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Les secrets de l’encens

Les secrets de l'encens

Les matières premières aromatiques naturelles sont des mélanges extraordinairement complexes. Elles renferment des substances odorantes dont l’identité est souvent encore mal connue, ce qui est d’autant plus étonnant que leur utilisation pour leurs propriétés parfumantes est parfois très ancienne.

L’encens est un des plus vieux parfums naturels, et sans doute la meilleure illustration de ce paradoxe car les constituants contribuant à son odeur typique n’avaient jamais été décrits jusqu’à très récemment.

Cet article détaille l’identification de deux acides naturellement présents dans l’encens, et contribuant de manière capitale à sa note de fond caractéristique.

Les matières premières aromatiques naturelles occupent encore aujourd’hui une position privilégiée dans le monde de la parfumerie. Elles sont obtenues par extraction ou distillation des plantes à parfum. Une huile essentielle étant obtenue à partir d’un végétal, sa composition complexe est influencée par de nombreux paramètres (mode d’extraction, origine géographique et conditions de culture de la plante, aspects génétiques et pédoclimatiques, etc.).

Pour les chimistes, les matières premières naturelles sont des objets d’étude d’une richesse inépuisable. Elles renferment un nombre considérable de constituants, dont une bonne partie est souvent inconnue. De nombreux ingrédients utiles pour la formulation d’arômes et de parfums ont été découverts dans le cadre d’études analytiques consacrées à la détermination des contributeurs odorants des matières premières naturelles.

Il est difficile de savoir quels furent les premiers ingrédients employés par l’homme pour leurs propriétés parfumantes. De prime abord, on peut penser aux fleurs et aux plantes fraîches, mais leur caractère périssable les rendait sans doute difficiles à utiliser autrement que de manière ponctuelle. L’étymologie du mot parfum (per fumum, « par la fumée » en latin) évoque un autre dispositif parfumant : en brûlant, certaines matières premières aromatiques diffusent une odeur agréable.

L’histoire très ancienne de l’encens a débuté il y a plus de six millénaires, à l’époque des premières grandes civilisations de l’Égypte, de la Perse et de la Mésopotamie. C’était un ingrédient du baume de momification des anciens Égyptiens mais il était surtout employé pour ses propriétés odorantes sous forme de matériau à brûler, dans un contexte sacré ou profane.

Plantes à parfum.
L’encens est employé dans un contexte sacré ou profane.
L’encens désigne une gomme-résine produite par des arbres du genre Boswellia répandus en Afrique et dans le sud de la péninsule arabique.

Cet usage a perduré dans les Mondes grecs et romains, et s’est perpétué jusqu’à aujourd’hui puisqu’il est toujours brûlé dans des encensoirs lors des cérémonies religieuses catholiques et orthodoxes.

Dans le monde de la parfumerie, l’encens, appelé aussi oliban, désigne une gomme-résine produite par des arbres du genre Boswellia (famille Burseraceae) répandus principalement dans les régions arides et montagneuses des deux côtés du golfe d’Aden et de la mer Rouge, en Afrique (Somalie, Ethiopie, Erythrée) ou dans le sud de la péninsule arabique (Oman, Yémen).

Gomme-résine d’encens exsudant de l’écorce d’un arbre fraîchement incisé et larmes de gomme-résine commerciale. © Société Albert Vieille.
Tri de l’encens en Somalie. © Société Robertet.

Composition chimique de l’encens

La composition chimique de la gomme-résine d’encens a fait l’objet de nombreux travaux qui ont montré que cette matière première était relativement complexe.

La partie hydrophile (la gomme) est constituée de polysaccharides et ne représente généralement pas plus de 10 % du total. Le complément (la résine, soluble dans l’alcool) renferme une proportion importante de triterpénoïdes tels les acides boswelliques, et de 3 à 15 % d’une fraction volatile qui peut être hydrodistillée pour fournir l’huile essentielle d’encens.

Rassemble les pièces du montage d’hydrodistillation !

C’est dans cette huile essentielle qu’on retrouve les constituants odorants qui confèrent à la gomme-résine son parfum caractéristique qui se diffuse lors de sa combustion. 

De nos jours, l’encens est encore une matière première aromatique importante pour l’industrie de la parfumerie, où il est principalement utilisé sous forme d’huile essentielle. 

La composition de cette huile peut être grossièrement divisée en deux types chimiques principaux, qui dépendent de l’origine botanique et géographique de l’arbre qui a fourni la gomme-résine : un premier type caractérisé par la présence de monoterpènes classiques (α-pinène, α-thujène, limonène), communément attribués à Boswellia sacra et B. frereana, et un second dominé par l’acétate de n-octyle, habituellement associé à B. papyrifera

L’hydrodistillation en vidéo ->

La principale espèce utilisée dans l’industrie des parfums est Boswellia carteri, qui semble pouvoir produire les deux types d’huile essentielle, sans que l’on sache si cette espèce inclue deux véritables chémotypes ou si ce constat repose sur de mauvaises identifications botaniques. Une particularité notable des huiles essentielles d’encens est que tous les chémotypes renferment quasiment toujours des constituants diterpéniques macrocycliques caractéristiques tels que l’incensole ou le serratol.

Les composé odorants de l’encens

Quelle que soit l’espèce et le type chimique, il apparaît que toutes les gomme-résines d’encens partagent des propriétés olfactives communes. L’odeur typique de la gomme-résine et de l’huile essentielle a été décrite comme « balsamique », « résineuse », et « terpénique », mais un terme assez récurrent parmi les descripteurs fréquemment associés à la note de fond est l’« odeur de vieille église ». 

Cette évocation n’a finalement rien de surprenant puisque de nos jours en Occident, les églises sont les seuls endroits où l’encens est utilisé comme seule matière première parfumante.

La première mention des odorants de l’encens est due à H. Obermann [1], qui a détaillé la composition de la fraction acide des deux types chimiques de l’huile essentielle (à acétate de n-octyle et α-pinène). Il a mentionné que dans les deux cas, des « acides monoterpéniques » jouaient un rôle important dans l’odeur caractéristique de l’encens, mais n’a pas pu donner de structure précise.

Les terpènes sont une famille d’hydrocarbures produits par de nombreuses plantes, notamment les conifères.
Leurs structures comportent un motif commun dérivant d’unités à cinq atomes de carbone appelées isoprène (ou 2-méthylbuta-1,3-diène), unités assemblées de multiples façons pour former les squelettes de molécules aussi connues que le cholestérol, le menthol, le β-carotène, dont beaucoup sont essentielles à la vie végétale et animale.

Dans une étude publiée la même année, l’équipe de De Rilke [2] a également souligné l’importance de la contribution olfactive de la fraction acide, dans laquelle l’acide α-campholytique a été identifié et décrit comme possédant « une odeur assez forte qui rappelle l’huile ». Il a mentionné que dans les deux cas, des « acides monoterpéniques » jouaient un rôle important dans l’odeur caractéristique de l’encens, mais n’a pas pu donner de structure précise. 

Etude analytique

Nous avons entrepris de rechercher les odorants contribuant à l’odeur de l’huile essentielle d’encens, et plus particulièrement ceux qui participaient à sa note de fond caractéristique « vieille église ». La première étape a été de sélectionner soigneusement un échantillon d’huile essentielle d’encens dont les propriétés organoleptiques et la composition étaient conformes aux critères de qualité standard.

Constituants principaux et composés odorants des huiles essentielles d’encens.

Pour cela, nous avons été accompagnés par des experts de la Société Albert Vieille (Vallauris), un partenaire industriel spécialisé dans la vente de matières premières naturelles telles que l’huile essentielle d’encens. Grâce au contrôle de ses filières d’approvisionnement, la société a pu fournir à notre laboratoire un échantillon de 3 kg d’huile essentielle de l’espèce B. carteri distillé dans l’entreprise à partir d’un lot de gomme-résine de Somalie rigoureusement sélectionné.

L’analyse chromatographique a montré une composition standard riche en monoterpènes comme l’α-pinène et le limonène.

α-pinène et limonène

Pour caractériser les principaux constituants odorants de cet échantillon, nous avons d’abord réalisé des expériences de chromatographie en phase gazeuse couplée à l’olfactométrie (CPG-O). Dans les expériences initiales de CPG-O menées sur notre échantillon d’huile essentielle d’encens, un total de 25 odeurs différentes ont été détectées par les quatre personnes impliquées dans l’étude. 

Cependant, en ne considérant que les odeurs perçues de manière commune par tous ces panélistes, leur nombre a été réduit à sept. Cette observation est très courante dès lors qu’on implique plusieurs personnes dans des analyses olfactives, car la variabilité de sensibilité interindividuelle peut être très importante pour certains composés.

Ainsi, pour simplifier les données brutes issues de la CPG-O, une approche classique consiste à ne conserver que les odeurs perçues de manière unanime par un panel, afin de tendre vers des résultats plus représentatifs pour une population importante. 

L’utilisation de la méthode AEDA (« Aroma Extraction Dilution Analysis ») a permis d’estimer l’importance de la contribution de chacune de ces 7 odeurs, et en moyennant leurs valeurs de facteurs de dilution individuels, un olfactogramme global a pu émerger.

Chormatographie en phase gazeuse couplée à l'olfactométrie (CPG-O) : le flux sortant de la colonne du chromatographe est divisé en deux courants synchrones. Le premier est dirigé vers un détecteur physique et génère un chromatogramme. Le second courant est amené vers le nez d’un évaluateur qui décrit ses perceptions olfactives en fonction du temps, et produit ainsi un olfactogramme. En superposant les deux résultats, on peut repérer les signaux du chromatogramme correspondant à des composes odorants.
La CPG-O/AEDA (Chromatographie en phase gazeuse couplée à l’olfactométrie/« Aroma Extract Dilution Analysis ») est l’une des techniques les plus couramment employées pour proposer un classement des odorants en fonction de l’importance de leur contribution. 
Son principe repose sur l’analyse par cette technique d’un échantillon à différentes dilutions. En répétant l’analyse dans les mêmes conditions, mais sur une solution plus diluée, certaines odeurs ne sont plus perçues car leurs odorants correspondants ne sont plus détectables à concentration moins importante.
On poursuit alors les cycles de dilution/analyse CPG-O jusqu’à ce que plus aucune odeur ne soit détectée. On considère généralement que les contributeurs odorants les plus importants sont ceux dont l’odeur est perçue aux plus hautes dilutions. Cette approche montre toutefois certaines limites et doit simplement être considérée comme une aide à la reformulation d’un mélange d’odorants. 
Olfactogramme résultant d’une étude AEDA sur une huile essentielle d’encens.

La suite d’un tel travail consiste alors à identifier les constituants responsables de chacune de ces odeurs, en se basant sur les techniques de chromatographie gazeuse telles que celle couplée à la spectrométrie de masse, la CPG-SM, qui permettent de caractériser les composants produisant les signaux du chromatogramme. Ainsi, deux des sept odorants de l’olfactogramme ont pu être identifiés par cette approche : le (–)-limonène et la (±)-carvone, responsables respectivement des notes citronnées et menthées.

Leur identification définitive a nécessité d’être confirmée par coinjection d’échantillons de référence. En revanche, aucune des cinq autres odeurs n’a pu être initialement attribuée à un constituant précis, par manque de candidats proposés par la spectrométrie de masse ou de substances de référence pour la confirmation des hypothèses éventuelles. Toutefois, il est apparu qu’une des zones odorantes perçue à haute dilution était décrite par tous les panélistes comme « typiquement encens/vieille église ».

Nous avons alors entrepris de caractériser le composé responsable de cette odeur dans l’olfactogramme. Pour ce faire, nous avons réalisé une séparation approfondie de l’échantillon d’huile essentielle : le lot de 3 kg a tout d’abord été distillé sous pression réduite, et l’étude par CPG-O des différentes fractions nous a indiqué que l’odorant caractéristique inconnu était contenu dans le culot de distillation. Ce résidu a alors été soumis à une extraction liquide-liquide avec une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium afin d’en soutirer les constituants acides (régénérés ensuite par acidification puis extraction). Comme le laissaient suspecter les travaux préliminaires d’Obermann et de Rijke, l’odorant recherché était bien présent dans la fraction acide et absent de la partie neutre. L’étude de CPG-O/CPG-SM a montré que les constituants auxquels on pouvait attribuer l’odeur typique de l’encens étaient une paire de composés éluant près de l’acide dodécanoïque. Ils présentaient des spectres de masse analogues évoquant des constituants linéaires, mais ne purent pas être identifiés par comparaison avec nos bibliothèques de spectres de masse qui ne contenaient aucun spectre similaire.

Fractionnement de l’extrait acide de l’huile essentielle d’encens. Le repérage des fractions contenant les odorants d’intérêt est guidé par l’évaluation olfactive des mouillettes trempées dans les différents tubes et reniflées après évaporation de l’éluant. Les structures des acides (+)-cis- et (+)-trans-2-octylcyclopropyl-1-carboxylique sont représentées à côté de leurs signaux respectifs dans le chromatogramme.

Chiralité et synthèse asymétrique

En  1848, Louis Pasteur découvre que certaines molécules peuvent exister sous deux formes différentes, images l’une de l’autre dans un miroir, et non superposables : ce sont les deux formes énantiomères d’une molécule chirale (chiral : du grec χείρ, main). Ces deux énantiomères ont des propriétés biologiques différentes et une activité optique opposée (ils font tourner la lumière polarisée dans des sens inverses : + et -). 
Les chimistes ont développé des méthodes (par dédoublement ou par synthèse asymétrique) pour n’obtenir qu’un énantiomère. La synthèse asymétrique présente un enjeu fondamental pour les industriels (pharmaceutique, agrochimie…).
Citons ici la malheureuse expérience du thalidomide dans les années 1970, prescrit à des femmes enceintes sous forme racémique (mélange 50/50 des deux énantiomères). Or seul un énantiomère avait les propriétés sédatives attendues, tandis que l’autre forme, tératogène, a provoqué des malformations chez l’embryon.

Nous avons entrepris de déterminer leurs structures par des expériences de résonance magnétique nucléaire (RMN) du proton et du carbone 13 mono- et bidimensionnelles, qui ont suggéré que le composant principal de ce mélange était probablement l’acide 2-octylcyclopropyl-1-carboxylique. Cette structure était cohérente avec l’existence de deux isomères (cis– et trans-) qui pouvaient expliquer la présence de deux pics proches montrant des spectres de masse similaires dans le chromatogramme.

Pour confirmer cette hypothèse structurale, attribuer chaque pic à son isomère correspondant et caractériser leurs propriétés olfactives individuelles, nous avons synthétisé chacun de ces composés. Les échantillons synthétiques ont montré des temps de rétention et des spectres de masse similaires, et nous avons constaté que l’isomère naturel principal possédait la stéréochimie trans– et présentait des données de RMN similaires à son homologue synthétique. 

En outre, ces deux isomères étaient des odorants extrêmement puissants et leur évaluation olfactive par CPG-O a permis de confirmer sans ambiguïté qu’ils étaient les principaux contributeurs de la zone odorante caractéristique dans l’olfactogramme de l’échantillon naturel.

Ces deux acides étant chiraux, nous avons également réalisé la synthèse énantiosélective de chacun de leurs énantiomères, dont nous avons confirmé les configurations absolues. Nous avons ainsi pu étudier leur distribution dans différents lots d’huile essentielle d’encens qui ont été sélectionnés pour couvrir une large diversité de provenances, d’espèces botaniques et de compositions chimiques (incluant les chémotypes à monoterpènes et acétate de n-octyle).

La nature regorge de molécules chirales : seul le (-)-menthol a le goût de menthe.
Une molécule chirale possède deux formes énantiomères, aux propriétés biologiques différentes.

Dans les douze lots analysés par CPG-SM sur phase chirale, les isomères (1S, 2R)-(+)-cis– et (1S, 2S)-(+)-trans– ont été systématiquement identifiés et leur quantification a démontré que leurs teneurs dans l’huile essentielle variait de quelques ppm à 0,07 %. Du fait de leur présence systématique et apparemment exclusive dans l’encens, nous avons choisi de les baptiser acides cis– et trans-olibaniques. 

Les deux isomères de l'acide nommé olibanique.

À notre connaissance, ces deux acides n’ont jamais été identifiés auparavant dans la nature. Par contre, quelques autres homologues naturels ont été décrits : les acides 2-pentylcyclopropylcarboxyliques ont été identifiés dans l’huile essentielle de Mentha gracilis Sole et de patchouli. De même, l’acide cis-2-heptylcyclopropylcarboxylique a été identifié dans un résidu de distillation d’orange, et décrit comme un odorant puissant à odeur fleurie, oliban.

Signalons pour finir que l’acide 2-méthylundécanoïque (Mystikal®) a été breveté en 2010 par la société Givaudan [3]. Dans un ouvrage de référence récent, ce composé a été décrit comme « le seul odorant synthétique présentant l’odeur de l’encens ». L’examen de sa structure montre qu’il peut être considéré comme un seco-analogue des acides olibaniques et cette proximité structurale explique probablement leurs propriétés olfactives apparentées.

Conclusion

Ce travail démontre que les matières premières aromatiques naturelles restent des objets d’études passionnants pour les chimistes. Beaucoup d’entre elles renferment de nombreuses molécules odorantes encore inconnues, du fait de la richesse de leur composition, et surtout de la complexité du système olfactif humain. De nombreuses découvertes attendent donc les chercheurs qui s’aventureront à déchiffrer cette relation intime et presque charnelle qui nous lie aux parfums naturels.

L’auteur

D’après l’article de Nicolas Baldovini paru dans L’Actualité Chimique n° 417, avril 2017, p. 11-16.

Nicolas Baldovini, maître de conférences à l’Institut de Chimie de Nice.

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Etymologie

 

« Encens », un terme associé à la religion

Encens est le participe passé du verbe incendere, « incendier, brûler », d’où aussi incendium, « incendie », de in + candere, « être d’une blancheur éclatante », par suite de la chaleur,  d’où « brûler », d’où aussi incandescent et candide, « blanc ». Donc l’encens, c’est ce que l’on fait brûler, à l’origine  pour respecter un rite religieux.

« Terpène« », évocateur de la nature

L’étymologie de Terpènes réside dans leur origine naturelle : ils sont extraits principalement de diverses résines végétales, les térébenthines. Terpène est en fait  l’adaptation en français de l’allemand Terpentin, « térébenthine », et proposé en 1863 par le chimiste allemand Kékulé pour désigner les monoterpènes en C10H16 tirés de l’essence de térébenthine.

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Réadaptation de l’article et compléments pédagogiques

Myriam Dubreuil, professeure de physique chimie au lycée Déodat de Séverac (Toulouse).
Minh-Thu Dinh-Audouin, journaliste scientifique à L’Actualité Chimique.
Pierre Avenas, ancien directeur de la R&D dans l’industrie chimique et auteur de la chronique Clins d’œils étymologiques de L’Actualité Chimique.

Notes et références

[1] Obermann H., Les acides monoterpéniques comme oligoéléments dans l’essence d’oliban, Dragoco Rep., 1978, p. 55.
[2]  De Rijke D., Traas P.C., Ter Heide R., Boelens H., Takken H.J., Acidic components in essential oils of costus root, patchouli and olibanum, Phytochemistry, 1978, 17, p. 1664.
[3]  Bachmann J.-P., α-Branched alkenoic acids and the use of α-branched alkanoic and alkenoic acids as a fragrance. Brevet WO 2010063133A1, 2010.

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