Yeni Bir Mikrodalga Destekli Damıtma Sistemi ile Defne (Laurus nobilis) Bitkisinden Uçucu Yağ Elde Edilmesi

Abstract

Bu çalışmada, dünyadaki ticaret arzının %90’ı ülkemizden gerçekleştirilen Defne (Laurus nobilis) bitkisinin, geleneksel buharlı damıtma sistemiyle birlikte, endüstriyel tipte tasarlanan yeni bir mikrodalga destekli damıtma (MDD) sistemi kullanılarak uçucu yağları elde edilmiştir. Literatürdeki tıbbi ve aromatik bitkilerden mikrodalga (MD) desteğiyle damıtma yapılan çalışmalara bakıldığında ya küçük ölçekli laboratuvar cihazı ya da klasik MD fırınlara clevenger ilavesi yapılarak damıtma işleminin gerçekleştirildiği görülmektedir. Ancak, bitki miktarı artıkça elektromanyetik (EM) gücün bitkiye nüfuzu azalacağından dolayı bu küçük ölçekli MD destekli çalışmalar endüstriyel tip damıtma süreçleri için birebir model olmaktan uzak kalacaklardır. Bu amaçla bu çalışmada özgünlük olarak, MD gücün büyük ölçekli sistemlerdeki damıtma süreçlerine etkisini doğru bir şekilde modelleyebilmek için yeni bir endüstriyel tip MDD sistemi tasarlanıp test edilmiştir. Her bir testte 5 kg’lık bitki damıtılmakta olup tasarlanan MDD sisteminde 12 adet magnetron kullanılmıştır. Bu magnetronların farklı güçte çalışması kontrol devresiyle sağlanarak, MD gücünün uçucu yağ verimine ve uçucu yağ bileşenlerine etkileri gözlenmiştir. Yapılan testler sonucunda, MD desteği verilerek yapılan damıtma işlemlerinde, Linalool, Linalyle formate ve β-terpinyl acetate bileşenlerinde dramatik değişimler izlenmiştir. Geleneksel buhar damıtma (BD) sistemine göre uçucu yağ veriminde %10-24’lük bir artış elde edilmiş, süre 100 dk’dan 50 dk’ya düşürülmüştür. %26-35 arası daha az enerji harcanmış ve tüm bunların karşılığında bileşen bazında standart değerlerde uçucu yağ elde edilmiştir. Damıtılma sonucundaki uçucu yağ analizleri GC-MS analizi ile kimyasal olarak analiz edilmiş ve 64 farklı bileşen elde edilmiştir. Bunlardan 29 tanesinin gruplandırılmasıyla yapılan değerlendirmede, monoterpen-oksitlerin %55.68, monoterpen-hidrokarbonların ise %27.96 olduğu, kalan kısmın seskiterpen-oksit, seskiterpen-hidrokarbon ve fenolik bileşenlerden oluştuğu tespit edilmiştir. MW gücünün düşük olduğu testlerde monoterpen-oksitlerin azaldığı, MW gücü arttıkça belli bir oranda yükseldiği tespit edilirken monoterpen-hidrokarbonlarda ise tam tersi bir durum izlenmiştir. Linalool ve linalyl formate bileşenleri MW gücüyle en çok değişen bileşenler olmuştur. Yapılan değerlendirmeler MW desteğinin, endüstriyel tip damıtma süreçlerinde uygulanmasının pozitif etkileri olacağı ve maliyetleri aşağı çekeceği yönündedir.

Keywords

• Defne
• Laurus nobilis
• Mikrodalga destekli damıtma
• Uçucu yağ
• Mikrodalga güç

Extracting the Essential Oil from Laurel (Laurus nobilis) Plant with a New Microwave Assisted Distillation System

Abstract

In this study, essential oils of Laurel plant (Laurus nobilis), 90% of the world trade supply of which is realized from our country, are obtained by using a new industrial-type microwave-assisted distillation (MWAD) system designed together with the traditional steam distillation system. When examining the studies in the literature on MW-assisted distillation from medicinal and aromatic plants, it is seen that the distillation process is carried out either with a small-scale laboratory device or by adding clevenger to conventional microwave (MW) ovens. However, since the penetration of electromagnetic (EM) power into the plant decreases with increasing plant size, these small-scale MW-assisted systems will remain far from being a one-to-one model for industrial-type distillation processes. For this purpose, in this work, a new MWAD system is designed and tested in order to accurately model the effect of MW power on distillation processes in large-scale systems, as a novelty. In each test, 5 kg of plant can be distilled and 12 magnetrons are used in the designed MWAD system. The operation of these magnetrons at different powers is ensured by a control circuit and the effects of MW power on essential oil yield (%) and essential oil components are observed. As a result of the tests, radical changes are observed in some components in the distillation processes performed with MW support. Compared to the traditional steam distillation (BD) system, a 10-24% increase in essential oil yield is achieved, and the time is reduced from 100 min to 50 min. 26-35% less energy is consumed and in return for all this, essential oil is obtained at standard values on a component basis. Essential oil analysis as a result of distillation is chemically analyzed by GC-MS analysis and 64 different components are obtained. In the evaluation made by grouping 29 of them, it is determined that oxygenated monoterpenes are 55.68%, hydrocarbon monoterpenes are 27.96%, and the remaining part consisted of oxygenated and hydrocarbon sesquiterpenes and phenolic components. In tests where low MW power is applied, it is determined that oxygenated monoterpenes decrease and MW power ability increases to a certain extent, while the opposite situation is observed for hydrocarbon monoterpenes. Linalool and linalyl formate components have become the most economical solution with MW power. Evaluations indicate that MW support will yield positive results in the industrial distillation spectrum and reduce costs.

Keywords

• Laurel
• Laurus nobilis
• Microwave-assisted distillation
• Essential oil
• Microwave power

References

1. Aktepe, B. P., Mertoğlu, K., Evrenosoğlu, Y. ve Aysan, Y. (2019). Farklı bitki uçucu yağların erwinia amylovora’ya karşı antibakteriyel etkisinin belirlenmesi. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, 16(1): 28-35. https://doi.org/10.33462/jotaf.516848
2. Anonim (2022). Defne Tarımı ve Endüstrisi Fizibilite Raporu (BAKA), https://baka.ka.gov.tr/assets/upload/dosyalar/defne-tarimi-ve-endustrisi-fizibilite-raporu.pdf (Accessed Date: 13.10.2023).
3. Allal, A., Bellifa, S., Benmansour, N., Selles, C., Semaoui, M., Hassaine, H. and Muselli, A. (2019). Essential oil and hydrosol extract chemical profile, antioxidant and antimicrobial potential of daphne gnidium l. From algeria. Journal of Essential Oil Bearing Plants, 22(5): 1277-1288. https://doi.org/10.1080/0972060X.2019.1673832
4. Ayhan, E. ve Erkan, N. (2023). Akdeniz Defnesi (Laurus nobilis L.) üretiminin kırsal ekonomiye potansiyel katkısının ve üretici profilinin, sorun ve beklentilerinin araştırılması (Bursa ili örneği). Türkiye Ormancılık Dergisi, 24(3): 262-271. https://doi.org/10.18182/tjf.1302497
5. Drinić, Z., Pljevljakušić, D., Živković, J., Bigović, D. and Šavikin, K. (2020). Microwave-assisted extraction of O. vulgare L. spp. hirtum essential oil: Comparison with conventional hydro-distillation. Food and Bioproducts Processing, 120: 158-165. https://doi.org/10.1016/j.fbp.2020.01.011
6. Ghorbani, L., Golkar, P., Jafari, R., Ahmadi, M. and Allafchian, A. (2023). Phytochemicals, essential oils composition and antioxidant activity of astragalus spp.. Phlomis olivieri and daphne mucronata in habitats of central iran. Chemistry & Biodiversity, 20(9): e202300811. https://doi.org/10.1002/cbdv.202300811
7. Gölükçü, M., Tokgöz, H. and Turgut, D. Y. (2018). Effect of distillation time on essential oil compositions of bay leaf (Laurus nobilis L.). Food and Health, 4(1): 37-42. https://doi.org/10.3153/JFHS18005
8. Irakli, M., Bouloumpasi, E., Christaki, S., Skendi, A. and Chatzopoulou, P. (2023). Modeling and optimization of phenolic compounds from sage (Salvia fruticosa L.) post-distillation residues: Ultrasound- versus microwave-assisted extraction. Antioxidants, 12(3): 549. https://doi.org/10.3390/antiox12030549

9. Jažo, Z., Glumac, M., Drventić, I., Žilić, L., Dujmović, T., Bajić, D., Vučemilo, M., Ivić, E., Bektić, S., Anačkov, G. T. and Radan, M. (2022). The essential oil composition of helichrysum italicum (Roth) g. Don: Influence of steam, hydro and microwave-assisted distillation. Separations, 9(10): 280. https://doi.org/10.3390/separations9100280
10. Kara, M., Soylu, S., Türkmen, M. and Kaya, A. (2020). Determination of chemical compositions and antifungal activities of laurel and fennel essential oils against fungal disease agents of cypress seedlings. Journal of Tekirdag Agricultural Faculty, 17(2): 264-275. https://doi.org/10.33462/jotaf.663452
11. Karık, Ü., Çiçek, F., Tutar, M. ve Fırat, A. Y. A. S. (2015). Türkiye defne (Laurus nobilis L.) populasyonlarının uçucu yağ bileşenleri. Anadolu Ege Tarımsal Araştırma Enstitüsü Dergisi, 25(1): 1-16.
12. Kavoura, D., Kyriakopoulou, K., Papaefstathiou, G., Spanidi, E., Gardikis, K., Louli, V., Aligiannis, N., Krokida, M. and Magoulas, K. (2019). Supercritical CO2 extraction of Salvia fruticosa. The Journal of Supercritical Fluids, 146: 159-164. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2019.01.010
13. Marković, M. S., Radosavljević, D. B., Pavićević, V. P., Ristić, M. S., Milojević, S. Ž., Bošković-Vragolović, N. M. and Veljković, V. B. (2018). Influence of common juniper berries pretreatment on the essential oil yield, chemical composition and extraction kinetics of classical and microwave-assisted hydrodistillation. Industrial Crops and Products, 122: 402-413. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.06.018
14. Mohamed, T. A., Saleh, I., Ali, S., Hussien, T., Hegazi, N. M., Abdel-Halim, S., Abd El-Razek, M. H., El-Beih, A., Marzouk, M. M., Pare, P. W., Efferth, T. and Hegazy, M.-E. F. (2022). A comparative evaluation of the antimicrobial activities of the essential oils of three salvia species growing in egypt, obtained by hydrodistillation and microwave-assisted hydro-distillation. Journal of Essential Oil Bearing Plants, 25(5): 1109-1121. https://doi.org/10.1080/0972060X.2022.2135388
15. Mróz, M. and Kusznierewicz, B. (2023). Phytochemical screening and biological evaluation of Greek sage (Salvia fruticosa Mill.) extracts. Scientific Reports, 13(1): 22309. https://doi.org/10.1038/s41598-023-49695-w Özer, T., Sert, F. Z. ve Öztürk, A. İ. (2019). Defne bitkisi ve yağı üzerine bir araştırma. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi, 8(2): 25-34.
16. Özogul, Y., El Abed, N. and Özogul, F. (2022). Antimicrobial effect of laurel essential oil nanoemulsion on food-borne pathogens and fish spoilage bacteria. Food Chemistry, 368: 130831. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.130831
17. Suttiarporn, P., Wongkattiya, N., Buaban, K., Poolprasert, P. and Tanruean, K. (2020). Process optimization of microwave assisted simultaneous distillation and extraction from siam cardamom using response surface methodology. Processes, 8(4): 449. https://doi.org/10.3390/pr8040449
18. Şevik, R., Denizkara, A. J., Akarca, G., Atik, A. and Atik, İ. (2022). Physicochemical and microbiological properties of common carp (cyprinus carpio) fillets marinated with rosemary and laurel essential oils. Journal of Aquatic Food Product Technology, 31(9): 977-988. https://doi.org/10.1080/10498850.2022.2120790
19. Tomar, O., Akarca, G., Gök, V. and Ramadan, M. F. (2020). Composition and antibacterial effects of laurel (laurus nobilis l.) leaves essential oil. Journal of Essential Oil-Bearing Plants, 23(2): 414-421. https://doi.org/10.1080/0972060X.2020.1768903
20. Zhang, X., Huang, Y., Niu, Y., Liu, Z., Chen, M., An, Y. and Zhang, L. (2022). The preparation of the essential oil from pomelo (Citrus maxima ‘shatian yu’) peel using microwave-assisted distillation by pectinase soaking and its anti-fungal activity. Separations, 9(7): 161. https://doi.org/10.3390/separations9070161