sehr kleine Spots und einen leichten Schatten, der über dem Piperin auftritt, auch wenn es sich um sehr helle Kristalle handelt) und aus dem ersten Ansatz ist noch genug Piperin vorhanden

[Feli]

Endlich mal eine vernünftige Piperin extraktion wo man sich nicht mit dem Schloz aus Wachsen und weiß der Teufel was noch rumschlagen muss. Werde ich auf jeden Fall probieren.

[Lithiumoxalat]

Sehr schön !!

Und gut dokumentiert.

mfG
Lithiumoxalat.

[Bortribromid]

Eignet sich die für Impfkristalle genannte Methode mit Hexan/DCM eigentlich auch für größere Mengen? Das hört sich so schön einfach an.

[NI2]

Hm... eher weniger. Ich denke maximal 10 mg oder so, andernfalls werden die Lösungsmittelmengen so groß und die Ausbeute so gering da DCM ein guter Löser ist... Außerdem sind sie teils noch Fett/Harz-behaftet nehme ich an.

[Nail]

Ich verstehe nicht so recht die Anmerkung von NI2 sowie die Nützlichlichkeit von Pads nicht. Ist seine Methode für große Ansätze gut oder nicht? Ich habe gestern 100g Pfeffer mit EtOH extrahiert und bin jetzt am überlegen, ob ich nach der Methode verfahren soll oder der üblichen mit KOH. Kann man anstatt silica gel auch Al2O3 Akt. I nehmen?

[NI2]

Welche Anmerkungen verstehst du denn nicht?

[Nail]

Ob diese Methode effizienter ist als die übliche mit KOH.

[NI2]

Ob sie effizienter ist lässt sich wohl nur durch einen direkten vergleich herausfinden. Den haben wir nicht gemacht weil die KOH-Methode nur so semitoll ist. Der Vorteil des Pads ist, dass - wie auch beschrieben - die ganzen klebrigen Harzsäuren wie man sonst mittels KOH-entfernt, hier im Pad zurückgehalten werden und man genau sehen kann ab wann "klebriges" Piperin kommt. Außerdem ist es einfacher, sauberer, und bei einer entsprechenden Pad-größe auch effizienter, wobei angesprochene neue Methoden mit 4-Butylbenzolsulfonsäure wohl nicht zu toppen sind.

[lemmi]

Ich habe ein paar Fragen zu dem Kieselgelpad:

Beim Wort "pad" stelle ich mir etwas flaches, breites vor. So wie ich die Bilder interpretiere ... ist das hier nicht eher eine Säule?

Ich überlege, ob es eine Option wäre, einen CHCl₃-Pflanzenextrakt über so ein "pad" zu reinigen. Konkrwtbköme es mir darauf an, das Chlorophyll und andere unerwünschte Extraktivstiffe daraus zu entfernen um das ebenfalls enthaltene Glykoside isolieren zu können. Ginge das, oder geht das nur mit polareren Lösungsmitteln? Ich habe akieselgel für DC-Schichten da. Kann man das nehmen? Wie groß / dick sollte das "pad" sein? Und wie schnell/ langsam geht das, darüber was laufen zu lassen?

[Glaskocher]

Bevor Du die Filtration über ein Pad versuchst solltest Du ein DC unter vergleichbaren Bedingungen (Lösemittel = Laufmittel) laufen lassen. Ein solches Pad kann dir die "Schnecken" von den "Hasen" trennen und unlösliche Feintrübung abfangen. Was auf der Startlinie liegen bleibt, oder sich kaum bewegt, das kannst Du damit eliminieren. Um Glykoiside an die Front zu holen und Chlorophyll auszubremsen brauchst Du Spezialisten für Zucker, die das Chlorophyll schlecht(er) lösen. Wäre da nicht das Ausschütteln mit unpolarem Lösemittel (für Chloroform) besser?

[lemmi]

Das blöde ist, dass sich die Glykoside, die mich interessieren, in Chloroform viel besser lösen als in Wasser oder in Petrolether. Aber das mit der DC zum Testen ist eine gute Idee, das werde ich ausprobieren..
Und wie mache ich das mit dem pad? Wie groß/dick? Ich nehme an, man muss es vorher mit Chloroform Durchtränken? Muss man am Ende auch eluieren?

[mgritsch]

Kieselgelpads sind einfach verkürzte Säulen. Wie viel verkürzt kommt auf das Trennproblem an. Wie man im originalen Beitrag sieht wurde nur etwa die Hälfte genutzt (die helle Zone), hätte theoretisch also auch kürzer ausfallen können. Je polarer die Verunreinigungen, desto weniger braucht es, bis wirklich eher flach denn hoch. Schlonz ist meist sehr polar

Dein Trennproblem mit dem Chlorophyll sehe ich damit aber nicht, dafür ist es zu unpolar und läuft rasch drüber. Du kannst es immer von der DC ableiten: alles was mehr oder weniger am Startfleck bleibt während das Produkt nach oben durch rauscht, ist trennbar, da wirkt das Pad wie Aktivkohle, aber selektiver.

Eine „richtige“ Säule wäre aber durchaus eine Option, je nach Menge die du hier aufreinigen möchtest.

[Glaskocher]

Ich weiß, daß oft mit einem Polaritätsgradienten im Laufmittel gesäult wird. Man fängt zum Beispiel mit Petriolether an, der fast nut Umpolares mitnimmt und mischt zunehmende Mengen z.B. Ether (Essigester, Chloroform, ...) dazu. Das bringt dann verschiedene Subatanzklassen ans Laufen, die sonst im "Bett" liegen bleiben. Das verkürzt die Laufzeit und vermindert den Lömieinsatz. Nachteil ist natürlich, daß man mit Mischfraktionen in der Lömi-Rückgewinnung rechnen muß, wenn man die Destillate nicht als nutzlos verwerfen will.


PS: Hätte diese angehängte Diskussion nicht bald einen eigenen Thread "Ein paar Fragen zu dem Kieselgelpad" verdient, um das Piperin "sauber" zu halten...?