Oszagyán Marianna

A munkánk során a hagyományos folyadék extrakciónál és a vízgőz-desztillációnál kíméletesebb extrakciós módszert a szuperkritikus állapotú szén-dioxiddal végzett extrakciót vizsgáltuk.

Kísérleteket végeztünk 5 l térfogatú extrakciós készülékben a kerti kakukkfű (Thymi vulgaris L.), a rozmaring (Rosmarinus officinalis L.), a vadkakukkfű (Thymus serpyllum L.), a levendula (Lavandula Intermedia Emerc ex Loisel), a szurokfű (Origanum vulgare L.) és a zamatos turbolya (Anthriscus cerefolium L. Hoff.) szén-dioxidban oldható anyagainak kinyerése céljából. A vizsgált drogok az illóolajok mellett kevésbé illó viaszokat is tartalmaznak. Több lépéses extrakcióval, az extraktor nyomását lépcsőzetesen változtatva, vagy két szeparátorban a nyomás fokozatos csökkentésével az extraktot illóolajban dús, és viaszos komponenseket tartalmazó frakciókra választottuk szét, valamint vizsgáltuk a szemcseméret hatását.

Az alkalmazott analitikai módszerek: vékonyréteg kromatográfia a különböző frakciók összehasonlítására, gázkromatográfia az olajok összetételének minőségi és mennyiségi meghatározására és a gázkromatográfia–tömegspektroszkópia az ismeretlen komponensek azonosítására.
 
 

1961 és 1989 között 140 publikáció jelent meg a különböző Thymus fajok illóolajának összetételéről. Az irodalomban kb. 200 különböző komponenst azonosítottak a Thymus olajokban.

A morfológiailag azonos fajok közötti kémiai eltérés a Lamiaceae családba tarozó növények körében igen elterjedt. A irodalomban részletesen foglalkoztak ezzel a kérdéssel a Thymus vulgaris esetében. A kutatók szerint ez a többalakúság az evolúcióval, a környezethez való alkalmazkodással függ össze. A Thymus vulgarist a kemotípusa alapján leggyakrabban két csoportba lehet besorolni. Ez a timolos és a karvakrolos csoport.

Az irodalomban elsősorban a hagyományos vízgőz-desztillációval előállított illóolajak jelentőségével foglalkoztak. A kerti kakukkfű szuperkritikus extrakciójára kutatásaink kezdetéig nem találtunk adatokat. Bestmann és munkatársai a növény folyékony CO₂-dal való extrakcióját írták le. Megállapították, hogy az illóolaj összetételéhez képest a fenolos komponensek (timol, karvakrol) aránya alacsonyabb, azonban a nagy molekulasúlyú komponensek (palmitinsav, sztearinsav) aránya magasabb az extrahált olajban.

A munkánk során először a Pécs környékéről származó kerti kakukkfű mintával vizsgáltuk az extrakció nyomásának hatását az extrakt kihozatalára, ezért 2-3 lépcsós extrakciót végeztünk. A célunk az volt, hogy a különböző lépcsőkben a termékeket frakcionáljuk. A kisebb nyomáson a legillóbb komponenseket, majd az egyre nagyobb molekulatömegű alkotókat nyerjük ki. Azt tapasztaltuk, hogy ezzel a módszerrel igen kevés olajat nyerünk, és a fajlagos oldószerfogyasztás is magas.

A következő lépés, hogy az extrakció nyomása állandó, 300 bar, a szeparátorban pedig változtatjuk a nyomásokat (Farmamix minta). A 2. szeparátorban a kísérletek többségében 20 bar nyomást állítottunk be. Az 1. szeparátor nyomását annak megfelelően változtattuk, hogy ebben a szeparátorban kapjuk a nagyobb molekulatömegű, kevéssé illó komponenseket, a 2. szeparátorban pedig az illóolajban gazdagabb frakciót. A megfelelő nyomás és hőmérséklet értékek beállításával elértük, hogy a második szeparátorban az illóolajhoz igen hasonló fizikai tulajdonságokkal rendelkező terméket kaptunk. Az 1. szeparátor nyomását 75-80 bar-ra, a hőmérsékletét 30-35 °C-ra állítottuk be, a második szeparátorban 20 bar mellett 20-25 °C volt, a mintákat meghatározott időközönként gyűjtöttük, hogy az extrakció során a komponensek kihozatalát is nyomonkövethessük.

A kísérleteink során azonban olyan kerti kakukkfű mintákkal is találkoztunk, melyekből, magas illóolaj tartalmuk mellett sem kaptunk az extrakció során folyékony terméket, mint például a pécsi kakukkfűnél.

Kísérlettervet követve az extrakció nyomásának és a hőmérsékletének hatásának vizsgálatára, megállapítottuk, hogy alacsony nyomáson a hőmérséklet növelése csökkenti a kihozatalt, míg magasabb nyomáson a hőmérséklet növelése növeli azt.

A minta daráltsági foka nincs hatással a illóolj-kinyerésre, azonban nagyban befolyásolja az extrakció idejét. A túlzott aprítás a növény túlmelegedéséhez, így illóolaj veszteséghez vezethet.

Összehasonlítva a frakcionált extrakcióval és a vízgőz-desztillációval nyert termékek összetételét megállapítottuk, hogy a p-cimén/g-terpinén (illóolajban 5/7; extrakciós olajban 6/3) és timol/karvakrol (illóolajban 4/1; extrakciós olajban 1/3) arányban eltér a kétféle olaj összetételénél. Az arány változás oka, hogy a timol kötött formában van jelen a növényben, lehet ez a kötés glükozidos illetve polifenolos, és a SFE kímélő körülményei miatt ezek nem bomlanak fel.

Vizsgáltuk az összefüggést az extrakció ideje és a kinyert komponensek között ennek jellemzésére bevezettük a hidrofóbitás (logP) — mint a komponensek polaritásának jellemzőjét — és molekulatömeg hányadosából álló mérőszámot (logP*100/M.W), mely értéke megmutatja a komponensek extrahálhatóságát. Minél nagyobb ez a szám a komponensek annál könnyebben extrahálhatók.

A kerti kakukkfű extrakciójakor keletkezett krémes állagú termék analízisét is elvégeztük a szappanosodó és az el nem szappanosodó komponenseket külön választva. Ez a termék 2-3 % illóolajat, valamint fő tömegében szénhidrogéneket tartalmaz. A GC/MS és vékonyréteg és HPLC-s vizsgálatok alapján valószínűsíthettük a fitoszterolok, b-amyrin és a karotinoidok jelenlétét.
 

Az irodalomban megjelent, a növénnyel foglalkozó cikkek azt mutatják, hogy a vadkakukkfű illóolaj összetétele csak úgy mint a növény illata, igen különböző. Találtak olyat, ahol a karvakrol aránya nagyobb (50-55 %), olyat ahol a timol mennyisége több (60 %), és olyat is ahol a linalool és a linalil-acetát a főkomponens. Ez a jelenség kérdéseket vetett fel, ezért vizsgálták az időjárás, a növény életkora és az illóolaj összetétel alakulása közötti összefüggést.

A kerti kakukkfűtől eltérően a vadkakukkfű illóolaj tartalma csak 0.1-0.2 %, ezért az extrakciónál sem számítottunk olajos frakcióra. Mégis, hogy megismerjük a paraméterek változásának hatásait, elvégeztük a lépcsőzetes extrakciót és a 300 báros extrakciót követő frakcionált szeparációt. Az extrakció során olajat nem, csak zsírszerű anyagot kaptunk tetején fehér majd sárga porral. A krémes anyag színe az extrakció előrehaladtával és a nyomás emelésével egyre mélyül a sárgától a barnáig, az illata pedig veszít jellegzetességéből.

A lépcsőzetes extrakcióval tehát nem sikerült olajat nyernünk a növényből, így a következő lépés a 300 báros extrakció, ahol 1. szeparátor nyomását változtatva frakcionáltuk a terméket.

Az extrakciót elvégezve a Veszprém környékéről származó mintával, az 1. szeparátor terméke sárga zsír és sárga por mely az extrakció előrehaladtával zöldes sárga lesz. Azonban a 2. szeparátorban barnás sárga olajat kaptunk, majd az extrakció folyamán a viaszos komponensek aránya megnő, a termék színe egyre sötétebb lesz.

Az analízis során megállapítottuk, hogy a főkomponensek a karvakrol, timol, p-cimén, linalool és a nerol az illóolajban és az olajban gazdagabb extraktban is. Azonban ez utóbbiban 6-7 %-os mennyiségben egy új, nem azonosított komponens is megjelenik, mely a vízgőz-desztilláció során hidrolizálódhatott.

Az extrakció előrehaladtával ezeknél a mintáknál is elmondható, hogy a terepén szénhidrogének aránya csökken, míg a fenolos komponensek aránya nő.
 
 

A Földközi tenger partvidékéről származó levendula gazdasági jelentőségét a virág drog és az illóolaj adja, mely utóbbi számos komponensből áll. A drogot és illóolaját hatása miatt használják fel nyugtató teakeverékek, fürdők, pakolások és egyéb kombinált készítmények alkotórészeként, valamint fontos kozmetikai ipari alapanyagok is.

A levendula-virágzat szuperkritikus extrakciójára vonatkozóan nagyon kevés információt találunk az irodalomban illetve amit találtunk az nem tért ki az extrakció körülményeire.

Az extrakciót először 85-90 bar nyomáson végeztük mindaddig, míg már nem oldódott ki több anyag. Ezután növeltük a nyomást 300 bar-ra. Az első lépcsőben kapott termék olaj volt és vele megegyező mennyiségű víz, melyek két fázist alkottak. A második lépcsőben kapott termék zsíros tapintású, krémes jellegű volt, melynek még igen jellegzetes levendula illata meg volt. Az extrakciós lépcsőben megválasztott nyomás igen befolyásolja a kapott termék minőségét és mennyiségét, hiszen a nyomás növelésével az illókomponenseken kívül, a kevésbé illó komponenseket is kinyerjük az első lépcsőben. A darált és nem darált minta extrakcióját összehasonlítva láthattuk, hogy az aprított növényből a termék kinyerése gyorsabb, azonban nagyobb mennyiségek darálása esetén felmelegedhet az anyag és károsodás illetve veszteség léphet fel.

A 300 bar-os extrakciót követő frakcionált szeparálással az első szeparátorban kaptam a zsíros tapintású, kenőcsös anyagot, a második szeparátorban pedig az illóolajban gazdagabb frakciót.

A szeparátor nyomásának változtatásával a két termék minősége befolyásolható csak úgy mint a lépcsős extrakciónál.

Az extraktumok és az illóolaj analízisével igazoljuk, hogy a két extrakciós eljárással előállított olajok között jelentős különbség, hogy az extrakt nem tartalmaz a-terpinént valamint az észterarány (illóolajban linalool/linalil-acetát 2/1; az extrakciós olajban 1/2) is nagyobb, amivel a termék jobb minőségét jellemezhetjük. Az illóolaj a-terpinént és nagyobb linalool tartalma a hő hatására és a víz jelenlétére vezethető vissza a vízgőz-desztillációnál.
 
 

A rozmaring gazdasági jelentősége elsődleges a belőle vízgőz-desztillációval előállított illóolaj értékén alapul.

Az irodalomban az 1980-as évek közepétől kezdődően foglalkoznak a rozmaring szuperkritikus extrakciójával. A publikált adatok szerint, tisztán illóolajat nyerünk a növényből, ha az extrakciót 100 bar-on 40 °C-on, a szeparálást pedig 80 bar-on és 10 °C-on valamint 25 bar-on és 0 °C-on végezzük.

Az irodalmi adatokat támasztja alá, hogy ennél a növénynél vált be a legjobban a lépcsőzetes extrakció, ugyanis 75-80 bar nyomáson extrahálva a Pharmamixtől származó morzsolt rozmaring levelet, a termék világossárga olaj volt. A nyomást növelve 50 bar-ral már csak sárga zsírt kapunk, majd 300 bar-on sárgásbarna zsírt sárga porral.

Veszprém környékéről származó rozmaringból a 85-90 bar-on elvégzett extrakcióval szintén olajat nyertünk, illetve magas olaj tartalmú krémszerű terméket, mely azonban szobahőmérsékleten viszkózussá válik. Csak úgy mint az előző esetben is, a 300 bar-os extrakció eredménye azonban krémes anyag szilárd szemcsékkel.

A 300 bar-on végzett extrakciót követő frakcionálás eredményeképpen kevesebb CO₂ felhasználással megkapjuk a zöldessárga olajat és az igen nehezen kezelhető ragacsos mustársárga, gyantaszerű anyagot a szilárd szemcsékkel (amelyek valószínűleg a levelek felületéről származnak).

Az illóolaj és az extrahált olaj összetételét vizsgálva, megállapíthattuk, hogy a fő komponensek megegyeznek: a-pinén, 1,8-cineol, kámfor és a verbenon. A százalékos összetételt tekintve az extrakt kevesebb szénhidrogén monoterpént tartalmaz mint az illóolaj, valamint az úgynevezett terpén-mentesítési fok, mely az oxigén tartalmú terpének és a szénhidrogén terpének arányát jelenti szintén jelentősen nagyobb az extraktra nézve.

Az extrakció során meghatározott időközönként gyűjtött minták analízise során megállapíthattuk, hogy a szénhidrogén monoterpének az extrakció elején kinyerhetők, míg az oxigén tartalmú terpének csak később.
 
 

Számos cikk foglalkozik a szurokfű illóolajának összetételével, mely a különböző alfajonként különböző lehet. A legjellemzőbb komponensek: karvakrol, timol, a-, g- terpinén valamint a terpinén-4-ol.

Ondarza és Sanchez 1990-ben megjelent cikkükben már foglalkoztak a szurokfű szuperkritikus extrakciójával. Az illóolaj és az extrakt összetételét vizsgálva arra a megállapításra jutottak, hogy az extrakcióval nyert olajban az oxigén tartalmú terpének aránya magasabb lett, szemben a szénhidrogén tartalmúakkal (mircén, a-, b- pinén, kámfén és az a-terpinén) melyeké alacsonyabb.

A munkánk során török és magyar eredetű szurokfű mintákat extraháltunk. A lépcsőzetes extrakcióval mind a két mintánál nyertünk olajat, azonban gazdaságossági megfontolások alapján a frakcionált szeparációt választottuk a további kísérletek elvégzéséhez.

A frakcionált szeparálással kapott termékek arányát az első szeparátor nyomása határozza meg.

Gázkromatográfiás vizsgálatok szerint a vízgőz-desztillációval és szuperkritikus extrakcióval nyert olajokban ugyanazok a fő komponensek a török és a Tolna megyei magyar szurokfű esetében. Azonban a Borsod-Abaúj-Zemplénben és Nógrád megyében gyűjtött szurokfű extrakciós és illóolajának összetétele különböző, és a másik két mintától is nagyon eltérő.

Azon extraktokra melyekben a fő komponens a karvakrol, elmondható, hogy csak úgy mint a kakukkfű minták esetében a fenolos komponensek nem nyerhetők ki szuperkritikus állapotú CO₂-dal a vízgőz-desztillációnak megfelelő mértékig.

A szurokfű extrakciójával nyert olaj analízise után megállapíthattuk, hogy számos komponens arány az illóolajhoz képest eltolódik. Ennek kétféle magyarázata lehet:

• a vízgőz-desztilláció drasztikus körülményei között a komponensek hidrolizálódhatnak, elbomolhatnak, degradálódhatnak
• a szuperkritikus extrakcióval a növényben kötött állapotban (cukorhoz kötve) jelenlevő komponenseket nem lehet kinyerni.

Itt-ott termesztik, mint fűszernövényt, de vadon is található. Hazája elsősorban Kelet-Európa és Elő-Ázsia.

A Magyarországon gyűjtött turbolya illóolaj tartalma friss állapotban 0,18-0,2 % közötti, szárított állapotban 0,55-0,6 %-os. Az illóolaj 95 %-át három komponens alkotja: 1-allil-2,4-benzol (24-69 %-ig), esztragol (18-69 %-ig), és undekán (2,2-19,6 %-ig).

Számos növény esetében a szárító és az aprító művelete alatt elvesztik illatukat, aromájukat, jelentősen csökken az illóolaj tartalmuk. Ezen növények esetében érdemes megvizsgálni a frissen vágott zöld növény extrakcióját.

A szuperkritikus extrakcióval nyert olaj összetételét összehasonlítva vízgőz-desztillációval előállított olaj összetételével szignifikáns különbséget fedezhetünk fel. A metil-kavikol koncentrációja az illóolajban sokkal magasabb, mint az extraktumban, míg az 1-allil-2,4-dimetoxybenzol tartalma az extraktumnak nagyobb. A víz jelenléte az extrakció során a komponensek megoszlását eredményezte az olajos és a vizes fázis között. A viszonylag nagy mennyiségű vízből petróleum-éteres extrakcióval csak az apoláros komponenseket (limonén, pinén) nyertük vissza.
 
 

Vizsgáltuk a gyógynövény keverékek extrakcióját. Melynek célja, hogy milyen hatással van a több illóolajat tartalmazó növény a kisebb illóolaj tartalmú növényre az extrakció során, ha e növények keverékét extraháljuk. A terméket mennyiségileg és minőségileg is vizsgáltuk a levendula kerti kakukkfű és a rozmaring vadkakukkfű esetében.

A gyógynövény- keverékek extrakciójának eredményeként azt a megállapítást tettük, hogy az extrahált termék mennyisége megegyezik a megfelelő mennyiségű tiszta növényből nyert extraktumok mennyiségével.

A keverékek extrakciójánál a nagy illóolaj tartalmú növény jelenlétével az olajos frakció minden esetben tisztább volt, viaszos szennyezőket nem tartalmazott. A sok illóolaj tehát növelte az elválasztás szelektivitását „természetes” entrainerként növelte a másik növény illókomponenseinek kioldódását.

Minőségét tekintve a kapott termékről kimutattuk, hogy főkomponensei megegyeznek a tiszta anyagok főkomponenseivel, százalékos összetétele pedig meghatározó a keverék arányában figyelembe vett tiszta növényi extrakciókban nyert olajos frakciók összetétele alapján.
 
 

A vizsgált növények kompex anyagainak extrakcióját a legmegfelelőbben az úgynevezett unsteady state modell írja le.

ahol F,G konstansak k₁, k₂, a sebesség vagy a komponensátadási koefficiens (s^-1), C a fluid fázis koncentrációja (kg/m³), C* a telítési koncentráció (kg/m³), t pedig a kísérlet ideje (s).

amely azonban nem ad felvilágosítást a frakcionálás jóságáról.

(1)-es modell paramétereit minden esetben az összextrakt görbéjére mértük: F, G, k1’, k2’

• mind a nyomás, mind a hőmérséklet és a szemcseméret is hatással van a paraméterekre
• a F, G és k2 paraméterek egyenes arányban függnek a nyomástól, míg k1 fordított arányban
• a hőmérséklet függés vizsgálatához sem a mérési tartomány sem a mérések száma nem elegendő
• F fordított arányban van az illóolaj tartalommal, míg a G értéke annál nagyobb minél nagyobb a kinyerhető desztillátum.

• A F paraméter a kinyerhető összextrakt mennyiségét jelenti, a k pedig az extrakció termékének minőségével és extrahálhatóságával függ össze.
• Megállapíthattuk, hogy a szuperkritikus extrakcióval a növények bevonatát alkotó viaszos „paraffinos” anyagokat a molekulák apoláris jellege miatt az extrakció elején, kevés CO₂ mennyiség felhasználásával kinyerjük, ezzel magyarázható, hogy k₁ általában kisebb mint k₂.
• A növény minél több illóolajat tartalmaz, a k₃ annál nagyobb.