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ACEITES ESENCIALES: GENERALIDADES, EXTRACCIÓN, CARACTERIZACIÓN Y USOS

Ing. Eduardo Valarezo INSTITUTO DE QUÍMICA APLICADA UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA Loja - Ecuador

ACEITES ESENCIALES: Temática Temática: Generalidades •Definición •Reseña Histórica •Clasificación •Distribución y estado natural •Propiedades fisicoquímicas • Composición química Extracción •Introducción •Reseña histórica •Generalidades sobre la aplicación de las operaciones unitarias extractivas •Métodos de obtención de los aceites esenciales •Destilación con agua (Hidrodestilación) •Destilación por arrastre con vapor •Formación de emulsiones en el proceso de arrastre con vapor •Destilación con agua – vapor •Aplicación de la cohobación •Destilación previa maceración •Destilación sometida a una degradación térmica •Procesos de expresión aplicados a los cítricos •Técnicas de vanguardia para la extracción de aceites esenciales •Utilización de los ultrasonidos en el proceso extractivo de hidrodestilación •Extracción por microondas •Extracción por fluidos en estado supercrítico

ACEITES ESENCIALES: Generalidades

ACEITES ESENCIALES: Definición Los aceites esenciales son las fracciones líquidas volátiles, generalmente destilables por arrastre con vapor de agua, que contienen las sustancias responsables del aroma de las plantas Los aceites esenciales son sustancias líquidas, aromáticas y volátiles situadas en diferentes parte del vegetal, conformados por un grupo heterogéneo de sustancias orgánicas (alcoholes, aldehídos, ésteres, cetonas, etc.) (Bonino Pedro et al.). Los aceites esenciales son mezclas de sustancias obtenidas de plantas, que presentan como características principales su compleja composición química y su carácter fuertemente aromático (refiriéndonos al término aroma y no al concepto químico de aromaticidad) (Ortuño Manuel). Parte del metabolismo de un vegetal, compuesto generalmente por terpenos, que están asociados o no a otros componentes, la mayoría de ellos volátiles, y generan en conjunto el olor de dicho vegetal (Bandoni Arnaldo). Son mezclas homogéneas de compuestos químicos orgánicos, provenientes de una misma familia química, terpenoides. Tienen la propiedad en común, de generar diversos aromas agradables y perceptibles al ser humano. A condiciones ambientales, son líquidos menos densos que el agua, pero más viscosos que ella. Poseen un color en la gama del amarillo, hasta ser transparentes en algunos casos (Günther, 1948; Teuscher et al., 2005; Parry, 1921; Muñoz, 2002; Peter, 2004).

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ACEITES ESENCIALES: De donde se los extrae? Se los extrae de las plantas aromáticas Plantas aromáticas son aquellas que tienen un contenido sobresaliente en aceites esenciales y representan una amplia variedad de especies. Como grupo son especies valoradas por sus aromas y sabores característicos así como por sus propiedades medicinales. De los millones de plantas existentes en nuestro planeta, se conocen alrededor de 20000 plantas aromáticas y de éstas unos 4000 aceites esenciales distintos

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ACEITES ESENCIALES: Reseña Histórica Existen referencias en manuscritos egipcios, chinos y hay alrededor de 200 citas en la Biblia relacionadas con estas sustancias. «Aceite esencial» fue un término utilizado por primera vez en el siglo XVI por Paracelso (famoso médico y farmacéutico) quien utilizó aceites esenciales como medicamentos y los consideró como la «quintaesencia», o elemento inmaterial presente en todo ser, propuesta por Aristóteles dos mil años antes y que junto a la tierra, el aire, el fuego y el agua constituyen los elementos fundamentales que conforman todo ser vivo o inanimado, según la teoría aristotélica. Entre los siglos XVI y XVII se prepararon por primera vez en las farmacias de todo el mundo la mayor parte de los aceites esenciales de que se dispone en la actualidad. Con la llegada de la medicina moderna, la utilización de vacunas y antibióticos sustituyó a los antiguos remedios basados en aceites esenciales, aunque desde el siglo XIX su demanda creció hasta hacer necesaria la industrialización de la producción debido a su empleo masivo en perfumes y sabores para alimentación. Sobre el 1850 el fuerte impulso de la química orgánica sintética y el análisis de componentes de algunos aceites esenciales llevó a la producción de aceites aromáticos sintéticos que imitaban a los naturales de «wintergreen», vainilla o almendras amargas.

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ACEITES ESENCIALES: Clasificación Los aceites esenciales se clasifican con base en diferentes criterios: consistencia, origen y naturaleza química de los componentes mayoritarios. De acuerdo con su consistencia se clasifican en esencias fluidas, bálsamos y oleorresinas. Las esencias fluidas son líquidos volátiles a temperatura ambiente. Los bálsamos son de consistencia más espesa, son poco volátiles y propensos a sufrir reacciones de polimerización, son ejemplos el bálsamo de copaiba, el bálsamo del Perú, Benjuí, bálsamo de Tolú, Estoraque, etc. Las oleorresinas tienen el aroma de las plantas en forma concentrada y son típicamente líquidos muy viscosos o sustancias semisólidas (caucho, gutapercha, chicle, oleorresina de paprika, de pimienta negra, de clavero, etc.). De acuerdo a su origen se clasifican como naturales, artificiales y sintéticas. Los naturales se obtienen directamente de la planta y no sufren modificaciones físicas ni químicas posteriores, debido a su rendimiento tan bajo son muy costosas. Los artificiales se obtienen a través de procesos de enriquecimiento de la misma esencia con uno o varios de sus componentes, por ejemplo, la mezcla de esencias de rosa, geranio y jazmín enriquecida con linalool, o la esencia de anís enriquecida con anetol. Los aceites esenciales sintéticos como su nombre lo indica son los producidos por la combinación de sus componentes los cuales son la mayoría de las veces producidos por procesos de síntesis química. Estos son más económicos y por lo tanto son mucho más utilizados como aromatizantes y saborizantes (esencias de vainilla, limón, frutilla etc.).

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ACEITES ESENCIALES: Clasificación

Desde el punto de vista químico y a pesar de su composición compleja los aceites esenciales se pueden clasificar de acuerdo con los componentes mayoritarios. Según esto los aceites esenciales ricos en monoterpenos se denominan aceites esenciales monoterpénicos (por ej. hierbabuena, albahaca, salvia, etc.). Los ricos en sesquiterpenos son los aceites esenciales sesquiterpénicos (por ej. copaiba, pino, junípero, etc.). Los ricos en fenilpropanos son los aceites esenciales fenilpropanoides (por ej. clavo, canela, anís, etc.). Aunque esta clasificación es muy general resulta útil para estudiar algunos aspectos fitoquímicos de los monoterpenos, los sesquiterpenos y los fenilpropanos, sin embargo existen clasificaciones más complejas que tienen en cuenta otros aspectos químicos.

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ACEITES ESENCIALES: Distribución y estado natural Distribución y estado natural Los aceites esenciales se encuentran ampliamente distribuidos en plantas que incluyen las Compuestas, Lamiaceas, Lauráceas, Mirtáceas, Pináceas, Rosáceas, Rutáceas, Umbelíferas, etc.

Ejemplo: Planta Aromáticas Estudio realizado de aproximadamente 2000 artículos en “The Journal of Essential Oil Research” y otras revistas especializadas

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ACEITES ESENCIALES: Distribución y estado natural

Principales estructuras vegetales donde se localizan los productos aromáticos (De Silva)

Estructura Celular

Ejemplos

Pelos glandulares

Lamiaceae, Verbenaceae, Geraniaceae

Cavidades esquizógenas

Myrtaceae, Poaceae, Asteraceae

(Células separadas unas de otras) Canales lisígenos (Espacios resultantes por disolución celular)

Rutaceae

Canales resinosos

Coniferae

Canales gomosos

Cistaceae, Burseraceae

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ACEITES ESENCIALES: Propiedades fisicoquímicas

Son inflamables, No son tóxicos (mientras la dosis suministrada no supere los límites de toxicidad.), aunque pueden provocar alergias en personas sensibles a determinados terpenoides (Cadby et al., 2002). Son inocuos. Sufren degradación química en presencia de la luz solar, del aire, del calor, de ácidos y álcalis fuertes. Generando oligómeros de naturaleza indeterminada. Son solubles en los disolventes orgánicos comunes. Casi inmiscibles en disolventes polares asociados (agua, amoniaco). Tienen propiedades de solvencia para los polímeros con anillos aromáticos presentes en su cadena. Son aceptados como sustancias seguras (GRAS) por la Agencia de Drogas y Alimentos de E.E.U.U. (FDA) (Code of Federal Regulations, 2003). Métodos fundamentales de análisis de propiedades aceites esenciales Propiedades físicas Apariencia (viscosa, etc) Color (desde amarillo claro hasta azul oscuro) Olor (dulce, acido, amaderado, fresco, etc) Densidad relativa a 20Cº (generalmente menor a 1, ejemplo 0.845) Índice de refracción a 20Cº (147428 nD, etc) Rotación óptica a 20Cº((+)135.34, (-)245.63 °Z) Solubilidad en mezclas alcohol-agua (alcoholes rebajados)

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ACEITES ESENCIALES: Propiedades fisicoquímicas

Propiedades Químicas Miscibilidad en etanol Índice de acidez Índices de saponificación y éster Determinación de aldehídos y cetonas Formación de fenilhidrazonas Índice de acetilo Técnicas cromatográficas: TLC, TLC/AgNO3, HRGC, HPLC Métodos espectroscópicos: UV, IR, GC-MS, 1H-, 13C-NMR Perfil cromatográfico

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ACEITES ESENCIALES: Composición química Los aceites esenciales generalmente son mezclas complejas de hasta más de 100 componentes que pueden tener la siguiente naturaleza química: Compuestos alifáticos de bajo peso molecular (alcanos, alcoholes, aldehídos, cetonas, ésteres y ácidos). Monoterpenos:

Sesquiterpenos:

Fenilpropanos:

ACEITES ESENCIALES: Extracción

ACEITES ESENCIALES: Extracción Introducción La extracción es el proceso de aislamiento o separación de aceite esencial de la materia prima (planta aromática) que una vez sin aceite se le denomina material agotado Reseña histórica Se han encontrado escritos que demuestran que los egipcios sabían destilar las esencias de las Coníferas 40 siglos A.C. El egipcio Zozimo de Tebas (siglo III), eminente químico, reportó que la destilación seca era practicada en los templos bajo la protección del Dios Horus. Los faraones utilizaron los aceites para ser embalsamados. Una vez retiradas las vísceras del cuerpo las personas (bandoni Arnaldo) La caída del imperio romano hace olvidar la utilización de los aceites esenciales. Recién en la edad media los árabes redescubren la destilación de plantas, y es en el siglo XIII gracias a los trabajos de Gerberen que inventan el serpentín y el medio de enfriamiento. En el siglo XVII casi todas las plantas aromáticas de Europa y del Medio Oriente ya eran destiladas. En el siglo XVIII se realizan los primeros controles, con el fin de descubrir las falsificaciones.

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Reseña histórica Demanchy en su obra sobre “El Arte de destilación de aguas fuertes” en 1775 describe un equipo para la destilación de plantas empleando el vapor de agua. A mediados del siglo XIX los primeros análisis químicos y la producción de aceites esenciales comerciales hacen su aparición. Fueron fundamentales los trabajos de Otto Wallach, premio Nobel de Química de 1910 por su labor en el análisis de los terpenos. Los del suizo Leopold Ruzicka, premio Nobel de química de 1939 por sus trabajos sobre semisíntesis orientada a la perfumería

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ACEITES ESENCIALES: Generalidades sobre la aplicación de las operaciones unitarias extractivas Las operaciones unitarias difusionales son procesos extractivos aplicados a los productos aromáticos, la separación se realiza debido a la transferencia por “difusión” de uno o varios componentes cuando dos fases se ponen en contacto. Por difusión se entiende el movimiento a escala molecular de componentes químicos dentro de una sustancia de una región de alta concentración a una de baja concentración. Clasificación de las Operaciones Unitarias en Ingeniería Química.

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ACEITES ESENCIALES: Generalidades sobre la aplicación de las operaciones unitarias extractivas

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales

Destilación con agua o hidrodestilación. Destilación por arrastre con vapor. Destilación con agua y vapor. Cohobación. Destilación previa maceración. Destilación sometida a una degradación térmica. Expresión Extracción con fluidos supercríticos

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Procesos utilizados y productos provenientes de plantas aromáticas. (Tuley de Silva, 1995).

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Destilación con agua (Hidrodestilación) Representación esquemática del Equipo tipo CISIRILL. (Tuley de Silva, 1995).

Los aceites esenciales normalmente presentan notas más fuertes y un color más oscuro con respecto a los producidos por otros métodos. Es posible decir, en general, que los aceites producidos por destilación en agua son de menor calidad que los producidos por otros métodos.

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Destilación por arrastre con vapor Equipo piloto de extracción de aceites esenciales tipo CIATEJ.

PTOTAL= PH2O + PA

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Destilación por arrastre con vapor

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Destilación por arrastre con vapor Formación de emulsiones en el proceso de arrastre con vapor Cuando sealizan destilaciones hetero-azeotrópicas de plantas aromáticas utilizando unidades de extracción con vapor, una vez efectuada la condensación de dos líquidos no miscibles, se obtienen generalmente en el recipiente de decantación emulsiones de tipo directa, es decir aceite en agua y emulsiones inversas de agua en aceite, que son muy estables y difíciles de separar. Estas emulsiones, llamadas “térmicas”, de aspecto lechoso, tienen diámetro de gotas de algunos micrones.

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Destilación por arrastre con vapor Formación de emulsiones en el proceso de arrastre con vapor Ecuación de Stokes, que expresa la relación que existe entre la velocidad ascencional o de sedimentación de una microgota de la fase dispersa en el seno de una fase continua.

En la ley de Stokes se encuentran expresadas el conjunto de técnicas de separación aceleradas que pueden ser aplicadas para separar emulsiones de tipo secundario. Para acelerar la velocidad ascencional o de sedimentación de la fase dispersa, se puede influir directamente o indirectamente sobre los 4 parámetros que condicionan esta última.

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Destilación por arrastre con vapor Formación de emulsiones en el proceso de arrastre con vapor

1.

Si se influye sobre la viscosidad (uc) tratamiento térmico.

2. Para influir sobre la diferencia de densidad entre fases (Dr) técnica de flotación con aire, También se puede provocar esto, saturando la fase acuosa con una sal. 3. Para influir sobre la aceleración de la gravedad (g) se sustituye por un aceleración centrifuga. 2. Para influir fluir sobre el diámetro (dE2) provoca una aglomeración de microgotas de fase dispersa técnicas de principios muy diferentes pueden asegurar la coalescencia de microgotas: a)

La electrocoalescencia, aplicable sólo cuando la fase continua es no conductora de la electricidad.

b) La coalescencia sobre lechos fibrosos o granulares aplicables en todos los casos, sobre todo en la separación de aceites esenciales emulsionados en agua.

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Destilación por arrastre con agua - vapor

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Destilación por arrastre con agua – vapor Aplicación de la cohobación

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Destilación previa maceración Ejemplos de aceites esenciales producidos por reacciones enzimáticas.

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Destilación sometida a una degradación térmica

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Procesos de expresión aplicados a los cítricos Rodano clasificó en varias etapas los fenómenos que ocurren durante la extracción del aceite: a)

Laceración de la epidermis y de las celdas que contienen la esencia.

b) Creación en la cáscara de áreas con presión mayor que sus circundantes a través de las cuales el aceite fluye al exterior. c)

Abrasión de la cáscara, con la formación de pequeñas partículas de la raspadura.

La extracción del aceite se realiza sobre la fruta entera o sobre la cáscara, y en ambos procesos se puede realizar con un proceso manual o mecánico.

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Procesos de expresión aplicados a los cítricos Equipo para obtención del aceite esencial de cítricos por el método de expresión (Peladura).

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Técnicas de vanguardia para la extracción de aceites esenciales Hidrodifusión. ciste, cardamomo y romero

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Técnicas de vanguardia para la extracción de aceites esenciales

Utilización de los ultrasonidos en el proceso extractivo de hidrodestilación. Se caracteriza por transmitir cantidades sustanciales de energía por la acción de vibraciones de las partículas presentes en el medio de extracción.

Extracción por microondas calentar el agua contenida en el material vegetal, que a su vez está inmerso en un disolvente “transparente” a las microondas, como pueden ser el Cl4C, el hexano o el tolueno. Al aumentar la temperatura del medio, se rompen las estructuras celulares que contienen a la esencia por efecto de su presión de vapor.

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Técnicas de vanguardia para la extracción de aceites esenciales Extracción con fluidos en estado supercrítico.

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ACEITES ESENCIALES: Métodos de obtención de los aceites esenciales Técnicas de vanguardia para la extracción de aceites esenciales Extracción con fluidos en estado supercrítico.