Determination of Fat-Soluble Vitamins in Foods Based on Supercritical Fluid Extraction

Abstract

Sample clean-up methodologies based on supercritical fluid extraction (SFE) have been developed for determination of fat-soluble vitamins in foods. This thesis focuses on method development, stressing important issues concerning sample pre-treatment, extraction conditions and collection parameters. It was demonstrated that by using SFE followed by saponification and determination using RP-HPLC with UV and fluorescence detection, quantitative recoveries of vitamins A, E and b-carotene could be obtained in milk, milk powder, minced meat, liver paste, infant formula and canned baby food. The importance of modifying the sample matrix by adding an ethanolic entrainer prior to extraction was stressed. It was also shown that careful optimisation of the collection parameters is essential to accurately determine the vitamins. When solvent collection was employed, the type of solvent had an especially significant impact on the collection efficiency.



In the work reported in this thesis, the possibility of replacing the rather harsh saponification step with on-line enzymatic hydrolysis using lipases was also investigated. Important parameters such as water content, temperature and extraction pressure were examined using several lipases and one esterase. It was shown that immobilised lipase from Candida antarctica type B was superior in terms of activity and operational stability. This on-line extraction/reaction methodology resulted in 100% conversion of retinyl palmitate to retinol (vitamin A), samples sufficiently clean for direct vitamin determination, and quantitative recoveries of vitamins A and E. Moreover, the methodology was fully automated and consumed much smaller amounts of organic solvents than conventional extraction methodologies.



Instead of trying to obtain all the selectivity in the extraction step, work has also been done on using a solid phase trap in the collection step for selectivity enhancement. With a longer trap than is normally used in this type of equipment, it was found that the collection capacity of condensed modifier and coextracted fat was increased, thereby allowing the use of a lower trap temperature without risking analyte breakthrough losses. It was also shown that fat-soluble vitamins A, D and E could be fully fractionated from triacylglycerols in rapeseed oil during the elution step. This methodology was employed for the determination of tocopherols in rapeseed and fish liver oil.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

De fettlösliga vitaminerna upptäcktes i början av 1900 talet, och indelas i klasserna A, D, E och K. Brist på vitaminer i kroppen kan leda till svåra sjukdomar som nattblindhet, benskörhet och cancer. Även en överdos kan vara mycket allvarlig, och därför finns det bestämmelser om vilka livsmedel som ska vitaminberikas samt med hur mycket av varje vitamin. Dessutom utförs det analyser av en mängd livsmedelsprodukter för att kontrollera de faktiska vitaminhalterna.



I de flesta rutinlaboratorier utförs vitaminanalyser genom att livsmedelsprovet först hydrolyseras (dvs sönderdelas till mindre komponenter) och därefter extraheras de fettlösliga vitaminerna med ett organiskt lösningsmedel. Vid varje sådan extraktion åtgår det ca 150-200 ml lösningsmedel. Dessa traditionella vätskeextraktionsmetoder bidrar till att många tusentals liter organiska lösningsmedel måste avfallshanteras varje år. Detta är ett stort miljöproblem, som har lett till restriktiv användning av flera organiska lösningsmedel, t ex metylenklorid och kloroform, som brukligt används vid traditionell vätskeextraktion.



Syftet med den här avhandlingen har varit att utveckla nya extraktionsmetoder som i stället för organiska lösningsmedel använder koldioxid av högt tryck. Tekniken kallas för överkritisk vätskeextraktion (eng. SFE, supercritical fluid extraction), och går i stora drag ut på att koldioxid pumpas genom en extraktionscell som fyllts med prov. Fettlösliga vitaminer löser sig i koldioxiden och följer med den till en fälla, där de fångas in och kan analyseras vidare. Förutom att endast små volymer organiska lösningsmedel används, finns det även andra fördelar med denna teknik jämfört med traditionell vätskeextraktion. En sådan är att instrumenten som används ofta är automatiserade, vilket betyder att flera prover kan behandlas i en följd utan att manuella insatser krävs mellan eller under pågående extraktion. Detta medför att ett större antal prover kan behandlas per dygn, samt att fel orsakade av den mänskliga faktorn kan minimeras. På så vis kan man med denna teknik uppnå högre precision och riktighet i sina analyser. Min forskning har gått ut på att utveckla tekniken och använda den för bestämning av halterna av fettlösliga vitaminer i olika livsmedel, såsom mjölkpulver, mjölk, köttfärs, leverpastej, barnmat och välling. Arbetet med att utveckla metoder som möjliggör fullständig (100%) extraktion av vitaminerna ur ett prov är beskrivet i artiklarna I-III. Därefter har tekniken förbättrats ytterligare, genom att det manuella hydrolyssteget ersatts med enzymatisk hydrolys. Genom att använda lipaser (enzymer som kan hydrolysera fetter) i extraktionscellen, så möjliggörs samtidig extraktion och hydrolys av fetter och vitaminer. På så vis har metoden för bestämning av fettlösliga vitaminer i livsmedel gjorts ännu snabbare, mer automatiserad och resultaten ännu säkrare. Detta arbete beskrivs i artikel IV och V. Dessutom har en metod för analys av E vitamin (tokoferoler) i matoljor utvecklats, där hydrolyssteget helt har kunnat uteslutas tack vare att en extra lång fastfas fälla användes (artikel VI). Vitaminerna kunde med den här metoden redan i extraktionssteget separeras från triglycerider, vilka utgör huvuddelen av den totala massan av en matolja.



Av ovanstående framgår att det är fördelaktigt att låta överkritisk vätskeextraktion ersätta de traditionella vätskeextraktionsmetoderna vid bestämning av vitaminhalter i livsmedel, eftersom de nya metoderna förbrukar 20 gånger mindre lösningsmedel och är ca 4 gånger snabbare. På sikt innebär detta även en ekonomisk vinst, trots den relativt höga investeringskostnaden av SFE instrumentering.

• author: Turner, Charlotta
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Clifford, Anthony A., School of Chemistry, University of Leeds, Leeds LS2 9JT, UK
• organization: Department of Chemistry
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Analytical Chemistry
• keywords: Supercritical fluid extraction, Solvent collection, Solid phase trapping, SFE, Selectivity, Retinol, Milk powder, Lipase, Food, Enzymatic hydrolysis, Alcoholysis, Candida antarctica, Tocopherol, Vitamins, Analytical chemistry, Analytisk kemi
• pages: 184 pages
• defense location: Lecture Hall B at the Chemical Center
• defense date: 2001-01-26 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNKDL/NKAK-1058/1-184 (2001)SE
• ISBN: 91-7874-107-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Paper I:Determination of vitamins A and E in milk powder using supercritical fluid extraction for sample clean-upC. Turner and L. MathiassonJournal of Chromatography A, 2000, 874, 275-283 Article: Paper II:Determination of food constituents based on SFE: applications to vitamins A and E in meat and milk.H. Berg, C. Turner, L. Dahlberg and L. MathiassonJournal of Biochemical and Biophysical Methods, 2000, 43, 391-401 Article: Paper III:Development of methods for the determination of vitamin A, E and b-carotene in food formulae based on supercritical fluid extraction (SFE) for sample work-upL. Mathiasson, C. Turner, H. Berg, L. Dahlberg, E. Anklam, A. Theobald, M. Sharman, R. Ginn, F. Ulberth and R. GabernigThe Analyst, 2000, submitted Article: Paper IV:On-line SFE/enzymatic hydrolysis of vitamin A esters -A new simplified approach for the determination of vitamin A and E in foodC. Turner, J. W. King and L. MathiassonJournal of Agricultural and Food Chemistry, 2000, accepted Article: Paper V:Lipase-catalyzed reactions in organic and supercritical solvents: application to fat-soluble vitamin determination in milk powder and infant formulaC. Turner, M. Persson, L. Mathiasson, P. Adlercreutz and J. W. KingEnzyme and Microbial Technology, 2000, submitted Article: Paper VI:Inherent possibilities of improving recovery and selectivity using a long solid phase trap in analytical supercritical fluid extractionC. Sparr Eskilsson, C. Turner, A. Esbjörnsson and L. MathiassonJournal of Separation Science, 2000, submitted The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Analytical Chemistry (S/LTH) (011001004), Department of Chemistry (011001220)
• id: 817e730a-8de8-41bd-8f64-181d55914ef4 (old id 41199)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:21:54
• date last changed: 2018-11-21 20:58:19