Tehnologia de producere a apelor aromate

Cuprins

Introducere......................................................................................................3

Formularea apelor aromatice...........................................................................4

Materii prime...................................................................................................4

Tehnologia de fabricare şi condiţionare industrială........................................5

Depozitare, transport.....................................................................................17

Caracterele şi controlul calităţii.....................................................................17

Biofarmacie, biodisponibilitate.....................................................................17

Concluzii.......................................................................................................18

Surse bibliografice.........................................................................................19

 

1. Introducere

Cunoaşterea şi utilizarea de către om a produselor provenite din plante sau chiar a uleiurilor volatile au ocupat un loc important în istoria civilizaţiei umane. Proprietăţile antibacteriene ale plantelor aromatice au determinat pe oameni să caute diferite posibilităţi de a obţine concentrate în principiul aromatic - uleiul volatil. Aşa s-a ajuns la maceratele de plante aromatice cu uleiuri vegetale, pe care locuitorii bogaţi din ţinuturile tropicale sau zonele mediteraniene le utilizau pentru ungerea corpului, ca măsură preventivă împotriva infecţiilor, a înţepăturilor de insecte, a degradării pielii, ca emoliente şi aromatizante (parfumare).

Hipocrate (469 î.e.n.) şi Theofrast (370 î.e.n.) au pus bazele ştiinţifice pentru utilizarea terapeutică a plantelor aromatice. Grecii şi apoi arabii au dezvoltat un intens comerţ internaţional cu produse aromate [1].

Procedeul de antrenare a materiilor volatile din plante prin distilare cu vapori de apă la presiune atmosferică este foarte vechi. Elemente se găseau în China antică, ceia ce ne face să considerăm că uleiurile volatile veneau din această ţară. De la chinezi, el a fost preluat de la arabi. În decursul secolelor, această tehnică s-a răspîndit progresiv spre vest şi s-a perfecţionat.

În secolul IX d.Hr. savantul arab Geber a dat indicaţii asupra distilării ca metodă de obţinere a apelor aromatice şi a prezentat proprietăţile acestei forme.

Apele distilate aromate, folosite întîi de arabi, au fost introduse în Europa în secolul al XII-lea, de către medicul Villanova (1235-1312). Mai tîrziu, în secolul al XVI-lea au apărut uleiurile volatile, obţinute prin distilare, extracţie sau procedee mecanice (stoarcere, radere, presare). Dezvoltarea industrială s-a efectuat în Europa, la Grasse unde sau ameliorat metoda şi aparatura, efectuînduse distilarea sub presiune, ceea ce a condus la randamente mai bune [6].

Apele aromatice sunt soluţii apoase de uleiuri volatile, destinate a fi utilizate ca atare sau ca vehicul la prepararea unor medicamente de uz intern. Uleiurile volatile, numite şi uleiuri eterice, uleiurile esenţiale sau esenţe, sunt produse lichide complexe, conţinînd substanţe volatile şi lipofile: hidrocarburi alifatice, aromatice şi hidroaromatice, aldehide, alcooli, acizi, esteri şi alţi compuşi din clasa terpenoidelor, obţinute din plante prin distilare cu vapori de apă sau alte procedee.

Apele aromatice se folosesc mai rar ca atare, ele se utilizau ca vehicule pentru prepararea în farmacia a formulelor magistrale. În industrie, apele aromate se obţin în procesul de fabricare a uleiurilor volatile, iar acestea la rîndul lor servesc la prepararea apelor aromate oficinale sau a unor formule magistrale şi industriale [2].

La orele actuale, apele aromatice se folosesc exclusiv pentru aromatizarea medicamentelor industriale, deoarece nu mai sunt oficinale în FR X. Prin componentele pe care le conţin pot avea şi acţiune terapeutică proprie. De asemenea, pot fi utilizate şi în preparate de uz extern, în special ape de gură, loţiuni şi creme (unguente, emulsii) pentru îngrijirea tenului. Cele mai utilizate sunt: apa de mentă, de melisă, de scorţişoară, de coriandru, de fenicul, de tei, de trandafir, de levănţică.

Apele aromatice şi uleiurile volatile se utilizează pentru prepararea formelor de uz intern şi extern.

2. Formularea apelor aromatice

De fapt apele aromatice nu constitue o formă farmaceutică propriu zisă; aceste soluţii sunt vehicule pentru prepararea altor forme farmaceutice de uz intern şi extern, în formularea cărora se va ţine seama de obiectivele respective. Totuşi un obiectiv îl constitue stabilitatea. Datorită faptului că apele aromatice se alterează foarte uşor, aceste soluţii apoase nu au mai fost oficializate de FR X. Apele aromatice pot pierde uleiurile volatile sub influenţa căldurii; oxigenul şi lumina favorizează reacţiile oxidative, aldehidele din compoziţia uleiului volatil se transformă în acizi şi de la un pH slab acid, apele aromatice devin acide; altele se colorează.

Microorganismele produc modificări ale mirosului, gustului, pH-ului, apar fermenţii, degajare de gaze, filamente de ciuperci, precipitate, coloraţii. Preparatele cu aspect sau miros modificat sau care şi-au pierdut aroma nu se mai folosesc. Se pot folosi conservanţi: esteri ai acidului p-hidroxibenzoic. Apele aromatice hidroalcoolice concentrate sunt mai stabile. De asemenea şi uleiurile volatile la aer şi lumină se alterează, modificîndu-şi constantele fizice, datorită proceselor de autooxidare (rîncezire) [5].

3. Materii prime

Obţinerea apelor aromatice şi a uleiurilor volatile necesită  materii prime, produse vegetale, de calitate. În primul rînd, recoltarea materialului vegetal trebuie efectuată cu mare grijă, astfel încît să nu fie impurificat cu alte specii de plante. Uleiurile volatile sunt răspîndite în cele mai variate organe ale plantei, dar mai frecvent se gasesc localizate în flori şi frunze.

Compoziţia chimică a uleiurilor volatile este foarte variată, iar componenţii principali pot face parte din serie alifatică, aromatică şi terpenică. În general uleiurile volatile conţin substanţe ternare mai rar cuaternare. Produşii volatili antrenabili cu vapori de apă sunt constituiţi din terpene, alcooli aromatici, aldehide, cetone, fenoli, acizi volatili, esteri. Materialul vegetal care este supus hidrodistilării nu este întotdeauna prelucrat imediat după recoltare. În general, plantele proaspete conduc la obţinerea unor soluţii cu miros mai plăcut şi cu o acţiune terapeutică mai mare; fac excepţie scorţişoara, florile de tei şi florile de levănţică, care se utilizează uscate.

În cazul utilizării plantelor uscate, uneori se obţine un ulei volatil de calitate inferioară, ca urmare a unor modificări morfologice şi chimice, datorită acţiunii aerului, încălzirii, din cauza tasării în grămezi, eventual a alterării. De asemenea, procesul tehnologic de obţinere a uleiului volatil intervine în mod determinat în compoziţia şi calitatea sa. În cazul hidrodistilării, se produc procese fizice şi chimice care modifică sensibil conţinutul materialului vegetal şi în consecinţă şi al uleiului volatil care s-a degajat.

Produsele vegetale sunt aduse la un grad de diviziune convenabil, prin sfărîmare, tăiere, mărunţire, care este ales în funcţie de natura şi compoziţia sa chimică. Astfel, florile şi frunzele se mărunţesc pentru a trece prin sita I, iar scoarţele şi rădăcinile, fructele uscate şi seminţele, prin sita II sau III. Fructele proaspete se zdrobesc, obţinîndu-se o pulpă, care se supune antrenării cu vapori de apă [4].

Vehicule utilizate pentru dizolvarea extractivă şi distilare sunt apa distilată sau apa demineralizată. Raportul produs vegetal - solvent variază între limitele 1:1 pînă la 1:5. Această proporţie este dependentă de cantitatea de ulei volatil conţinut de plantă şi de gradul de solubilitate a acestuia. Excesul de ulei volatil nedizolvat se separă de soluţia apoasă saturată.

4. Tehnologia de fabricare şi condiţionare industrială a apelor aromatice şi a uleiurilor volatile.

Metoda de fabricare idustrială are la bază antrenarea cu vapori de apă a componentelor volatile din plante.

Bazele teoretice ale procesului de antrenare a uleiurilor volatile cu vapori de apă. 

În procesul de antrenare a uleiurilor volatile cu apă rezultă un sistem binar, alcătuit din două lichide nemiscibile şi care nu reacţionează chimic unul cu altul (totuşi, parţial). Uleiul volatil se dizolvă în apă.

Pentru aceste amestecuri binare, este caracteristică temperatura de fierbere mai mică decît a fiecărui component în parte. Ex: benzaldehida (fig.1) fierbe la 173,3ºC (la presiune normală); în amestec cu apă, fierbe la 97,9ºC.

Fig. 1. Formula de structură a benzaldehidei

Oricît de ridicată ar fi temperatura de fierbere a unei substanţe, ea va distila cu apă la o temperatură totdeauna de 100ºC, deoarece temperatura de fierbere  a amestecului este mai ridicată decît punctele de fierbere ale fiecărui component, inclusiv al apei.

Apa fierbe la 100ºC, temperatura la care presiunea vaporilor ei devine egală cu presiunea atmosferică, dacă presiunea atmosferică va fi de 760 mmHg (10,13 * 10⁴ N/m²); această temperatură se va menţine neschimbată în tot timpul procesului de distilare. Dacă în apă se adaugă un ulei volatil, deasupra amestecului se va observa presiunea vaporilor fiecăruia din cele două lichide [1].

Conform legii lui Dalton, presiunea generală a amestecului vaporilor este egală cu suma presiunilor parţiale ale camponentelor:

;

P_a - presiunea parţială a apei;

P_u - presiunea parţială a uleiului volatil.

Ca rezultat, presiunea amestecului de vapori va atinge presiunea atmosferică, înainte de fierberea apei. Ex: terebentina (lichid incolor, cu mios caracteristic, obţinut prin distilarea răşinii coniferelor şi utilizat în industrie şi medicină) are p.f.=160ºC, iar a apei este 100ºC, distilarea celor două lichide în amestec are loc la 95,5ºC, deoarece la această temperatură, presiunea parţială a terebentinei va fi egală cu: 1,52*10⁴ N/m² (114 mmHg) iar a apei de: 8,61*10⁴ (la 646 mmHg), care sumate vor da: 10,13*10⁴ N/m² (760 mmHg).

În acest caz apare următorul fenomen: o parte din presiunea vaporilor de apă se suprapune deasupra vaporilor altui lichid (terebentina). Se obţine acelaşi efect care s-ar realiza dacă presiunea de distilare a terebentinei ar fi coborîtă pînă la 114 mmHg sau, pentru apă la 646 mmHg.

Temperatura antrenării amestecului va fi constantă atîta timp cît va exista terebentina; dacă  ea se evaporă şi o altă parte se dizolvă în  apă, se vor schimba: presiunea, temperatura şi raportul dintre componente în amestecul lor de vapori [3].

Calcularea raporturilor în amestecul de vapori al uleiului volatil şi al apei se efectuează  după legea lui Dalton. În cazul amestecului de terebentina şi apă, vaporii de apă vor ocupa un volum de 85 % astfel:

---------------------------

Iar terebentina de 15%:

---------------------------

Calcularea cantităţilor componentelor în amestec, în distilat, se efectuează după formula:

R - raport de antrenare;

m_a - masa vaporilor de apă;

m_u - masa vaporilor de ulei volatil;

M_ra - masa moleculară relativă a apei;

M_ru - masa moleculară relativă a uleiului volatil;

P_a - presiunea parţială a apei;

P_u - presiunea parţială a uleiului volatil.

Prin antrenarea a 2 lichide nemiscibile şi care nu reacţioneză chimic între ele se constată că masele amestecului vaporilor sunt proporţionale cu produsul presiunilor parţiale şi masele moleculare relative. Aplicînd formula la amestecul terebentină - apă:

Deci fiecărei părţi în greutatea de terebentină, la presiunea normală, în distilat, îi corespund 0,75 părţi (masă) apă sau, în procente, conţinutul apei în amestecul de vapori este:

---------------------------

Iar conţinutul terebentinei (y) în amestecul de vapori este:

----------------------------

Calculînd componenţa procentuală a amestecului de vapori se află şi consumul teoretic al vaporilor, ce are loc la hidrodistilarea uleiului volatil; datele practice au o eroare mică faţă de cele teoretice.

Antrenînd uleiul volatil din produsul vegetal se consumă cu mult mai mulţi vapori decît la antrenarea uleiului volatil cu apă, deoarece în plantă uleiul volatil se află în glande, canale, pungi secretorii şi nu există un contact direct al uleiului volatil cu apa [6]. Pînă cînd uleiul volatil difuzează prin membranele celulare se consumă o parte din vaporii de apă; de asemenea legăturile superficiale dintre particulele de produs vegetal şi ulei volatil reţin o oarecare cantitate de ulei volatil.

Alte substanţe prezente în plante, ca uleiurile grase, ceara, rezinele, influenţează consumul vaporilor de apă; acestea se pot dizolva în uleiul volatil şi micşorează elasticitatea vaporilor, ceea ce are ca rezultat creşterea cantităţii de apă în distilat.

Pentru a înlătura aceste inconvenienţe este necesar este necesar să se umecteze produsul vegetal cu apă sau amestec de apă - alcool, timp de 12 ore, după care se supune distilării.

Acest procedeu simplifică difuzia uleiului volatil prin canale şi conduce la un distilat de concentraţia necesară.

Concentraţia uleiulu volatil în amestecul obţinut prin antrenare cu vapori se poate calcula şi după ecuaţia:

C_x - concentraţia uleiului voltil care se antrenează cu vaporii de apă;

P_u - presiunea parţială a vaporilor de ulei volatil;

M_ru - masa moleculară relativă a uleiului volatil, care este antrenat cu vapori de apă;

P_a - presiunea parţială a vaporilor de apă;

M_ra - masa moleculară relativă a apei.

• Spaţii de producţie

Fabricarea industrială a apelor aromatice şi a uleiurilor volatile se efectuează în spaţii de lucru adecvate, prevăzute cu generator de vapori, plasat în acelaşi loc sau în altă clădire.

• Echipament de producţie

În industrie, fabricarea apelor aromatice se efectuează prin metoda de hidrodistilare, numită şi antrenare cu vapori de apă. În acest scop se folosesc toate variantele şi sistemele de obţinere a uleiurilor volatile, pe baza proprietăţilor lor de a fi antrenabile cu vapori de apă, ca urmare a tensiunii de vapori ridicată, care le caracterizează [4].

Un aparat de hidrodistilare este constituit din 3 părţi principale: distilator, condensator şi un vas colector (fig.2).

În proiectarea unei instalaţii de hidrodistilare trebuie să se ţină seama de o serie de condiţii:

• Proprietăţile uleiului volatil:
• Sensitivitatea la acţiunea apei şi a căldurii;
• volatilitatea;
• solubilitatea în apă;
• natura şi condiţionarea materiei prime: proaspătă, uscată, mărunţită, nemărunţită;
• Natura materialului de construcţie a distilatorului şi a componentelor;
• Dimensiunile distilatorului, raportul înălţime/diametru;
• Presiunea vaporilor de apă şi viteza de distilare;
• Temperatura condensatorului.

Fig. 2. Aparat de hidrodistilare

1-distilator; 2-condensator; 3-vas colector.

Proprietăţile uleiului volatil intervin în condiţionarea designului distilatorului, acestea putînd să conducă la pierderi sau, dimpotrivă, la randamente superioare în funcţionarea sa. Astfel, dacă unii componenţi ai uleiului volatil au caracter acid (procent ridicat în componenţi fenolici), aceştea pot produce coroziunea recipientului, ceea ce necesită anumite materiale de construcţie.

Pentru distilatoarele simple se utilizează frecvent cupru cositorit sau nu, fier galvanizat, dar în acest caz ionii din metale grele (Cu, Pb, Sn, Zn, Fe) pot să ajungă în compoziţia uleiului volatil [5].

Instalaţiile moderne, în scopul evitării acţiunii corosive, utilizează utilaje confecţionate din oţel inoxidabil sau material emailat, dar acestea cresc mult preţul de cost.

Forma distilatorului (blaza de distilare) este determinată şi de modul de condiţionare a materiei prime, care implică totodată,  şi calcularea dimensiunilor acestuia. Trebuie să se ţină  seama de următoarele:

• Dacă produsul vegetal este proaspăt, parţial uscat sau complet uscat;
• Dacă este fragmentat sau nu;
• Dacă este constituit din organe de plantă friabile, subţiri (flori, frunze, ierburi) sau din organe compacte, dure, uscate (scoarţe, rădăcini).

Condensatorul este constituit cel mai frecvent dintr-o spirală din ţeavă de cupru, dar prezintă dezavantajele semnalate anterior. În prezent, se preferă, spiralele din tub de aluminiu, care pot fi dublate, pentru rezistenţă, cu un învelişdin ţeavă de oţel mediu.

De asemenea, trebuie să se ţină seama de presiunea vaporilor de apă, care este în funcţie de compoziţia chimică şi proprietăţile fizice ale componentelor uleiului volatil, cît şi de coeficientul de solubilitate a acestora în apa condensată.

În ceea ce priveşte unele date tehnice, trebuie ca distilatorul să aibă o trompă de evacuare cît mai scurtă, pentru ca vaporii să pătrundă cît mai repede în refrigerent, iar lichidul de condens să nu rămînă în distilator. De asemenea să prezinte o secţiune cît mai largă, vantajînd astfel eliminarea rapidă a vaporilor, ceea ce evită încălzirea îndelungată a uleiului în blaza de distilare. Se mai recomandă ca miscela (lichidul de extracţie) rezultată din vaporii condensaţi în răcitor, să fie trecută cît mai repede în vasul colector. Recipientul colector funcţionează pe principiul vasului florentin. Se alege un astfel de vas colector, după cum uleiul volatil este mai uşor sau mai greu decît apa, iar în ceea ce priveşte dimensiunile şi numărul vaselor colectoare, ele se calculează în funcţie de viteza de distilare. În fig.3 este prezentat un separator modern de ulei [2].

Fig. 3. Designul unui separator de ulei

• Recipiente de condiţionare

Pentru condiţionarea primară a apelor aromatice cît şi a uleiurilor volatile se utilizează aceleaşi tipuri de recipiente ca şi pentru soluţii (fig.4). În general, flacoane de sticlă brune, de capacitate mică, între 100-1000 g.

Fig. 4. Recipiente de condiţionare

• Fazele procesului tehnologic

După cum este condus procesul de hidrodistilare, se cunosc 3 variante:

• Distilare cu apă;
• Distilare cu vapori de apă;
• Distilare cu vapori de apă ce provin de la generato separat.

Pentru toate trei metode, fazele procesului tehnologic sunt:

• Livrarea materiilor prime (produse vegetale);
• Cîntărirea materiilor prime;
• Mărunţirea produselor vegetale;
• Umectarea produselor vegetale (macerarea);
• Antrenarea cu vapori de apă, condensarea distilatukui, separarea şi colectarea apei aromatice şi a uleiului volatil;
• Filtrarea apei aromatice;
• Condiţionarea apei aromatice şi a uleiului volatil;
• Marcare, grupare, ambalare.