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OLI ESSENZIALI:
estrazione, caratterizzazione, ruolo biologico, usi
Giuseppe Ruberto
Catania, 22 Marzo 2011
Consiglio Nazionale delle RicercheIstituto di Chimica Biomolecolare – Catania
Consiglio Nazionale delle Ricerche
Istituto di Chimica Biomolecolare
Catania
Le piante accumulano gli oli essenziali in cellule specializzate che possono trovarsi su foglie, fiori, frutti, rami, corteccia, radici
Foglia di CoriandoloFoglia di Eucalipto
Buccia di agrumi
www.ehow.comwww.anbg.gov.au
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OLI ESSENZIALIPer OLIO ESSENZIALE si intende una complessa miscela di
svariati componenti ottenuta esclusivamente mediante distillazione/idrodistillazione da una matrice vegetale. L’unica eccezione è presentata dagli oli essenziali di agrumi che sono
ottenuti mediante procedimenti meccanici. Sono chiamati anche oli volatili in quanto diffondono facilmente nell’aria
dove sono percepiti dall’olfatto.
Metabolismo
Primario•carboidrati
•lipidi
•proteine
•acidi nucleici
•coenzimi
•vitamine
Metabolismo
Secondario•alcaloidi
•antrachin
oni
•flavonoidi
•polifenoli
•steroidi
•terpeniOli essenziali
ORGANISMI VIVENTI
La funzione degli oli essenziali è ancora materia di discussione…
Come molti altri prodotti secondari, gli oli essenziali sono stati per lungo tempo considerati prodotti di scarto.
Tuttavia, i percorsi biosintetici che portano alla loro formazione sono altamente specializzati, e la loro produzione implica una notevole
“spesa” energetica da parte della pianta.
Le conoscenze attuali dimostrano che essi possiedono un ruolo difensivo nei confronti degli erbivori e di prevenzione contro gli
attacchi di agenti patogeni (batteri , funghi). Oltre a queste si ritiene svolgano azioni mollto più specialistiche quali la capacità di attrarre gli insetti impollinatori, o altri animali capaci di disperdere i semi, oppure difendere la pianta da stress ambientali (radiazione solare,
siccità), e fungere da termoregolatori.
RUOLO BIOLOGICO DEGLI OLI ESSENZIALI
SEMIOCHIMICI (dal Greco semeon = signale) sono sostanze chimiche di segnalazione che un organismo può rilevare nel suo ambiente naturale e che modificano il suo comportamento. Si conoscono due classi di semiochimici: FEROMONI ed ALLELOCHIMICI, i primi coinvolti nella ‘comunicazione’ fra animali (principalmente insetti) della stessa specie, i secondi nelle relazioni interspecifiche pianta/pianta e pianta/insetto.
Molti oli essenziali e/o loro componenti si comportano come allelochimici, che sulla base della funzione svolta possono essere suddivisi in:
Allomoni: Sostanze che beneficiano l’emettitore ma non il ricevente (oli essenziali che “gocciolano” ai piedi di un albero impedendo la germinazione di altre piante).
Kairomoni: Sostanze che beneficiano il ricevente ma non l’emettitore .
Sinomoni: Sostanze che mediano una relazione mutualistica, beneficiando sia l’emettitore che il ricevente.
OLI ESSENZIALI COME SEMIOCHIMICI
Gli oli essenziali sono di norma complesse miscele di decine di
differenti composti organici volatili, quali idrocarburi, alcoli, acidi, esteri,
aldeidi, chetoni, eteri, fenoli, composti azotati e solforati, ecc.
I terpenoidi sono i componenti più frequentemente presenti,
fenilpropanoidi ed idrocarburi sono altri importanti composti.
LA CHIMICA
TERPENI
C10 monoterpeni – O.E.
C15 sesquiterpeni – O.E.
C20 diterpeni – O.E. (rari)
C30 triterpeni
C40 tetraterpeni
monoterpenemonociclico
sesquiterpenemonociclico
diterpenetriciclico
OPPOPPIPP
isopentenyldiphosphate
DMAPPdimethylallyldiphosphate
I monoterpeni sono fra i componenti più rappresentati, se ne contano più di 3500, in pratica sono rarissimi gli oli essenziali senza monoterpeni.
I monoterpeni
basilico Agrumi
rosa damascena
O
cis- rose- oxide
H
O
Geranial
OH
Linalool Limonene
OH
timolo
origano
Oltre ai terpenoidi, molti composti fenolici, quali i fenilpropanodi, sono responsabili dell’aroma di molte spezie.
cannella
chiodi di garofano
finocchio
funghi pomodoro
OH
OMe
Eugenol
OH1- octen- 3- ol
MeO Estragole
H
O
3- cis- hexenal
MeO Anethole
Mentre molte acetogenine, provenienti dalla degradazione di composti lipidici
(acidi grassi, carotenoidi) sono i componenti aromatici di molti comuni vegetali.
IL MERCATO DEGLI OLI ESSENZIALI
Si stima che siano noti oltre 3000 oli essenziali, tuttavia solo 300 sono normalmente commercializzati. La produzione oscilla fra 20,000 – 30,000 tonnellate
per gli oli di agrumi (arancia) a meno di 100 kg per alcuni estratti floreali. I prezzi oscillano fra 2 – 70 US$/kg, raggiungendo cifre molto alte per alcuni
oli particolari
Principali oli essenziali e prezzi:ton/year $/kg
Arancia 26,000 2
Menta comune 4,300 25Menta piperita 3,500 40Eucalipto (cineolo) 3,300 10Citronella 2,800 15Limone 2,200 18Eucalipto (citronellale) 2,000 8Limetta (distillato) 1,000 18Lavandino (ibrido) 800 20Coriandolo 800 65Pompelmo 700 15
Il caso paradossale dello olio di Iris
L’olio essenziale di molte specie di Iris è ottenuto dalle radici dopo una ‘stagionatura’ di tre-cinque anni.
Le radici fresche, infatti, non presentano olio essenziale che si forma dalla”degradazione’ di alcuni precursori.
Questo olio essenziale, dall’aroma simile a quello della violetta, è uno dei principali componenti di profumi molto pregiati.
radici
1 kg = 40.000-50.000 euro (!!!)
1.000 kg di fiori di arancio
600 kg di geranio
6 – 7 kg di chiodi di garofano
Per esempio per ottenere un kg di olio essenziale sono necessari:
Tropico del Capricorno
Tropico del Cancro
Le più importanti spezie ed i relativi oli essenziali dal punto di vista commerciale provengono dall’aria
tropicale:
peperoncinonoce moscata
cardamomo
pimento
vanigliachiodi di garofano cannella
ginger
curcuma
I principali mercati sono gli Stati Uniti, la Comunità Europea, il Giappone, Singapore, l’Arabia e la Malesia. I principali paesi
produttori sono la Cina, l’India, il Vietnam, il Brasile, il Guatemala e Ceylon.
Tropico del Capricorno
Tropico del Cancro
…. e quelle delle zone temperate:
menta
timo
coriandolo alloro
cumino
salviazafferanoorigano
basilico
sesamoagrumi
ESTRAZIONE ED ANALISI DEGLI
OLI ESSENZIALI
Gli oli essenziali, o le sostanze volatili presenti in una matrice vegetale, o quelle che si formano tramite una serie di trasformazioni (vedi analisi della matrice lipidica di molti alimenti), si ottengono sfruttando la loro caratteristica fondamentale, cioè di essere altamente volatili. Pertanto una distillazione o una idrodistillazione sono le metodiche più comunemente adottate. Solo in alcuni casi, come gli agrumi ad esempio, gli oli essenziali sono ottenuti meccanicamente.
La stessa caratteristica, cioè l’elevata volatilità, condiziona anche il metodo di analisi. In questo caso la gascromatografia
(GC) è la scelta obbligata.
Tempo balsamico per la raccolta di diverse parti di una pianta
OrganiOrgani PeriodoPeriodo
Radice, tubero, rizoma, Radice, tubero, rizoma, bulbobulbo
Autunno (prima della caduta delle Autunno (prima della caduta delle foglie)foglie)Primavera (prima della Primavera (prima della gemmazione)gemmazione)
Fusto (legno)Fusto (legno) Inverno (prima dello sviluppo delle Inverno (prima dello sviluppo delle gemme)gemme)
CortecciaCorteccia Autunno – primaveraAutunno – primavera
GemmaGemma PrimaveraPrimavera
FioreFiore Primavera – estatePrimavera – estate
FogliaFoglia PrimaveraPrimavera
FruttoFrutto Estate – autunnoEstate – autunno
SemeSeme Estate – autunnoEstate – autunno
Come si ottengono gli oli essenziali da una matrice vegetale
La metodica più comune per ottenere un olio essenziale è una variante della classica distillazione, nota come distillazione in corrente di vapore. Una metodica alternativa che sfrutta lo stesso principio è l’idrodistillazione.
In casi particolari, il più noto dei quali è relativo agli agrumi, l’olio essenziale si ottiene meccanicamente, raschiando la parte esterna del frutto, il flavedo, dove sono localizzate le ghiandole oleifere, emulsionando con acqua e separando per centrifugazione.Una più recente metodica prende in considerazione i fluidi supercritici, in particolare l’anidride carbonica. Da molti considerata la migliore tecnica per ottenere un ottimo olio essenziale, ha il grosso svantaggio di essere particolarmente costosa.
Schema del processo di distillazione in corrente di vapore
ingressovapore
il vapore attraversail materiale vegetale
(in giallo)e distilla l’olio
miscela vapore/olio
CONDENSATORE
acqua fredda in entrata
acqua in uscita
olio essenziale raccolto nellaparte superiore del separatore
CALDAIA
SEPARATORE
l’idrolato esce dalla parteinferiore del separatore
da www.galenotech.org/estratti.htm
IdrodistillatorIdrodistillatoree
In A si pone il materiale vegetale in acquae si porta ad ebollizione, per ca. 2-3 ore.
In B si raccoglie l’olio essenziale che si stratificherà sull’acqua, per essere quindi raccolto.
SPAZIO DI TESTA DINAMICOSPAZIO DI TESTA DINAMICO
Gas inerte (elio/azoto)
Bagnotermostatato
Cartuccia dimateriale assorbente
Estrazione in vivo dell’aroma di un
fiore
MICROESTRAZIONE IN FASE SOLIDA - SPME
Questa procedura è un estensione della estrazione in fase solida SPE. In questo caso una fibra adsorbente è posta in prossimità di un campione da analizzare, che è opportunamente riscaldato per favorire l’evaporazione delle sostanze volatili.
Sistema SPME
Dettaglio dell’iniettoredel GC con inserita la
siringa SPME
Queste sono adsorbite sulla fibra, che può essere di varia natura per selezionare il materiale da estrarre. Ultimata la procedura di estrazione, lo strumento che altro non è che una siringa, è inserito nell’iniettore del gas cromatografo (GC). Per riscaldamento della fibra si ottiene il desorbimento del materiale adsorbito che è quindi analizzato.
OLI ESSENZIALI DI AGRUMIProcedimenti esclusivamente meccanici che prevedono
l’ottenimento del succo e degli oli essenziali
METODOF.M.C.
METODO“SFUMATRICE”
ANALISI DEGLI OLI ESSENZIALI E DEGLI AROMI
Densità ed indice di rifrazione sono due importanti parametri per stabilire la qualità di un olio essenziale, ma da soli non bastano.
Per stabilire l’effettiva qualità di un olio essenziale, così come le possibili adulterazioni, è necessario ricorrere alla gas-cro- matografia abbinata a differenti rivelatori.
GC-FID = Gas Chromatography – Flame Ionization Detector
GC-MS = Gas Chromatography – Mass Spectrometry
CROMATOGRAFIA
E’ una tecnica di separazione di miscele complesse, che si basa sulla competizione di due forze. Una che tende a trattenere le sostanze presenti nella miscela (detta Fase Stazionaria) e una che tende a farle muovere (detta Fase Mobile) La Fase Stazionaria è di norma un solido inerte su cui le sostanze tendono ad adsorbire.La Fase Mobile può essere un liquido o un gas che tende a trasportare le sostanze.
Dato che ogni composto ha una sua particolare affinità sia per la fase stazionaria che per la fase mobile, modulando opportunamente queste due forze è possibile separare nei loro singoli componenti miscele molto complesse.
GASCROMATOGRAFIA
Il detector o rivelatore è il sistema che rivela le sostanze man mano che escono dalla colonna:FID = ionizzazione di fiamma, le sostanze sono bruciate, gli ioni che si formano forniscono un segnale elettrico;MS = spettrometria di massa, le sostanze sono ‘frantumate’ fornendo uno spettro di massa, caratteristico di ogni singola sostanza.
Nella gas cromatografia la fase stazionaria è un supporto solido, la fase mobile è un gas (idrogeno, azoto, elio).
La miscela tramite siringa è inserita nell’iniettore dove è vaporizzata (250 °C) passando quindi nella colonna inserita in un forno, in tal modo è possibile eseguire le analisi ad una temperatura ben definita (isoterma), oppure creare un gradiente crescente di temperatura.
Profilo GC-FID di un olio essenziale di Origano siciliano
Dati: area del picco (%), tempo di ritenzione
tempotRX
GC di miscela di n- alcani conC, C+1 atomi di carbonio, ecc.
C C+1X
GC componente X incognito
tRCtRC+1
I ndice di Kovats, RI = 100 C + 100 log tRX + logtRC
logtRC+1- logtRC
L’indice di ritenzione (RI) è una caratteristica invariante di ogni sostanza, a differenza del tempo di ritenzione. L’indice di ritenzione è relativo a quello di una miscela di n-alcani, analizzata nelle stesse condizioni del composto/i incognito (X). A ciascun n-alcano è assegnato per definizione un indice di ritenzione pari a 100 x il suo numero di atomi di carbonio.
Dove tRX, tRC e tRC+1 sono i tempi di ritenzione del composto incognito X, dell’alcano con C atomi di carbonio e dell’alcano con C+1 atomi di carbonio
Calcolo dell’indice di ritenzione - RI
Gas cromatografia – Spettrometria di
Massa GC-MS
Interfaccia direttafra la colonna
capillare e l’MS
La spettrometria di massa e' una tecnica che di norma permette di attribuire la formula molecolare ai composti chimici. Sono necessari anche pochi millesimi di milligrammo per ottenere uno spettro di massa da cui risalire alla struttura di un determinato composto. Nella nostra attività, si ha spesso a che fare piuttosto che con composti puri con miscele molto complesse, quali sono un estratto di una pianta officinale o un olio essenziale. In questo caso l'accoppiamento della spettrometria di massa con la gas-cromatografia (GC) o con la cromatografia liquida ad alta efficienza (HPLC) permette di ottenere moltissime informazioni sulla loro composizione.
Schema di uno spettrometro di massa
SPETTROMETRIA DI MASSA
L’analizzatore quadrupolo è un analizzatore di ioni compatto e, di norma, poco costoso basato sul campo magnetico statico.Il flusso di ioni attraversa uno spazio a sezione quadrata al centro di quattro barre orizzontali parallele alle cui coppie diagonalmente opposte sono applicate correnti continue di segno opposto. Questo campo elettrico fisso, unito ad un altro oscillante con frequenze dell'ordine delle onde radio, fa muovere gli ioni secondo traiettorie sinusoidali consentendo solo a quelli di una data massa di attraversare l'intero quadrupolo e giungere al rivelatore.
Schema generale di un HPLC o GC MS a quadrupolo
Dettaglio del quadrupolo e suo funzionamento.Solo gli ioni la cui massa ricade nel range selezionato
raggiungono il detector.
ANALIZZATORE A QUADRUPOLO
Procedura di “matching” fra lo spettro di massa del componente x e gli spettri massa presenti nella banca dati
Un valore di somiglianza (matching) di oltre l’85 % è un ottimo indizio , che se corroborato anche dall’indice di ritenzione fornisce
la definitiva caratterizzazione del componente.
LinaloloMonoterpene ossigenato
-CariofilleneSesquiterpene idrocarburo
Profilo GC-MS di un olio essenziale di limoneProcedura di “matching”
• antibatterica• antivirale
• antifungina• anti-infiammatoria
• ansiolitica• antispastica
• antiossidante
sono gli effetti farmacologici attribuiti agli oli essenziali (confermati da diversi saggi in vitro ed in alcuni in vivo).
Altre attività con minori supporti sperimentali sono quelle:
analgesica, carminativa, antiemetica, anti-depressiva
ATTIVITA’ BIOLOGICHE DEGLI OLI ESSENZIALI
SETTORI DI UTILIZZO DEGLI OLI ESSENZIALI
Aromi Cura Personale Farmaceutica Industriale
Alimenti & Bevande- Aromatizzazione- Dolci- Conservanti- Bevande
Industria del Tabacco- Aromatizzazione- Fissativi
Farmaceutico- Aromatizzazione
Cosmetica & Igiene- Profumi, Colonie- Sprays- Creme, Polveri- Saponi, Shampoo
Igiene Orale- Dentifrici- Collutori- Antisettici- Cementi
Prodotti per la casa- Saponi & Detergenti- Smacchiatori- Aromatizzazione ambienti
Medicinali- Antimicrobici- Decongestionanti
Veterinaria- Farmaceutici
Pesticidi- Sprays- Repellenti- Trappole
Industria dell’auto- Lucidanti,- Smacchiatori- Deodoranti
Carta & Stampa- Pastelli, inchiostri- Etichette, imballaggi
Gomma & Plastica- Deodoranti- Gomma e plastica
Industria Tessile- Deodoranti- Tappezzeria- Materiali di finitura
Colori & Adesivi- Cementi e Colle- Colori, Abrasivi- Smacchaitori
Adattato da “Herbs, spices and essential oil: post harvest operations in developing country”di M. Douglas et al., FAO, 2005