Zweidimensionale GC-MS/Olfaktometrie in der analytischen Sensorik

Nachweis und Identifizierung von Geruchsstoffen in Klebstoffen

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  • Andrea Büttner ist Leiterin der Abteilung Analytische Sensorik am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Freising, seit April 2017 ist sie zudem stellvertretende Institutsleiterin des Fraunhofer IVV. Darüber hinaus ist sie seit Dezember 2017 Inhaberin des  Lehrstuhls für Aroma- und Geruchsforschung an der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg. Professor Büttners Fachgebiet umfasst die Charakterisierung von Aromen in Lebensmitteln und Gerüchen des täglichen Lebens, welche mittels einer Kombination aus humansensorischen und analytischen Methoden molekular aufgeklärt werden, der Aufklärung der Bildungswege chemosensorisch aktiver Substanzen und der Optimierung sensorischer Produkteigenschaften. Im Hinblick auf physiologische Prozesse, welche bei der Aufnahme von chemosensorisch aktiven Substanzen eine Rolle spielen, zeigen aktuelle Untersuchungen außerdem verschiedene physiokinetische Aspekte der Metabolisierung und Ausscheidung dieser Substanzen aus dem Körper.
  • Philipp Denk studierte Lebensmittelchemie an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg und schloss sein Studium in 2016 mit dem ersten Staatsexamen ab. Er ist derzeit Doktorand und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising in Zusammenarbeit mit der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg. Der Schwerpunkt seiner Forschung in der analytischen Sensorik liegt in der Aufklärung von Gerüchen in Klebstoffen.
  • Abb. 1: Die Trennung der flüchtigen von nicht-flüchtigen Verbindungen erfolgt über die Solvent Assisted Flavour Evaporation (SAFE) [1].
  • Abb. 2: Zweidimensionale gaschromatographische Trennung von Geruchsextrakten am Beispiel von (E)-Non-2-enal. (A) FID-Chromatogramm auf der ersten Säule, der markierte Bereich zeigt den wahrgenommenen Geruch sowie das dazugehörige Schnittfenster. (B) MS-Chromatogramm der zweiten Kapillarsäule, der Pfeil markiert den Peak mit dazugehöriger wahrgenommener Geruchsqualität. (C) Massenspektrum von (E)-Non-2-enal, welches nach zweidimensionaler gaschromatographischer Trennung erhalten wurde.

Klebstoffe werden häufig mit unangenehmen Gerüchen verbunden und können sich negativ auf die Qualität von Produkten ebenso wie auf die Qualität der Raumluft auswirken. Bereits während der Produktion können diese Geruchsstoffe freigesetzt werden und zu einer Geruchsbelastung am Arbeitsplatz führen. Dieser teils unangenehme Geruch ist jedoch bisher weitgehend unerforscht. Im Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV werden diese Gerüche des Alltags identifiziert und ihre Entstehung aufgeklärt. Damit Strategien zur Vermeidung dieser Gerüche entwickelt werden können, ist es nötig die geruchsaktiven Substanzen molekular zu erfassen.

Die Erfassung dieser Geruchsstoffe stellt besondere analytische Anforderungen. Zum einen muss die Extraktion der Geruchsstoffe möglichst unselektiv erfolgen, da die Geruchsstoffe ein breites Spektrum chemischer Strukturen abdecken. Zum anderen müssen geruchsaktive und -inaktive Komponenten voneinander unterschieden werden. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wird eine Kombination aus humansensorischen und analytisch-instrumentellen Untersuchungsmethoden angewandt.

Zuerst werden die Proben in einer deskriptiven Analyse durch ein geschultes Sensorik-Panel evaluiert. Hierbei werden Geruchsattribute, welche durch das Panel im Konsens festgelegt wurden, auf einer Skala von 0 (keine Wahrnehmung) bis 10 (sehr starke Wahrnehmung) im Vergleich zu Referenzverbindungen bewertet. Des Weiteren werden die Gesamtintensität und das persönliche Gefallen der Probe, die sogenannte Hedonik, bewertet. Diese Analyse erlaubt zusätzlich einen Vergleich verschiedener Produkte und ermöglicht es, eine Aussage über einen statistischen Unterschied zwischen den einzelnen Prüfmaterialen festzulegen. Die Resultate der deskriptiven Analyse liefern ein Geruchsprofil, welches in einem Spinnennetzdiagramm graphisch dargestellt wird.

Identifizierung störender Gerüche

Um die in Klebstoff störenden Gerüche identifizieren zu können, müssen diese zunächst extrahiert werden. Hierzu werden die flüchtigen Verbindungen mittels Dichlormethan aus der Probenmatrix extrahiert und anschließend einer Solvent Assisted Flavor Evaporation (SAFE) (Abb.

1) unterzogen [1]. Diese bei niedrigen Temperaturen und unter Hochvakuum betriebene Apparatur ermöglicht eine sehr schonende Verdampfung der flüchtigen Komponenten und garantiert so weder eine Neugenerierung, noch einen Abbau von Geruchstoffen. Auf diese Weise werden flüchtige von nicht-flüchtigen Verbindungen getrennt. Das so erhaltene Destillat wird anschließend mittels Vigreux- und Mikrodestillation auf circa 100 µl eingeengt [2].

Zur Identifizierung der geruchsaktiven Verbindungen erfolgt zunächst ein gaschromatographisch-olfaktometrisches (GC-O) Screening des Probenextraktes. Hierbei wird ein Aliquot des Klebstoff-Extraktes mittels cold on-column-Technik direkt auf die Kapillarsäule aufgebracht. Am Ende der Chromatographie-Kapillare wird der Gasstrom mittels Y-Splitter geteilt und einem Flammenionisationsdetektor (FID) und einem Odor Detection Port (ODP) zugeführt, an welchem der Gasstrom durch ein geschultes Panelmitglied abgerochen wird. Auf diese Weise erfolgt eine simultane analytische und humansensorische Detektion der Geruchsstoffe, die im Chromatogramm mit den wahrgenommenen Gerüchen markiert und beschrieben werden. Diese gleichzeitige Detektion der Geruchsstoffe ist wichtig, da die menschliche Nase im Gegensatz zu analytischen Detektoren eine sehr viel niedrigere Nachweisgrenze für bestimmte Geruchsstoffe besitzt. Dadurch ist es möglich, Substanzen zu detektieren, die mit einem herkömmlichen Analyseverfahren nicht identifiziert werden können.

Zur gezielten Fokussierung auf die geruchsaktiven Verbindungen mit dem höchsten Anteil am Gesamtgeruch wird eine Geruchsextraktverdünnungsanalyse (GEVA) [3] durchgeführt. Hierbei wird das Destillat schrittweise mit Dichlormethan verdünnt und jeweils ein Aliquot der so erhaltenen Verdünnungen einer GC-O Analyse unterzogen. Je höher die Verdünnungsstufe ist, in der ein Geruchstoff während der GEVA wahrgenommen werden kann, desto wahrscheinlicher ist sein Beitrag zum Gesamtgeruch der Probe.

Gaschromatographie-Massenspektro­metrie/Olfaktometrie-System

Ein Vergleich der Retentionsindices auf zwei unterschiedlich polaren Säulen und die wahrgenommene Geruchsqualität mit Referenzsubstanzen können erste Hinweise für die Identität der geruchsaktiven Substanzen geben. Der Retentionsindex ist dabei als die relative Position des Geruchseindrucks im Verhältnis zu einer homologen Reihe von n-Alkanen definiert. Die vollständige Klärung der Identität der Geruchsstoffe und die Absicherung erfolgt über ein Massenspektrum (EI, 70 eV) im direkten Vergleich zur Referenzsubstanz. Da die Klebstoff-Destillate oftmals eine Vielzahl an mengenmäßig dominierenden flüchtigen Verbindungen erhalten, werden die Geruchsstoffe durch Koelution überlagert. Die Anwendung eines eindimensionalen Gaschromatographie-Massenspektrometrie/Olfaktometrie (GCMS/O) Systems ist daher häufig nicht möglich. Des Weiteren sind Geruchsstoffe oft nur in sehr geringen Konzentrationen enthalten. Dies erschwert die Analytik zusätzlich, da die Geruchsstoffe zwar oberhalb ihrer Geruchsschwelle durch die Nase detektierbar sind, jedoch ihre Menge weit unterhalb der Nachweisgrenze eines analytischen Detektors liegt. In diesen Fällen ist der Einsatz eines zweidimensionalen GC-MS/O Systems unumgänglich. Mit Hilfe dieser Methode können bestimmte geruchsaktive Bereiche während der gaschromatographischen Trennung auf einer Kühlfalle aufgefangen, bei Bedarf angereichert und anschließend auf eine zweite Kapillarsäule anderer Polarität transferiert werden. Dabei werden die Zielgeruchsstoffe erneut von Störkomponenten abgetrennt. Abbildung 2 zeigt beispielhaft die Chromatogramme der ersten Dimension (A) und der zweiten Dimension (B) der geruchsaktiven flüchtigen Verbindung (E)-Non-2-enal bei zweidimensionaler GC-MS/O Trennung.

Quantifizierung der Geruchsstoffe

Im Anschluss an die Identifizierung der potentesten Geruchsstoffe erfolgt eine Quantifizierung mittels Stabilisotopenverdünnungsanalyse (SIVA). Hierbei werden dem Probenmaterial während der Extraktion deuterierte bzw. 13C-markierte Strukturanaloga als interner Standard zugegeben, um Verluste während der Probenaufarbeitung zu kompensieren. Stabilisotopenmarkierte Standardverbindungen besitzen fast identische chemische und physikalische Eigenschaften wie die zu quantifizierenden Geruchsstoffe. Daher eignen sie sich ideal für die Quantifizierung von Spurenkomponenten.

Auch  die Kinetik von Bildungs- und Freisetzungsprozessen der unerwünschten Gerüche kann gezielt unter der Verwendung von Echtzeit-Analysentechniken analysiert werden. Die Protonenaustauschreaktions-Massenspektrometrie (PTRMS) [4] ermöglicht hierbei durch online Messungen im Ultraspurenbereich die zeitliche Zu- oder Abnahme einzelner Geruchsstoffe im Gasraum darzustellen.

Die eindeutige chemische Struktur-Identifizierung der Geruchsstoffe liefert dabei wesentliche Informationen über ihre mögliche Herkunft und mögliche Bildungs- und Eintragswege. Dieses Wissen schafft die Voraussetzung, zielführende Vermeidungsstrategien zu entwickeln und geruchsärmere Produkte herzustellen.  Die quantitativen Messungen ermöglichen dabei ein Echtzeit-Monitoring der Freisetzung während der Verarbeitung sowie eine Kontrolle der tatsächlichen Gehalte in den Endprodukten.

Erste Ergebnisse von Acrylat-basierten Klebstoffen

In Acrylat-basierten Klebstoffen konnten bereits erste Ergebnisse erzielt werden [5]. In dieser Studie wurden verschiedene Acrylat-, Methacrylat- und Benzylmethacrylat-Klebstoffe auf die enthaltenen Geruchsstoffe untersucht. Hierbei konnten diverse chemische Strukturen und Geruchsqualitäten identifiziert werden, wobei zusätzlich Hypothesen über mögliche Quellen der geruchsaktiven Verbindungen aufgestellt werden konnten. Zum einen wurden geruchsaktive Monomere und deren Zwischenprodukte, wie Methylmethacrylat mit einem Geruch nach Feuerzeuggas oder Isobornylmethacrylat mit einer schimmeligen Note, eindeutig identifiziert. Des Weiteren konnte n-Butanol (malzig) als geruchsaktives Restlösungsmittel nachgewiesen werden. Einen weiteren möglichen Bildungsweg der identifizierten Geruchsstoffe stellen Abbauprodukte von Additiven dar, wie beispielsweise phenolische Verbindung mit lederartigen, medizinischen oder pferdestall-artigen Geruchseindrücken.

In einer weiteren Studie wurden kinesiologische Tapes auf Störgerüche untersucht [6]. Neben Baumwolle und Elastan enthalten diese Produkte ebenfalls einen Acrylatklebstoff. Insgesamt konnten über 30 geruchaktive Substanzen erfolgreich in vier unterschiedlichen Tapes identifiziert werden. Darunter waren ungesättigte Aldehyde, wie beispielsweise (E)-2-Nonenal oder (E,E)-2,4-Nonadieanl mit fettigem Geruch. Zum ersten Mal wurden in dieser Studie als Geruchsstoffe in derartigen Produkten Phenylbenzoat mit fruchtigem, kleberartigem Geruch sowie 2-Ethyl-1-hexanol, mit kleberartigem, pflasterartigem Geruch beschrieben. Letzterer Geruchsstoff konnte in allen Proben als dominierender Geruchsstoff ermittelt werden und ist bereits als Abbau- bzw. Nebenprodukt von Acrylatklebstoffen bekannt.

Eine Vielzahl der Geruchsstoffe, die dem Menschen im täglichen Alltag begegnen, ist weitgehend unerforscht. Die Abteilung Analytische Sensorik des Fraunhofer IVV arbeitet deshalb an der Aufklärung dieser Gerüche. Weitere Schwerpunkte im Non-Food Bereich stellen u.a. Kunststoffe, Kinderspielzeuge, Rezyklate, Farben und Pigmente sowie Holz dar.

 

Autoren
Philipp Denk1,2, Andrea Büttner1,2

Zugehörigkeiten
1Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Abteilung Analytische Sensorik, Freising, Deutschland
2Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Department Chemie und Pharmazie, Emil-Fischer-Center, Erlangen, Deutschland

Kontakt
Prof. Andrea Büttner
Universität Erlangen-Nürnberg & Fraunhofer IVV
andrea.buettner@fau.de

Referenzen:

[1] Engel W., Bahr W., Schieberle P. Solvent assisted flavor evaporation – a new and versatile technique for the careful and direct isolation of aroma compounds from complex food matrices. Eur Food Res Technol. 1999, 209, (3/4), 237–41, https://doi.org/10.1007/s002170050486

[2] Bemelmans JMH. Review of isolation and concentration techniques. In: Land DG, editor. Progress in flavor research. Applied Science Publishers: London; 1979. p. 79–98

[3] Grosch W. Evaluation of the key odorants of foods by dilution experiments, aroma models and omission. Chem. Senses. 2001, 26, (5), 533-45, https://doi.org/10.1093/chemse/26.5.533

[4] Denk P., Buettner A. Sensory characterization and identification of odorous constituents in acrylic adhesives. Int. J. Adhes. Adhes. 2017, 78, 182-188, https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2017.06.020

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Universität Erlangen-Nürnberg & Fraunhofer IVV


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