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