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.

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Also reviewed by David Zieve, MD, MHA, Medical Director,
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-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