Weird Science

Zaskakujące cytrusy - zabawy z limonenem

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (5/2019):

Ilustracja

Ples M., Zaska­ku­jące cytrusy - zabawy z limo­ne­nem, Bio­lo­gia w Szkole, 5 (2019), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 54-57

Kto z nas nie lubi owo­ców? Mam tu na myśli oczy­wi­ście te jadalne, które są boga­tym źródłem wita­min, makro- i mikro­e­le­men­tów, a także innych sub­stan­cji potrzeb­nych naszemu orga­ni­zmowi. Obok owo­ców występu­jących natu­ral­nie w naszym kli­ma­cie drzew, krze­wów, krze­wi­nek czy nawet roślin ziel­nych takich jak np. jabłoń domowa Malus dome­stica, gru­sza polna Pyrus com­mu­nis, śliwa domowa Pru­nus dome­stica, aro­nia czar­no­o­wo­cowa Aro­nia mela­no­carpa, porzeczka agrest Ribes uva-cri­spa czy poziomka pospo­lita Fra­ga­ria vesca mamy dzi­siaj dostęp do innych, bar­dziej egzo­tycz­nych pro­duk­tów. Chyba naj­czę­ściej wyko­rzy­sty­wa­nymi i spo­ży­wa­nymi owo­cami pocho­dzącymi z innych stref kli­ma­tycz­nych są te wytwa­rzane przez cytrusy Citrus, czyli rodzaj roślin nale­żący do rodziny ruto­wa­tych Ruta­ceae. Zali­cza się do nich zwy­kle co najm­niej 20–25 gatun­ków, których zasięg obej­muje połu­dniowe i wschod­nie regiony Azji, Austra­lię i wyspy połu­dniowo-zachod­niego Pacy­fiku [1].

Cytrusy wyka­zują się dosyć cha­rak­te­ry­stycz­nymi cechami. Są to naj­czę­ściej wiecz­nie zie­lone krzewy lub nie­duże drzewa o gęstej koro­nie. U wielu gatun­ków na pędach występują cier­nie. Liście tych roślin są prze­ważnie poje­dyn­cze. Wyjątek sta­nowi tutaj pon­cy­ria trój­list­kowa Pon­ci­rus tri­fo­liata. Blaszka liściowa jest skórza­sta i sil­nie pach­nąca. Kwiaty cytru­sów wyra­stają poje­dyn­czo lub sku­pione w gru­pach. Kub­ko­waty kie­lich jest zbu­do­wany z 3-5 dzia­łek, nato­miast korona z 3-8 (naj­czę­ściej 4-5) bia­łych płat­ków. Pręciki występują zwy­kle w ilo­ści dwu­krot­nie więk­szej niż płatki korony, zaś na dnie kwiatu jest poło­żony dysk miod­ni­kowy.

Owoce cytru­sów – o różn­o­rod­nych bar­wach, od zie­lo­nych po poma­rańczowe - są wła­ści­wie rodza­jem mięsi­stych jagód noszących nazwę hespe­ri­dium [2]. Owoce swój kolor w sta­nie doj­rza­łym zaw­dzięczają głów­nie karo­te­no­i­dom. Na wcze­śniej­szych eta­pach roz­woju wśród barw­ni­ków zawar­tych w ich tkan­kach domi­nują jed­nak zie­lone chlo­ro­file. Nasiona cytru­sów ota­cza owoc­nia skła­da­jąca się z trzech warstw (licząc od zew­nątrz):

Egzo­karp - nazy­wany u cytru­sów fla­wedo - ma nie­wielką gru­bość, jest barwny i zawiera sto­sun­kowo dużą ilość olej­ków ete­rycz­nych, nato­miast mezo­karp (albedo) ma z reguły więk­szą gru­bość, jest jaśniej­szy (zwy­kle biały), gąb­cza­sty i zawiera dużo pek­tyn. Fla­wedo i albedo razem two­rzą skórkę owocu. Poło­żony głębiej endo­karp występuje w postaci cien­kiej błony ota­cza­jącej roz­ro­śnięte i wypełn­ione miąższem komory zalążni, czyli to co nazy­wamy cząst­kami owocu. Nasiona cytru­sów są pokryte gładką lub pomarsz­czoną łupiną nasienną, i często w ich wnętrzy zna­leźć można wiele zarod­ków. Niek­tóre gatunki (zwłasz­cza odmiany uprawne) wytwa­rzają owoce par­te­no­kar­piczne, to zna­czy pozba­wione nasion [3].

Jedną z cie­ka­wych cech cytru­sów jest ich zapach. Niek­tóre tkanki tych roślin zawie­rają duże ilo­ści olej­ków ete­rycz­nych. Nazwą tą okre­śla się cie­kłe i zwy­kle sto­sun­kowo lotne sub­stan­cje zapa­chowe, pro­du­ko­wane naj­czę­ściej w spe­cjal­nych komór­kach tkanki wydziel­ni­czej roślin. Takie komórki są cha­rak­te­ry­styczne dla roślin olej­ko­daj­nych, na przy­kład gatun­ków z rodziny sosno­wa­tych Pina­ceae, jasno­to­wa­tych Lamia­ceae, mir­to­wa­tych Myr­ta­ceae, bal­dasz­ko­wa­tych Apia­ceae oraz ruto­wa­tych Ruta­ceae (a więc także i cytru­sów). Z che­micz­nego punktu widze­nia olejki ete­ryczne są mie­sza­niną różn­ego rodzaju związ­ków che­micz­nych, wśród których można wyróżnić ter­peny, ketony, alde­hydy, alko­hole, estry, lak­tony i inne. Sub­stan­cje te znaj­dują zasto­so­wa­nie m.in. w per­fu­miar­stwie, ale też jako przy­prawy, środki lecz­ni­cze, tera­peu­tyczne oraz w aro­ma­te­ra­pii.

Aby prze­ko­nać się o obec­no­ści olej­ków ete­rycz­nych w cytru­sach warto wyko­nać kilka pro­stych, a przy tym efek­tow­nych doświad­czeń.

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Doświad­cze­nia

Jako źródło olejku ete­rycz­nego możemy zasto­so­wać owoce różn­ych cytru­sów. Do doświad­czeń będzie potrzebna jedy­nie skórka, więc nic nie stoi na przesz­ko­dzie, aby wnętrze owo­ców zago­spo­da­ro­wać w inny, ale także przy­jemny spo­sób, a kon­kret­niej po pro­stu zjeść. Ja wyko­rzy­sta­łem skórkę naj­bar­dziej u nas zna­nego gatunku poma­rańczy, tj. poma­rańczy chińs­kiej Citrus sinen­sis nazy­wa­nej też często poma­rańczą słodką (Fot.1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Owoc poma­rańczy chińs­kiej

Łatwo pomy­śleć, że już na samym początku poja­wia się pewien nie­ba­ga­telny pro­blem: jak z poma­rańczo­wej skórki wydo­być inte­re­su­jącą nas sub­stan­cję? Oka­zuje się jed­nak, że na nasze potrzeby nie jest konieczne sto­so­wa­nie spe­cjal­nych tech­nik izo­la­cji olej­ków ete­rycz­nych. Jeśli tylko skórka poma­rańczowa nie jest zbyt­nio prze­su­szona, to wystar­czy ją ści­snąć w pal­cach, by zau­wa­żyć, że wytry­skują z niej nie­wiel­kie stru­mie­nie cie­czy, co szcze­gól­nie łatwo jest zoba­czyć pod­czas obser­wa­cji na ciem­nym tle (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Skórka owocu poma­rańczy chińs­kiej po ści­śnięciu, widoczne stru­mie­nie cie­czy zawie­ra­jącej ole­jek ete­ryczny

Wytry­sku­jąca ciecz – poza innymi domiesz­kami – zawiera sto­sun­kowo dużo olejku ete­rycz­nego. Z łatwo­ścią można wyczuć piękny poma­rańczowy zapach tej sub­stan­cji. W jaki jed­nak inny spo­sób wyka­zać jej ist­nie­nie? W tym celu zasto­su­jemy zwy­kły balo­nik dowol­nego roz­miaru i ksz­tałtu wyko­rzy­sty­wany zwy­kle w cha­rak­te­rze deko­ra­cji. Trzeba go dosyć mocno napom­po­wać powie­trzem i zawiązać, a następ­nie zbli­żyć doń trzy­maną w dłoni skórkę poma­rańczową (Fot.3A). Po jej ści­śnięciu, tak by wytry­sku­jąca ciecz padła na two­rzywo, balon natych­miast pęka (Fot.3B). Towa­rzy­szy temu oczy­wi­ście dono­śny huk.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Doświad­cze­nie z balo­nem, A – przy­go­to­wa­nie, B – pozo­sta­ło­ści po pęk­nięciu balonu

Jesz­cze bar­dziej zaska­ku­jący może się wyda­wać efekt kolej­nego doświad­cze­nia. Aby go zaob­ser­wo­wać musimy zbli­żyć świeżą skórkę poma­rańczową na kilka cen­ty­me­trów do pło­mie­nia pal­nika spi­ry­tu­so­wego lub w osta­tecz­no­ści świecy (fot. 4). Trzeba przy tym oczy­wi­ście zacho­wać odpo­wied­nią ostrożn­ość.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia z pal­ni­kiem

Po ści­śnięciu skórki w pal­cach, kiedy tylko wytry­sku­jąca ciecz dosta­nie się nad pło­nący pal­nik sta­niemy się świad­kami pięk­nego feno­menu: pło­mień roz­bły­śnie na chwilę jasnym, żółtym świa­tłem, pow­sta­nie przy tym także pewna ilość pło­mie­ni­stych smug (Fot.5). Można to porów­nać z wpro­wa­dze­niem do ognia roz­py­lo­nego alko­holu lub innej łatwo­pal­nej cie­czy.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Zaob­ser­wo­wany efekt

Poczy­nione przez nas obser­wa­cje wska­zują, że w skórce owo­ców poma­rańczy chińs­kiej występuje duża ilość pew­nej sub­stan­cji cie­kłej. Nie jest to też jedy­nie wodny roz­twór wypro­du­ko­wa­nych przez roślinę sub­stan­cji odżyw­czych, ponie­waż taka ciecz nie dzia­ła­łaby tak nisz­cząco na pow­łokę balonu, nie byłaby też łatwo­palna. Prze­ko­nuje nas to, że jed­nym z ważn­iej­szych skład­ni­ków – może nawet głów­nym – cie­czy wytry­sku­jącej ze skórki poma­rańczo­wej pod­czas jej ści­ska­nia jest ole­jek ete­ryczny, którego wła­ści­wo­ści che­miczne uspra­wie­dli­wiają zaob­ser­wo­wany efekt. Jaki jest jed­nak dokładny skład tego olejku?

Wyja­śnie­nie

Głów­nym skład­ni­kiem olejku poma­rańczo­wego – a także olej­ków ete­rycz­nych występu­jących w skórce innych cytru­sów – jest limo­nen czyli 4-izo­pro­pe­nylo-1-mety­lo­cy­klo­hek­sen o wzo­rze suma­rycz­nym C10H16 i struk­tu­rze cząsteczki przed­sta­wio­nej na Rys.1.

Ilustracja
Rys.1- Wzór struk­tu­ralny limo­nenu

Cząsteczki oma­wia­nego związku są chi­ralne, dzięki czemu możemy wyróżnić dwa enan­cjo­mery: D-limo­nen i L-limo­nen. Rów­no­mo­lowa mie­sza­nina obu enan­cjo­me­rów, czyli ich race­mat jest nazy­wany dipen­te­nem [4]. Obie formy różnią się wła­ści­wo­ściami. W cytru­sach występuje głów­nie D-limo­nen, który wraz z innymi związ­kami nadaje im cha­rak­te­ry­styczny zapach. L-limo­nen w natu­rze spo­ty­kamy rza­dziej, a jego zapach według źródeł jest bar­dziej zbli­żony do ter­pen­tyny otrzy­my­wa­nej z żywicy drzew igla­stych.

Z punktu widze­nia che­mii limo­nen należy do klasy sub­stan­cji nazy­wa­nych ter­pe­nami. Są to orga­niczne związki che­miczne, których struk­tura opiera się na szkie­le­cie zbu­do­wa­nym z połączo­nych pięcio­węglo­wych jed­no­stek izo­pre­no­wych C5H8. Powo­duje to, że liczba ato­mów węgla w cząsteczce ter­penu posiada cechę podziel­no­ści przez pięć. Limo­nen jest mono­ter­pe­nem, ponie­waż jego cząsteczka jest zbu­do­wana z dwóch jed­no­stek izo­pre­no­wych (C=5*2=10). W orga­ni­zmie rośliny limo­nen jest syn­te­zo­wany z piro­fos­fo­ranu gera­nylu C10H20O7P2.

Ole­jek ete­ryczny zawie­ra­jący ponad 90% limo­nenu można wyi­zo­lo­wać ze skórki poma­rańczo­wej na dro­dze desty­la­cji. Nie można tutaj jed­nak zasto­so­wać pro­stej desty­la­cji, ponie­waż mogłoby to dopro­wa­dzić do roz­kładu inte­re­su­jących nas związ­ków. Odpo­wied­nia jest nato­miast tzw. desty­la­cja z parą wodną. Sto­su­jąc tę tech­nikę otrzy­ma­łem ze skórki dwóch dosyć dużych poma­rańczy nieco ponad 3cm3 olejku, w którego skład poza limo­ne­nem wcho­dzą nie­wiel­kie ilo­ści α-pinenu, sabi­nenu, mir­cenu i innych ter­pe­nów (Fot.6). Suma­ryczne wzory che­miczne wszyst­kich wymie­nio­nych związ­ków są iden­tyczne ze wzo­rem limo­nenu. Przy­znam, że zapach tak uzy­ska­nego olejku ete­rycz­nego jest piękny i – przy­najm­niej dla mnie – przy­jem­niej­szy od pro­duk­tów syn­te­tycz­nych.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Ole­jek poma­rańczowy uzy­skany na dro­dze desty­la­cji z parą wodną

Limo­nen jest dosko­na­łym roz­pusz­czal­ni­kiem dla wielu two­rzyw sztucz­nych – co jest wyko­rzy­sty­wane w prze­my­śle i tech­nice. Tłu­ma­czy to fakt pęk­nięcia balonu pod jego wpły­wem. Łatwo też prze­ko­nać się o tym, sto­su­jąc spie­niony poli­sty­ren, czyli sty­ro­pian uży­wany np. jako izo­la­cja ter­miczna (Fot. 7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Sty­ro­pian

Wystar­czy nanieść kro­plę czy­stego limo­nenu lub olejku poma­rańczo­wego na sty­ro­pian, by po chwili pow­stał głęboki wżer (Fot.8).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Wynik dzia­ła­nia limo­nenu na sty­ro­pian

Limo­nen jest łatwo­palny, co tłu­ma­czy efekt zaob­ser­wo­wany w doświad­cze­niu z pal­ni­kiem. Kolej­nym nie­bez­pie­czeńs­twem związa­nym z tą sub­stan­cją jest jej dzia­ła­nie bio­lo­giczne – limo­nen nanie­siony na skórę może powo­do­wać podrażn­ie­nia i aler­gie [5]. Należy więc zacho­wać ostrożn­ość.

Jak widać nawet dys­po­nu­jąc bar­dzo ogra­ni­czo­nymi środ­kami można poczy­nić pewne inte­re­su­jące obser­wa­cje także w zakre­sie opi­sa­nego tutaj tematu.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa