Propriétés organoleptiques
matériaux de parfumerie
avec des fullerènes hydratés
1. Fullerènes hydratés
Découverts en 1985, les fullerènes sont une nouvelle forme allotropique du carbone, dont les molécules sphériques contiennent un nombre pair (plus de 20) d’atomes de carbone reliés entre eux par trois liaisons chimiques. L’intérêt scientifique et pratique pour l’étude des fullerènes est particulièrement évident depuis l’invention, en 1990, d’une méthode permettant de les produire en grandes quantités.
Le fullerène C60 possède 6 axes de symétrie d’ordre 5, la seule molécule dans la nature avec une telle symétrie unique.
Pour la première fois, une technologie permettant de produire des solutions colloïdales moléculaires de fullerènes a été mise au point (G.V. Andrievsky, M.V. Kosevich, O.M. Vovk, V.S. Shelkovsky, L.A.Vashchenko. SUR LA PRODUCTION D’UNE SOLUTION COLLOÏDALE AQUEUSE DE FULLERÈNES. J. Chimique. Soc., Chem. Commun. 1995, 12, p. 1281-1282) où la principale unité structurelle est une molécule de fullerène entourée d’une grille d’eau symétrique, C60@nH2O.
Le fullerène est en outre intégré dans la structure multicouche naturelle de l’eau, où la première couche d’eau est fermement liée à la surface du fullerène par des interactions donneur-accepteur entre l’oxygène de l’eau et les centres accepteurs d’électrons à la surface du fullerène.
Après avoir obtenu des solutions aqueuses de fullerènes hydratés, il est devenu possible d’étudier leurs propriétés biomédicales et une vaste coopération scientifique internationale a été mise en place avec 48 instituts universitaires, biomédicaux et organisations scientifiques de plusieurs pays. Plus de 160 articles scientifiques conjoints ont été publiés dans des revues étrangères et ukrainiennes et des résumés lors de conférences internationales.
On a constaté que l’eau à proximité de la surface du fullerène fondait à -2,8o C. Il s’agit de la température de fusion moyenne de l’eau liée à proximité d’objets biologiques – ADN, protéines et enzymes, membranes cellulaires, etc. De toute évidence, les structures de l’eau à proximité de la surface du fullerène sont similaires aux structures de l’eau entourant les structures biologiques les plus importantes d’un organisme vivant.
Jusqu’à présent, la concentration de C60 hydraté en solution aqueuse a atteint 4 mg/ml, dépassant la solubilité du C60 dans le solvant organique toluène, considéré comme un bon solvant pour les fullerènes.
À des fins biologiques, les solutions de C60 hydraté sont stérilisées à 100-120°C.
Le caractère unique de la molécule de fullerène réside dans le fait que, alors que la taille d’une molécule de fullerène est de 10 angströms, son enveloppe d’hydrate peut atteindre 250 à 300 angströms et se compose d’environ 50 couches de molécules d’eau uniformément liées. Selon les recherches sur le C60HyFn, l’un des mécanismes de l’activité antioxydante exceptionnellement élevée de leurs solutions aqueuses est la possibilité de localisation spatiale des ions et radicaux actifs nuisibles dans le même type et les coquilles correspondantes d’hydrates de fullerène, ce qui augmente la probabilité de leur interaction et de leur recombinaison. Les fullerènes eux-mêmes ne sont pas impliqués dans les réactions chimiques, comme la plupart des antioxydants, et peuvent être considérés comme des catalyseurs dans le mécanisme antioxydant.
Les données scientifiques disponibles permettent de conclure que, de manière générale, l’action du fullerène C60 hydraté et de ses solutions aqueuses vise à restaurer les fonctions perturbées tant au niveau des cellules, des organes et des systèmes d’organes, qu’à normaliser de nombreux paramètres biochimiques du macro-organisme entier. Tout cela est réalisé en améliorant les processus adaptatifs, immunitaires, métaboliques et réparateurs.
2. Mécanismes de l’action organoleptique de C60HyFn
dans les matières aqueuses-alcooliques
En plus d’une activité antioxydante élevée, les propriétés physico-chimiques étudiées du C60HyFn montrent que les matériaux alimentaires aqueux-alcooliques et les produits de parfumerie contenant l’additif C60HyFn auront des propriétés organoleptiques améliorées et, dans certains cas, uniques.
Les mécanismes des récepteurs olfactifs et gustatifs humains sont maintenant assez bien compris. En particulier, les goûts acide et salé ont une nature ionique d’action sur les canaux de transport ionique, tandis que les goûts sucré et amer ont une nature de reconnaissance des protéines sur les récepteurs correspondants. La reconnaissance des odeurs repose également sur l’action de récepteurs spécialisés. Bien que, spatialement et structurellement, ces systèmes de reconnaissance soient situés dans différentes parties du corps humain, il est connu que le goût d’un aliment peut être complètement altéré si le système olfactif est exclu pendant la dégustation (par exemple en appuyant sur le nez).
Cependant, il est clair que la cause de l’action des fullerènes hydratés dissous dans des matières aqueuses-alcooliques doit être recherchée non pas dans les récepteurs de l’organisme, mais dans les propriétés des solutions aqueuses-alcooliques multicomposants elles-mêmes et dans l’effet structurant des fullerènes sur le réseau de liaison hydrogène et les enveloppes d’hydrates des ions inorganiques et des composants organiques du parfum.
Pour que les molécules liquides passent en phase gazeuse, leur énergie cinétique doit être suffisante pour vaincre les forces d’attraction des autres molécules liquides. Par conséquent, si les paramètres externes du milieu restent constants, le durcissement et l’ordonnancement des liaisons hydrogène dans l’eau avec les fullerènes hydratés devraient conduire à un taux d’évaporation plus faible en augmentant le travail fourni par les molécules à la surface. Il a été établi précédemment dans la littérature que la cinétique de l’évaporation isotherme de la couche superficielle de l’eau n’est pas linéaire et dépend de la structure supramoléculaire de l’eau ou des solutions aqueuses. Le renforcement de l’organisation supramoléculaire de l’eau affaiblit l’interaction de ses molécules avec les molécules et les ions de la substance dissoute, ce qui se manifeste par une augmentation de la mobilité des ions, une diminution de la solubilité des substances et une modification de leur activité de surface.
Il est connu que les solutions aqueuses et les solutions alcooliques des mêmes composés dissous se comportent très différemment lorsque les substances qui y sont dissoutes (sels organiques et inorganiques, molécules organiques responsables de l’odeur ou du goût) sont vaporisées. La raison principale en est la différence de structure et d’énergie des liaisons hydrogène. Les alcools à un seul atome et l’eau diffèrent considérablement en termes d’énergie de liaison hydrogène. Selon Pauling, l’énergie de liaison hydrogène pour l’eau est de 18,8 et pour le méthanol et l’éthanol de 25,9 kJ-mol. Si l’on considère qu’il y a deux liaisons hydrogène par molécule dans l’eau et une seule dans les alcools, la plus grande force de la structure de l’eau devient évidente.
L’interaction des molécules d’alcool et des autres composés des parfums avec les molécules d’eau est assez complexe. Par exemple, une molécule d’alcool présente à la fois des propriétés hydrophobes et hydrophiles, formant des liaisons hydrogène avec le solvant par l’intermédiaire des groupes polaires -ON, tandis que le solvant proche des groupes non polaires forme des structures de type clathrate (hydratation hydrophobe).
Les radicaux hydrocarbonés des molécules d’alcool sont placés dans les vides de la structure de l’eau, et les groupes hydroxyle sont intégrés dans le réseau de liaison hydrogène de l’eau. La stabilisation de la structure de l’eau est principalement déterminée par le renforcement de ses liaisons hydrogène à proximité des groupes non polaires, ce qui équivaut à abaisser la température de l’eau. Les valeurs plus élevées de la tension superficielle des solutions aqueuses d’alcools préparées à l’aide d’eau à structure réorganisée peuvent être dues aux valeurs plus élevées de la tension superficielle de cette eau. Le degré de diminution de la vitesse d’évaporation d’une solution alcoolique augmente avec la longueur du radical hydrocarboné, ce qui indique que le facteur déterminant dans ce cas n’est pas l’interaction des molécules d’eau avec les groupes hydroxyle des alcools, mais les modifications des paramètres d’hydratation hydrophobe, c’est-à-dire le degré de liaison des radicaux hydrocarbonés aux molécules d’eau.
Le rôle structurant des fullerènes hydratés dissous dans les parfums entraîne des interactions plus fortes entre les molécules d’eau et un affaiblissement de leurs liaisons avec l’alcool ou d’autres molécules organiques, ce qui se traduit par une augmentation de la vitesse d’évaporation des alcools et des “molécules odorantes” des solutions. Par conséquent, lors de l’essai organoleptique de ces matériaux avec des fullerènes hydratés, on peut s’attendre à un bouquet d’arômes plus intense et plus riche.
On peut également faire l’analogie suivante avec le domaine de la cryogénie (sublimation de solutions aqueuses multicomposantes gelées). On sait que lorsque de telles solutions sont gelées, le cristal de glace de molécules d’eau qui se forme déplace toutes les substances dissoutes de sa structure ordonnée vers l’eutectique. Les canaux eutectiques sont constitués de microcristaux de glace et d’une phase amorphe de substances dissoutes. Lorsqu’un tel système se réchauffe, les microcristaux de glace eutectique (grande surface) se subliment en premier, entraînant les molécules faiblement liées de la phase organique amorphe, selon l’effet bien connu des molécules légères entraînant les plus lourdes lors de la sublimation de la phase solide. L’analogie ici est la possibilité de considérer une grande coquille d’hydrate de fullerène bien structurée comme un cristal de glace congelé et pur, tandis que les petits amas d’eau et d’ions de la coquille d’hydrate et les molécules dissoutes seraient similaires à la composition des eutectiques, qui peuvent se sublimer assez facilement. Le résultat de cette analogie spéculative est un bouquet plus prononcé de parfums avec des fullerènes hydratés.
D’autre part, une grande coquille multicouche d’hydrates de fullerènes dans les parfums agira comme un concentrateur volumétrique de substances organiques dissoutes et d’ions, en les plaçant dans les couches d’eau de la coquille de fullerènes, qui sont les plus similaires aux coquilles d’hydrates de substances dissoutes par le type de liaison, le degré de structuration, la cinétique des transitions des protons par les liaisons hydrogène. Cela conduira à une distribution spatiale moins chaotique de ces substances et à une sorte de concentration volumétrique. En ce qui concerne les manifestations organoleptiques d’un tel mécanisme, on peut supposer que l’ordonnancement spatial et la concentration des composants du parfum responsables de l’odeur conduiront à une perception plus claire et plus accentuée de chaque composant. En d’autres termes, chaque composant du parfum et sera ressenti de manière plus volumineuse et cohérente au fil du temps, y compris la sensation d’une traînée de parfums plus longue.
3 : Caractéristiques des fullerènes hydratés
pour les produits de parfumerie
Outre les caractéristiques susmentionnées de l’action du C60HyFn dans la dégustation des matières aqueuses-alcooliques, les propriétés organoleptiques des produits de parfumerie présentent deux caractéristiques : le mode particulier de fabrication des compositions parfumées et le facteur de stabilité des odeurs après l’application du parfum sur la peau ou un autre support.
La méthode classique de base pour créer des compositions parfumées implique le respect strict d’un certain nombre de règles et de techniques. Les huiles essentielles et les absolus originaux ont une consistance, une viscosité, une solubilité dans l’alcool et une volatilité différentes. Des fixateurs de parfum spécifiques sont également utilisés. La composition du parfum suggère un parfum à volatilité rapide – pour la note de tête du parfum, à volatilité moyenne – pour le cœur de la composition, à volatilité faible – pour la note de base. Le parfum est donc évalué selon la pyramide olfactive, qui est constituée des composants aromatiques qui composent la composition du parfum. Chacune des composantes se déroule sur une période de temps spécifique. Au sommet de la pyramide se trouvent les notes les plus instables, et à la base de la pyramide se trouvent les notes les plus durables ou panaches.
Lors de la fabrication de parfums liquides, chaque note porteuse de parfum est introduite dans une séquence spécifique, en restant un certain temps dans la composition alcoolique pour un mélange homogène et la fixation du parfum. De l’eau est ensuite ajoutée. La technologie permettant d’incorporer des fullerènes hydratés dans une composition parfumée est un savoir-faire. Le résultat est une pyramide olfactive modifiée, à la fois en termes de richesse du parfum résultant, de séparation plus nette des différentes notes parfumées et de durée accrue de la perception du parfum.
La peau humaine est le principal, mais pas le seul, vecteur du parfum. Comme pour tout autre tissu humain, les protéines, les graisses et les glucides constituent la base de la composition organique de la peau. Les protéines les plus courantes qui composent la peau sont le collagène, la réticuline, l’élastine et la kératine. Parmi les glucides, les mucopolysaccharides, le glycogène et le glucose sont les plus abondants dans la peau. Les graisses de la peau sont principalement représentées par des graisses neutres – les triglycérides. Le derme contient 70% d’eau.
La couche externe de la peau est constituée de cellules liées entre elles comme des briques et remplies d’un réseau de fibres de kératine et de collagène. Ces réseaux de protéines forment un treillis tridimensionnel qui peut se dilater jusqu’à cinq fois lorsqu’il est étiré.
Une fois sur la peau, les fullerènes hydratés dans une formulation de parfum agiront comme une substance hygroscopique, qui peut à la fois retenir et capturer des molécules d’eau supplémentaires à la couche superficielle de l’épiderme. La rétention d’eau dans le collagène est due à l’hydrophilie de sa composition en acides aminés.
Un certain nombre d’études ont montré que l’interaction du collagène avec des solutions contenant des ions inorganiques, ainsi que des cations organiques, entraîne des réactions stéréochimiques de liaison de ces ions au collagène. En particulier, les ions calcium peuvent pénétrer à l’intérieur de la triple hélice. Cela modifie sa conformation de sorte que les molécules d’eau ne sont plus retenues dans cette partie de la triple hélice du collagène, ce qui entraîne une perte d’eau localisée – la déshydratation. Lorsque la peau humaine interagit in vivo avec de l’eau dure, une calcination se produit également, accompagnée d’une peau sèche et fragile, d’une perte d’élasticité et de l’apparition de rides permanentes.
Sur cette base, on peut supposer que les fullerènes hydratés à la surface de la peau, comme dans les solutions aqueuses, joueront un rôle structurant dans l’environnement ionique-hydraté, en maintenant les protéines dermiques à l’état natif, ainsi qu’en stabilisant la libération des composants volatils du parfum à partir de la surface de la peau dans une séquence particulière, créant un arôme unique de la pyramide olfactive.
Il est intéressant de noter que les principaux endroits où le parfum est appliqué (cou, décolleté, derrière les oreilles, aisselles) coïncident avec l’emplacement de ganglions lymphatiques et de sorties de flux lymphatique assez importants. Dans ce contexte, il convient de noter le fait observé expérimentalement qu’un certain nombre d’utilisateurs de parfums contenant des fullerènes hydratés ont soulagé leurs réactions allergiques. Cela explique à la fois les effets positifs des substances aromatiques dans un certain nombre de maladies et les effets bénéfiques des fullerènes hydratés par la peau sur le système immunitaire humain.
Candidat des sciences chimiques G.V.Andrievsky
Doctorat en physique et en mathématiques V.S. Shelkovskiy
24.05.2018 г.
