Sur les fiches techniques des huiles essentielles, on trouve un certain nombre de données scientifiques. Cet article vous donne quelques éléments d’informations pour mieux les décrypter. Ces explications sont tirées de l’ouvrage de Jacques Kaloustian et Francis Hadji-Minaglou « La connaissance des huiles essentielles : qualitologie et aromathérapie, Entre science et tradition pour une application médicale raisonnée », Springer Editions, 2012, ISBN 978-2-8178-0308-1.

Densité relative

La densité relative est le rapport de la masse d’un volume de liquide par la masse du même volume d’eau. La densité n’a pas d’unité, elle varie avec la température.
Deux types de densité relative sont couramment utilisés :
– le d²⁰ avec le 20 qui correspond aux températures de 20°C à la fois pour le liquide analysé et l’eau ;
– le d²⁰₄ correspond aux températures, respectivement de 20°C pour le liquide analysé et 4°C pour l’eau.

On utilise également le terme de masse volumique, représentée par 20, qui est le rapport de la masse d’un volume de liquide à 20°C par le volume de ce même liquide à 20°C. La masse volumique est présentée toujours avec des unités (par exemple en kg/m³). Il existe une relation entre la masse volumique et la densité relative :

ρ20 = 998,202 * d²⁰₂₀

Deux appareillages sont utilisés pour la détermination de la densité ou de la masse volumique : le densimètre (ou aréomètre) et le pycnomètre.

Le densimètre est constitué par un tube fin gradué et lesté dans sa partie inférieure
élargie. L’appareil est plongé dans une éprouvette contenant le liquide à analyser, ainsi qu’un thermomètre pour mesurer très précisément la température, au 1/10^e de °C. La densité est déterminée par la lecture de la graduation
au niveau du ménisque. Si la température du liquide n’est pas exactement à 20,0°C, une correction de la valeur lue est nécessaire, en fonction des indications du fabricant de l’appareil. Cette méthode est rapide ; la précision de la
mesure est de l’ordre du 1/1000^e. Cet appareillage peut avoir plusieurs applications dans divers domaines : agroalimentaire (alcoomètre, lactodensimètre), automobile (testeur de batteries), …

Le pycnomètre est constitué par un petit ballon à fond plat (de 10 à 50 mL), muni d’un tube capillaire amovible, avec un trait gravé dans le verre dans la partie supérieure. Le pycnomètre est rempli jusqu’à ce trait, d’abord avec de l’eau distillée, puis avec le liquide à analyser, toujours à la même température de 20,0°C. Dans un premier temps, le pycnomètre vide est pesé (P0). Puis il est rempli avec de l’eau purifiée et pesé (P1). Ensuite, il est séché et rempli, à nouveau, avec le liquide à analyser jusqu’au trait de jauge et pesé (P2). La densité relative à 20,0°C sera :

d²⁰₂₀ = (P2 – P0)/(P1 – P0).

Cette méthode est plus longue que la première, car il faut ajuster la température exactement à 20,0°C, dans chaque cas. En revanche, elle est beaucoup plus précise (1/10000^e). La détermination de la densité relative peut être considérée comme un critère de pureté, pour les huiles essentielles, mais aussi, en pharmacie pour les teintures mères, en agroalimentaire pour la détermination du degré alcoolique d’un vin ou d’une liqueur alcoolisée après distillation. À titre d’exemple, nous indiquons la densité relative de quelques huiles essentielles : bergamote 0,874 à 0,887 ; myrte 0,873 à 0,920 ; hysope 0,920 à 0,950.

Indice de réfraction

La réfraction est le changement de direction subi par un rayon lumineux lorsqu’il passe d’un milieu optique donné (par exemple l’air) à un autre milieu (par exemple un liquide constitué par une huile essentielle). Une partie de ce
rayonnement incident subit, en outre, le phénomène de réflexion. L’interface, entre les deux milieux d’indice optique différents, est appelée dioptre. L’indice de réfraction (n) d’un milieu est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide (c) et la vitesse de la lumière dans la substance à analyser (V).

Dans le cas de la lumière visible, n est supérieur à 1. Si l’on tient compte des angles, respectivement, α entre le rayon incident et la perpendiculaire, et β entre le rayon réfracté et la perpendiculaire, puis en considérant le milieu liquide à analyser rapporté à l’air, il existe la relation suivante :

n = c/V = sin α / sin β

L’indice de réfraction n’a pas d’unité. Lorsque la température augmente, l’indice de réfraction diminue ; il en est de même lorsque la longueur d’onde de la lumière monochromatique utilisée augmente. L’indice de réfraction est le plus souvent déterminé à 20°C, à la longueur d’onde de référence de la raie D du sodium à 589,3 nm (longueur d’onde d’émission de lumière à partir des vapeurs de sodium). Une augmentation de la température de 1°C fait diminuer l’indice de réfraction de 0,00045. Pour ramener la mesure de l’indice de réfraction réalisée à la température de T°C, à la valeur de référence de 20°C, on utilisera la formule suivante, valable pour de faibles écarts de température :

n²⁰ = n^T + 0,00045 * (T – 20)

On notera l’indice de réfraction n^T_D avec T pour la température et D pour la lumière correspondant à la raie D du sodium.

L’indice de réfraction est largement supérieur à 1 pour les huiles essentielles, sa mesure sera mentionnée avec 3 ou 4 chiffres après la virgule. Quelques valeurs de l’indice de réfraction n²⁰_D de solvants et d’huile essentielles seront citées à titre d’exemples : eau 1,333 ; acétone 1,359 ; toluène 1,497 ; huile essentielle de bergamote 1,461 à 1,470 ; huile essentielle de myrte 1,463 à 1,470 ; huile essentielle d’hysope 1,475 à 1,486.

L’appareil le plus couramment utilisé pour mesurer l’indice de réfraction est le réfractomètre d’Abbe ; les indices de réfraction sont déterminés dans l’intervalle 1,300 à 1,700. Il détermine l’angle limite, grâce à un prisme dont l’indice de réfraction est connu, en contact avec le liquide à analyser. L’appareil est simple à utiliser et peut être numérisé. Cependant son étalonnage doit être vérifié. Son emploi est fréquent, en dehors des huiles essentielles, notamment, dans le domaine de l’agroalimentaire : solutions sucrées, jus de fruit… Le réfractomètre différentiel est utilisé en tant que détecteur en chromatographie liquide haute performance (CLHP).

La détermination de l’indice de réfraction pour une huile essentielle permet seulement de vérifier si elle est conforme aux normes établies. En aucun cas, l’indice de réfraction ne pourrait servir pour l’identification d’une huile essentielle inconnue, car plusieurs huiles essentielles peuvent présenter les mêmes indices de réfraction.

Pour effectuer le dosage d’un composé en solution, l’indice de réfraction peut être utilisé, dans le cas de solutions renfermant des non-électrolytes (par exemple, mélange binaire eau-saccharose) et éventuellement pour des solutions
d’électrolytes (par exemple, solutions salines injectables, en pharmacie), mais pas pour les huiles essentielles qui restent des mélanges très complexes.

Pouvoir rotatoire

Le pouvoir rotatoire est caractéristique des molécules énantiomères. Une molécule est énantiomère (ou chirale) lorsqu’elle existe sous deux configurations spatiales, différentes et non superposables. Elles sont symétriques,
l’une par rapport à l’autre, lorsqu’on considère leurs images dans un miroir. Par exemple, la main gauche et la main droite ne sont pas superposables, mais identiques lorsqu’on les applique l’une contre l’autre. Dans le cas de la molécule organique, les deux configurations sont appelées : énantiomères, ou énantiomorphes, ou antipodes optiques, ou inverses optiques. Cette isomérie optique est due à la présence d’un atome de carbone asymétrique notée « C* », substitué par quatre groupements différents (R1, R2, R3 et R4). De plus, la molécule ne doit pas présenter d’axe ou de plan de symétrie. Les isomères optiques ont les mêmes propriétés chimiques, mais des propriétés physiques qui peuvent être différentes. Par exemple, Louis Pasteur avait mis en évidence l’existence des
énantiomères de l’acide tartrique grâce à leurs points de fusion différents après avoir séparé les cristaux.

Le mélange équipondéral de ces deux isomères est appelé « racémique ». La lumière, qui se propage selon une direction, correspond à un phénomène quantique. Mais, la lumière est aussi attribuée à un phénomène ondulatoire, résultant de vibrations dans deux champs perpendiculaires électrique et magnétique, et caractérisée par une longueur d’onde. Certains cristaux, tel que le spath d’Islande (carbonate de calcium cristallisé dans le système rhomboédrique), ont la propriété de réfracter doublement la lumière. Le prisme de nicol (cristal de spath d’Islande coupé perpendiculairement à son axe principal et recollé avec du baume de Canada) permet d’éliminer l’un des rayons issus des deux champs magnétique et électrique. La lumière traversant le nicol est dit « polarisée ».

Lorsqu’une molécule présentant une isomérie optique est traversée par un faisceau de lumière polarisé, le plan de polarisation est dévié, soit vers la gauche (molécule lévogyre, notée (–)), soit vers la droite (molécule dextrogyre, notée (+)), quand on fait face à la lumière. Cet angle de rotation du plan de polarisation est exprimé en degré (°). Dans le cas du mélange racémique, les deux déviations s’annulent.

La loi de Jean-Baptiste Biot (début du XIX^e siècle) caractérise ce phénomène, pour un composé solide en solution :

α = [α]^T_D * C * l

avec α = angle de déviation de la lumière polarisée ou angle de rotation optique (°).
[α]^T_D = pouvoir rotatoire spécifique ou angle de rotation spécifique (° * g^–1 * mL * dm^–1).
C = concentration (g/mL).
l = trajet optique ou longueur de la cellule de mesure (dm).

Le schéma de principe du polarimètre est constitué par une lampe au sodium, un prisme de nicol polariseur pour obtenir la lumière polarisée, une cellule de mesure contenant l’échantillon à analyser, un prisme de nicol analyseur permettant le réglage et la mesure de l’angle de rotation optique grâce à l’oculaire.

Le pouvoir rotatoire d’un composé dépend de plusieurs facteurs, autres que ceux développés dans la formule de Biot :
– la température de l’échantillon analysé (T). Elle est souvent égale à 20°C ; les appareils actuels disposent de cellules d’analyse thermostatées avec circulation d’eau. Une correction doit être effectuée, si la température est différente de 20,0°C, selon la formule suivante avec n qui est un facteur caractéristique du composé analysé :

[α]²⁰_D = [α]^T_D – n * (T – 20)

– la longueur d’onde de la lumière ;
– l’intervalle de concentration ;
– la nature du solvant.

Au cours du vieillissement, une molécule énantiomère peut se transformer en l’autre forme isomère optique. L’angle de déviation optique diminue au cours du temps, démontrant ainsi le phénomène de racémisation. Pour un corps pur liquide, de densité relative d²⁰₂₀, la relation de Biot devient :

α = [α]^T_D * d²⁰₂₀ * l

La loi de Biot sera utilisée lorsque la solution à analyser contient un seul constituant. Par exemple, le saccharose en solution aqueuse est dosé grâce au saccharimètre, selon les formules :

C(g/mL) = α / ( [α]^T_D*l )    ou    C(g/L) = (1000 * α) / ( [α]^T_D*l )

Ici aussi, le pouvoir rotatoire ne permet pas l’identification rigoureuse d’une huile essentielle, mais permet seulement de confirmer la conformité par rapport aux normes établies.