كيفية استخراج الثيمول من الزعتر؟

الزعتر، عشبة عطرية من الفصيلة الشفوية، تشتهر بخصائصها الطبية واستخداماتها في الطهي. ومن أهم مكوناته الثيمول، وهو فينول أحادي التربين طبيعي ذو خصائص مضادة للميكروبات ومضادات الأكسدة والالتهابات. يُستخرج الثيمول من مستخلص ثمار الزعتر اكتسب الثيمول أهميةً كبيرةً في الصناعات الدوائية والغذائية ومستحضرات التجميل نظرًا لاستخداماته المتعددة. يستكشف هذا المقال الطرق المختلفة المستخدمة لاستخلاص الثيمول من الزعتر، مع التركيز على كفاءة المستخلص وعائده وجودته.

قبل الخوض في طرق الاستخلاص، من المهم فهم أن الثيمول يوجد بشكل أساسي في الزيت العطري للزعتر، والذي يُشكل ما بين 20% و54% من المركبات المتطايرة، وذلك حسب نوع الزعتر وظروف نموه. ويُعتبر تركيز الثيمول ملحوظًا بشكل خاص، حيث تحتوي الثمار (البذور المجففة تقنيًا) على زيوت عطرية مركزة تجعلها مصدرًا ممتازًا للاستخلاص.

التقطير بالبخار (للزيوت المتطايرة المحتوية على الثيمول)

يُعد التقطير بالبخار من أقدم الطرق وأكثرها استخدامًا لاستخلاص الزيوت العطرية من النباتات العطرية، بما في ذلك الزعتر. تُعد هذه التقنية فعّالة بشكل خاص في عزل الثيمول من مستخلص ثمار الزعتر بسبب طبيعتها المتطايرة. تستفيد هذه العملية من حقيقة أن البخار عند مروره عبر المواد النباتية يحمل مركبات متطايرة يمكن تكثيفها وفصلها لاحقًا.

تبدأ العملية بتحضير المادة النباتية. تُسحق ثمار الزعتر الطازجة أو المجففة أو تُطحن لزيادة مساحة سطحها، مما يُسهّل استخلاص الزيت العطري بشكل أفضل. ثم تُوضع المادة النباتية المُحضرة في وعاء تقطير، ويُمرّر البخار من خلاله. عند ملامسة البخار للمادة النباتية، يُؤدي ذلك إلى تمزق جدران الخلايا، مُطلقًا الزيت العطري المحتوي على الثيمول.

ينتقل البخار، الذي يحمل المركبات المتطايرة، إلى مُكثِّف حيث يبرد ويعود إلى حالته السائلة. يتكون هذا المُكثِّف من طبقتين غير قابلتين للامتزاج: الماء والزيت العطري. ولأن الزيت العطري (بما في ذلك الثيمول) أقل كثافة من الماء، فإنه يُشكِّل الطبقة العليا، والتي يُمكن فصلها بسهولة باستخدام قمع فصل.

تتضمن مزايا التقطير بالبخار لاستخراج الثيمول ما يلي:

1. النقاء: توفر هذه الطريقة زيتًا أساسيًا نقيًا نسبيًا مع الحد الأدنى من التلوث بالمركبات غير المتطايرة.

2. الفعالية من حيث التكلفة: المعدات المطلوبة بسيطة نسبيًا واقتصادية في التشغيل، مما يجعلها مناسبة للإنتاج على نطاق صغير إلى متوسط.

3. السلامة: على عكس بعض الطرق المعتمدة على المذيبات، لا تنطوي عملية التقطير بالبخار على مذيبات عضوية ضارة محتملة، مما يجعلها خيارًا أكثر أمانًا لكل من المشغلين والمستخدمين النهائيين.

مع ذلك، للتقطير بالبخار حدوده أيضًا. عادةً ما يكون إنتاج الزيت العطري حوالي 1-2% من الوزن الجاف للزعتر، وهو ما يُعتبر منخفضًا مقارنةً ببعض طرق الاستخلاص الأخرى. إضافةً إلى ذلك، تتطلب العملية طاقةً كبيرةً لتوليد البخار، وقد يُؤدي التعرض المُطوّل للحرارة إلى تدهور بعض المُركّبات الحساسة للحرارة في مستخلص ثمرة الزعتر.

لتحسين استخلاص الثيمول بالتقطير بالبخار، يمكن تعديل عدة معايير، بما في ذلك وقت التقطير، ومعدل تدفق البخار، وحجم جسيمات المادة النباتية. وقد أظهرت الأبحاث أن إطالة وقت التقطير لأكثر من 3 ساعات يُنتج عائدًا إضافيًا ضئيلًا، وتختلف معدلات تدفق البخار المثلى باختلاف المعدات المستخدمة.

الاستخلاص بالمذيبات (للمصفوفات ذات العائد الأعلى أو غير المتطايرة)

يقدم الاستخلاص بالمذيبات نهجًا بديلًا لعزل الثيمول من مستخلص ثمار الزعتر، خاصةً عند الرغبة في الحصول على غلة أعلى أو عند التعامل مع مواد غير متطايرة. تعتمد هذه الطريقة على مبدأ "المتشابه يذوب المتشابه"، باستخدام مذيبات عضوية لإذابة الثيمول والمركبات الأخرى المرغوبة من المادة النباتية.

يمكن استخدام عدة مذيبات لاستخلاص الثيمول، بما في ذلك الإيثانول والميثانول والهكسان والأسيتون. يتميز كل مذيب بانتقائية وكفاءة استخلاص مختلفة. غالبًا ما يُفضل استخدام الإيثانول نظرًا لسميته المنخفضة نسبيًا وإمكانية استخلاصه الجيدة للمركبات الفينولية مثل الثيمول.

تتضمن عملية الاستخلاص بالمذيبات عادةً الخطوات التالية:

1. التحضير: يتم تجفيف ثمار الزعتر وطحنها لزيادة مساحة السطح لتحسين اختراق المذيبات.

٢. الاستخلاص: تُخلط المادة النباتية مع المذيب المُختار وتُحرَّك لتسهيل إذابة الثيمول والمركبات المُستهدفة الأخرى في المذيب. يُمكن إجراء ذلك في درجة حرارة الغرفة أو تحت تسخين خفيف لتحسين كفاءة الاستخلاص.

3. الترشيح: يتم ترشيح الخليط لفصل المادة النباتية الصلبة عن المستخلص السائل.

4. إزالة المذيب: يتم تبخير المذيب تحت ضغط منخفض باستخدام مبخر دوار، مما يترك وراءه مستخلصًا مركّزًا يحتوي على الثيمول.

5. التنقية: يمكن استخدام خطوات تنقية أخرى، مثل الكروماتوغرافيا، لعزل الثيمول من المركبات المستخرجة الأخرى.

تتضمن الاختلافات الحديثة لاستخلاص المذيبات ما يلي:

تشمل مزايا الاستخلاص بالمذيبات إنتاجية أعلى مقارنةً بالتقطير بالبخار (عادةً ما تتراوح نسبة المستخلص من 3 إلى 7% من الوزن الجاف)، والقدرة على استخلاص المركبات المتطايرة وغير المتطايرة، والمرونة في اختيار المذيبات. ومع ذلك، تُطرح هذه الطريقة أيضًا تحديات، منها احتمال وجود بقايا مذيبات في المنتج النهائي، والمخاوف البيئية المتعلقة بالتخلص من المذيبات، وارتفاع تكاليف التشغيل مقارنةً بالتقطير بالبخار.

استخلاص السوائل فوق الحرجة (SFE، صناعي/عالي النقاء)

يمثل استخلاص السوائل فوق الحرجة (SFE) أحدث تقنيات الاستخلاص للحصول على الثيمول عالي النقاء من مستخلص ثمار الزعترتعتمد هذه الطريقة على الخصائص الفريدة للسوائل فوق الحرجة، وهي مواد توجد فوق درجات حرارتها وضغطها الحرجة، وتُظهر خصائص كلٍّ من السوائل والغازات. يُعد ثاني أكسيد الكربون (CO2) أكثر السوائل فوق الحرجة استخدامًا نظرًا لاعتدال معاييره الحرجة (31.1 درجة مئوية، 73.8 بار)، وعدم سميته، وعدم قابليته للاشتعال، وسهولة إزالته من المنتج النهائي.

تتضمن عملية استخراج الثيمول من الزعتر باستخدام تقنية SFE عدة خطوات رئيسية:

1. تحضير العينة: يتم طحن ثمار الزعتر المجفف إلى حجم الجسيمات الأمثل لتسهيل الاستخلاص الفعال.

2. ضغط النظام: يتم ضغط ثاني أكسيد الكربون وتسخينه إلى ما بعد نقطته الحرجة لإنشاء السائل فوق الحرج.

٣. الاستخلاص: يمر ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج عبر وعاء استخلاص يحتوي على مادة الزعتر المُحضّرة. في هذه الظروف، يُظهر السائل قدرة ممتازة على إذابة المركبات غير القطبية مثل الثيمول.

4. الفصل: بعد الاستخلاص، يتم تقليل الضغط، مما يؤدي إلى عودة ثاني أكسيد الكربون إلى حالته الغازية وانفصاله عن المركبات المستخرجة، والتي تترسب في وعاء التجميع.

5. التجميع: يتم جمع الثيمول المستخرج والمركبات الأخرى، في حين يمكن إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى إلى النظام.

من أهم مزايا تقنية SFE في استخلاص الثيمول إمكانية ضبط الانتقائية بدقة من خلال تعديل معايير التشغيل. على سبيل المثال، من خلال تعديل الضغط (عادةً ما بين 100 و400 بار) ودرجة الحرارة (عادةً ما بين 40 و60 درجة مئوية)، يمكن التحكم بدقة في كثافة وقوة مذيب ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج لاستهداف مركبات محددة. تتيح هذه الانتقائية استخلاص الثيمول من مستخلص ثمرة الزعتر مع الحد الأدنى من الاستخلاص المشترك للمواد غير المرغوب فيها.

أظهرت الأبحاث أن تقنية SFE قادرة على إنتاج ما يصل إلى 90% من الكمية النظرية القابلة للاستخراج من الزعتر، مما يجعلها قيّمة للغاية في التطبيقات عالية القيمة التي تتطلب نقاءً وجودةً فائقتين. وقد وُسِّعت هذه التقنية بنجاح لتشمل المستويات الصناعية، مع إنتاج تجاري لمستخلص ثمار الزعتر عالي النقاء للاستخدامات الصيدلانية والغذائية.

مراجع حسابات

1. فاشيني-كويروز، ف. س، وآخرون (2012). تأثير الثيمول والكارفاكرول، وهما مكونان من زيت الزعتر العطري الشائع، على الاستجابة الالتهابية. الطب التكميلي والبديل المبني على الأدلة، 2012.

٢. روتا، م. س. وآخرون (٢٠٠٨). التركيب الكيميائي والنشاط المضاد للميكروبات لزيت الزعتر العطري من إسبانيا. مجلة أبحاث الزيوت العطرية، ٢٠(٢)، ١٦٧-١٧٤.

٣. كيمات، ف.، وآخرون (٢٠١٧). استخلاص الأغذية والمنتجات الطبيعية بمساعدة الموجات فوق الصوتية. الآليات، والتقنيات، والتركيبات، والبروتوكولات، والتطبيقات. مراجعة. مجلة الموجات فوق الصوتية والكيمياء الصوتية، ٣٤، ٥٤٠-٥٦٠.

فورناري، ت. وآخرون (4). عزل الزيت العطري من نباتات وأعشاب مختلفة باستخدام الاستخلاص بالسوائل فوق الحرجة. مجلة الكروماتوغرافيا أ، 2012، 1250-34.

٥. ريفيرشون، إي.، ودي ماركو، آي. (٢٠٠٦). استخلاص السوائل فوق الحرجة وتجزئة المواد الطبيعية. مجلة السوائل فوق الحرجة، ٣٨(٢)، ١٤٦-١٦٦.