Erste Ergebnisse zur Wasserdampfdestillation ätherischer Öle Einleitung Material und Methoden

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1 Erste Ergebnisse zur Wasserdampfdestillation ätherischer Öle ANDREA BIERTÜMPFEL, MICHAEL CONRAD, CHRISTINA WARSITZKA (Thüringer Zentrum Nachwachsende Rohstoffe der Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft, Apoldaer Straße 4, Dornburg) Einleitung Der Freistaat Thüringen zählt hinsichtlich des Anbaus von Heil-, Duft- und Gewürzpflanzen zu den führenden deutschen Bundesländern. Um die Anbaufläche dieser Kulturen zu erhalten bzw. zu erweitern, ist es erforderlich, ständig nach neuen Absatzmöglichkeiten zu suchen. Eine Ergänzung und Alternative zur derzeit gebräuchlichen Erzeugung von Drogen könnte die Gewinnung und Vermarktung von ätherischen Ölen von einem Teil der in größerem Umfang zur Teeproduktion angebauten Kamille und Pfefferminze sein. Ebenso würden sich die Gewürzpflanzen Thymian und Ysop für diesen Sektor anbieten. Obgleich der Markt für ätherische Öle sehr umkämpft ist, könnte gerade für Ware aus integriertkontrolliertem Anbau eine echte Anbauchance bestehen. Um abzuklären, welcher Preis und welche Qualitäten bei der Gewinnung ätherischer Öle unter Thüringer Standortbedingungen zu realisieren sind, ist im Thüringer Zentrum Nachwachsende Rohstoffe der Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft im Jahr 2000 eine Wasserdampf-Destillationsanlage errichtet worden. Es handelt sich dabei um eine von der Bayrischen Landesanstalt für Bodenkultur und Pflanzenbau entwickelte und der Fa. Herba- Tec vertriebene kleintechnische Anlage, die Wasserdampf-Destillationsanlagen in gleicher Art auch in größerem Maßstab produziert. Dadurch ist gewährleistet, dass die an ihr gewonnenen Erkenntnisse ohne weitere Aufwendungen in die Praxis übertragen werden können. Die Wasserdampf-Destillation wurde gewählt, weil sie die bei weitem gebräuchlichste Methode zur Gewinnung ätherischer Öle ist. Ihr Prinzip beruht darauf, dass die Dampfdrücke des Wassers und des in ihm unlöslichen ätherischen Öls unabhängig voneinander entsprechend der Temperatur ansteigen und sich zu einem gemeinsamen Dampfdruck ergänzen. Der Siedepunkt wird dann erreicht, wenn der Dampfdruck dem Atmosphärendruck entspricht, also wenige Grad unter 100 C. In der Dampfphase sind die beiden Komponenten im Verhältnis ihrer Dampfdrücke enthalten. Nach dem Abkühlen in einer Vorlage ( Florentiner Flasche ) werden Wasser und Öl voneinander getrennt. Material und Methoden Im Jahre 2000 wurden Versuche mit den Blattdrogen Moldawischer Drachenkopf, Thymian und Ysop sowie den Körnerdrogen Koriander, Anis und Fenchel durchgeführt. Die bei den einzelnen Pflanzenarten untersuchten Parameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Ermittelt wurden die bei den einzelnen Versuchsbedingungen bei der Destillation erzielten Ölmengen im Thüringer Zentrum Nachwachsende Rohstoffe (durch Volumenmessung) und deren Zusammensetzung in der PHARMAPLANT GmbH Artern. Neben den durch die kleintechnische Destillation ermittelten Ölgehalten, erfolgte eine analytische Ölgehaltsbestimmung an einem atiquoten Teil sämtlicher Proben in der PHARMAPLANT GmbH Artern.

2 Tabelle 1: Destillationsversuche, Dornburg 2000 Pflanzenart Untersuchte Einflussgrößen Moldawischer Drachenkopf 2 Sorten 1. Erntezeitpunkt: Blühbeginn, Vollblüte, Blühende 2. Erntefrisches 3. Getrocknetes Thymian 1. Erntefrisches 2. Getrocknetes Ysop 1. Erntefrisches Pflanzematerial 2. Getrocknetes Koriander 4 Sorten Zerkleinerungsgrad der Körner Fenchel Destillationsdauer Anis unterschiedliche Reifestadien Ergebnisse Moldawischer Drachenkopf Das Öl des Moldawischen Drachenkopfs besitzt ein zitronenartiges Aroma und könnte deshalb als Ersatz bzw. Ergänzung für Zitronenmelisse in Frage kommen. Zu diesem Zweck ist auch seine Inkulturnahme in der ehemaligen DDR und Ungarn intensiv betrieben worden. Im Jahr 2000 wurden die Sorten Arat und Aratora in Dornburg angebaut, zu Blühbeginn, zur Vollblüte und zu Blühende geerntet und jeweils die Frischpflanzen und die getrockneten Pflanzen in mehreren Durchgängen destilliert. Die Destillationszeit betrug 30 Minuten. Über die bei den einzelnen Varianten erzielten Ölgehalte informiert Tabelle 2. Tabelle 2: Ölgehalt von 2 Sorten des Moldawischen Dachenkopfs zu unterschiedlichen Entwicklungsstadien in frischem und getrocknetem Zustand, Dornburg 2000 Sorte Ernte Stadium Methode Äth. Ölgehalt (% Ganzpflanze) Äth. Ölgehalt (% Blatt) Arat Blühbeginn frisch 0,33 0,65 trocken 0,22 0,44 Aratora Blühbeginn frisch 0,47 0,94 trocken 0,39 0,79 Arat Vollblüte frisch 0,54 1,03 trocken 0,34 0,66 Aratora Vollblüte frisch 0,44 0,81 trocken 0,30 0,55 Arat Blühende frisch 0,55 1,03 trocken 0,40 0,74 Aratora Blühende frisch 0,68 1,42 trocken 0,33 0,71 Generell ist festzustellen, dass bei Moldawischem Drachenkopf bei unmittelbarer Destillation nach der Ernte % höhere Ölausbeuten zu erzielen sind als nach vorheriger Trocknung. In der Literatur wird berichtet, dass leicht angewelktes Material beim Destillieren noch günstiger abschneiden soll als frisches. Diese Variante ist zukünftig ebenfalls zu prüfen. Hinsichtlich der Ölausbeute bei den unterschiedlichen Erntezeitpunkten scheint der Termin Blühende am günstigsten zu sein. Auch in qualitativer Hinsicht erreichte die Sorte Aratora beim letzten Erntetermin die besten Ergebnisse. Demgegenüber fiel der Citralgehalt der

3 Sorte Arat zu Blühende deutlich ab (Tab. 3). Tabelle 3: Citralgehalt im ätherischen Öl zweier Sorten des Moldawischen Drachenkopfs nach Destillation frischen bzw. getrockneten s, Dornburg 2000 Sorte Erntezeitpunkt Blühbeginn Vollblüte Blühende frisch trocken frisch trocken frisch Trocken Arat 30,84 32,42 46,86 44,51 29,51 37,90 Aratora 36,06 35,83 30,22 31,15 47,54 46,40 In Bezug auf die den prozentualen Ölgehalt scheint die Sorte Aratora der Sorte Arat überlegen. Allerdings reicht für eine definitive Aussage der bisherige Versuchsumfang nicht aus. Im Jahr 2000 wurde der niedrigere Ölgehalt der letztgenannten Sorte durch einen höheren Blattertrag ausgeglichen, so dass die Ölerträge je Flächeneinheit bei beiden Sorten gleich waren. Den höchsten Blattertrag erreichte die Sorte Arat zu Blühende mit 35,3 dt TM/ha. Bei einer mit der Wasserdampfdestillation erzielten Ölausbeute im Blatt von 10,3 % in der TM bei Extraktion der Frischpflanze ergibt damit sich ein Ertrag an ätherischem Öl von etwa 36 l/ha. Auch die Sorte Aratora erzielte zu Blühende den maximalen Blattertrag von 23,1dt TM/ha. Bei der Wasserdampfdestillation wurde in diesem Stadium aus der Frischpflanze eine Ölausbeute von 14,2 % in der TM erzielt. Das bedeutet einen Ertrag an ätherischem Öl von ca. 33 l/ha. Thymian Thymian, Sorte Deutscher Winter, wurde ebenfalls frisch und getrocknet destilliert. Die frischen Pflanzen erwiesen sich hinsichtlich ihres Ölgehaltes noch deutlicher überlegen als beim Moldawischen Drachenkopf. Mit der frischen Pflanze wurden nach 30 Minuten Destillationsdauer mittlere Ölgehalte von 15,2 ml/kg TM erzielt. Die Destillation des getrockneten Thymians erbrachte einen Ölgehalt von 7,6 ml/kg TM. Bei einem mittleren Thymianertrag von 23 dt TM/ha im Jahr 2000 ergibt sich nach diesem ersten Versuch ein Ertrag an ätherischem Öl bei der Destillation frischer Pflanzen von 35 l/ha. Quantitativ wurden insgesamt 6 Bestandteile des Thymian-Öls bestimmt. Auf die Qualität des ätherischen Öls hat das Trocknen nur einen geringen Einfluss. Hauptbestandteil ist bei beiden Varianten das Thymol. Die 6 Bestandteile machen bei Proben aus Frischpflanzen einen Anteil von ca. 75 % und bei Öl aus getrockneten Pflanzen einen Anteil von ca. 71 % des ätherischen Öls aus (Tab. 4). Tabelle 4: Inhaltsstoffe des Thymianöls bei Destillation frischer und getrockneter Ware Probe Zusammensetzung des ätherischen Öls (%) -Terpinen Limonen Borneol Thymol Cavarcrol Eugenol! Erntefrisches 20,73 1,35 2,20 46,58 2,18 2,18 74,62 Getrocknetes 16,83 1,35 2,39 46,23 2,52 2,52 71,01 Ysop Als eine weitere Blattdroge wurde Ysop destilliert. Auch hier erbrachte die Destillation frischer Ware gegenüber dem getrockneten Kraut eine höhere Ölausbeute. Bei den frisch destillierten Pflanzen ergab sich bei einer Destillationsdauer von 30 Minuten ein mittlerer Gehalt an ätherischem Öl von 8,3 ml/kg TM. Die Destillation der getrockneten Pflanzen

4 erbrachte bei gleicher Destillationszeit einen mittleren Ölgehalt von 6,5 ml/kg TM. Bei Erträgen von durchschnittlich 25 dt TM/ha wurden somit bei Frischdestillation 21,0 l/ha, bei Trockenextraktion lediglich 16,2 l/ha ätherisches Öl gewonnen. Die Bestimmung von 10 Inhaltsstoffen des Ysopöls ergab die in Tabelle 5 wiedergegebene Zusammensetzung. Der Anteil an diesen Inhaltsstoffen betrug im frisch destillierten Kraut 82,02 % und im trocken destillierten Kraut 89,36 %. Tabelle 5: Inhaltsstoffe des Ysopöls bei Destillation frischer und getrockneter Ware Probe Zusammensetzung des ätherischen Öls (%) - - Sabinecenelandreloocamphocampophyllen Myr- Limo- -Phe- Lina- cis-pino- trans-pino- -Caryo-! Pinen Pinen Erntefrisches 0,64 7,59 1,67 1,64 0,79 2,56 0,54 36,69 29,53 0,37 82,02 Getrocknetes 0,78 9,11 1,83 1,51 0,86 2,59 0,47 39,51 32,07 0,62 89,35 Auch hier sind keine wesentlichen Unterschiede zwischen dem ätherischen Öl aus der Destillation von frischem oder getrocknetem festzustellen. Koriander Die in Dornburg angebauten Koriandersorten Jantar, Thüringer, Petro und Corry wurden zur Vollreife im Jahre 2000 geerntet. Da die Ölausbeuten bei der Destillation ganzer Körner sehr gering war, erfolgte eine Zerkleinerung mit einer Getreidemühle in 3 unterschiedlichen Mahlgraden von grob über mittelfein bis fein. Die Destillationsdauer dieses Materials betrug immer 40 min. In Tabelle 6 sind die durch die Wasserdampfdestillation erzielten Ölgehalte in ungemahlenem und gemahlenem Zustand der 4 Sorten gegenübergestellt und mit den analytisch ermittelten Werten verglichen. Tabelle 6: Vergleich der Ölgehalte (Bestimmung im Labor) von Korianderkorn mit den bei Destillation unzerkleinerter und gemahlener Samen gewonnenen Ergebnissen, Dornburg 2000 Sorte Gehalt an ätherischem Öl (%) Labor Destillation ganzer Körner Destillation gemahlener Körner Jantar 1,75 0,16 1,12 Thüringer 1,43 0,10 0,64 Petro 1,00 0,02 0,58 Corry 1,02 0,03 0,59 Aus den in der Tabelle wiedergegebenen Werten ist ersichtlich, dass sich bei den Sorten Jantar und Thüringer eine ca. 7mal höhere und bei den Sorten Petro und Corry ein rund 30 mal höhere Ölausbeute bei der Destillation der zerkleinerten Körner gegenüber den unzerkleinerten ergaben. Dennoch befindet sich selbst bei der Destillation gemahlener Samen noch ein größerer Teil des ätherischen Öls im Rückstand. Möglicherweise ist die Destillationsdauer von 40 min noch zu gering. Als Inhaltsstoffe des Koriander-Öls, ungemahlen destilliert, wurden Limonen, Linalool, Carvon und Carveol, wobei Linalool mit über 70 % den Hauptanteil darstellt, bestimmt.

5 Fenchel Dass eine Destillationsdauer von 40 min bei Körnerdrogen tatsächlich zu kurz ist, zeigte sich auch an bei Versuchen mit Fenchel. Zur Optimierung des Extraktionsverfahrens wurden bei vollreifen Fenchelkörnern Versuche mit Destillationszeiten von 30, 45 und 60 Minuten durchgeführt. In Abbildung 1 sind die erzielten Ölmengen bei den einzelnen Destillationszeiten dargestellt, die sich mit steigender Destillationsdauer deutlich erhöhen. Bei Kornerträgen von ca. 18 dt/ha können bei optimiertem Extraktionsverfahren somit ca. 47 l ätherisches Öl/ha erreicht werden min. 45 min. 60 min. Abbildung 1: Destillierte Ölmenge in Abhängigkeit von der Extraktionsdauer Anis Bei Anis wurden zum einen wachsreife Körner und zum anderen vollreife Körner destilliert. Mit der Bestimmung von Linalool, Anisaldehyd, Anethol und Estragol im Korn konnten in den wachsreifen Samen 93,09 %, in den vollreifen 92,42 % der Ölbestandteile erfasst werden. Nach den Laboruntersuchungen des ätherischen Öls aus denselben Kornproben hätten die entsprechenden Werte noch um ca. 10 % höher liegen müssen (Tab. 7). Über mögliche Ursachen dieser Diskrepanz kann momentan noch keine Aussage getroffen werden. Tabelle 7: Inhaltsstoffe des Anisöls bei Destillation unreifer und reifer Samen Probe Zusammensetzung des ätherischen Öls (%) Linalool Anisaldehyd Anethol Estragol! Destillation unreifer Samen 0,93 0,65 96,17 0,22 97,97 Destillation vollreifer Ware 0,90 0,92 96,53 0,24 98,59

6 Zusammenfassung Erste Destillationsversuche aus den Blattdrogen Moldawischer Drachenkopf, Thymian und Ysop haben die gute Eignung der von der Bayerischen Landesanstalt für Bodenkultur und Landwirtschaft entwickelten Destillationsanlage bewiesen. Wie angegeben, ist bereits nach 30 Minuten eine vollständige Erschöpfung des Destillationsgutes erreicht. Wegen der kurzen Destillationsdauer arbeitet die Anlage wesentlich ökonomischer als ältere Destillationseinrichtungen, für die teilweise eine mehrstündige Destillationsdauer angegeben wird. Bei Körnerdrogen ist dagegen eine solch kurze Durchlaufzeit wie für Blattmaterial nicht ausreichend, wie die Untersuchungen an Anis, Koriander und Fenchel mit aller Deutlichkeit zeigen. Auch ist eine vorhergehende Zerkleinerung der Früchte für den Destillationserfolg zwingend erforderlich. Wie hoch der Zerkleinerungsgrad sein muss, um in kurzer Zeit sämtliches ätherisches Öl aus dem Destillationsgut zu gewinnen bzw. wie hoch er sein darf, um einen ungehinderten Dampfdurchtritt durch das Material zu gewährleisten, ist in weiteren Versuchen exakt zu bestimmen. Alles in allem haben sich die im Jahre 2000 im Thüringer Zentrum Nachwachsende Rohstoffe der Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft begonnenen kleintechnischen Destillationsversuche zur Gewinnung ätherischer Öle aus verschiedenen Pflanzenarten sehr hoffnungsvoll angelassen. Das verarbeitete aus dem Versuchanbau in Dornburg wies nicht nur hohe Ölgehalte auf, auch die Zusammensetzung der gewonnenen ätherischen Öle übertraf immer deutlich die Qualitätsanforderungen, wie sie in der Literatur für gute Partien genannt werden. So enthielt beispielsweise Thymian 46 % Thymol bzw. Anis 96 % Anethol, während in der Literatur % Thymol bzw % Anethol angegeben sind. Die hier beschriebenen Untersuchungen geben zu der Hoffnung Anlass, dass sich die Produktion ätherischer Öle noch wesentlich optimieren lässt und auch ökonomisch sinnvoll ist. Wegen der gleichartigen Konstruktion der klein- und der großtechnischen Anlage sind die erzielten Forschungsergebnisse problemlos in die Praxis übertragbar.