Green Chemistry Approach to Natural Aroma Solubility

Καπαχτσή Χρυσάνθη,
Σερέτη Άννη,
Τζήκα Μαριάνα

Ελισάβετ Εξηνταβελώνη, Καθηγήτρια Χημείας, Anatolia

email: elsae@anatolia.edu.gr

Εισαγωγή

Τα φυσικά αρώματα χρησιμοποιούνται σε προϊόντα όπως καλλυντικά, καθαριστικά, αρωματικές ύλες τροφίμων και αποσμητικά χώρου. Τα αρώματα αυτά συχνά προέρχονται από αιθέρια έλαια που εξάγονται από φυτά, όπως βότανα και εσπεριδοειδή, για παράδειγμα το θυμάρι και η φλούδα πορτοκαλιού. Μία από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους για την απόκτηση αυτών των αρωματικών ενώσεων είναι η απόσταξη, η οποία επιτρέπει τον διαχωρισμό πτητικών ουσιών χρησιμοποιώντας μόνο νερό και θερμότητα.
Σε πολλές εφαρμογές, οι αρωματικές ενώσεις πρέπει να διαλυθούν σε κατάλληλο διαλύτη προκειμένου να χρησιμοποιηθούν σε υγρά προϊόντα. Η αιθανόλη χρησιμοποιείται συνήθως για τον σκοπό αυτό, καθώς μπορεί να διαλύσει πολλές αρωματικές ουσίες και θεωρείται σχετικά ασφαλής. Παρ’ όλα αυτά, η αιθανόλη είναι ένας ακριβός διαλύτης και η υπερβολική χρήση της δεν είναι ιδανική για το περιβάλλον.
Για τον λόγο αυτό, είναι σημαντικό να προσδιορίσουμε την ελάχιστη ποσότητα αιθανόλης που απαιτείται για την παραγωγή ενός διαυγούς διαλύματος που περιέχει αιθέριο έλαιο. Η μείωση της ποσότητας της αιθανόλης όχι μόνο μειώνει το κόστος παραγωγής αρωμάτων, αλλά υποστηρίζει και τις αρχές της βιώσιμης και πράσινης χημείας, οι οποίες προωθούν τη μείωση των διαλυτών όπως είναι η αιθανόλη.
Σκοπός του παρόντος πειράματος είναι, επομένως, να διερευνηθεί πώς η συγκέντρωση της αιθανόλης επηρεάζει τη θολερότητα διαλυμάτων που περιέχουν φυσικά αρωματικά αποστάγματα από θυμάρι και φλούδα πορτοκαλιού. Συγκρίνοντας τη συμπεριφορά αυτών των δύο φυσικών αρωμάτων, θα προσδιορίσουμε ποιο απόσταγμα απαιτεί λιγότερη αιθανόλη για να σχηματίσει διαυγές διάλυμα και, συνεπώς, είναι καταλληλότερο από την περιβαλλοντική και οικονομική πλευρά.

Λέξεις κλειδιά: Φυσικά αρώματα, Βιωσιμότητα, Διαλυτότητα, Πράσινη Χημεία, Απόσταξη.
Διερευνητικό ερώτημα: Πώς επηρεάζει η ποσότητα της αιθανόλης τη θολερότητα διαλυμάτων που περιέχουν φυσικά αρωματικά αποστάγματα από θυμάρι και φλούδα πορτοκαλιού;

•     Ανεξάρτητη μεταβλητή: Όγκος αιθανόλης
•     Εξαρτημένη μεταβλητή: Απορρόφηση σε μήκος κύματος λ=550″ nm»  / θολερότητα
•     Σταθερές μεταβλητές: Αραίωση διαλυμάτων, όγκος νερού για την απόσταξη (100″ mL» ), μάζα θυμαριού (10″ g»  για όλες τις μετρήσεις), μάζα πορτοκαλιού (50″ g»  για όλες τις μετρήσεις)

Περιγραφή της διαδικασίας απόσταξης

Η απόσταξη είναι μια τεχνική διαχωρισμού μειγμάτων. Στην περίπτωση φυτικών υλικών, χρησιμοποιείται συνήθως η απόσταξη με υδρατμούς. Όταν το φυτικό υλικό θερμαίνεται μέσα σε νερό, οι πτητικές αρωματικές ενώσεις εξατμίζονται μαζί με τους υδρατμούς. Οι ατμοί αυτοί στη συνέχεια ψύχονται σε έναν ψυκτήρα και συλλέγονται ως υγρό απόσταγμα. Το απόσταγμα περιέχει νερό καθώς και μικρές ποσότητες αρωματικών ενώσεων που προέρχονται από τα αιθέρια έλαια του φυτού. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει την εξαγωγή φυσικών αρωμάτων με απλό και ασφαλή τρόπο.

Πειραματική διαδικασία

Υλικά και σκεύη: Πορτοκάλι, Θυμάρι, Απιονισμένο νερό, Αιθανόλη, Ηλεκτρονικός ζυγός, Ύαλος ωρολογίου, Συσκευή απόσταξης.

Παρασκευή των αποσταγμάτων

Πραγματοποιήθηκαν δύο ξεχωριστά πειράματα απόσταξης:

1. Απόσταξη φλούδας πορτοκαλιού:  φλούδας πορτοκαλιού τοποθετήθηκαν σε σφαιρική φιάλη μαζί με  απιονισμένου νερού.
2. Απόσταξη θυμαριού:  αποξηραμένου θυμαριού τοποθετήθηκαν σε σφαιρική φιάλη μαζί με  νερού.

Οι ποσότητες του θυμαριού και του πορτοκαλιού ήταν αρκετές ώστε να γεμίσει ικανοποιητικά η σφαιρική φιάλη. Και στις δύο περιπτώσεις, το μείγμα θερμάνθηκε, οι παραγόμενοι ατμοί συμπυκνώθηκαν και συλλέχθηκαν. Συλλέχθηκαν ίσοι όγκοι αποστάγματος ().

Παρασκευή αραιώσεων

Για τη μελέτη της επίδρασης της αιθανόλης στη διαύγεια των διαλυμάτων, παρασκευάστηκε μια σειρά αραιώσεων για κάθε απόσταγμα. Για κάθε δείγμα ο τελικός όγκος ήταν 10″ mL» . Χρησιμοποιήθηκαν 2″ mL»  αποστάγματος σε κάθε διάλυμα. Ο υπόλοιπος όγκος συμπληρώθηκε με νερό και αιθανόλη, με συγκεντρώσεις αιθανόλης που κυμαίνονταν από 0% έως 50%.

Φασματοφωτομετρικές μετρήσεις

Η θολερότητα κάθε διαλύματος μετρήθηκε με χρήση φασματοφωτομέτρου σε μήκος κύματος 550″ nm» . Υψηλότερες τιμές απορρόφησης αντιστοιχούσαν σε μεγαλύτερη θολερότητα, ενώ χαμηλότερες τιμές υποδήλωναν πιο διαυγή διαλύματα. Κάθε μέτρηση επαναλήφθηκε τρεις φορές και υπολογίστηκε η μέση τιμή απορρόφησης.

Αποτελέσματα

Τα αποτελέσματα των μετρήσεων απορρόφησης για τις διάφορες συγκεντρώσεις αιθανόλης παρουσιάζονται συγκεντρωτικά στον Πίνακα 1:

 

Συμπεράσματα

Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι το ποσοστό της αιθανόλης επηρεάζει τη θολερότητα των διαλυμάτων που περιέχουν φυσικά αρωματικά αποστάγματα από θυμάρι και φλούδα πορτοκαλιού. Σε συγκέντρωση αιθανόλης 0%, και τα δύο αποστάγματα παρουσίασαν υψηλή θολερότητα, με μέσες τιμές απορρόφησης A=0,60 για το απόσταγμα πορτοκαλιού και A=0,85 για το απόσταγμα θυμαριού. Καθώς η συγκέντρωση της αιθανόλης αυξανόταν, παρατηρήθηκε συνεχής μείωση της απορρόφησης και στα δύο δείγματα, δηλαδή αύξηση της διαύγειας των διαλυμάτων.
Για το απόσταγμα φλούδας πορτοκαλιού, η απορρόφηση μειώθηκε σε 0,22 στο 20% αιθανόλης και στη συνέχεια σε 0,12 στο 30% αιθανόλης, φτάνοντας σε πολύ χαμηλή τιμή 0,03 στο 50% αιθανόλης. Αυτό δείχνει ότι οι αρωματικές ενώσεις του πορτοκαλιού διαλύονται ικανοποιητικά σε σχετικά χαμηλές συγκεντρώσεις αιθανόλης.
Αντίθετα, το απόσταγμα θυμαριού απαιτούσε υψηλότερες συγκεντρώσεις αιθανόλης για να επιτευχθεί παρόμοια διαύγεια. Στο 20% αιθανόλης, η απορρόφηση παρέμενε σχετικά υψηλή (A=0,55), ενώ πιο διαυγή διαλύματα παρατηρήθηκαν μόνο στο 40% αιθανόλης (A=0,18) και στο 50% αιθανόλης (A=0,08).
Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι οι αρωματικές ενώσεις που περιέχονται στο θυμάρι είναι λιγότερο διαλυτές σε υδατικά διαλύματα σε σύγκριση με εκείνες της φλούδας πορτοκαλιού. Συνεπώς, η ελάχιστη συγκέντρωση αιθανόλης που απαιτείται για την παρασκευή διαυγών διαλυμάτων είναι χαμηλότερη για το πορτοκάλι από ό,τι για το θυμάρι.
Συμπερασματικά, από το πείραμα προκύπτει ότι η αύξηση της ποσότητας της αιθανόλης μειώνει τη θολερότητα των αρωματικών αποσταγμάτων και ότι η επίδραση αυτή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη φύση της αρωματικής πηγής. Με τον τρόπο αυτό επιβεβαιώνεται το ερευνητικό ερώτημα ότι η ποσότητα της αιθανόλης επηρεάζει άμεσα τη θολερότητα του διαλύματος.

Βιβλιογραφία

McMurry, J. (2016). Organic Chemistry (9th ed.). Cengage Learning.
Guenther, E. (1972). The Essential Oils, Vol. 1: History, Origin in Plants, Production, Analysis. Krieger Publishing Company.
Pavia, D. L., Lampman, G. M., Kriz, G. S., & Vyvyan, J. R. (2015). Introduction to Spectroscopy (5th ed.). Cengage Learning.