II - Comment retirer les huiles essentielles des plantes.
1 - Les méthodes de prélèvement des huiles essentielles
a-La distillation à la vapeur d'eau
--> Voir « schémas » dans la galerie photo et voir aussi l'animation d'une hydrodistillation.
Ce procédé a été découvert vers l'an 800 par les Arabes grâce à l'utilisation d'un alambic, constitué d'un ballon contenant la solution à chauffer et d'un serpentin entouré d'un réfrigérant. Pour extraire les huiles essentielles des plantes, on utilise l'hydrodistillation.
Lors de celle-ci, un courant de vapeur d'eau traverse les plantes et entraine avec lui les constituants volatils des plantes aromatiques, puis il est recondensé. On le récupère dans un essencier (récipient de décantation). On obtient alors une huile essentielle (le distillat) et l'eau florale (hydrolat). L'huile essentielle est plus légère que l'eau florale donc elle surnage au dessus de cette dernière aprés décantation; (la décantation étant une opération de séparation : sous l'action de la gravitation, on peut séparer soit plusieurs liquides non-miscibles de densités différentes, soit des solides insolubles en suspension dans un liquide).
Des distillations successives du distillat peuvent être nécessaires pour obtenir un produit pur.
Le rendement de ce procédé est très variable selon les plantes. Il faut par exemple quatre tonnes de pétales de rose pour obtenir 1 kilo de cette huile essentielle, une des plus chères.
En parfumerie, on distingue les produits au fur et à mesure de la distillation, on recueille dans l'ordre d'abord une "note de tête", une "note de cœur" et enfin une "note de queue".
b-L'expression
Les premiers procédés d’extraction consistaient à presser l’écorce des Citrus pour faire éclater les tissus contenant l’huile essentielle en les frottant sur des récipients dont les parois étaient recouvertes de pics en fer.
Et aujourd'hui, l’extraction des fruits d'hespéridées (citron, orange, pamplemousse, bergamotte, limette, etc...) se fait sans chauffage, l'écorce de ces fruits est mise en pressage à froid.
Le procédé à « l’éponge » s’est ainsi développé ( voir dans shémas), les écorces sont pressées plusieurs fois contre un système d’éponges naturelles fixées sur une bassine en terre cuite. La pression est accompagnée par un mouvement de rotation de la main. Le mélange exprimé est recueilli par essorage des éponges. Finalement par simple décantation, l’huile essentielle est séparée de la phase aqueuse qui contient aussi des détritus produits par la lacération des tissus de l’écorce.
L'huile essentielle est alors appelée « essence » car elle a été extraite par expression. Le flacon précise généralement que l'huile essentielle provient du zeste.
c-L'enfleurage
L'enfleurage est une technique qui date de l'Antiquité égyptienne.
Cet ancien procédé d'extraction d'essences est entièrement manuel et très onéreux donc pratiquement abandonné.
L’enfleurage (ou macération) concerne les plantes ou parties de plantes dont l’arôme est trop fragile pour supporter la chaleur d’une distillation ou pour extraire l'essence des plantes qui continuent à dégager leur parfum longtemps après avoir été cueillies.
Il faut aussi que les plantes utilisées fleurissent pendant 2 mois minimum, car l'opération est longue. Ainsi on l'utilise pour la tubéreuse, le lilas blanc, le muguet, le réséda, le jasmin, la narcisse…
L'enfleurage se passe à température ambiante. Pour l'extraction on utilise un chassis composé d'une plaque de verre dans un cadre de bois. On étale 2 cm de graisse sur cette plaque de verre et, par dessus, on étend le les fleurs ; tous les 3 ou 4 jours, on renouvelle la charge de fleurs : on les enlève et on en remet des fraîches ; l'opération est recommencée une trentaine de fois.
Après avoir renouvelé les matières végétales plusieurs fois, la couche de graisse s’imprègne du parfum de la plante. On débarrasse alors le parfum de l’excédent graisseux et l’on obtient une « absolue », une huile essentielle de très haute qualité olfactive.
On peut aussi pratiquer l'enfleurage sur des toiles de coton posées sur des treillis métalliques et imbibées d'huile. Lorsque l'opération d'extraction est terminée, on détache les toiles et on les presse.
2 - Un test de pureté : la chromatographie sur couche mince
a-Définition
La chromatographie sur couche mince (CCM) repose principalement sur des phénomènes d'adsorption, (à ne pas confondre avec l’absorption ; c'est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou moins intenses).
La phase mobile est un solvant ou un mélange de solvants, qui progresse le long d'une phase stationnaire fixée sur une plaque de verre ou sur une feuille semi-rigide de matière plastique ou d'aluminium. Après que l'échantillon ait été déposé sur la phase stationnaire, les substances migrent à une vitesse qui dépend de leur nature et de celle du solvant.
Les principaux éléments d'une séparation chromatographique sur couche mince sont:
• la cuve chromatographique : un récipient habituellement en verre, de forme variable, fermé par un couvercle étanche.
• la phase stationnaire : une couche d'environ 0,25 mm de gel de silice ou d'un autre adsorbant est fixée sur une plaque de verre à l'aide d'un liant comme le sulfate de calcium hydraté (plâtre de Paris) l'amidon ou un polymère organique.
• l'échantillon : environ un microlitre de solution diluée du mélange à analyser, déposé en un point repère situé au-dessus de la surface de l'éluant.
• l'éluant : un solvant pur ou un mélange : il migre lentement le long de la plaque en entraînant les composants de l'échantillon.
b-Principe de la technique
--> Voir animation chromatographie.
Lorsque la plaque sur laquelle on a déposé l'échantillon est placée dans la cuve, l'éluant monte à travers la phase stationnaire, essentiellement par capillarité. Mais, chaque composant de l'échantillon se déplace à sa propre vitesse derrière le front du solvant.
Cette vitesse dépend d'une part, des forces électrostatiques retenant le composant sur la plaque stationnaire et, d'autre part, de sa solubilité dans la phase mobile.
Les composés se déplacent donc alternativement de la phase stationnaire à la phase mobile, l'action de rétention de la phase stationnaire étant principalement contrôlée par des phénomènes d'adsorption.
c-Applications de la CCM
Si l'analyse, réalisée avec divers solvants et différents adsorbants, révèle la présence d'une seule substance, on peut alors considérer que cet échantillon est probablement pur. De plus, étant donné que la chromatographie sur couche mince indique le nombre de composants d'un mélange, on peut l'employer pour suivre la progression d'une réaction.
e-Choix de l'éluant
L'éluant* est formé d'un solvant unique ou d'un mélange de solvants. Un éluant qui entraîne tous les composants de l'échantillon est trop polaire* celui qui empêche leur migration ne l'est pas suffisamment.
Une méthode simple pour trouver l'éluant approprié consiste à préparer des solutions de l'échantillon dans différents solvants, en concentration d'environ 2 à 5% en volume.
A l'aide d'une micropipette, on dépose une goutte de chaque solution sur une plaque, chacune séparée d'environ 1 cm. Le meilleur éluant est celui qui, lorsqu'il a terminé sa migration, a entraîné le soluté à une distance d'environ la moitié de celle qu'il a parcourue.
Une autre méthode consiste à déposer une solution des substances à analyser en plusieurs points, séparés d'environ 2 cm. Après séchage, on applique au centre de chaque point une micropipette remplie de solvant; Après diffusion, l'éluant qui convient sépare les solutés.
Choix de l'éluant dans le cas d'analyses :
• d'hydrocarbures : hexane, éther de pétrole ou benzène.
• de groupements fonctionnels courants : hexane ou éther de pétrole mélangés en proportions variables avec du benzène ou de l'éther diéthylique forment un éluant de polarité moyenne.
• de composés polaires : éthanoate d'éthyle, propanone ou méthanol.
f-Dépôt de l'échantillon
L'échantillon est mis en solution (2 à 5 %) dans un solvant volatil, qui n'est pas forcément le même que l'éluant : on emploie fréquemment le trichlorométhane (chloroforme),la propanone ou le dichlorométhane.
La solution est déposée en un point de la plaque situé à environ 1 cm de la partie inférieure. Il est important que le diamètre de la tache produite au moment du dépôt soit faible; idéalement, il ne devrait pas dépasser 3 mm. Ce sont généralement les dépôts les moins étalés qui permettent les meilleures séparations. Pour augmenter la quantité déposée, il est toujours préférable d'effectuer plusieurs dépôts au même point, en séchant rapidement entre chaque application plutôt que de déposer en une seule fois un grand volume d'échantillon qui produirait une tache plus large. L'échantillon est déposé à l'aide d'une micropipette ou d'un tube capillaire en appuyant légèrement et brièvement l'extrémité de la pipette sur la couche d'adsorbant en prenant soin de ne pas le détériorer. On peut aussi utiliser l'extrêmité, un peu émoussée, d'un cure-dent. On vérifie l'identité des composants présumés d'un échantillon, en procédant à un dépôt séparé d'une solution de chacun d'eux puis à celui de leur mélange. Ces solutions témoins permettent de comparer la migration de chaque composé avec celle de l'échantillon à analyser.
g-Développement de la plaque
Le développement consiste à faire migrer le solvant sur la plaque. Dans les analyses usuelles de laboratoire, le principal type de développement est la chromatographie ascendante : la plaque est placée en position verticale dans une cuve et le solvant qui en recouvre le fond monte par capillarité. Le niveau de liquide est ajusté à environ 0,5 cm du fond de la cuve; on place souvent du papier filtre contre les parois de la cuve pour saturer plus rapidement la cuve en vapeurs d'éluant et éviter les effets de bords. Pendant le développement du chromatogramme, la cuve doit demeurer fermée et ne pas être déplacée. Lorsque la position du front du solvant arrive à environ 1 cm de l'extrémité supérieure, la plaque est retirée de la cuve, le niveau atteint par le solvant est marqué par un trait fin, puis la plaque est séchée à l'air libre ou à l'aide d'un séchoir.
h-Révélation
L'identification des substances isolées se fait selon différentes méthodes (valable également pour la chromatographie sur papier):
• directement si les substances sont colorées
• à l'aide de révélateurs si elles sont incolores afin de les transformer en taches colorées; les produits sont souvent décelés par leurs réactions fonctionnelles classiques: les acides aminés par la ninhydrine qui donne avec la plupart une couleur bleu-violet, les acides organiques par des indicateurs colorés, les sucres par le réactif de Molisch qui utilise le pouvoir réducteur des sucres. Quelques réactifs comme l'iode ou le permanganate donnent des colorations non spécifiques avec la plupart des composés organiques.
• toutes les substances ayant une absorption dans la région au-dessus de 230 nm sont étudiées sur des supports additionnés de corps fluorescents par irradiation de lumière UV à ondes courtes (λmax< 254 nm).Il faut noter les positions des taches colorées juste à la fin de la chromatographie en les cerclant, car certains produits disparaissent avec le temps.
3 - Un exemple : l'huile essentielle de thym
a-L'hydrodistillation
--> voir les photos dans la galerie photo
Nous avons commencé par faire une hydrodistillation des graines de thym afin de récuperer les huiles essentielles de celles ci. Après avoir réalisé le montage suivant et récupéré le distillat,
• 1ére étape : On ajoute une spatule de gros sel (chlorure de sodium) au distillat ; et on agite pour le dissoudre. En effet, le thymol, ou huile essentielle de thym, est très légèrement soluble dans l’eau : il y a donc encore un peu d’huile dans la phase aqueuse. Pour s’assurer que toute l’huile passe dans la phase organique on utilise du sel. Ainsi, la phase aqueuse est constituée d’eau salée dans laquelle l’huile essentielle est moins soluble que dans l’eau, donc elle remonte dans la phase organique.
• 2ème étape : On transvase la solution obtenue dans l’ampoule à décanter et on y ajoute l'éluant pour que le peu d'eau encore contenue dans la phase organique passe dans la phase aqueuse.
En effet, le cyclohexane n’est pas du tout miscible avec l’eau et le thymol doit être soluble dedans afin qu’il reste dans la phase organique.
• 3ème étape : On agite l'ampoule à décanter pour homogéniser le mélange, en purgeant* régulièrement pour éliminer les gazs qui se forment durant la réaction chimique. (En veillant à diriger l’ampoule vers une zone neutre!).
• 4ème étape : On laisse reposer, c'est l'étape de décantation qui permet à la solution de former des phases bien définies.
• 5ème étape : On recueille dans un bécher la phase organique.
• 6ème étape : On filtre la phase organique et on la garde pour l’analyser ultérieurement.
b-la chromatographie
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Nous avons ensuite continué notre TP par une chromatographie afin de vérifier que notre huile essentielle prélevée est semblable à celle du marché.
Nous avons réalisé une C.C.M sur plaque recouverte de gel de silice.
•1ère étape : Préparation de la cuve à élution.
- Sous hotte, nous versons dans un bécher de l’éluant sur une hauteur comprise entre 0,5 et 1 cm.
- Nous fermons la cuve avec un couvercle afin qu’elle soit saturée en vapeurs de l’éluant.
Pour réaliser un expérience plus précise nous l'avons réalisée avec différentes proportions de différents éluants :
Bécher 1 : dichlorométhane - cyclohexane (70% - 30 %)
Bécher 2 : dichlorométhane - cyclohexane (80% - 20 %)
Bécher 3 : toluène - éthanol (94% - 6%)
•2ème étape : Préparation de la plaque.
- Ensuite, nous repérons la face lisse et la face granuleuse.
- Puis nous prennons une plaque CCM sans mettre les doigts dessus et nous traçons un trait au crayon sur la face granuleuse à environ 1 cm du bord inférieur.
- Nous repérons 2 points équidistants et nous y déposons à l'aide de petits bâtons une goutte de l'huile essentielle de thym du marché et une goutte de celle que nous avons « fabriquée » grâce à l'hydrodistillation.
•3ème étape : Chromatographie.
- Nous déposons la plaque délicatement dans la cuve.
- Nous laissons migrer jusqu’à environ 1 cm du bord supérieur de la cuve.
- Et enfin, nous notons la position du front de l’éluant au crayon.
•4ème étape : Révélation.
- Nous pulvérisons les plaques des béchers 1 et 2 d'une solution de permanganate de potassium et nous plaçons la plaque du bécher 3 sous une lampe U.V.
- Nous observons et entourons le plus précisément possible la position de toutes les tâches.
•5ème étape : Analyse du chromatogramme.
Nous observons que l'huile essentielle de thym que nous avons créée contient 5 espèces chimiques (selon la chromatographie 3) et que celle du marché n'en contient que 4 selon cette même chromatographie qui paraît la plus précise, même si elle n'a pas séparé certaines espèces chimiques, car elles sont en front de solvant.
Nous pouvons cependant observer que l'huile essentielle que nous avons créée est très semblable à celle du marché puisque leurs tâches se situent à la même hauteur (donc les espèces chimiques sont identiques puisque chacune des espèces chimiques a des propriétés chimiques différentes).
Enfin, la tâche la plus large est du thymol.