Ποσοτικός προσδιορισμός της πιπερίνης σε πιπέρια με φασματοσκοπία UV-Vis. Ανάπτυξη εναλλακτικών μεθόδων προσδιορισμού με φασματοσκοπικές τεχνικές IR και Raman

Abstract

Η ιστορία των μπαχαρικών είναι τόσο παλιά όσο και ο ανθρώπινος πολιτισμός, θα μπορούσαμε να την παραλληλίσουμε με την πορεία της ανθρωπότητας αφού δεν υπήρξε πολιτισμός που να μην αναγνώρισε την αξία τους. Το μαύρο πιπέρι (Piper nigrum) ήταν το πρώτο μπαχαρικό που αποτέλεσε αντικείμενο συναλλαγής σε παγκόσμιο επίπεδο και γνωστό ως ο «Βασιλιάς» των μπαχαρικών, ξεχώριζε για το χαρακτηριστικό άρωμα και την πικάντικη γεύση του. Το μαύρο πιπέρι έχει πολλές ιδιότητες και για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνταν από την αρχαιότητα για διάφορους σκοπούς, όπως για παράδειγμα ως πρόσθετο στο φαγητό, για τη βελτίωση της γεύσης και του αρώματός του. Ένα από τα σημαντικότερα συστατικά του πιπεριού είναι η πιπερίνη η οποία είναι υπεύθυνη για την οξεία και πικάντικη γεύση του. Οι ιδιότητες της φαίνεται να είναι πολλές, ενώ σημαντικός είναι ο ρόλος της στην αύξηση της απορρόφησης και της βιοδιαθεσιμότητας των άλλων βιοδραστικών ενώσεων. Τα προϊόντα του P. nigrum είναι αρκετά, ανάμεσα στα πιο σημαντικά βρίσκονται το μαύρο και το λευκό πιπέρι και διατίθενται στο εμπόριο είτε ως ολόκληροι κόκκοι, είτε σε μορφή τριμμένου πιπεριού. Η πιπερίνη έχει προσδιοριστεί κατά καιρούς με πολλές από τις τεχνικές της σύγχρονης ανάλυσης, όπως είναι η χρωματογραφία και η φασματοσκοπία. Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής μελέτης είναι ο ποσοτικός προσδιορισμός της πιπερίνης σε 16 μαύρα και 6 λευκά πιπέρια με φασματοσκοπία UV-Vis, σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο ISO 5564 και η ανάπτυξη εναλλακτικών μεθόδων προσδιορισμού με φασματοσκοπικές τεχνικές IR και Raman με τη βοήθεια της χημειομετρίας. Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε:  Προσδιορισμός της υγρασίας για την αναγωγή αποτελεσμάτων επί ξηρού προϊόντος.  Ποσοτικός προσδιορισμός της πιπερίνης με φασματοσκοπία UV-Vis.  Έρευνα των πιπεριών με φασματοσκοπία IR (DRIFTS) και Raman, μελετώντας χαρακτηριστικές απορροφήσεις και εντάσεις που οφείλονται στην πιπερίνη.  Ανάπτυξη μεθόδων προσδιορισμού της περιεκτικότητας της πιπερίνης μέσω φασματοσκοπίας IR και Raman με δημιουργία μοντέλων PLS ποσοτικής ανάλυσης. Βάσει των αποτελεσμάτων διαπιστώθηκε ότι η υγρασία είναι της τάξεως του 11%, με τα μαύρα πιπέρια να περιέχουν λιγότερη υγρασία από τα λευκά. Τα ποσοστά πιπερίνης στα μαύρα και τα λευκά πιπέρια είναι παρόμοια αν και τα μαύρα πιπέρια δείχνουν να έχουν έστω και ελάχιστα περισσότερη πιπερίνη από τα λευκά (6,5 ± 1,2% έναντι 6 ± 0,7%). Αυτές οι τιμές ενδέχεται να είναι υψηλότερες από τις "πραγματικές", επειδή στο ίδιο μήκος κύματος απορροφούν και άλλα αλκαλοειδή. Τα φάσματα IR (DRIFTS) παρουσιάζουν χαρακτηριστικές κορυφές στην περιοχή 3600-2800 cm-1 (δονήσεις τάσης των O-H, αρωματικών και αλειφατικών C-H, ασύμμετρωνκαι συμμετρικών CH2) και 1700-800 cm-1 (δονήσεις τάσης και κάμψης των συμμετρικών και ασύμμετρων C = C, -CO-N, αρωματικών C = C, CH2, = C-O-C, C-O, εντός και εκτός πεδίου φαινολικών C-H) που αποδίδονται στην πιπερίνη αλλά και στην περιεχόμενη υγρασία (δονήσεις τάσης O-H). Τα φάσματα Raman δίνουν χαρακτηριστικές κορυφές στην περιοχή 1630-1100 cm-1 (δονήσεις τάσης και κάμψης των αρωματικών και αλειφατικών -C=C-, >N-C=O, -CH2, -C-C-) που αποδίδονται στην πιπερίνη. Τα λευκά πιπεριών, που στερούνται περικαρπίου, δίνουν πιο "καθαρά" φάσματα IR και ειδικότερα φάσματα Raman, απ’ ότι τα μαύρα πιπέρια. Με τη βοήθεια της χημειομετρίας (Μέθοδος Μερικών Ελαχίστων Τετραγώνων) και έχοντας ως αναφορά τα αποτελέσματα της φασματοσκοπίας UV-Vis, αναπτύχθηκαν τρεις μέθοδοι ποσοτικού προσδιορισμού της πιπερίνης στα καταγεγραμμένα φάσματα FT-IR και δύο μέθοδοι στα φάσματα Raman, των πιπεριών. Σε όλες τις μεθόδους, η προβλεπόμενη συγκέντρωση πιπερίνης (%) με PLS δεν αποκλίνει πολύ από εκείνες που έχουν προσδιοριστεί κατά τη μέθοδο ISO 5564, με αποτέλεσμα να καταφέρνουν να δώσουν μια ικανοποιητική εκτίμηση της περιεκτικότητας ενός άγνωστου πιπεριού (Piper nigrum), με μια απόκλιση από 0 έως 2,4% σε πιπερίνη. Επιπλέον, οι δύο μέθοδοι με τα φάσματα Raman παρουσιάζουν καλύτερα αποτελέσματα από τις αντίστοιχες τρεις μεθόδους με τα φάσματα IR και αυτό οφείλεται στις μικρότερες αποκλίσεις που παρουσιάζουν οι πρώτες μέθοδοι. Οι δύο τεχνικές φασματοσκοπίας IR (DRIFT) και Raman φαίνεται ότι έχουν τη δυνατότητα να αντικαταστήσουν τα ισχύοντα πρότυπα των διαδικασιών που χρησιμοποιούνται σήμερα (UV-Vis και HPLC) για τον προσδιορισμό της περιεκτικότητας της πιπερίνης σε μαύρα και λευκά πιπέρια.

The history of spices is as old as human civilization, could be a parallel to the progress of mankind since there was no culture that did not recognize their value. Black pepper (Piper nigrum) was the first spice traded in the world and known as the "King" of spices, stood for the characteristic aroma and spicy flavor. Black pepper has many properties and therefore used since ancient times for various purposes, such as additive to food to improve its taste and aroma. One of the most important components of pepper is piperine which is responsible for the sharp and spicy flavor. These properties appear to be numerous, while her role in increasing the absorption and bioavailability of other bioactive compounds, is important. The products of P. nigrum are many, among the most important are the black and white pepper and marketed either as whole grains, either in the form of ground pepper. Piperine at times has been determined by many of the techniques of modern analysis, such as chromatography and spectroscopy. The purpose of this Master Thesis is determination of piperine in 16 black and 6 white peppercorns by spectroscopy UV-Vis, according with International Standard ISO 5564 and the development of alternative methods of determination by spectral IR and Raman techniques with the assistance of Chemometrics. Specifically conducted:  Determination of moisture to reduce effects on dry weight.  Quantification of piperine by spectroscopy UV-Vis.  Research of peppers by spectroscopy IR (DRIFTS) and Raman, studying characteristic absorptions and intensities due to piperine.  Development of methods for determining the content of piperine by IR and Raman spectroscopy and framing chemometric algorithms PLS quantitative analysis. Based on the results, it is found that the humidity is around 11%, with black peppers containing less moisture than white. The rates of piperine in black and white peppers are similar even if black peppers seem to have remotely more piperine from white (6,5 ± 1,2% versus 6 ± 0,7%). These prices may be higher than the "real" because at the same wavelength absorb other alkaloids. Spectra IR (DRIFTS) show characteristic peaks in the region 3600-2800 cm-1 (stretching vibration of O-H, aromatic and aliphatic C-H, asymmetric and symmetric CH2) and 1700-800 cm-1 (stretching vibration and bending of symmetric and asymmetric C = C, -CO-N, aromatic C = C, CH2, = COC, C-O, within and outside the scope of phenolic C-H) attributed to piperine and moisture content (stretching vibration O-H).The Raman spectra give characteristic peaks in the region 1630-1100 cm-1 (stretching vibration and bending of aromatic and aliphatic -C = C-,> NC = O, -CH2, -CC-) attributed to piperine. White peppers, lacking pericarp, give more "distinct" IR spectra and particular Raman spectra, than black pepper. With the assistance of chemometrics (Method of Partial Least Squares) and having as a reference the results of spectroscopy UV-Vis, three quantification methods of piperine to the recorded FT-IR spectra and two methods to Raman spectra developed. In all methods, the predicted concentration of piperine (%) with PLS does not deviate far from those identified by the ISO 5564 method, thus manage to provide a satisfactory estimate of the content of an unknown pepper (Piper nigrum), in a deviation from 0 to 2.4% piperine. Furthermore, the two methods with Raman spectra show better results of the corresponding three methods with IR spectra and this is due to smaller deviations in the first methods. The two spectroscopic techniques IR (DRIFT) and Raman seems to have the potential to replace the existing standards on procedures currently used (UV-Vis and HPLC) to determine the content of piperine in black and white peppers.