Studies on betalain phytochemistry by means of ion-pair countercurrent chromatography

Tran Thi Minh, Thu

Betalains display color from yellow-orange to red-purple within few species of Chenopodiaceae family. The specific structures and consistencies upon pH are the most applicative features of betalains. Only several betalains are heavily understood and available as references due to their instabilities and rare appearances in only several edible crops. That requires robust techniques for large scale production and investigation of new betalainic sources. Countercurrent chromatography and centrifugal partition chromatography are preparative purification techniques based on continuous liquid-liquid extraction and have been applied on natural pigments such as anthocyanins and betalains. This work added to a few studies on betalains from some highly pigmented cultivars as Opuntia, Atriplex and Hylocereus; which results confirmed the feasibility of preparative isolation of pigments using CCC. The application of ion pair CCC on Opuntia pigments showed comparable distribution values between analytical and preparative high performance spectrum. Similar results were seen in the comparison between CCC and CPC studies, indicating the scale-up possibility of these methods. The Opuntia metabolites were investigated next to pigments, from which betalains and flavonoid glycosides were isolated from other cyclicpeptides. This work also examined the heat stability of Opuntia pigments that the un-resolvable of intact pigments from their thermal artifacts were witnessed. This study developed a large lab scale pre-purification process for complex extracts of betalain plants, using highly available and bio-degraded chitin. This approach including simple adsorption and desorption steps based on strong pigments binding capacity of the chitin. The procedure was optimized and proved its capacity to concentrate the minor pigments from heterogeneous betalain crude extracts of red beet and Opuntia. This enrichment approach was then applied to Atriplex and Hylocereus in larger scale prior to CCC separation. The combination of this chitin process with CCC using ion pair solvent system TBME/n-BuOH/ACN/water TFA monitored by ESI-MS/MS profile could fractionate the pigments of Atriplex from their flavonoids, and isolated high purity celosianin II for NMR structural identifications. The un-resolve of dragon fruits pigments indicated its high polarities and required stronger ion pair reagents. This result confirmed the indispensable of ion pair reagents within CCC separation of betalains.

Betalaine ersetzen mit Farbspektrum von gelb-orange bis rot-violett die Anthocyane in einigen Spezies der Chenopodiaceaen. Die unterschiedlichen Strukturen und Konsistenzen, die sie bei verschiedenen pH-Werten aufweisen, bieten interessante Anwendungsmöglichkeiten. Durch Instabilität und Seltenheit in Nutzpflanzen sind jedoch nur wenige Betalaine vollständig erforscht und als Analysenreferenzen vorhanden. Die Gegenstrom und zentrifugale Verteilungschromatographie sind präparative Trenntechniken, die auf Flüssig-Flüssig-Extraktion beruhen und häufig für natürliche Pigmente wie Anthocyane und Betalaine genutzt werden. Diese Arbeit hat zu einigen Studien von hochpigmentierten Kultivaren wie Opuntia, Atriplex und Hylocereus beigetragen. Deren Ergebnisse bestätigen, dass eine präparative Isolierung der Betalaine mittels flüssigkeitsbasierter Trenntechniken möglich ist. Die Anwendung von Ionenpaarchromatographie bei Opuntia-Pigmenten zeigt vergleichbare Verteilungskoeffizienten bei analytischen und präparativen Durchgängen an einer High Performance CCC Modul Spectrum. Zu ähnlichen Ergebnissen führt der Vergleich zwischen CCC und CPC. Neben der Analyse der Pigmente wurden auch deren Metabolite untersucht. Die Hitzestabilität von Pigmenten aus Opuntia wurde während der Verarbeitung analysiert, wobei nicht trennbare Verbindungen der intakten Pigmente mit ihren thermisch induzierten Artefakten beobachtet wurden. Weiterhin wurde ein Vorreinigungsschritt mit biologisch abbaubaren Chitin im erweiterten Labormaßstab entwickelt. Das Verfahren basiert auf einfachen Ad- und Desorptionsschritten, die auf der pigmentbindenden Kapazität des Chitins beruhen. Begleitende Analysen wurden durchgeführt, um den Prozess zu optimieren und zu zeigen, dass auch Minorpigmente der Rohextrakte aus Rote Beete und Opuntia vorgereinigt werden können. Dieser Prozess wurde anschließend zur Anreicherung von Pigmenten aus Atriplex und Hylocereus angewendet. Durch die Kombination der Chitin-Vorreinigung mit anschließender Ion-Paar CCC und der Prozessüberwachung mittels ESI-MS/MS Profiling gelang die erfolgreiche Isolierung der Hauptpigmente von Atriplex. Der nicht trennbare Teil der Drachenfruchtpigmente weist auf die außergewöhnliche Polarität der Betalainstrukturen hin, welche stärkere Ionenpaarreagenzien für eine ausreichende Fraktionierung benötigen. Das Ergebnis bestätigt die Notwendigkeit von Ionenpaarreagenzien bei der CCC-Trennung der stark hydrophoben Betalaine.

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Tran Thi Minh, Thu: Studies on betalain phytochemistry by means of ion-pair countercurrent chromatography. 2018.

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