Analysis Of Wintergreen Oil Extracted From Leaves Of Wintergreen

Analysis of Wintergreen Oil Extracted from 

Leaves of Wintergreen in Distillation Units of  Dolakha

A Report Submitted To Ecology Agriculture and Rural Development Society  (ECARDS)­Dolakha Charikot, Dolakha

Analysis of Wintergreen Oil

Submitted By Khilendra Gurung June 2007

Abbreviations and acronyms

C: Centigrade CFUGs: Community Forest User Groups  DMC: Deudhunga Multipurpose Cooperative  GC­MS: Gas Chromatography­Mass Spectra  GEF: Global Environment Facility 2

Analysis of Wintergreen Oil

HPPCL: Herbs Production and Processing Company Limited  M/S: Mild steel m: Meter ml: Millilitre NTFP: Non Timber Forest Products  S/S: Stainless steel  SGP: Small Grant Program UNDP: United Nations Development Program VDC: Village Development Committee

1. Introduction Dolakha district is rich in plant diversity due to the presence of wide range of  geographical and climatic conditions. Wintergreen plant (Gaultheria  fragrantissima Wall.; family: Ericaceae) locally known as  Dhasingre/machhino/patpate is widely distributed in open places, shrubberies,  rocky slopes between 1100­2800m of Dolakha district (Press et al. 2000). Leaves of wintergreen are aromatic, stimulant and carminative. Juice of the  leaves, mixed with water, is taken for coughs. This juice, about 2 teaspoons, is  given as an anthelmintic. It acts as a vermicide on hookworms. Young leaves are  also taken as an anthelmintic. Oil extracted from the leaf is applied to treat  rheumatism and scabies. Immature fruits are chewed or their paste is given for  stomach troubles. Juice of unripe fruit is taken to treat stomachaches. Ripe fruits  3

Analysis of Wintergreen Oil

are eaten fresh. The fruits are also distilled locally for alcohol (Manandhar, 2002).  The leaves with twigs bear essential oil, popularly known as Wintergreen oil. In spite of such privileges, the locals were not able to reap rich rewards from  wintergreen plants. Several problems associated with wintergreen plant were lack  of data on the quantity of herbs available and scientific research on the weather,  growing conditions and life cycle of these herbs. There were no systematic and  sustainable practices regarding the management, conservation and marketing of  these herbs. Against the backdrop of these problems, Deudhunga Multipurpose  Cooperative (DMC) came into existence in 1995 (2051 BS) and by coordinating  the Community Forest User Groups (CFUGs) who depend on Non Timber Forest  Products (NTFP) for their livelihoods.  The cooperative started its activities by obtaining raw materials from the CFUGs  and by distilling Wintergreen oil. The cooperative now runs 4 locally made Mild  steel (M/S) distillation units and 3 newly installed Stainless steel (S/S) distillation  units along with S/S testing units and distills various essential oils like Abies,  Anthopogon, Artemisia, Juniper and Wintergreen oils. M/S distillation units were  established with individual cash contribution and raw material provided by  CFUGs. While S/S distillation units were installed with the assistance from UNDP,  GEF/SGP with the increments of share holders as Community Forest User  Groups (CFUGs) and identified pro­poor. The cooperative has established itself as an ideal NTFP based industry, adopting  social inclusive model.  In this respect, it is essential to analyze the chemical constituents of wintergreen  oil for its quality control and quality assurance for its marketing to national and  international markets. 

2. Objectives  The objectives of the research are as follows: 1. To analyze the organo­leptic and physico­chemical test of wintergreen oil in  4

Analysis of Wintergreen Oil

the authorized lab of Nepal 2. To incorporate the results of active constituents analysis of wintergreen oil  performed by other researchers 3. To recommend the quality control mechanism of wintergreen oil   3. Materials and methods  3.1 Collection and extraction of essential oils The leaves of wintergreen were collected from different CFUGs of Dolakha  district. The collected leaves were steam distilled to produce wintergreen oils in  three distillation units located at Lakuri Danda VDC, Suspa VDC and Hawa VDC  of Dolakha district. About 10 ml sample from three distillation units were collected  and mixed in 30 ml bottle. The sample was taken to the quality control laboratory  of Herbs Production and Processing Company Limited (HPPCL) for the analysis  work. 3.2 Determination of organoleptic properties Organoleptic properties of wintergreen oil were detected by expert nose and  eyes. Appearance of oil was determined by eyes and aroma by nose. 3.3 Determination of physico­chemical properties The physico­chemical properties of wintergreen oil were determined as according  to Guenther (1972). 3.3.1 Specific gravity Specific gravity bottle (5ml, 10ml or 25ml) was used to determine specific gravity  of wintergreen oil. Dry and clean bottle was filled with oil to be determined and  the weight was taken upto three digits in an electronic balance. The same bottle  was cleaned and the weight of bottle with freshly boiled and cooled distilled water  was taken. The weight of oil contained in the specific gravity bottle divided by the  water equivalent gives the specific gravity of oil at specific temperature.   3.3.2 Optical rotation Polarimeter was used to determine the optical rotation of wintergreen oil. The  extent of optical activity of oil was measured in degrees of rotation. The angle of  5

Analysis of Wintergreen Oil

rotation was dependent upon the nature of the liquid. In recording rotations the  direction by the use of (+) sign to indicate dextrorotary (rotation to the right i.e.  clockwise) or a (­) sign to indicate levorotatory (rotation to the left i.e. anti clock  wise)

3.3.3 Refractive index Refractometer was used for this determination. Few drops of  sample was put  into funnel shaped aperture between the prisms of refractometer, closed the  prism firmly by tightening the screw and reading was noted by rotating alidade  backward or to forward until yield of vision was divided into a light and dark  portion. Reading was taken as the refractive index of the sample directly on the  scale of the sectors. 3.3.4 Solubility The number of volumes of dilute alcohol required for the complete solubility of  one volume of oil was calculated as the solubility of the given oil. 3.3.5 Determination of acids In determining the acid number dilute alkali was used. The acid number of oil was  calculated as the number of milligrams of Potassium hydroxide required  neutralizing the free acids in 1 gm of oil using Phenolphthalein as an indicator. Acid number:  28.05 x a/S Where, a= No. of CC of 0.5N NaOH used to neutralize S= Weight of oil taken in grams 3.3.6 Determination of esters Ester number of oil was calculated as the number of milligrams of Potassium  hydroxide required to saponify the esters present in 1 gram of oil. Ester number: 28.05 x a/S 6

Analysis of Wintergreen Oil

Where, a= Number of CC of 0.5 NHCL used in saponification. S= Weight of oil taken in grams. 3.3.7 Determination of ester number after acetylation The ester number after acetylation was determined as the number of milligrams  of Potassium hydroxide required to saponify the ester present in 1 gram of  acetylated sample. Ester number after acetylation: 28.05 x a/20 S Where, a= Number of CC of 0.5N HCL used in saponification S=Weight of acetylated oil taken in grams.

4. Results The organo­leptic and physico­chemical analysis of wintergreen oil from 3  distillation units of Dolakha revealed the following results as follows: 4.1 Characteristics Table 1: Specification of Wintergreen oil Tests

Results Organo­leptic properties

Appearance 

A fluid liquid

Color 

Pale yellow or pinkish

Aroma 

Strongly aromatic with a sweet woody odor, displaying a peculiar  creamy­fruity top note and a sweet­woody dryout

Physico­chemical properties Specific gravity 

1.1735 to 1. 1 855 at 25o C. 

Optical rotation 

[­] 0.3 o to [­] 10.5 o at 25o C 

Refractive index 

1.537 to 1.5405 at 25o C 

Acid number 

10 to 25 

7

Analysis of Wintergreen Oil

Ester number 

335 to 365 

Ester number after 

88.8 to 98% (calculated as Methyl salicylate) 

acetylation  Solubility 

Soluble in 2.0 to 3.5 volumes of 80% alcohol 

4.2 Active constituents of Wintergreen oil Juliani et al. (2004) conducted Gas Chromatography­Mass Spectra (GC­MS) of  wintergreen oil distilled in Lakuri danda VDC of Dolakha. The results of the  analysis revealed that the wintergreen oil was dominated by methyl salicylate  (97%) with minor and traces amounts of monoterpenes (alpha­pinene, myrcene,  delta­3­carene, and limonene) and sesquiterpenes (delta­cadinene, 3, 7  Guaiadiene).  Similarly, Baruah and Bhagat (1976) conducted active constituent analysis of  Indian wintergreen oil and found the major constituent as methyl salicylate  (99.6%).  Whereas, Clark (1999) reported that wintergreen oil from other related species  (Gaultheria procumbens) were also dominated by methyl salicylate and is the  commercial source of this component.  The table below shows the details of the composition of wintergreen oil distilled in  Lakuri danda VDC, Dolakha.

Table 2: Monoterpene composition of Wintergreen Oil SN

Components

%

1

alpha­pinene

0.4

2

Myrcene

0.2

3

delta­3­Carene

0.9

4

Limonene

0.5

5

Methyl salicylate

97.4 8

Analysis of Wintergreen Oil

Total monoterpene

99.4

Table 3: Sesquiterpene composition of Wintergreen oil SN

Composition

%

1

3, 7 Guaiadiene

0.1

2

delta­Cadinene

0.3

Total sesquiterpene

0.4

Source: Juliani et al. (2004) 5. Conclusion The composition of oil of Gaultheria fragrantissima was similar to the oil of G.  procumbens, but the Nepalese sample can be an alternative source of the  flavoring agent methyl salicylate. The study showed that Nepali wintergreen oil showed a great chemical diversity  thus providing new aroma profiles. The chemical diversity found in Nepali  wintergreen oil can be used to open new market opportunities, due to their novel  and unique properties. However, the development of grades and standards as  well as quality assurance and quality control system are key strategies for further  development of the oil quality. 5.1 Actions  Analgesic, anti­inflammatory, anti­rheumatic, antitussive, astringent, carminative,  diuretic, emmenagogue, galactogogue, stimulant. 5.2 Uses 5.2.1 Aromatherapeutic uses Beneficial for muscle and joint discomfort, arthritis, cellulite, obesity, edema, poor  circulation, headache , stimulates liver, heart disease, coronarities crisis and  preventative, hypertension, rheumatism, tendentious, cramps, anti­inflammatory,  high in cortisone­like functions, eczema, hair care, psoriasis, gout, ulcers, broken  or bruised bones.  5.2.2 Other uses

9

Analysis of Wintergreen Oil

1. Used in some perfumery applications especially in forest type fragrances.  2. Used as a flavoring agent for toothpaste, chewing gum and soft drinks. References  Baruah, A.K.S. and Bhagat, S.D. 1976. Oil of Indian Wintergreen. Indian   Journal of Pharmacy. 38(2): 56­57.  Clark, G. 1999. An Aroma­chemical Profile. Methyl salicylate, or Oil of  Wintergreen. Perfumer and Flavorist. 24(1): 5­11.  Guenther E. 1972. The Essential Oils: History­Origin in Plants Production­ Analysis. Volume 1. Robert E. Krieger Publishing Company, Huntington, New  York.  Juliani R, Moharram H, Wang M and Simon J. 2004. Chemical diversity of  Nepalese Essential oils. In: New Use Agriculture and Natural Plant Products   Program, Cook College, Rutgers University, USA.  Lawless J. 1995.Complete Essential Oils: A Guide to the Use of Oils in   Aromatherapy and Herbalism. Element Books Limited.  Manandhar N P. 2002. Plants and People of Nepal. Timber Press, Portland,  Oregon USA.  Press, J R, K K Shrestha and D A Sutton. 2000. Annotated Checklist of the   Flowering Plants of Nepal. The Natural History Museum, London.

10