香料的分析

180香料的分析研究者：黃雅君薛婉容指導者：張一知教授何鎮揚老師壹、研究動機：在日常生活中，香料的應用已經成了不可或缺的部份了！舉凡清潔用品、食用品、塑膠加工品及化妝品等為了不同的目的都或多或少的添加了香料，不管是為了殺菌、抑制原料素材的不快臭味或者是為提高商品價值、增加食物風味等種種的因素，香料在應用上已經很普遍了！而近年來隨著香料化學的進步，人們亦積極的在研究香氣的科學以及香料的性質與合成，並且做更深入的發展與應用。貳、研究目的：而本實驗藉由科學的分析裝置(GC、GC-MS)來做香料的分析，瞭解香料的成分與構造。參、研究設備器材與藥品：乙醚調合香料樣品(5723)微量吸量管：10～100μlGC用微注射針筒：10μlgastight：5mL氣相層析儀：一.GC本體：ShimadzuGC-9A二.層析管柱：BP5(0.25μm)三.偵檢器：FID四.積分器：ShimadzuC-R6AChromatopac氣相層析質譜儀：一.GC部份：hp6890seriesGCsystem二.層析管柱：BP5(0.25μm)三.MS部份：hp5973MSselectivedetector二氯甲烷(methylenedichlorideCH2Cl2)：無色透明易揮發液體，吸入時有毒！density=1.335bp=40-41℃，與苛性鈉生成甲醛，氯化則生成CHCl3和CCl4蒸氣與空氣形成爆炸性化合物。Limonene（苧烯）→有兩種異構物1.左旋苧烯：存在於松針油、薄荷油中，density=0.8422,bp=177.6-177.8℃,旋光度=-221.1°2.右旋苧烯：存在於橙（皮）油等中，density=0.8411,bp=178℃,旋光度=+125°36’3.外消旋苧烯：及二聚異戊二烯，存在於香茅油中，density=0.8447bp=176.5℃，無旋光性181＊三種異構物均為無色液體，有檸檬香氣，可用作香料，外消旋苧烯可用作溶劑或合橡膠等原料。terpene（萜烯）：一種不飽和烴,C10H16其來源由植物中的大部分精油及含油樹脂中製得。萜烯主要含有異戊間二烯的組織單位C5H8，可能含一個或多個類似苯環的環狀物或非環狀物。肆、文獻探討一、香氣的感受機制嗅覺的香氣感知過程猶如氣相層析器的檢知機構。含黃色脂質的水般分泌層與充填劑同樣成為固定相，進入鼻腔的香氣通過嗅覺上皮時，依分配法則溶入水般分泌層，改變配向於感受器官表面負電荷的分子配列。感受器官發生的分極被破壞，產生局部電流，對神經產生刺激；靠空氣搬運的有香分子作用於很多的感受細胞，產生局部電位而引起一連串的刺激。而在水般分泌層中溶入的香氣分子其保持的時間、分泌層分子的配向阻礙的緩和時間等因有香分子的形狀、大小和構造而異，所以形成特定的嗅知覺，可依保持時間的差異來識別香氣的種類。而保持時間的檢知在氣相層析儀是以分離的分子檢出，但在嗅覺的生理上則以混合物檢知。保持時間相同的有香物質會有相同或類似的香氣。(MaxStoll)二、化學構造與香氣的關係各香氣的類型取決於有香物質的立體構造、分子形狀與官能基的位置等。以直鏈的脂肪族衍生物為例：脂肪族碳化氫具石油般香氣，但脂肪族的羧酸乙酯卻具果實般的香氣，所以有的官能基即使同族列但香氣亦不同，不過比起其他族列的香氣來說有香氣類似之感。有香物質中成為香氣根源的官能基稱為發香團，發生不愉快香氣者有-SH、-S-、-NC稱為惡發香團；-OH、-O-、-COOR等為芳發香團，以下為主要發香團：表1-1主要發香團◎碳化氫鏈狀體之香氣比環狀強，且增高不飽和性時香氣亦會增強。◎醇性氫氧基為強香氣發香團，若有氫鍵存在則香氣減弱，而若導入雙鍵、三鍵會有香物質發香團有香物質發香團醇酚酮羧酸酯內酯硫醇醚-OH-OH-CO-COOH-COOR-CO-O--SH-O-醛硫醚硝基胺基腈異腈硫氰異硫氰-CHO-S--NO2-NH2-CN-NC-SCN-NCS182強化-OH基香氣。◎酚類是OH基1個時香氣最強，香氣的強度、性質因共存發香團的位置和種類而異。◎羧酸是碳數越少時香氣越強。醛、酮常是強香氣，富芳香性。◎內酯和酯的構造類似，香氣也類似，但香氣因置換基位置而顯著變化。內酯環增大時香氣亦增強。◎鹵素有刺激臭。砷、磷、硫的有機化合物有不愉快的香氣。三、香料的分類圖1-1香料的分類天然香料是藉由抽出、濃縮、榨油、蒸餾等分離操作採取存在於天然的有香物質，從植物製造者稱為植物性香料，從動物採取者稱為動物性香料。有時我們直接利用含多成分有香物質的天然香料，有時分離精製其中所含的有香成分，成為單一成分香料，稱為單離香料。另一方面，以石油、乙炔、精油、油脂、單離香料等為原料，行化學合成而得合成香料。而以天然香料、單離香料及合成香料等為素材，來製造化妝品、食品、藥品等的賦香用調合香料。四、香料的蒸氣成分作用於人們嗅覺的是香料的蒸氣，並非含香料的溶液或固體。在香料的溶液中，醇、醛、酮、酯等各種有香物質因其極性或固有的分子間作用力而形成簇團或特有的分子配列，這些分子間的相互作用支配著各成份的平衡係數，決定香覺的香氣(有香物質的蒸氣成分)性質。支配香料蒸氣成分的溶液物性取決於溶液的組成和溫度、分子間微妙的相互引力、氫鍵舉動、簇團或單體分子的存在。五、洗劑用香料以前人們在肥皂洗劑中加入香料來掩蔽原料的臭味，而現今發展出的合成洗潔劑雖然原料臭較少，不過廠商為了增高商品的價值、提高商品的形象仍積極的開發洗劑香料。洗劑用香料在pH值高的領域需安定，且不易氧化。而由於洗劑要求的附香率低，約為0.1﹪，故宜使用微香性的香料。洗劑用香料之香料為可溶化，即將疏水性香料溶於洗劑中界面活性劑分子膠束183之親油基中。不過可溶化香料的香氣稍異於原來的調合香料，因為各香料成分的蒸氣壓減少了！對洗劑賦香時，容易可溶化的香料成分香氣減弱，不易可溶化的香料成分香氣不變，相對增強，故洗劑香氣異於原始添加香料的香氣，很難調香，必須倚賴經驗技術。洗劑的起泡亦與香料的揮散有關，故調香時必須考慮基劑的界面化學性質。且由於某些香料成分會引起洗劑的變色或褪色，故洗劑會有著色。伍、研究過程：一、調合香料分析在做洗潔劑中香料蒸氣成分分析前，先就一未知調合香料樣品作分析，以瞭解一般常用的添加香料分離的特性及其性質，並應用到之後我們欲分析的氣體樣品上。其分析操作如下：（一）取未知調合香料樣品將之以乙醚稀釋：因為我們使用的氣相層析儀其偵檢器是火焰離子偵檢器，其靈敏度很高並可測得極低之濃度，故我們所需的樣品濃度要經過稀釋，以免因樣品濃度太高而使部份樣品並沒有被沖流出來，污染管柱。（二）以微注射針筒取0.5μl的稀釋樣品，注入氣相層析儀中分析：欲獲得較佳的管柱效率必須適當的控制樣品的量，過多的樣品量使波帶變寬且析離效果差，故為避免管柱的過度負荷，樣品體積要小到0.1μl至1μl之間。且樣品注入injector時要迅速注入，以減少無效空間(deadspace)。（三）調整管柱的最適溫度或者是升溫程式，以獲得最佳的分離效率：分離管柱的溫度控制影響分離效率甚巨，溫度過高則分離不完全，溫度過低則分離費時，大約每減低30℃，滯留時間約增加一倍。若採定溫分離則大約相當或略高於樣品平均沸點的溫度，即可獲得合理沖流時間，但若樣品的沸點範圍分佈廣則利用升溫程式，逐步加溫，使分離效率達到較佳的狀態。（四）將所試出最佳的分離條件應用到樣品量測GC-MS上，以做各成分結構之分析：樣品中各個不同的成分藉由GC在最佳分離條件下而分離開來，並利用MS配合分析，可做定性分析或結構鑑定。由GC分離管柱之流出物進入MS之離化室，各成分依流出先後被分裂成碎片，每一成分由其碎片辨認。（五）此調合香料樣品的分離條件及分析結果可用於之後氣體樣品的參照原則和依據。二、由柳橙皮萃取出香精油（一）原理：檸檬精油（Limonene）為一立體化學受來源所限定的萜烯（terpene）。柳橙皮供給100%的（R）-（+）-Limonene而松樹的針葉則供給100%的（R）-（－）-Limonene，limonene的生成物合成方式相當複雜，但我們能知道不同的植物是如何生成一種對掌體（enantiomer）或是其他。形成limonene的主要中間物為焦磷酸鹽而生成limonene是以乙酣鈷A（acetylcoenzymeA）經由一連串的循環步驟所形成的，在過程中limonene會生成（＋）or（－）不同的立體中心（stereocenter）。（二）步驟：1.準備２顆金桔皮（sample重）1842.放入１００ml圓底瓶中，加４０mlH2O3.架蒸餾裝置（收集瓶先用１０ml水畫出刻度）4.加熱收集蒸餾液１０ml（用２５ml圓底瓶收集）5.將蒸餾液放入１２５ml萃取瓶，加0.4gNaCl使之溶解6.用１０mlCH2Cl2萃取２次，收集下層有機液7.用CaSO4乾燥8.過濾，用５０ml圓底瓶（空瓶重）收集，濃縮去除CH2Cl2(稱重)算產率陸、討論：一、調合香料的分析（一）最適分離條件在調合香料樣品(5723)的分析，注射樣品量是0.5μl，而氣相層析儀的條件設定是：1.injector的溫度：100℃2.detector的溫度：110℃3.temperatureprogram：所得層析圖為：35℃15mins3℃/min80℃125℃3℃/min15mins15mins185圖3-1調合香料之氣相層析圖在此條件的設定下，各主要成分都被適當的分離開來，且各成分滯留時間的再現性非常好，根據[表3-1]的數據顯示：各滯留時間的相對標準偏差大都小於1﹪，故再現性及穩定度很高。Peak8Peak13Peak23RT(mins)2631.7546.25826.03531.74546.20826.01231.7146.217Average26.01631.73546.228RSD﹪0.0680.0690.058表3-1某些成分滯留時間的相對標準偏差值（二）MS的結構鑑定由3-1-1之最適分離條件應用到樣品測GC-MS上，得到GC-MS層析圖[圖3-2]，若點選其中一分離成分Peak，則可得其質譜。圖3-2調合香料之GC-MS層析圖186以滯留時間61.816mins為例，其質譜如[圖3-3]，藉由各裂片的分析與資料庫比對即可判斷化合物的結構及成分，發現其應為alpha-isomethylionone即α-異甲基紫羅酮，其為淡黃色液體，具有紫羅蘭特性之花香料。而其他的芳香成分亦可以依此判斷，找出調合香料中所含的各成分物質。[註：質譜設定紀錄m/z≧50以上的裂片]圖3-3alpha-isomethylionone之質譜比對圖187二、由柳橙皮萃取出香精油（一）結果：1.sample重：3.511g2.瓶重：40.628g3.瓶濃縮液：＋40.671g＊濃縮液：0.043g（二）討論：1.essentialoil精油揮發性的油類，由葉子、莖、花、或職務的小枝而來，通常帶有植物的香味。就化學觀點而言，通常只要為萜烯（碳氫物）！〔性質〕刺激性味道及氣味，通常新鮮時無色，但暴露於空氣中逐漸變黑、變濁，具光學活性。溶於乙醇、二硫化碳、四氯化碳、氯仿…不溶於水，但某些油類成分可能部分溶於水，導致在蒸氣蒸餾時，失去這些成分。〔製法〕a.蒸汽蒸餾b.壓縮（果實外皮）c.以脂肪浸於花葉，在以溶劑處理d.冷吸法2.steamdistillation（蒸汽蒸餾＝hydrodistillation）由植物組成中（花、葉、莖等）利用高溫蒸汽。去除精油此種程序主要用在香水及香料工業3.天然物結構大約是１０C為一單位10C→terpene4.在蒸汽蒸餾時，請以加熱包加熱，若用水浴鍋則不易加熱而導致實驗速率過慢5.在萃取中，加入NaCl是為了避免dichloromethane鹵化6.若是先將金桔皮搗成泥漿狀在作實驗，則收量應較高7.迴旋濃縮儀的使用方法與步驟:先確認儀器的管線是否接好↓打開抽水機,此時會有嘶~~聲由上方氣閥傳出↓接上圓底瓶,並關上氣閥(此一步驟必須一直用手扶著圓底瓶,以避免脫落,造成危險)↓將圓底瓶壓至水面下方,至水面超過瓶中液