Φυσικοχημική μελέτη και έλεγχος αντιοξειδωτικής και αντιμικροβιακής δράσης, αιθερίου ελαίου Βασιλικού (Ocimum basilicum) και των προϊόντων εγκλεισμού του, σε κυκλοδεξτρίνες

Abstract

Οι πτητικές ενώσεις είναι τα κύρια συστατικά των αιθερίων ελαίων και είναι αυτά που ευθύνονται για το χαρακτηριστικό άρωμα και για τα θεραπευτικά οφέλη που προσφέρει το εκάστοτε αιθέριο έλαιο. Η πτητικότητα αυτών των ενώσεων ωστόσο αποτελεί σημαντική πρόκληση για την αποθήκευση και την διατήρηση των αιθερίων ελαίων, καθώς υπάρχουν πολλοί παράγοντες, όπως η οξείδωση ή εξάτμισή τους μόλις εκτεθούν στον αέρα, που μπορεί να οδηγήσει σε σταδιακή μείωση της ποιότητας και της αποτελεσματικότητάς τους. Η ενθυλάκωση και ο εγκλεισμός των πτητικών ενώσεων των αιθερίων ελαίων σε μη δραστικά μέσα, όπως είναι οι κυκλοδεξτρίνες, αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη στρατηγική για την προστασία και την βελτίωση της δράσης των ενώσεων αυτών. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η παραλαβή και η ανάλυση της χημικής σύστασης των αιθερίων ελαίων δύο ποικιλιών βασιλικού (Ocimum basilicum), και στη συνέχεια η παρασκευή και μελέτη τωνπροϊόντων εγκλεισμού των συστατικών αυτών των αιθερίων ελαίων σε -κυκλοδεξτρίνη (-CD) και υδροξυπροπυλ--κυκλοδεξτρίνη (HP--CD). Αρχικά έγινε παραλαβή αιθερίου ελαίου από ξηρή δρόγη πλατύφυλλου και σγουρού βασιλικού με υδροαπόσταξη Clevenger. Τα έλαια που παραλήφθηκαν αναλύθηκαν χρωματογραφικά με GC-MS. Ταυτοποιήθηκαν συνολικά 15 ουσίες για το έλαιο του σγουρού βασιλικού και 7 ουσίες για το έλαιο του πλατύφυλλου βασιλικού. Το κύριο συστατικό, και για τις δύο ποικιλίες, ήταν η λιναλοόλη, ενώ ανιχνεύθηκε υψηλό ποσοστό ευγενόλης στο σγουρό βασιλικό και εστραγκόλης στον πλατύφυλλο βασιλικό. Με σκοπό να ελεγχθεί η ικανότητα εγκλεισμού της λιναλοόλης, χρησιμοποιήθηκε καθαρή ουσία από το εμπόριο και παρασκευάστηκαν προϊόντα εγκλεισμού και μίγματά της με -CD και HP--CD. Ο χαρακτηρισμός αυτών των προϊόντων εγκλεισμού, η εκτίμηση της υδατοδιαλυτότητας και της μέσης σταθερας σύνδεσης τους στο διάλυμα έγινε με πειράματα που απόδωσαν διαγράμματα φάσης διαλυτότητας και σύμφωνα με τη μέθοδο των Higuchi-Connors. Επιπλέον, η δομή του συμπλόκου εγκλεισμού λιναλοόλης σε β-CD προσδιορίστηκε με κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ και αναλύθηκε εκτεταμένα η μοριακή διευθέτηση ξενιστή-ξενιζομένου αλλά και των γειτονικών συμπλόκων στην κρυσταλλική κατάσταση. Βάσει της κρυσταλλικής δομής του συμπλόκου λιναλόολης/β-CD και της προτεινόμενης δομής από μεθόδους Μοριακού Ελλιμενισμού (Molecular Docking) του συμπλόκου λιναλόολης/HP-β-CD, έγιναν συμπληρωματικές υπολογιστικές προσομοιώσεις Μοριακής Δυναμικής ώστε να προκύψουν χρήσιμα συμπεράσματα που αιτιολογούν φυσικοχημικές ιδιότητες (όπως η παρατηρούμενη χαμηλή διαλυτότητα) των συμπλόκων στο διάλυμα. Παράλληλα παρασκευάστηκαν προϊόντα εγκλεισμού και μίγματα των αιθερίων ελαίων του βασιλικού, τα οποία μετά τη λυοφιλίωσή τους, ελέγχθηκαν ως προς την αντιοξειδωτική και αντιμικροβιακή δράση τους συγκριτικά με τα καθαρά αιθέρια έλαια.. Από την φασματοσκοπία υπερύθρου FT – IR φάνηκε πως υπήρχαν μικρές διαφορές στα φάσματα των μιγμάτων σε σχέση με αυτά των συμπλόκων κάτι που οδηγεί στο συμπέρασμα πως έλαβε χώρα η συμπλοκοποίηση των κυριότερων συστατικών του βασιλικού. Οι δοκιμές αντιοξειδωτικής δράσης και ολικών φαινολικών έδειξαν πως η ποικιλία του σγουρού βασιλικού έχει βελτιωμένη δράση σε σχέση με αυτή του πλατύφυλλου, ενώ ο εγκλεισμός των ουσιών του αιθέριου ελαίου σε ορισμένες περιπτώσεις βελτιώνει ενώ σε άλλες διατηρεί την δράση των ουσιών. Τέλος, ο έλεγχος της αντιμικροβιακής δραστικότητας in vitro αποκάλυψε υψηλή δράση για τα καθαρά αιθέρια έλαια, αλλά μηδενική για τα προϊόντα εγκλεισμού.

The volatile compounds are the main constituents of essential oils and are responsible for the characteristic aroma and therapeutic benefits of each essential oil. However, the volatility of these compounds presents a significant challenge for the storage and preservation of essential oils, as there are many factors, such as oxidation or evaporation upon exposure to air, that can lead to a gradual reduction in their quality and effectiveness. Encapsulation and trapping of the volatile compounds of essential oils in non-reactive carriers, such as cyclodextrins, are a promising strategy for protecting and improving the action of these compounds. The aim of the present work was to obtain and analyze the chemical composition of the essential oils of two basil (Ocimum basilicum) cultivars, and then to prepare and study the products of the encapsulation of these essential oil constituents in β-cyclodextrin (β -CD) and hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HP-β-CD). Initially, essential oil was obtained from dry dew of broadleaf and curly basil by Clevenger hydrodistillation. The oils obtained were analyzed chromatographically by GC-MS. A total of 15 substances were identified for curly basil oil and 7 substances for broadleaf basil oil. The main component, for both varieties, was found to be linalool, while a high percentage of eugenol was detected in curly basil and estrangol in flat-leaf basil. To test the encapsulation ability of linalool, commercially available pure substances were used and inclusion complexes and physical mixtures of linalool with β-CD and HP-β-CD were prepared. The characterization of these inclusion complexes and the estimation of their aqueous solubility and the overall binding constant in solution, were performed by phase solubility studies according to the Higuchi-Connors method. In addition, the structure of the linalool inclusion complex in β-CD was determined by X-ray crystallography and the molecular arrangement of the guest-host within the complex as well as that of neighboring complexes in the crystal state was extensively analyzed. Based on the crystal structure of the linalool/β-CD complex and the predicted by Molecular Docking calculations structure of the linalool/HP-β-CD complex, complementary computational Molecular Dynamics simulations were performed to draw useful conclusions that account for physicochemical properties (such as the observed low solubility) of the complexes in solution.In addition, inclusion complexes and physical mixtures of the essential oils of basil with β-CD and HP-β-CD were prepared, which after lyophilization were tested for their antioxidant and antimicrobial activity compared to pure essential oils. FT-IR spectroscopy showed that there were slight differences in the spectra of the mixtures compared to those of the complexes, which leads to the conclusion that complexation of the main constituents of basil took place. Antioxidant and total phenolic activity tests showed that the curly basil variety has improved activity compared to the broadleaf variety, while the inclusion of the essential oil substances in some cases improves the activity of the substances and in others maintains the activity of the substances. Finally, in vitro antimicrobial activity testing revealed high activity for pure essential oils, but no activity for the encapsulation products within 12 hours.