Repelentes en base a compuestos naturales para uso humano

Introducción

1.1) La elección del tema obedece al interés de querer estudiar un producto que se utiliza normalmente y a su vez pueda relacionarse con el Ser Humano y la salud, temas que son interesantes de estudiar dado las expectativas de estudios Universitarios relacionados con la Salud. Se consideran a los repelentes un instrumento de prevención de enfermedades, ya que los insectos repelidos son vectores de ellas; pero se encuentra el problema de la toxicidad de los repelentes industriales, ampliamente utilizados, aun existiendo compuestos naturales que son capaces de cumplir la misma función. Por lo tanto el proyecto se basa en la producción de repelentes naturales y la determinación de su efectividad. El objetivo es el de producir varios repelentes que contengan elementos naturales que repelan insectos, para luego poder comparar y concluir cuál es el más efectivo, y poder llegar a una conclusión de porque los repelentes naturales no han podido suplantar a los industriales.

1.2) La pregunta disparadora de la investigación fue "¿Cómo están compuestos los repelentes?", al resolverlo se concluyó en que era necesario realizar dos investigaciones paralelas: Una para estudiar y obtener el principio activo (compuesto que repele insectos), y otra para saber que excipiente (medio por el cual se aplica el principio activo) utilizar. De esta forma parte la investigación de los repelentes naturales más efectivos, durante la misma surgieron varias preguntas que ayudaron a concluir este proyecto, que serán respondidas a medida que avance el informe:

-¿De qué manera comprobamos que compuesto natural repele?

-¿Cómo obtenemos el aceite esencial de un compuesto?

-¿Qué sustancia dentro de cada planta, fruto, etc. repele a los insectos?

-Una vez fabricado el repelente, ¿cómo comprobamos su efectividad?

-¿Cómo funciona en el insecto el repelente?

-¿Cuál es el mejor excipiente?

-¿Cómo están compuestos los repelentes industriales?

1.3) El proyecto está compuesto por una investigación previa al desarrollo experimental de repelentes, la cual se llevó adelante indagando en estudios científicos ya realizados y de información obtenida de profesionales contactados. Una vez concluido el estudio teórico se llevó adelante la etapa experimental, la cual se basó en la obtención de aceites esenciales de Menta (Mentol) y de Clavo de Olor (Eugenol), para luego proceder a la dilución de los aceites en el excipiente elegido (etanol). Una vez obtenidos los repelentes se utilizó un sistema antes desarrollado para comprobar su efectividad.

Marco teórico

2.1) Los insectos, o Insecta, es una de las clases más variadas y con más individuos del Reino Animalia, son estudiados por la entomología. Estos animales invertebrados son vectores, o sea, transmisores de una variedad muy extensa de enfermedades infecciosas, que son una de las causas principales de morbilidad (proporción de personas que enferman en un sitio durante determinado tiempo) y de mortalidad (la cantidad de personas que fallecen de acuerdo a la población) en el Mundo. Las estadísticas epidemiológicas muestran que alrededor de 700 millones de personas al año sufren de alguna enfermedad transmitida por mosquitos, que son los insectos que mas enfermedades transmiten. Pero no es solo por estas razones que los repelentes son ampliamente utilizados, la picadura de un insecto puede ser molesta o incluso causar problemas más graves a la salud como pueden ser infecciones (por la herida) o alergias.

2.2) Los repelentes no son utilizados solo por seres humanos, sino que hay evidencia de los primates utilizando plantas para su protección contra insectos. También una gran variedad de plantas han desarrollado un sistema de defensa contra insectos herbívoros, estos sistemas funcionan en base a los aceites que nosotros utilizamos para la producción de repelentes. Tampoco se debe creer que la utilización de repelentes es reciente, por lo contrario, hay pruebas de la utilización de humo y plantas como protección contra insectos por parte de griegos, egipcios, fenicios y otras civilizaciones. Pero en el siglo XX se comenzó a investigar sobre compuestos potentes que pudieran repeler y así evitar bajas en los ejércitos debido a epidemias de Tifus y Malaria (ocurridas en la Primera Guerra Mundial). A fines de los años 20` se patentaron los primeros repelentes, pero fue 1946 el año en que cambio la historia de los repelentes con el descubrimiento del DEET o N,N-dietil-3-metilbenzamida, que es desde 1956 el repelente más utilizado en el mundo. Los repelentes fabricado en base a DEET son altamente eficaces, con una baja toxicidad cuando son correctamente utilizados, pero con riesgos ante la exposición indebida al mismo. La creencia de la alta toxicidad del DEET se ve negada por las estadísticas, existen muy pocos casos de intoxicación por esta sustancia, y esos escasos casos son por mal uso de los repelentes, especialmente al ser manipulados por niños. Debido a esto es que muchos repelentes naturales son comercializados pero sin llegar a ser tan efectivos como el DEET.

2.3) El DEET se encuentra en estado líquido a 25 ºC, es incoloro y con un ligero aroma, puede ser utilizado en todo tipo de repelentes contra mosquitos y garrapatas. La solución de DEET con agua tiene un pH cercano al neutro y es muy estable almacenado, por lo que tiene un tiempo de duración extenso. En los repelentes el DEET se mezcla con alcohol, agua, ácido etildiaminotetracético (EDTA) y butilhidroxitolueno (BHT), aunque la composición puede variar dependiendo el fabricante, al igual que la concentración de DEET se modifica dependiendo del lugar donde será comercializado (en zonas tropicales por ejemplo se utilizan repelentes potentes debido a la gran cantidad e inmunidad de insectos).

2.4) Como se indicó anteriormente algunas plantas desarrollaron un sistema de defensa contra insectos herbívoros, por lo que con el aceite esencial extraído de determinadas plantas es posible hacer un repelente. Un aceite esencial es un compuesto formado por muchas sustancias químicas sintetizadas por las plantas y que dan el olor característico de las mismas. Están compuestos por más de 100 sustancias químicas, de las cuales las responsables del olor (por lo tanto, de repeler) pueden ser: aldehídos, cetonas, ésteres, etc.

2.5) Existen varias formas de extraer estos aceites, siendo una de las más utilizadas y efectivas la extracción por arrastre con vapor. Esta práctica consiste en un artefacto compuesto por dos balones, donde en uno se calienta agua y en otro se calienta una solución del compuesto natural elegido. Ambos balones se conectan entre sí en línea con un tubo de refrigeración donde se condensa el vapor y se obtiene el aceite esencial. Este método fue el elegido para obtener los aceites esenciales de clavo de olor y de menta.

2.5.1) El clavo de olor (repele moscas y mosquitos) está compuesto principalmente por eugenol, un 82 a 88 % del aceite esencial obtenido debería ser eugenol. El eugenol es un derivado fenólico con fórmula C10H12O2.

2.5.2) La menta (repele moscas, mosquitos y hormigas) está formada por mentol principalmente. El mentol es un alcohol (C12H200) que se obtiene de las distintas plantas de menta, es un alcohol secundario saturado y que a 20 ºC es un sólido cristalino. En el aceite obtenido se encontrará disuelto.

2.6) Pero no solo los repelentes naturales se obtienen de plantas, también existe un repelente sintético pero clasificado como Bío-repelente llamado IR3535® (ácid 3 – [N-butil-N-acetil]-aminopropiónico etiléster) que está compuesto por un aminoácido con una estructura similar a la ß-alanina, es repelente activo contra moscas, mosquitos y garrapatas. Es recomendado por su baja toxicidad y por ser benigno al medio ambiente. Pero al igual que la inmensa mayoría de los Bío-repelentes es menos efectivo que aquellos compuestos por DEET. No se logró obtener este repelente porque no se pudo conseguir alanina, cómo tampoco se pudo realizar una electroforesis para obtenerla.

2.7) Se estudiaron todos estos compuestos, pero, ¿Cómo repelen? Los distintos elementos, tanto los naturales fabricados por las plantas, los aminoácidos o los artificiales; envían una orden química a los insectos que los "desalienta" a aterrizar (a los voladores) o acercarse en ese lugar. No se ha podido estudiar exactamente cómo actúa esa orden sobre el sistema nervioso del insecto, pero se cree que los confunde, ya que durante el vuelo se guían mayoritariamente por el olfato, que en mosquitos es altamente sensible (lo que los hace más vulnerables ante los repelentes).

Para comprender mejor como perciben los insectos los olores se cita un fragmento de un texto de la Universidad de Valencia: "Los  quimiorreceptores  de  distancia  de  insectos  (receptores  olfativos)  responden  a  sustancias  olorantes  del aire  (a  bajas  concentraciones). En los insectos, las  células  receptoras olfatorias  se  organizan  en  sensilios  o  pelos,  generalmente  concentrados  en  las  antenas.  La estructura interna básica es similar a la del pelo gustativo. Se diferencian de los pelos de los gustativos  en  su  sistema  de  poros  superficiales  (hasta  15.000  por  pelo). 

Cada poro abre internamente  un engrosamiento que comunica con el espacio  interno de la vaina y con las dendritas de las células receptoras. Las moléculas olorosas se absorben primero hacia la capa de cutícula externa y difunden a través de ésta hasta el poro, alcanzan el interior y llegan a las dendritas  de  los  receptores  y las  estimularan. Éstas,  al  llegar  a  las  dendritas  de  las  células receptoras, se unen a proteínas receptoras localizadas en la terminación dendrítica del sensilio. 

Cada  célula  receptora  individual  sólo  expresa  una  o  pocas  proteínas receptoras, lo que  le confiere a la célula una gran especificidad frente al estímulo.

Los procesos sensoriales olfativos tienen un papel fundamental en mucho aspectos del  comportamiento en insectos, especialmente en insectos sociales…" (Receptores olfativos de Insectos, Univ. De Valencia).

2.8) Los repelentes deben estar aptos para ser aplicados en la piel, para ello el producto debe encontrarse en un rango de pH de 3,5 a 8.

Entendemos por pH es el nivel de acidez o alcalinidad de una solución. "Potencial hidrógeno" o pH se representa matemáticamente como el opuesto del logaritmo (base 10) de la concentración de iones hidrógeno (-log10[H+]). El rango de pH se representa con una escala del 0 al 14, siendo ácidas las soluciones de pH 0 a 7, básicas de 7 a 14. El pH 7 representa la neutralidad de la solución.

Metodología

3.1) Con el objetivo de obtener los aceites esenciales de clavo de olor y de menta se realizaron extracciones de arrastre por vapor, técnica explicada en el marco teórico. A continuación se detalla la técnica aplicada a ambas extracciones y los estudios realizados a los compuestos obtenidos.

Técnica:

• 1- Se corta en pequeños trozos entre 50 y 100 g de la muestra a extraer (hojas, ramas, cáscaras, etc.) y se depositan en uno de los matraces de destilación.

• 2- Calentar el agua en otro matraz, el vapor producido pasa a través de la muestra a ser destilada. Continuar hasta que no haya más desprendimiento de aceite.

3.1.1) Extracción de aceite esencial de clavo de olor:

Mediante el arrastre por vapor se obtuvieron 101 mL de aceite esencial. Los cuales se dejaron en reposo, luego de transcurrida una semana se notó la presencia de dos fases: una pequeña capa aceitosa en la superficie y otra más líquida debajo. Para comprobar la presencia de aceites se tomo una muestra de 25 mL, a la cual se le calculó la densidad, con un método indirecto. Se determinó la masa de la muestra, 24,1g, para luego calcular la densidad. d=m/v: 24,1/25mL d=0,96g/mL, lo que equivale a 964g/L. Al ser la densidad menor a la del agua se comprueba la existencia de aceites en el líquido obtenido.

Otro estudio realizado fue el de pH, utilizando las tirillas se determinó un pH de 4, por lo que el compuesto puede ser aplicado sobre la piel sin existir riesgos de dañarla.

3.1.2) Extracción de aceite esencial de menta:

En este caso se obtuvieron 20 mL de líquido luego de finalizada la extracción. Utilizando la técnica anteriormente utilizada, se determinó la densidad: 953g/L, menor a la del agua por lo que existen aceites en este compuesto, pero además es menor a la del compuesto extraído del clavo de olor, o sea que se obtuvo una mayor cantidad de aceite en esta práctica. Después de una semana también se notó una fase aceitosa en la superficie, pero más visible en el caso de la menta. El pH determinado con las tirillas resultó ser de 5, apto para ser aplicado en la piel sin riesgos.

Una observación común a ambas extracciones es que ninguno de los líquidos extraídos se descompuso en más de 4 semanas, lo que es una señal positiva para la durabilidad de los futuros repelentes.

3.2) Una vez obtenidos los aceites esenciales se procedió a fabricar los repelentes, para esto fue necesario elegir un excipiente adecuado. Por la facilidad de disolución se optó por diluir los aceites esenciales en etanol a una concentración del 20% de aceite. Además el etanol corre en ventaja a cremas por su volatilidad, por lo que al aplicarlo sobre la piel se evapora rápidamente dejando el aroma del aceite esencial. El etanol (C2H5OH) es aprobado para ser aplicado en la piel ya que tiene un pH 7 según el fabricante, dentro del rango necesario para no dañarla.

3.2.1) Para la producción del repelente de clavo de olor se diluyeron 20 mL de aceite esencial en 100 mL de etanol. pH=5, aplicable en la piel. Se notó que no perdió el aroma a clavo de olor, especialmente al ser colocado en la piel, el etanol se evapora y se mantiene el aroma, por lo tanto el excipiente funciona.

3.2.2) En cuanto a la producción de repelente de menta se utilizó el mismo porcentaje de aceite esencial (20%), pero en menor cantidad. Se diluyeron 10 mL de extracto de menta en 50 mL de etanol. Este producto no es dañino para la piel ya que su pH es igual a 4, manteniéndose dentro del rango de pH aprobado. En cuanto al excipiente se observaron los mismos resultados que el otro repelente.

4) Para llegar a determinar que componente natural se debió utilizar como componente activo de los repelentes se contactó un Entomólogo de la Facultad de Ciencias, Enrique Morelli. A continuación alguna de las preguntas del cuestionario realizado:

-¿Todos los insectos se repelen con los mismos compuestos?

"No. Hay repelentes específicos para determinados insectos y otros generales. Por ejemplo, repelentes para mosquitos en general, otros para hormigas cortadoras".

-¿Cómo comprobamos cual componente natural repele determinados insectos?

"Primero observar en la naturaleza que plantas son las que rechazan mejor las plagas. Por ejemplo el laurel es poco seleccionado por insectos cortadores, pero lo atacan las cochinillas. Muchas plantas aromáticas se usan como barreras para plagas en cultivos. Luego habría que idear áreas con plantas que puedan ser repelentes y buscar la forma de ofertarles insectos y ver qué pasa."

-¿Cómo conseguir una cantidad suficiente de insectos (mosquitos y moscas preferentemente) para realizar las pruebas del repelente?

"Para conseguir mosquitos sería conveniente que fueran a un charco y traigan larvas, las mantienen en un recipiente con un tul en forma de cono y cuando emergen los adultos pueden capturarlos con un tubo y transportarlos al recipiente de pruebas. Tendrías que buscar en internet por trampas de emergencia de insectos acuáticos.  Para moscas conviene dejar carne en el exterior en un recipiente con ración o alimento para aves un poco mojado con agua. Se tapa con un tul o  de cortina con algún agujero para que entren y puedan poner huevos. El recipiente se coloca en otro recipiente con arena. Las larvas maduras buscarán esta arena para pupar. La arena se pasa por un cernidor y se colocan en trampas de emergencia, allí nacerán las moscas".

5) Prueba de efectividad de repelentes:

5.1) Se procedió a comprobar el repelente de clavo de olor contra moscas. En una tira de papel se colocó el repelente junto con azúcar, para luego depositar el papel en una zona sobrevolada por moscas.

La imagen anterior muestra la tira de papel donde se colocó el repelente (zona naranja) y azúcar en la totalidad de la superficie. La zona azul es el único lugar al que las moscas se acercaron al azúcar sin ser repelidas. Las moscas recién tomaron el azúcar de las otras regiones del papel luego de transcurridos 30 minutos aproximadamente.

5.2) El repelente de menta fue probado sobre hormigas, la tira de papel con repelente se colocó sobre el típico "camino de hormigas", las que formaban este fueron instantáneamente repelidas, el camino recién se formó unos 45 minutos después.

La tira de papel representada en la imagen anterior se colocó en el "camino de hormigas", inmediatamente este se deformó y las hormigas no se acercaban más que hasta la zona negra.

Conclusiones

6.1) Se logró cumplir todos los objetivos propuestos al principio, la producción de repelentes naturales y comprobar su efectividad para compararlos con los repelentes comercializados en base a DEET.

6.2) Mediante la obtención de aceites esenciales se comprobó que las plantas producen estos aceites con su característico olor para protegerse de los insectos. Se concluyó que los repelentes no son solo de animales, sino también de plantas.

6.3) Al comenzar la investigación se estudió que la planta del clavo de olor repele moscas y mosquitos en el ambiente natural, y al producir el repelente en base a esta, funcionó contra moscas.

6.4) La menta es utilizada para proteger plantas ante las hormigas en jardines artificiales, el repelente en base a esta planta fue altamente efectivo contra hormigas.

6.5) Se llegó a una conclusión general de la investigación. La cual se centra en la efectividad de los repelentes naturales producidos, ante los repelentes industriales a base de DEET. Cómo ya se aclaró, los repelentes industriales no son dañinos cuando son correctamente utilizados, y su efectividad de 4 a 5 horas de protección no es alcanzada por ningún otro. Pero es riesgoso su uso en niños, por los peligros existentes por la ingestión accidental, por lo que para niños se recomienda utilizar repelentes naturales. Estos repelentes que se produjeron en el proyecto no son dañinos a la salud, y colmaron las expectativas en cuanto a la efectividad, llegando a repeler durante 20 a 45 minutos.

Es factible producir repelentes naturales a nivel comercial debido a su bajo costo, y a su aceptable efectividad cuando se obtienen los aceites esenciales más puros.

Bibliografía

-Qiu H, Jun HW, McCall JW. Pharmacokinetics, formulation, and safety of insect repellent N,N-diethyl-3-methylbenzamide (deet): a review. J Am Mosq Control Assoc . 1998;14:12 – 27.

-Ansari MA, Razdan RK. Relative efficacy of various oils in repelling mosquitoes. Indian J Malariol . 1995; 32:104 – 111.

-Fradin MS, Day JF. Comparative efficacy of insect repellents against mosquito bites. N Engl J Med . 2002;347:13 – 18.

-Hoja de seguridad de Productos Químicos Sydney 2000, México. 25/9/13

-Valeria Sfara, Investigadora del Centro de Investigaciones de Plagas e Insecticidas (CIPEIN, CITEDEF/CONICET) 29 de Diciembre de 2011

-Jacob L. Heller, MD, MHA, Emergency Medicine, Virginia Mason Medical Center, Seattle, Washington. Also reviewed by David Zieve, MD, MHA, Medical Director, A.D.A.M., Inc. Biblioteca Nacional de Medicina EEUU 1/13/2010

-P.J. Gullan y P.S. Cranston. Insects. An Outline of Entomology. (1994) Kluwer Academic Publishers, Boston

-Joan Carlos Juárez GiménezCIM Servei de FarmàciaHospital Universitari Vall d'Hebron Fecha de publicación: 07/07/2010

-Enciclopedia Ilustrada de Remedios Naturales. Dr. C. Norman Shealy. España: Könemann, 1999.

Vertellus Specialities INC., 2008

–http://www.uv.es/ramo/quimio/OlfatoInsect.pdf, 19/9/13

-Determination of Solubility of Essential Oils in Ethanol (1968), http://www.colpos.mx/wb/

-Journal of Medical Entomology, vols. 41 (Jul 2004) y 45 (Jul 2008)

-Journal of vector ecology (Jun 2008)

-Facultad de Medicina, Technion, Haifa, Israel (http://www1.technion.ac.il/)

Agradecimientos:

Ay. Preparadoras Miriam Bermúdez, Verónica Quintana y Laura Belvisi, Laboratorio de Química del Liceo N° 1.

Lic. Enrique Morelli, Facultad de Ciencias.

Dra. Carmen Rossini, Laboratorio de ecología Química, Facultad de Química.

Dra. María Noel Rodríguez, Unidad académica de Ed. Química, Facultad de Química.

Autor:

Damián Curbelo

Agustín De Souza