XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Сравнительная оценка способов получения эфирного масла из кожуры мандаринов
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Нет на земле ни одного человека, который бы не любил Новый год. Этот праздник, почти каждый в моем классе ассоциирует с мандаринами － солнечными фруктами, поднимающими настроение своим незабываемым ароматом. Запах дают эфирные масла, сосредоточенные в кожуре мандаринов.
В моей семье ароматерапия применяется для поднятия настроения, укрепления иммунитета и борьбы с вирусами. Для этого используются сочетания разных эфирных масел и аромалампа. Естественно, эфирные масла мы приобретаем в аптеке. А как их получают? Можно ли извлечь эфирные масла в домашних условиях?
Я решил получить мандариновое эфирное масло, которое будет доставлять удовольствие не только своим ароматом, а также и новогоднимивоспоминаниями.
Объектом настоящего исследования являются эфирные масла.
Предмет исследования －способы получения и влияние эфирных масел на организм человека.
Цель: сравнить способы получения эфирного масла из кожуры мандаринов и определить наиболее эффективный из них.
Задачи:
Выяснить, что такое эфирные масла и каковы области их применения.
Изучить способы получения эфирных масел.
Экспериментальным путем провести сравнительную оценку получения мандариновогоэфирного масла методом экстракции, перегонки и отжима.
Гипотеза: предполагается, что метод перегонки является самым эффективным для получения эфирного масла из кожуры мандаринов.
1. Эфирные масла и области их применения
1.1. История возникновения эфирных масел
Тонкие и едва уловимые или, наоборот, насыщенные ароматы целебных растений давно будоражат наше воображение своей таинственностью, а ведь все это рядом – достаточно протянуть руку к флакончику с эфирным маслом… и перед нами откроется дверь в чудесный мир, который может подарить нам здоровье, красоту нашему телу, окутать ароматами, успокоить или придать уверенности и бодрости…
На протяжении тысячелетий интерес, питаемый человечеством к различным духам, притираниям и эссенциям, не только не угасал, а становился все более острым, причем люди достаточно хорошо представляли себе механизм их действия. Выделять душистые вещества из растений люди научились около 7000 лет назад, о чем свидетельствуют упоминания о ладане, сандале и мирре в книгах Ветхого Завета. Также подтверждением этому являются найденные археологами древние египетские захоронения со следами лекарственных эфирномасличных растений, а также флаконами с благовониями на их основе.
Основоположниками науки о травах и траволечении по праву считаются жители Древнего Египта, которые еще за 4000 лет до нашей эры широко использовали их в терапевтических и косметических целях, а также в качестве средств для бальзамирования умерших.
На некоторые данные об ароматических растениях, которые использовались в Древнем Египте, указывают также росписи на саркофагах и стенах гробниц. Старейшая из таких росписей, известная на сегодняшний день, датируется примерно 2800 г. до н. э., а внутри пирамид были найдены бутылочки из-под масла и мазей, баночки из-под косметики с явственно ощутимым запахом ладана и входящего в состав множества масел бензойного эфира [2].
Древние египтяне, используя экстракты различных натуральных веществ растительного происхождения, умели изготавливать лекарственные препараты для наружного и внутреннего применения в виде пилюль, свечей, паст и мазей, а также такие косметические средства, как пудра и ароматические притирания. Именно в Древнем Египте зародились, дожившие до наших дней, традиции использования в медицинских и косметических целях таких полезных эфирномасличных растений, как виноград, арбуз, чеснок, лук, кориандр, тмин, анис, туя и многие другие.
Между тем, египтяне, культура которых была очень высокоразвитой, с процессом химической возгонки эфирных масел знакомы не были, а получали эфирные масла исключительно путем прессования и механического отжима. В гробницах древних египтян археологами были найдены глиняные таблички с иероглифическими текстами, упоминавшими о фактах ввоза в страну масел кипариса и туи, что служит наглядным свидетельством существования торговли эфирными маслами уже в те далекие времена.
Древние греки, позаимствовав у египтян большую часть сведений в области медицины, продолжали настойчиво изучать целительные свойства растений и их ароматических производных. Так, они выяснили, что растительные эфирные масла и эссенции оказывают различный эффект на организм и психику человека, будучи способными как расслаблять и усыплять, так и, напротив, освежать и побуждать к активным действиям.
Для абсорбирования из трав и цветов целительных ароматических компонентов древними греками широко использовалось масло плодов оливкового дерева, в изобилии произрастающего на территории стран Средиземноморья. Ароматизированное оливковое масло применялось в лечебных и косметических целях.
Не менее распространенным эфирным маслом являлась мирра, представляющая собой один из наиболее древних ароматических ингредиентов в виде желто-коричневой смолы деревьев, произрастающих в Восточной Африке. Идущие на битву греческие воины обязательно имели при себе целебную мазь из оливкового масла и мирры, обладающую антисептическим и ранозаживляющим действием [3].
Неоценимый вклад в развитие науки о лекарственных растениях внес знаменитый врач арабского Востока Авиценна (980-1037 гг.), в научных рукописях которого были изложены сведения более чем о 800 разновидностях лекарственных растений и описано действие на организм человека каждого из них. Авиценна популяризировал ароматерапию как эстетическую методику воздействия природных ароматов (эфирных масел) на эмоции и здоровье через обонятельные центры. При этом особенный вклад в развитие науки внес изобретенный им метод химической возгонки растительных эфирных масел [2].
С начала XII столетия, восточные благовония на основе растительных эфирных масел становятся известными и обретают все большую популярность в странах Западной Европы. Европейцами стали активно использоваться такие местные растения, как чабрец, розмарин, лаванда.
Во многих рукописях Средневековья содержатся различные сведения о способах получения растительных эфирных масел. С возникновением книгопечатания эти рецепты публиковались в специальных книжных изданиях, посвященных описыванию растений. Наиболее сложные составы покупались в аптеках, а более простые лекарства в виде лавандовых капель, травяных подушечек, мазей изготавливались домохозяйками самостоятельно.
Мощным стимулом к развитию и повсеместному распространению лечебных и ароматических эфирных масел в Европе послужило распространение эпидемий заразных инфекционных заболеваний, таких как чума и оспа. Люди просто не появлялись в общественных местах, если не имели при себе букетиков или шариков, обильно ароматизированныхэфирными маслами, обладающими дезинфицирующими свойствами.
Однако, достоинства ароматических растений выходят за рамки антисептических или противовоспалительных свойств. Хорошо известно, что запах может оживлять воспоминания, менять настроение человека и улучшать его самочувствие. Масла часто используют при массаже, для ванн или сжигают, чтобы получить аромат, улучшающий физическое и эмоциональное самочувствие.
Таким образом, следует сделать вывод, что эфирные масла издревле известны своей лечебной силой благодаря воздействию ароматических веществ на организм человека. Широкое использование эфирных масел в повседневной жизни способствовало возникновению и развитию ароматерапии как науки и искусства лечения с помощью запахов.
Природа эфирных масел и сферы их применения
Что такое эфирные масла? Эфирные масла – бесценный дар природы! Это, на мой взгляд, душа растения, самое ценное, что оно может подарить нам. Эфирные масла, сосредоточенные в растениях обладают мощной, доброй энергетикой, способной исцелять и оберегать от внешних воздействий.
Нам и в голову не приходит, почему растения не болеют теми болезнями, которым подвержены люди и животные? Оказывается, растения за миллионы лет выработали исключительную способность синтезировать такие эффективные антибиотики, что даже мутирующие бактерии и вирусы, для которых таблетки не являются серьезным препятствием, не могут к ним адаптироваться. При этом известно, что самыми сильными антибиотиками являются не синтетические, а именно растительные.
Эфирные масла служат основным действующим компонентом ароматерапии. Их получают из цветов, коры, стеблей, листьев, корней или других составляющих растительного мира. Существует большое число доступных эфирных масел, каждое обладающее своими целебными свойствами. В настоящее время известно более 2000 эфиромасличных растений [5].
Эфирное масло – это концентрированная, летучая смесь душистых веществ, получаемая из растительных материалов путем отжима, экстракции, дистилляции. Именно благодаря эфирным маслам растения могут иметь свой неповторимый аромат.
«Эфирное масло», как термин, несет в себе гениальность и ошибку древних ученых: точное определение летучести вещества в термине «эфирный» не соответствует лексической принадлежности благовоний к классу эфиров. Эфирные масла не являются маслами и не имеют никакого отношения к классу жиров, они состоят из ароматических углеводородов и испаряются через 30-180 минут с листа бумаги, не оставляя жирного пятна.
Каждая капля аромата содержит несколько групп химических соединений: от альдегидов и кетонов, до спиртов и эфиров, и от нескольких десятков до нескольких сотен химических веществ, каждая группа из которых оказывает свое действие на организм человека, а именно [1]:
кислоты – оказывают противовоспалительное и обезболивающее действие;
спирты – обладают бактерицидным и противовирусным действием, улучшают настроение человека и укрепляют иммунитет;
альдегиды – оказывают противовоспалительное действие, успокаивают центральную нервную систему, снижают кровяное давление и способствуют повышению температуры тела;
эфиры – несут в себе противовоспалительное действие, успокаивают нервную систему, не вызывая при этом раздражения кожи;
жирные кислоты – обладают обезболивающим и противовоспалительным действием, способствуют регуляции кровяного давления, повышают иммунитет и умственную деятельность;
гистамины – стимулируют работу пищеварительной системы, способствуют сокращению бронхов и расширяют кровеносные сосуды в месте проникновения вируса;
кетоны – оказывают бактерицидное действие и стимулируют иммунную систему;
гормоны – влияют на функционирование многих органов и систем организма;
терпены – обладают бактерицидным действием и болеутоляющим свойством, но при этом вызывают покраснение кожи и аллергические реакции;
фенолы – оказывают бактерицидное и противовирусное действие, стимулируют иммунитет, но раздражают кожу.
Ароматерапия как область знаний о формах и методах воздействия на организм эфирных масел с каждым днем становится все популярней и используется для [5]:
снятия усталости, повышения работоспособности, профилактики переутомления и предупреждения стрессовых состояний, а также улучшения сна;
стимуляции иммунного статуса организма и повышения его адаптационных свойств;
повышения выносливости спортсменов;
профилактики заболеваний сердечно-сосудистой системы;
лечения хронических неспецифических заболеваний легких;
профилактики канцерогенных процессов в организме.
В настоящее время эфирные масла используют в качестве средств, влияющих на эмоциональное состояние человека, а также в лечебных целях, в связи с чем методы ароматерапии активно применяют в психиатрии, неврологии, дерматологии и отоларингологии. Также эфирные масла для лечения ожогов, лечения и профилактики простудных и воспалительных заболеваний. При этом клиническое действие эфирных масел особо эффективно на начальных стадиях заболеваний, а также в восстановительном периоде.
Методы ароматерапии нетоксичны, практически не вызывают аллергии. При комнатной температуре запах эфирного масла быстро заполняет все помещение, а при более высокой этот процесс ускоряется.
Показаниями к назначению являются свойства конкретного масла. Однако, существуют и противопоказания к их применению, такие как:
индивидуальная непереносимость запаха;
аллергия на цветущее растение;
бронхиальная астма в стадии обострения;
психозы.
Рассмотренное выше позволяет сделать вывод, что эфирные масла обладают уникальными свойствами, которые позволяют не только справиться с симптомами отдельных болезней, но и предупредить их появление, не допустить осложнений и восстановить нормальную жизнедеятельность организма в целом.
Способы извлечения эфирных масел
В настоящее время существует несколько способов извлечения эфирных масел из растений [4].
Первый способ – метод перегонки с водяным паром (дистилляция) листьев, цветков, травы, кореньев, хвойных лапок, мха. Данный метод является наиболее распространенным и основывается на испарении с последующей конденсацией паров жидкости и способности водяного пара извлекать эфирные масла.
Второй способ – метод механического выжимания, используемый исключительно в тех случаях, когда сырье содержит большое количество эфироносного масла, например плоды цитрусовых. Преимущественно эфирное масло из цитрусовых извлекают методом прессования или центрифугирования.
Третий способ – метод настаивания (мацерация). Этот способ применяется при переработке душистых цветков. Суть данного способа состоит в том, что эфирное масло извлекают жиром или нейтральным маслом, нагретым до 60-70˚С. На одном и том же жире настаивание новых порций цветков повторяют до 10-15 раз.
Четвертый способ – метод экстрагирования, позволяющий использовать какой-либо легкокипящий органический растворитель (этанол), извлекающий эфирное масло из сырья. Затем раствор, содержащий извлеченное масло и душистые вещества, сливают с сырья и растворитель отгоняют. В остатке остается эфирное масло с примесью смол и восков, который называют экстрактом.
Пятый способ – метод поглощения (анфлераж) без нагревания, используемый для некоторых видов цветков, например, розы, жасмина и других, которые после сбора более или менее продолжительное время выделяют новые количества эфирного масла. Данный способ основан на свойстве жирных масел и жиров поглощать эфирные масла. При этом методе лепестки цветков после сбора раскладывают на тонкий слой свиного или бычьего жира, распределенного на поверхности стекла с рамой. Цветки оставляют на 24-72 часа, затем заменяют партией свежих цветков. Когда жир максимально пропитается эфирным маслом, его промывают спиртом, чтобы душистые продукты стали растворимыми. Затем спирт выпаривают и получают абсолют.
Шестой способ – метод экстракции летучими растворителями, основанный на извлечении из сырья эфирного масла легко кипящим растворителем (непахнущим бензолом). Суть этого способа заключается в том, что для экстрагирования металлические корзины с растительным сырьем погружают в растворитель. Экстракцию повторяют с одной и той же порцией сырья несколько раз. Когда растворитель насыщается эфирным маслом, его отгоняют, после чего на дне остаются душистые вещества и воск.
Седьмой способ – извлечение с помощью двуокиси углерода, являющийся относительно новым способом, применяемым только с 80-х годов прошлого века и имеющим ряд недостатков, одним из которых является высокая стоимость получения продукта по причине дороговизны используемого оборудования. Основным преимуществом этого метода является высокое качество получаемых масел, их чистота и естественное состояние, как внутри живого растения. Поэтому данный метод применяется исключительно в парфюмерной промышленности.
Восьмой способ – гидродиффузия (перколяция). Это самый современный способ получения экстракта. Суть данного метода состоит в том, что рассеянная струя пара (спрей) пропускается сверху вниз через растительный материал, положенный на решетку. Затем полученную в результате жидкость, состоящую из смеси конденсированного пара и эфирного масла, охлаждают.
Необходимо отметить, что полученные различными способами эфирные масла не являются в точности той совокупностью веществ, которые выделяются растениями. Это связано с тем, что под действием горячего пара некоторые составные части летучих компонентов могут изменяться или улетучиваться. Кроме того, исходный материал для получения эфирного масла может быть не только свежесрезанным, но в некоторых случаях и сушеным.
Средний выход эфирного масла из 100 кг растительного сырья составляет:
эвкалипт – 3 кг;
лаванда – 2,9 кг;
шалфей – 1,4-1,7 кг;
ромашка – 0,7-1 кг и т.д.
Для получения 1 кг эфирного масла розы необходимо переработать 1-2 тонны лепестков растения, а из 100 кг цветков горького апельсина получают всего 50 г эфирного масла. Стоимость эфирного масла зависит от выхода масла на 1 кг растения-эфироноса. Чем выход ниже, тем эфирное масло дороже.
Вывод: технологии получения эфирных масел различны и имеется большая сырьевая база промышленных эфироносов.
Сравнительная оценка получения мандариновогоэфирного масла методом экстракции, перегонки и отжима
На основе изученного материала было выбрано несколько способов получения эфирногомасла из кожуры мандаринов:
метод экстракции (этиловым спиртом);
метод механического отжима;
метод дистилляции.
Чтобы оценка выбранных методов была приближена к одинаковым условиям, определились с массой исходного материала: 200г кожуры мандаринов.
Для извлечения эфирных масел методом экстракции был взят этиловый спирт объемом 300 мл и 200 г высушенных и измельченных мандариновых корок. Все поместили в банку, плотно ее закрыли и настаивали в течении недели (в темном месте), периодически встряхивая. После слили весь спирт, впитавший эфирное масло, в емкость и оставили открытым для улетучивания спирта. Спустя некоторое время (около 15 часов) в емкости осталось маслянистое вещество оранжевого цвета и с сильным запахом мандаринов.
Для извлечения эфирного масла из мандариновых корок методом механического отжима были взяты 200г свежего продукта. Корки пропустили через мясорубку, перенесли на плотно сложенную марлю, залили теплой водой, помяли и эффективно произвели отжим вручную. Полученную эмульсию перелили в стакан, закрыли его и оставили отстаиваться смесь. Спустя трёх часов смесь разделилась: на дне наблюдалась прозрачная жидкость (скорее всего вода), в средней части стакана, как поплавок собралась пенообразная масса желтоватого цвета, а на самой поверхности маслянистый слой, который аккуратно собрали с помощью пипетки.
Оба описанных методов производили в домашних условиях, так как не требовалось каких-либо специальных приспособлений. А вот метод дистилляции для извлечения эфирного масла из мандариновых корок требовал использование специального прибора, поэтому исследование осуществлялось в школьной лаборатории. Для этого была собрана установка, состоящая из двух круглодонных колб (вместимостью по 500 мл каждая), пробок со стеклянными трубками, соединительных резиновых трубок, холодильника, конической колбы с делительной воронкой. Также использовались штативы для закрепления всей установки, водяная и песочная бани, электроплитки.
Первую клуглодонную колбу на 1/3 заполнили водой, погрузив на дно керамические кусочки для равномерного и эффективного кипения. Закрепили в штативе и закрыли ее резиновой пробкой с двумя стеклянными трубками (короткая и длинная, вторая трубка опускалась близко ко дну колбы и служила предохранительным клапаном). Короткая трубка изогнута и соединялась резиновой трубкой со второй круглодонной колбой, где находились свежеочищенные измельчённые корки мандаринов и небольшое количество воды - 30 мл, чтобы корки не подгорали. Эта колба также закрывалась пробкой с двумя аналогичными трубками для соединения с первой колбой и с прямым холодильником. В качестве приемника использовали делительную воронку, установленную на коническую колбу. Первая круглодонная колба грелась на водяной бане, вторая помещалась в песочную баню.
Перегонка длилась в течении 40 минут от момента закипания. В результате в делительной воронке получили смесь эфирного масла с водой. После отстаивания отделили эфирное масло (Рисунок 1, Приложение).
В результате проведенного исследования по сравнительной оценки методов извлечения эфирного масла из кожуры мандаринов, можно сделать вывод о том что наиболее подходящим для практического применения является метод дистилляции. Данным способом мы получили качественное эфирное масло, это доказала проверка его на фильтровальной бумаге － нанесенная капля улетучилась, не оставив след.
Метод отжима очень сложен для извлечения эфирного масла: первая проблема － это нехватка сил при самом отжиме (что ведет к снижению выхода продукта), т.к. работа велась вручную; вторая проблема － это разделение отстоявшейся смеси (периодически в пипетку захватывалась пенообразная масса, приходилось неоднократно повторять эксперимент). Но хочется отметить, что получившееся эфирное масло было хорошего качества － проба на фильтровальной бумаге пройдена.
Метод экстракции этиловым спиртом самый простой в исполнении, но продукт получили окрашенный (видимо извлекли и пигменты, дающие окраску кожуре мандарина). Поэтому полученное эфирное масло после улетучивания оставляет оранжевый след.
Таким образом, наша гипотеза о том, что метод перегонки является самым эффективным для получения эфирного масла из кожуры мандаринов подтвердилась.
Заключение
Эфирные масла, являясь веществами полностью натуральными, максимально сохраняют все целебные свойства. Правильно подобранные сочетанияэфирных масел помогают решать проблемы со здоровьем, способствуют омоложению организма, повышают иммунитет, делают людей сильными и уверенными в себе, что и используется в практике ароматерапии. Можно сказать, что эфирные масла являются по-настоящему живой косметикой, которая не содержит консервантов и химических добавок и воспринимается человеческим организмом на природном уровне.
Способы извлечения эфирных масел из растений разнообразны. Некоторые из них доступны в домашних условиях, а значит, при желании, каждый может получить натуральный продукт.
Подводя итоги исследовательской работы, можно сделать вывод, что самым эффективным методом извлечения эфирного масла из кожуры мандаринов является метод дистилляции. Методы отжим и экстракция этиловым спиртом потребуют некоторые усилия.
Задачи решены, цель достигнута, гипотеза подтверждена.
Хотелось бы отметить, что подобной работой, когда требовалось погрузиться в химию с головой, занимаюсь впервые: почувствовал себя учёным-химиком.
Своими экспериментами, проводимыми в кабинете химии привлек многих ребят нашей школы и теперь вместе строим планы на продолжение исследовательской деятельности.
Список литературы
Воздействие на организм эфирномасличными растениями. – URL: https://floramir.ru/vozdeystvie-na-organizm-efirnomaslichnymi-rasteniyami/?ysclid=leh69taxss284420721
История применения эфирных масел. – URL: https://aroma-crimea.com/publ/istoriya-primeneniya-efirnyh-masel/?ysclid=leh6b95a17231322726
Лаврова, Р. Целебная сила эфирных масел для красоты и здоровья. – URL: https://fictionbook.ru/author/roza_lavrova/celebnaya_sila_yefirnyih_masel_dlya_kras/read_online.html?ysclid=leh67x9b1y152939266
Способы получения эфирных масел. – URL: https://ecogolik.ru/blog-siberina-28065/sposoby-polucheniya-efirnykh-masel/?ysclid=leh6cbtr8n712970010
Справочник по эфирным маслам. – URL: https://otzvip.ru/viewtopic.php?t=34727&ysclid=leh65ono4e594343105
Приложение
Рис. 1. Получение эфирного масла методом дистилляции