Biotechnologia ogólna dla studentów kierunku biotechnologia
IZOLACJA OLEJKÓW ETERYCZNYCH
Destylacja i ekstrakcja
Destylacja jest bardzo użyteczną metodą rozdziału wieloskładnikowych mieszanin ciekłych, a tym samym oczyszczania substancji lotnych. Polega ona na odparowaniu najbardziej lotnego w danych warunkach ciśnienia i temperatury składnika, a następnie na skropleniu par i zebraniu skroplonej cieczy (destylatu). Podczas ogrzewania cieczy prężność pary wzrasta aż do momentu, gdy staje się równa ciśnieniu atmosferycznemu i rozpoczyna się wrzenie czyli parowanie w całej objętości cieczy.
Temperatura wrzenia cieczy jest to więc temperatura, w której prężność par cieczy jest równa ciśnieniu atmosferycznemu.
Rozróżnia się cztery typy destylacji: destylację prostą, destylację frakcyjną, destylację z parą wodną i destylację pod zmniejszonym ciśnieniem należy wyregulować tak, aby szybkość destylacji wynosiła 1 - 2 krople na sekundę. Przy silnym grzaniu duża ilość destylatu przechodzi jako niżej wrzący przedgon. Jeśli destylacja jest zbyt wolna można, to z powodu strat ciepła można nie zaobserwować prawdziwej temperatury wrzenia. Uwaga: Nigdy nie należy destylować substancji "do
sucha"!
Destylacja z parą wodną jest wygodną metodą oczyszczania substancji stałych i ciekłych, nie mieszających się z wodą, lotnych zaś z parą wodną. Opiera się ona na prawie Daltona, które mówi, że całkowita prężność pary nad mieszaniną niejednorodną stanowi sumę prężności par składników mieszaniny: p = p 1 + p 2 +...+ p n, niezależnie od ilościowego stosunku składników. Z tego wynika, że dopóki istnieją obie fazy ciekłe, destylat będzie miał stały skład, a temperatura wrzenia będzie niższa niż każdego ze składników osobno. Stosuje się więc tę metodę do destylacji cieczy lub ciał stałych (niskotopliwych) o wysokich temperaturach wrzenia lub do wydzielania lotnego z parą wodną składnika ze złożonych mieszanin. Przykładem takiego zastosowania może być wyodrębnianie olejków eterycznych z materiałów roślinnych. Jeśli destyluje się z parą wodną znaczne ilości substancji, to parę wodną wytwarza się i doprowadza do układu z kociołka z podgrzewaną wodą (patrz poniższy rysunek po lewej stronie), natomiast przy niewielkiej ilości destylowanej substancji wystarczy dodać do kolby z destylowaną substancją wystarczającą ilość wody i energicznie ogrzewając, prowadzić destylację poprzez łapacz kropel, co przedstawiono poniżej po prawej stronie Minusem destylacji z parą wodną jest konieczność oddzielenia właściwego destylatu od wody, co w przypadku ciał stałych jest proste (odsączenie i wysuszenie) natomiast w przypadku cieczy wymaga dość pracochłonnej ekstrakcji.
Zestaw aparatury do destylacji z parą wodną przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Zestaw do destylacji z parą wodną - wytwornica pary wodnej, 2 - chłodnica, 3 - kolba destylacyjna, 4 -
przedłużacz, 5 - odbieralnik, 6 - rurka bezpieczeństwa.
Ekstrakcja (z łaciny: extraho = wyciągam) jest to metoda wyodrębniania z mieszaniny ciał stałych lub cieczy jakiegoś składnika przy pomocy rozpuszczalnika tak dobranego, aby rozpuszczał przede wszystkim żądany związek. Chemicy stosują tę metodę do otrzymania związków naturalnych z materiału roślinnego (liści, kory itp.). Wszyscy korzystamy z tej metody np.
przy parzeniu kawy.
W syntezie organicznej produkt reakcji otrzymywany jest często wraz z innymi związkami w postaci roztworu lub zawiesiny w wodzie. Podczas wytrząsania takiej mieszaniny z nie mieszającym się z wodą rozpuszczalnikiem, produkt reakcji ulega ekstrakcji i może być następnie odzyskany przez odparowanie rozpuszczalnika. Ekstrakcja związku z jednej fazy ciekłej do drugiej jest procesem ustalania się równowagi zależnym od rozpuszczalności związku w obu rozpuszczalnikach. Stosunek stężenia w jednym rozpuszczalniku do stężenia w drugim nosi nazwę współczynnika podziału i jest wielkością stałą w danej temperaturze, charakterystyczną dla danej substancji i określonej pary rozpuszczalników (prawo Nernsta).
Można przyjąć, że w przybliżeniu współczynnik podziału jest równy stosunkowi rozpuszczalności danej substancji w obu rozpuszczalnikach. Związki organiczne są zwykle lepiej rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych niż w wodzie i dlatego mogą one być ekstrahowane z roztworów wodnych. Jeśli do roztworu wodnego doda się elektrolitu, np. chlorku sodu,
Biotechnologia ogólna dla studentów kierunku biotechnologia
to rozpuszczalność substancji organicznej maleje, inaczej mówiąc, substancja ulega wysalaniu. Czynnik ten pomaga wyekstrahować związek organiczny.
Ekstrakcja periodyczna (nieciągła)
Do ekstrakcji i rozdzielania warstw nie mieszających się ze sobą cieczy używa się rozdzielaczy. Do ekstrakcji roztworów wodnych używa się rozpuszczalników o mniejszej gęstości (np. eter dietylowy) lub większej gęstości niż woda (np.
chloroform lub chlorek metylenu).
Ekstrakcja ciągła
Technikę ekstrakcji ciągłej stosuje się w przypadku układów o małych współczynnikach ekstrakcji. Zastosowanie w tym przypadku ekstrakcji nieciągłej wymagałoby użycia dużych ilości rozpuszczalnika. Istotną wadą tego sposobu ekstrakcji jest bardzo duże zużycie ekstrahenta i odpowiednio małe średnie stężenie ekstraktu, stanowiącego mieszaninę cieczy ze stopniowo zmniejszającym się stężeniem substancji ekstrahowanej. Utrudnia to regenerację ekstrahenta i wydzielenie usuwanej z surówki ekstrakcyjnej substancji. Ekstrakcję typu ciało stałe-ciecz przeprowadza się kiedy trzeba wyekstrahować z ciała stałego jego składnik rozpuszczalny w jakimś rozpuszczalniku. Ten typ ekstrakcji nazywa się ługowaniem.
Ekstrakcja w układzie ciało stałe-ciecz
Ekstrakcja typu ciało stałe-ciecz jest podstawowym procesem do wyodrębniania związków organicznych z surowców roślinnych. Polega ona na wybiórczym rozpuszczaniu substancji znajdującej się w stałej próbce. W takiej sytuacji przenoszenie substancji do roztworu zależy głównie od rozpuszczalności substancji w danym rozpuszczalniku.
W większości przypadków ekstrakcja z ciał stałych jest operacją wymagającą znacznych ilości czasu, dlatego najbardziej korzystny jest ciągły sposób jej realizacji. Najczęściej stosowanym aparatem do ekstrakcji w układzie ciało stałe-ciecz jest aparat Soxhleta.
Przyspieszona ekstrakcja rozpuszczalnikiem (PLE)
W ostatnich latach opracowano szereg alternatywnych technik ekstrakcji. Jedną z nich jest przyspieszona ekstrakcja rozpuszczalnikiem (Pressurised Liąuid Extraction - PLE). Technika przyspieszonej ekstrakcji rozpuszczalnikiem dzięki zastosowaniu podwyższonego ciśnienia pozwala na przeprowadzenie procesu ekstrakcji nawet w temperaturze znacznie przewyższającej temperaturę wrzenia danego rozpuszczalnika pod ciśnieniem atmosferycznym Otrzymywanie ekstraktów roślinnych
W ostatnich latach obserwuje się rosnącą liczbę nowych produktów kosmetycznych, w których podstawowymi składnikami aktywnymi są substancje pochodzenia roślinnego. Ich zastosowanie w kosmetyce pielęgnacyjnej zmierza w dwu kierunkach.
Pierwszy z nich to wykorzystanie ich właściwości jako substancji aktywnych wpływających na stan, wygląd zdrowie skóry.
Drugi to oddziaływanie na ogólny stan psychiczny i pośrednio fizyczny człowieka. Poza samymi roślinami (ziołami, owocami, liśćmi, korzeniami) stosowanymi w stanie naturalnym, lub w formie rozdrobnionej, już od czasów prehistorycznych wytwarzano produkty kosmetyczne w formie wydzielanych z roślin ich składników.
Charakter preparatów roślinnych jak również metody wydzielania pozwalają na próbę dokonania podziału na kilka grup, różniących się składem i przeznaczeniem. Do najstarszych należą niewątpliwie oleje roślinne stosowane zarówno do celów spożywczych jak i pielęgnacyjnych. Generalnie oleje otrzymuje się z roślin przez wytłaczanie, ale również spotyka się oleje otrzymywane metodą ekstrakcji. Liczba stosowanych w kosmetyce olejów roślinnych rośnie bardzo szybko. Pestki wszystkich powszechnie znanych owoców, wszystkie nasiona i dziesiątki innych materiałów roślinnych są wytłaczane lub ekstrahowane w celu uzyskania tłuszczów o coraz ciekawszych właściwościach kosmetycznych. Druga grupa preparatów to olejki eteryczne i różnorodne ekstrakty. Warto tutaj wyjaśnić różnice między wyżej wymienionymi terminami:
-
olejki eteryczne to mieszaniny lotnych substancji (zapachowych i biologicznie czynnych) otrzymywanych przez destylację surowca roślinnego z para wodną lub przez wyciskanie (np. skórki owoców cytrusowych). Takie produkty nie mogą zawierać żadnych innych składników niż te, które pochodzą z surowca. Podobne składniki można otrzymać metodą podwójnej ekstrakcji (rozpuszczalnikiem organicznym niepolarnym i po jego usunięciu z otrzymanego konkretu rozpuszczalnikiem polarnym-najczęściej etanolem), która daje produkt zwany absolutem. Ten zazwyczaj zawiera resztki rozpuszczalników używanych w procesie, a często w celu poprawienia konsystencji dodany na końcu procesu rozpuszczalnik organiczny.
-
ekstraktem najpowszechniej nazywa się produkt otrzymany poprzez wymywanie pożądanych składników z surowca roślinnego przy pomocy rozpuszczalnika, na ogół organicznego, a następnie usunięciu rozpuszczalnika. W niektórych przypadkach dla uzyskania odpowiedniej konsystencji pozostawia się część rozpuszczalnika. Konsystencja zależy od charakteru ekstrahowanych składników (i ilości pozostawionego rozpuszczalnika) może być płynna, półpłynna lub stała (ekstrakty suche).
-
wyciągi natomiast to ekstrakty, w których pozostawiono cały lub większość rozpuszczalnika użytego do ekstrakcji.
Najczęściej dotyczy to ekstraktów wodnych, alkoholowych lub alkoholowo-wodnych, ale także glicerynowych, glikolowych, olejowych.
Budowa i występowanie olejków eterycznych
W naszym klimacie olejki eteryczne najczęściej pozyskuje się z roślin należących do następujących rodzin:
-
baldaszkowatych (Umbelliferae),
-
krzyżowych (Cruciferae),
-
liliowatych (Liliaceae),
-
różowatych (Rosceae),
-
wargowych (Labiatae),
-
złożonych (Compositae).
Olejki wytwarzane są w wyspecjalizowanych tkankach wydzielniczych. W komórce powstają tylko w cytoplaźmie przy udziale struktur Golgiego i retikulum endoplazmatycznego. Są one uważane za końcowe produkty przemiany materii.
Biotechnologia ogólna dla studentów kierunku biotechnologia
Gęstość właściwa większości olejków jest mniejsza niż wody. W temperaturze pokojowej olejki mają zwykle konsystencję płynną, rzadziej mazistą, a wyjątkowo zestalają się (olejek anyżowy). Najczęściej są bezbarwne, ale mogą być lekko żółte, brunatnawe, błękitne i zielone. Bardzo słabo rozpuszczają się w wodzie, natomiast stosunkowo łatwo rozpuszczają się w tłuszczach, rozpuszczalnikach organicznych oraz innych olejkach eterycznych. Olejki są optycznie czynne - prawo- i lewoskrętne. Temperatury wrzenia mieszczą się zwykle w przedziale 150-3000C. W temperaturze poniżej 00C niektóre olejki eteryczne wydzielają związki stałe, najczęściej w postaci krystalicznej, które zwane są stearoptenami. Na przykład z olejku miętowego uzyskuje się w ten sposób mentol, z olejku anyżowego - anetol, z kamforowego -kamforę.
Jeden olejek przeważnie składa się z kilkudziesięciu związków o różnym stężeniu, pochodzeniu i charakterze biogenetycznym.
Najważniejsze składniki olejków eterycznych należą do związków terpenowych i ich pochodnych. W ich składzie można ponadto spotkać inne niż terpeny substancje zapachowe, np.
-
estry (octan linalilu),
-
alkohole (benzylowy, fenylowy),
-
aldehydy (cynamonowy, benzoesowy),
-
ketony (iron),
-
fenole (tymol),
-
etery (anetol, eugenol),
-
węglowodory,
-
kumaryny,
-
kwasy organiczne.
Skład olejku zależy też od części rośliny, z których jest otrzymywany. W przypadku drzewa cynamonowego, głównym składnikiem olejku eterycznego zawartego w liściach jest eugenol, podczas gdy w olejku z kory dominuje aldehyd cynamonowy.
Charakterystyka niektórych olejków eterycznych
Występowanie
Zapach
Główny składnik
Aktywność
aromatoterapeutyczna
Skórka cytryny
cytrynowy
D-limonen, cytral
bakteriobójcza
Igły jodły pospolitej
balsamiczny
pinen, limonen
infekcje górnych dróg oddechowych
Skórka pomarańczy
sł
pomarańczowy nerol, limonen
antydepresyjna, lekko uspokajająca
odkiej
Ziele mięty
antyseptyczna, łagodząca, stymulująca
miętowy
mentol, menton
pieprzowej
trawienie, znieczulająca
Nasiona kminku
kminkowy
karwon, limonen
łagodząca
Pł
geraniol, cytronelol,
atki kwiatów róży
różany
alkohol
stymulująca, afrodyzjalna, antyinfekcyjna
damasceńskiej
fenyloetylowy
Igły sosny
żywiczny
pinen, kareny,kadiden
antyseptyczna, immunostymulująca
stymulująca, uspokajająca, antyseptyczna,
Nasiona lawendy
lawendowy
octan linalilu, geraniol
przeciwgrzybicza, przeciwbólowa
eukaliptol, cyneol, pinen,
przeciwbakteryjna, przeciwwirusowa,
Liście eukaliptusa
orzeźwiający
kamfen
łagodząca, pobudzająca, przeciwbólowa
gorzko
β-tujon, pinen, salwen,
stymulująca, łagodząca depresje,
Ziele szałwi
ziołowy
kamfen, borneol
ułatwiająca oddychanie
Ziele tymianku
tymolowy
tymol
immunostymulująca, pobudzająca
Terpeny wchodzące w skład olejków eterycznych to:
-
hemiterpeny ( jedna jednostka izoprenowa-1xC5),
-
monoterpeny (dwie jednostki izoprenowe-2xC5) acykliczne, monocykliczne lub dwucykliczne
-
seskwiterpeny ( trzy jednostki izoprenowe-3xC5).
Hemiterpeny
-
kwas metyloetylooctowy z olejku arcydzięglowego
-
kwas izowalerianowy z olejku walerianowego
-
alkohol izoamylowy z olejku miętowego
-
prenol z olejku kopru włoskiego
Biotechnologia ogólna dla studentów kierunku biotechnologia
Monoterpeny (C10H16)
W olejkach monoterpeny stanowią najliczniejszą grupę związków. Są one bardzo lotne i mają intensywny zapach.
Związki te charakteryzują się dużą różnorodnością struktur związanych z możliwością cyklizacji, obecności podwójnych wiązań, izomerii strukturalnej i optycznej. Ze względu na budowę monoterpeny oraz ich pochodne (najczęściej tlenowe), czyli monoterpenoidy, można podzielić na niecykliczne, jednopierścieniowe, i dwupierścieniowe. Ze względu na stopień utlenienia w wymienionych monoterpenach i monoterpenoidach można wyróżnić węglowodory, alkohole, aldehydy, ketony, kwasy, estry i tlenki.
a. monoterpeny niecykliczne
-
cytronelol - olejek różany i pelargoniowy
-
geraniol – olejek różany, pelargoniowy i cytrynowy
b. monoterpeny jednopierścieniowe:
-
limonen - olejek pomarańczowy, cytrynowy, kminkowy, świerkowy, jodłowy,
-
oc-terpinen - składnik olejku kolendrowego i pomarańczowego,
-
mentol - składnik olejku mięty pieprzowej.
c. monoterpeny dwupierścieniowe stanowią jedną z najbardziej zróżnicowanych grup terpenoidów i dzielą się pod względem budowy szkieletu węglowego na siedem głównych grup. Najważniejsze to grupa tujanu - α-tujon – olejek tujowy i ziele piołunu; grupa karanu -3-karen z olejku sosnowego oraz grupa pinenu, której przedstawicielem jest kamfora z olejku kamforowego
Seskwiterpeny C15H24
Stanowią dużą grupę związków. Są gęstymi lepkimi cieczami, wrzącymi powyżej 250 OC , nie rozpuszczają się w wodzie, natomiast łatwo ulegają rozpuszczeniu w rozpuszczalnikach organicznych. Możemy wśród nich wyróżnić związki acykliczne, monocykliczne, dwucykliczne i trójcykliczne. Przykłady seskwiterpenów to:
-
farnezol – składnik olejku konwaliowego, lipowego, muszkatołowego, akacjowego,
-
bisabolen - z olejku bergamotowego oraz roślin cytrusowych,
-
kadiden – olejek sosnowy.
Związki aromatyczne wchodzące w skład olejków eterycznych to węglowodory aromatyczne i ich pochodne, fenole i ich pochodne oraz heterocykliczne pochodne związków aromatycznych. Bardzo często są one syntetyzowane z jednostek izoprenoidowych (tak jak terpenoidy) a nie w przemianach pierścienia aromatycznego (cykl szikimowy).
-
węglowodory aromatyczne - na uwagę zasługują tutaj alkohol i aldehyd kuminowy, istotne składniki olejku otrzymywanego z kminu rzymskiego, aldehyd anyżowy oraz główne składniki olejku cynamonowego (alkohol, aldehyd i kwas cynamonowy).
-
fenole i ich pochodne przykładem fenoli jedno wodorotlenowych są anetol oraz estragol składniki olejku estragonowego a także tymol składnik olejku tymiankowego. Do fenoli dwuwodorotlenowych należy eugenol -składnik ziela angielskiego i liści laurowych.
Wykonanie ćwiczenia
I. Otrzymywanie olejków eterycznych metodą destylacji z parą wodną
1. Zestawić aparaturę (podgrzewamy tylko kolbę z wodą destylowaną).
2. W kolbie z wodą destylowaną uzupełnić poziom wody do kreski.
3. Do kolby o poj. 500 cm3 wsypać rozdrobniony i zważony materiał roślinny (skórka pomarańczy lub cytryny, melisa, lawenda, mięta, płatki kwiatów).
4. Podłączyć dopływ wody do chłodnicy, jako odbiornika destylatu użyć zlewki o pojemności 50-100 cm3.
5. Włączyć ogrzewanie kolby z wodą destylowaną.
6. Destylację prowadzić do momentu napełnienia odbiornika do ¾ objętości.
7. Uzyskany olejek eteryczny zebrać pipetą, lub zlać delikatnie wierzchnią warstwę wody z olejkiem do probówki lub cylindra miarowego o pojemności 25 cm3. Określić ilość uzyskanego olejku.
8. Dokonać pomiaru współczynnika skręcalności optycznej w refraktometrze.
9. Rozmontować aparaturę i umyć szkło.
II. Opracowanie wyników
Wyniki, obserwacje z przebiegu destylacji i wnioski.
III. Materiały do ćwiczeń, które zapewnia student !!!!
Materiał roślinny do otrzymywania olejku: skórka pomarańczy lub cytryny, melisa, lawenda, mięta, płatki kwiatów
Biotechnologia ogólna dla studentów kierunku biotechnologia
IV. Zagadnienia teoretyczne:
1. Środki zapachowe – ogólna charakterystyka.
2. Metody izolacji olejków eterycznych.
3. Zastosowanie olejków eterycznych.
4. Surowce stosowane do uzyskiwania środków zapachowych.
5. Destylacja z parą wodną
6. Ekstrakcja
V. Literatura
1. Koźmińska-Kubarska A., Zarys kosmetyki lekarskiej, PZWL, 1978.
2. Fengier W., Szeląg P., Chemia kosmetyczna, 1998.
3. Arct J., O kosmetykach, WTN, 1987.