Unidad 2. Métodos de extracción, análisis y control de calidad PDF

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Unidad 2. Métodos de extracción, análisis y control de calidad Introducción En esta unidad del programa de formación se desarrollarán los temas relacionados con las metodologías de extracción de los aceites esenciales, así como los análisis y controles de calidad utilizados con mayor frecuencia. Se ...

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Unidad 2. Métodos de extracción, análisis y control de calidad Introducción En esta unidad del programa de formación se desarrollarán los temas relacionados con las metodologías de extracción de los aceites esenciales, así como los análisis y controles de calidad utilizados con mayor frecuencia. Se expondrá el método de extracción por prensado en frío, además de tres métodos de extracción a través del proceso de destilación por vapor de agua: destilación por arrastre de vapor, destilación directa e hidrodestilación. En la sección de análisis y control de calidad se conocerán los procedimientos para la determinación de los parámetros de densidad, viscosidad e índice de refracción, así como el procedimiento de cromatografía de gases. Finalmente se expone brevemente el tema de normatividad de los aceites esenciales y se relacionan normas internacionales afines. Descripción del material del programa de formación Estos textos le van a permitir al aprendiz, comprender todo acerca de la unidad que va a desarrollar, también los puede utilizar de apoyo para realizar las actividades propuestas. Tema 1. Métodos de extracción de aceites esenciales Destilación por vapor de agua Este método de extracción de aceites esenciales es uno de los más sencillos y económicos de realizar, es por esta razón que también se considera uno de los más utilizados a nivel de laboratorios y pequeñas empresas que no cuentan con tecnología y equipos avanzados. Usualmente este método es utilizado para extraer el aceite de componentes orgánicos de tipo planta, por ejemplo: el boldo, el romero, el eucalipto, entre otros. Para la realización de este método de extracción se utiliza el vapor de agua, por lo tanto, es necesario tener en cuenta que los aceites esenciales y el agua son líquidos inmiscibles, lo cual quiere decir que se trata de dos líquidos que no pueden mezclarse formando una mezcla homogénea. Para realizar la operación de destilación se inducen dos cambios de fase en la materia que se pretende

extraer: la vaporización y la condensación, es decir, la transición de un líquido a un gas, y luego de un gas a un líquido. En esta unidad se exponen tres variaciones del método de extracción por destilación, estos son: La destilación por arrastre de vapor, la destilación directa y la hidrodestilación. Este método, con todas sus variaciones se basa en el principio físico establecido por la ley de las presiones parciales, también conocida como la ley de Dalton. Ley de Dalton La ley de las presiones parciales fue establecida en el año de 1803 por el reconocido científico británico John Dalton. Esta plantea que si dos o más gases que no reaccionan químicamente entre sí, están contenidos en un recipiente cerrado y a temperatura constante, cada uno de estos gases ejercerá la misma presión que tendría si ocupara todo el volumen del recipiente, es decir, si estuviera solo. La suma de todas las presiones de los gases equivale a la presión total del sistema. La expresión matemática que define esta ley es la siguiente:

El interés de la aplicación de esta ley a la metodología de extracción de aceites esenciales radica en la siguiente implicación física: en un sistema con dos o más líquidos inmiscibles donde se cumple la ley de Dalton, la temperatura de ebullición del líquido más volátil será igual a la temperatura a la cual la suma de las presiones es igual a la temperatura atmosférica. Lo anterior puede aplicarse al contexto del método de extracción de aceites esenciales por destilación de vapor de agua de la siguiente manera: los aceites esenciales son líquidos que tienen una temperatura de ebullición que varía dependiendo del tipo de aceite, pero usualmente en la mayoría de los casos es mayor a la temperatura de ebullición del agua, es decir a los 100°C a presión ambiente. Sin embargo, en un sistema cerrado donde se involucran el vapor de agua y el aceite esencial, bajo la ley de Dalton la temperatura de ebullición del aceite se reducirá considerablemente por debajo de los 100°C, lo que facilita el proceso de destilación necesario para efectuar la extracción. Destilación por arrastre de vapor de agua Esta es la primera forma de extracción que se va a estudiar, para ello se requiere de dos recipientes, uno con agua y otro para el componente orgánico del cual queremos extraer el aceite esencial, si se desea se puede introducir un

termómetro en cada recipiente. Es conveniente que dicho componente orgánico sea molido o cortado en trozos antes de introducirlo en el recipiente, debido a que los aceites esenciales están contenidos en glándulas o conductos dentro del vegetal, y al cortarlo en trozos se facilita su extracción. Además, es necesario que los dos recipientes estén conectados entre sí por un tubo de vidrio y sus bocas estén selladas, con el propósito de que el proceso se desarrolle correctamente. Adicionalmente se requiere de un condensador conectado al recipiente del componente orgánico por un extremo, y por el otro extremo conectado con un tercer recipiente en donde se recolectará el aceite mezclado con el agua. A continuación se muestra una figura en donde se expone el sistema descrito.

Imagen: (Stamm, 1970)

El procedimiento consiste en inducir el proceso de ebullición del agua en el primer recipiente, mediante la adición de calor con un mechero convencional, con el fin de que esta se vaporice cambiando de fase líquida a gaseosa. El vapor de agua generado se movilizará hacia el segundo recipiente en donde por efecto de la ley de Dalton el aceite esencial alcanza la temperatura de ebullición y se evapora. A continuación el vapor de agua y el aceite evaporado se trasladan hacia el condensador, en donde por efecto de la circulación de los gases y el intercambio de calor con agua circulante, regresan a su estado líquido. Finalmente el agua y el

aceite son vertidos en un último recipiente, en donde forman una mezcla heterogénea. Al finalizar este proceso de extracción se debe separar el aceite del agua. Para esto se puede recurrir al método de separación que resulte más conveniente. El que se utiliza con mayor frecuencia debido a su funcionalidad y economía es el método de decantación, que consiste en separar los dos líquidos mediante la utilización de un embudo de decantación en donde por efecto de la gravedad se extrae el líquido de menor densidad, en este caso el agua, separándolo del aceite. Destilación directa Este procedimiento de destilación para extraer aceites esenciales de un vegetal tiene mucha similitud con el procedimiento de destilación por arrastre de vapor. En este caso no se utiliza un recipiente diferente para generar el vapor de agua, se deben mezclar en un mismo recipiente el agua y el componente vegetal del cual se obtendrá el aceite esencial, este debe ser molido o cortado en trozos para facilitar la extracción. Para ello es conveniente utilizar un agitador térmico para calentar y agitar al mismo tiempo el contenido del recipiente, pero en caso de que no se disponga de uno se puede utilizar un mechero convencional. El procedimiento consiste en inducir calor al recipiente con el fin de que tanto el agua como el aceite alcancen la temperatura de ebullición y se evaporen. Posteriormente este vapor se traslade hacia un condensador en donde se disminuye su temperatura hasta el punto en que se efectúa el cambio de fase de condensación, en donde ambos gases retornan a su estado líquido. El proceso de destilación finaliza en el momento en que el agua y el aceite esencial pasan de estar en el condensador a un nuevo recipiente, en donde se podrá apreciar visualmente la separación entre los dos productos, ya que como se ha mencionado con anterioridad se trata de dos líquidos inmiscibles. Por último, para obtener el aceite esencial se debe realizar un procedimiento de separación. Nuevamente es recomendado utilizar el método de decantación. En la siguiente figura muestra un sistema de destilación directa:

Imagen: (Stamm, 1970)

Hidrodestilación Este procedimiento es realizado mediante la utilización de un dispositivo de laboratorio denominado equipo de Clevenger. Este sistema permite integrar todas las etapas del proceso de destilación, incluyendo la vaporización, la condensación y la decantación. A continuación se encuentra una ilustración del equipo de Clevenger.

Imagen: (Stamm, 1970)

Para efectuar el proceso de extracción de aceites esenciales con este elemento se requiere que el material vegetal del cual se extraerá el aceite sea cortado en trozos, luego se debe introducir en el recipiente o matraz de vidrio contenedor. A continuación se le añade agua al mismo recipiente, es importante que la cantidad

de agua añadida sea abundante, puesto que en el momento de calentar el recipiente con fuego, el material vegetal podría llegar a carbonizarse y esto ocasionaría un cambio en las propiedades del aceite esencial, haciendo que este adquiera un olor desagradable. El recipiente con el agua y el componente vegetal se calientan usando un mechero, con el fin de que el aceite en el interior de las glándulas del vegetal alcance su punto de ebullición al igual que el agua y ambos se evaporen. Luego los gases viajarán a través de los conductos del equipo Clevenger hasta llegar al condensador, en donde son regresados a su fase líquida. Finalmente se abre la válvula de decantación con el fin de que el agua sea extraída del aparato y quede únicamente el aceite esencial, que posteriormente será retirado.

Prensado en frío El método de prensado en frío para la extracción de aceites esenciales es convencionalmente utilizado para los casos de componentes orgánicos cítricos, como lo son: el limón, la naranja, la mandarina, entre otros. El aceite esencial está contenido en el pericarpio del cítrico, este es la piel que rodea a la semilla. Por lo cual, en el momento de realizar el prensado se utilizan únicamente semillas. Para el procedimiento se requiere de una prensa que permita medir y controlar la temperatura. Las semillas son ubicadas en la prensa y esta se activa para aplicar presión sobre el producto. Al aumentar la presión sobre las semillas, se incrementa también la temperatura; para este procedimiento se requiere que esta no sobrepase los 45°C, es por esto que se denomina prensado en frío. Dependiendo del tipo de semilla que se procese el incremento de temperatura debido a la presión será diferente, por esto se debe realizar una supervisión constante de la temperatura durante el prensado, para que no se sobrepase la temperatura límite. En el momento en que se realiza el prensado, el aceite esencial contenido en el pericarpio de las semillas es liberado, se requiere entonces aplicar una operación para recolectarlo. Recordemos que los aceites esenciales son por lo general sustancias volátiles, lo que quiere decir que cuando son expuestos al aire libre tienden a evaporarse con facilidad, por lo cual es necesario recolectarlos a la menor brevedad posible y almacenarlos en un recipiente hermético. Para la extracción de aceites a pequeña escala, o nivel de laboratorio se puede utilizar un trapo de tela, una esponja o cualquier material absorbente para recolectar el aceite extraído por la prensa, luego se debe exprimir y verter el aceite

en un recipiente. El inconveniente que presenta este método de extracción es que la cantidad de aceite recolectado depende necesariamente de la presión que se aplique a las semillas. En el caso de aplicar mucha presión la temperatura puede aumentar a más de 45°C haciendo que el aceite disminuya su calidad. Tema 2. Análisis y control de calidad de los aceites esenciales Para la sección de análisis en este programa de formación, se exponen algunos de los parámetros físicos y químicos de los aceites esenciales y los métodos utilizados convencionalmente para su determinación. Es importante tener en cuenta que cada aceite esencial tiene parámetros de valor específico y diferente de otros aceites, el origen geográfico y el método de extracción de los aceites esenciales puede influir en dichos parámetros, por lo cual, la determinación de estos parámetros es de gran importancia para determinar la calidad de un aceite esencial. La siguiente tabla representa la caracterización de los parámetros de calidad de los aceites esenciales. Características organolépticas

Determinaciones físicas

Índices químicos

Características cromatográficas Características espectroscópicas Otras determinaciones

                     

Olor Apariencia Color Densidad Viscosidad Poder rotatorio Índice de refracción Miscibilidad en etanol Punto de congelación Punto de inflamación Rango de destilación Índice de acidez Índice de éster Índice de saponificación Índice de acetilo Índice de fenoles Perfil cromatográfico por cromatografía de gases Cuantificación de los principales componentes Ultravioleta visible Infrarrojo Pesticidas Metales pesados

Densidad La densidad es una magnitud física que relaciona la cantidad de materia existente en un espacio, en otras palabras, relaciona la masa de un objeto con el volumen que ocupa. En el sistema internacional de medidas, la unidad utilizada para cuantificar la densidad es kg/m3. La expresión matemática que define la densidad es la siguiente: donde:

p: densidad m: masa v: volumen

Este parámetro es relativamente fácil de calcular para el caso de los aceites esenciales y permite diferenciar un aceite esencial natural de uno sintético. Es necesario tener en cuenta que la determinación de la densidad se hace a una temperatura constante, preferiblemente a temperatura ambiente entre 20 y 25ºC. Para obtener la densidad de un aceite esencial se requiere de un elemento de laboratorio que permita determinar el volumen de un líquido, esto es cualquier recipiente de vidrio que tenga demarcaciones de volumen, de igual manera se requiere de un dispositivo que permita determinar la masa de un objeto, es decir una balanza. Por cuestiones de precisión y exactitud, el elemento más recomendado para realizar el cálculo del volumen es un picnómetro, se trata de un recipiente o matraz de vidrio que puede contener una pequeña, pero exacta cantidad de líquido. Existen picnómetros de diferentes volúmenes, pero usualmente son menores a 50 ml. Para el cálculo de la masa se recomienda utilizar una balanza electrónica o de precisión, que permita obtener el valor con una precisión de por lo menos 0.01g. El procedimiento para calcular la densidad de un aceite esencial es el siguiente: En primer lugar se requiere obtener el valor de la masa del picnómetro estando vacío, para esto se debe pesar con la balanza electrónica. Luego el picnómetro debe ser llenado en su totalidad con el aceite esencial, la capacidad del picnómetro nos indicará el volumen del aceite. A continuación el picnómetro lleno de aceite debe ser pesado de nuevo en la balanza. Ahora para conocer el valor de la masa del aceite se deben restar los valores obtenidos en la balanza, es decir la masa del picnómetro lleno de aceite menos la masa del picnómetro estando vacío. Una vez se han obtenido los datos de masa y volumen se aplica la fórmula expuesta anteriormente: Para el caso de los aceites es recomendable expresar la densidad en términos de g/cm3. Es necesario tener en cuenta que los picnómetros generalmente expresan

el volumen en mililitros (ml), y un mililitro es equivalente a un cm 3 por lo cual no se requiere realizar una conversión. Viscosidad La viscosidad se define como la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales, puede definirse también como la dificultad con la que un líquido fluye a través de una tubería. Este es un parámetro que podemos establecer en los aceites esenciales para diferenciar un producto puro de uno que ha sido mezclado con diluyentes. La unidad de medida de la viscosidad en el sistema internacional es el poise (P), que es equivalente a 1g/s∙cm. El procedimiento para determinar la viscosidad de un líquido, en nuestro caso un aceite esencial, se realiza mediante la utilización de un instrumento de laboratorio denominado viscosímetro de Ostwald. Este implemento nos permite visualizar el movimiento de un líquido a través de una tubería y calcular el tiempo que le toma realizar esta operación, con el cual se podrá obtener el valor de la viscosidad absoluta del líquido. Es importante tener en cuenta que la determinación de la viscosidad debe hacerse a una temperatura constante, preferiblemente a temperatura ambiente entre 20ºC y 25ºC. A continuación se muestra un esquema de un viscosímetro de Ostwald.

Imagen: (Stamm, 1970)

Para establecer el valor de la viscosidad absoluta del aceite esencial se debe comenzar evaluando en el viscosímetro de Ostwald un líquido con una viscosidad absoluta conocida, lo más conveniente es utilizar agua, el valor de su viscosidad es 1.002 cP (centipoise) a una temperatura de 20ºC. Se debe comenzar introduciendo el agua por la tubería de entrada del viscosímetro. La presencia de la cápsula número 1 es necesaria para mantener la presión hidrostática constante. A medida que se vaya añadiendo más agua, esta continuará su flujo por la tubería delgada hasta llegar al límite A, que demarca el inicio de la cápsula 2. Esta es la cápsula de medición, se requiere medir el tiempo que el agua tarde en llenar esta cápsula, es decir, desde que llega al límite A, hasta que alcanza el límite B. Este tiempo se denomina tiempo de flujo y varía en cada fluido dependiendo de la viscosidad. Una vez finalizada la operación con el agua, se requiere repetirla utilizando el aceite esencial, pero es necesario secar por completo el viscosímetro antes de introducir el aceite, para no obtener valores errados. En el momento en que se tengan ambos tiempos de flujo se procede a realizar el cálculo de la viscosidad absoluta del aceite esencial, mediante la siguiente fórmula matemática:

Donde:

Índice de refracción El índice de refracción de un líquido es una magnitud física que determina la proporción del cambio de dirección de un rayo de luz al cambiar el medio en el que se mueve, específicamente cuando entra en contacto con un líquido. Este fenómeno es el que se observa cuando se introduce un lápiz en un vaso de agua, puede verse como aparentemente el lápiz “se parte”. Para el caso de los aceites esenciales, el índice de refracción es un parámetro propio de cada aceite esencial, y por lo tanto, si un aceite es mezclado con diluyentes u otras sustancias, su

índice de refracción cambia, por lo cual este es un parámetro que sirve para determinar la pureza de un aceite esencial. El cálculo del índice de refracción está basado en la ley de Snell. Esta es una expresión matemática que relaciona el ángulo de incidencia de un rayo de luz sobre una superficie de separación líquida, con un ángulo de refracción. A continuación se muestra un esquema que ilustra este concepto.

Imagen: (Stamm, 1970)

La fórmula matemática de la ley de Snell es la siguiente:

Donde:

Para el caso de los aceites esenciales se asume el primer medio como el aire, que tiene un índice de refracción de 1.0003 y el segundo medio es el aceite, por lo tanto n2 es el índice a calcular.

El procedimiento de cálculo puede realizarse mediante la utilización de un refractómetro, que es un dispositivo electrónico que permite medir la velocidad de propagación de la luz en un medio. También es posible simular un escenario en donde se puedan calcular visualmente los ángulos de incidencia y refracción de la luz sobre una superficie de aceite esencial. Una vez se han determinado dichos ángulos se aplica la fórmula de la ley de Snell, despejada para conocer el valor del índice de refracción del aceite, teniendo en cuenta que el primer medio debe ser el aire, con lo cual n1 toma el valor de 1.0003.

Cromatografía de gases La cromatografía es una técnica científica que permite analizar compuestos químicos complejos, tales como los aceites esenciales, y analizar el comportamiento y cantidad de cada uno de los componentes del compuesto. Existen varios tipos de cromatografías, pero en general todas se basan en los mismos principios de funcionamient...