Aromaaktiv

Freigesetzte Stoffe beim Erhitzen von Holz

Beim Erhitzen von Holz werden flüchtige Stoffe freigesetzt, die interessante sensorische Noten aufweisen. Hier beschreiben die Autoren die unterschiedliche Zusammensetzung von flüchtigen Fraktionen bei unterschiedlichen Temperaturen unter Anwendung von speziellen Analysenmethoden.

Bei der Pyrolyse oder Erwärmung von Holz werden durch den Abbau von Lignin phenolische Verbindungen erzeugt. © Fotolia, Maria

Seit jeher wird Holzkohle als Brennstoff für Prozesse, für die intensive Hitze benötigt wird, produziert. Zur Herstellung der Holzkohle wurden in der Vergangenheit die Meiler tage- oder wochenlang erhitzt. Wertvolle Nebenprodukte, wie z. B. Holzessig, gingen dabei verloren. Bei einer modernen Prozessführung kommen heutzutage genau gesteuerte Retortenverfahren zum Einsatz, um große Mengen von vorzugsweise Buchenholz zu verarbeiten. Die während dieses Prozesses erzeugten flüchtigen und aromaaktiven Bestandteile werden aufgefangen, kondensiert, gereinigt und konzentriert, so dass eine ganze Reihe wertvoller Rohstoffe zur Verfügung stehen, die wegen ihrer sensorischen Eigenschaften auch für die Lebensmittel- und Aromenindustrie von Bedeutung sind.

Ursprünglich diente das Erhitzen von Holz sowie auch das Räuchern von Lebensmitteln zur Konservierung. In modernen Industrieländern ist dies heutzutage nur noch von geringer Bedeutung. Die Thermisierung von Holz verleiht Lebensmitteln ein charakteristisches Aroma und eine ansprechende Farbe, die auf das komplexe Gemisch von Carbonsäuren, Carbonyl- und phenolischen Verbindungen zurückzuführen sind, das während der Erhitzung von Holz erzeugt wird. In diesem Zusammenhang wurde auch die Stoffklasse der Phenole bereits eingehend untersucht. Phenolische Verbindungen finden als Aromastoffe in vielfältigen Geschmackskreationen eine spezielle Verwendung (z. B. Tee, Kakao, rote Früchte, Kaffee oder Fleischaromen) [1]. Gemäß EU-Recht wird zwischen den eigens regulierten Raucharomen und Aromastoffen, die beispielsweise phenolisch, rauchig riechen, unterschieden [2 – 4].

Anzeige

Für die Herstellung natürlicher Aromastoffe – sie sind für die Aromenindustrie von besonderem Interesse – gelten strenge Anforderungen. Letztere erlauben zur Erzeugung natürlicher Aromastoffe die Behandlung von pflanzlichen Materialien bei Temperaturen bis max. 240 °C. Das Räuchern selbst ist kein zulässiges Verfahren für die Herstellung von natürlichen Aromastoffen. Da Holz ein geeignetes pflanzliches Ausgangsmaterial darstellt und Fraktionierung und Reinigung geeignete physikalische Verfahren zur Erzeugung natürlicher Aromastoffe sind, stellt sich die Frage, ob die für die Aromenindustrie besonders wertvollen Verbindungen (z. B. Phenole) unter diesen Bedingungen gebildet werden.

Über die Pyrolyse oder Erwärmung von Holz und seinen Hauptbestandteilen Hemicellulose, Cellulose und Lignin gibt es bereits einige Veröffentlichungen [5 – 13]. In diesen Studien wurde jedoch in der Regel der Abbau bei Temperaturen deutlich über 240 °C beschrieben. Um diese Kenntnislücke zu schließen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein besonderer Fokus auf phenolische Verbindungen gelegt, die durch den Abbau von Lignin erzeugt werden. Da sich die Zersetzungstemperaturen für die drei Biopolymere in der Literatur unterscheiden und die breitesten Bereiche für Lignin angegeben sind, war bis dato unklar, ob durch das Erhitzen von Holz unter 240 °C signifikante Mengen phenolischer Verbindung gebildet werden, auch da es in der Literatur bisher nur Indizien dazu gibt. So fanden z. B. Candelier et al. in einer Thermodesorptions-GCMS-Studie Spuren von Guaiacol aus Buchenholz bei 230 °C [11] und Wittkowski et al. schlugen vor, dass der Abbau der Propanseitenkette von Lignin im Temperaturbereich von 230 – 260 °C unter Bildung von Methyl-, Ethyl- und Vinylguajacol und Vanillin erfolgt [1].

Methode
Kommerziell erhältliches und zerkleinertes Buchenholz (ca. 1×1 mm, Fagus sylvatica, Thomsen Räucherspäne Räucherholz GmbH & Co. KG, Handewitt) mit einer Restfeuchte von 12 % wurde mit dem Thermoextraktor (Gerstel) in einem Stickstoffgasstrom erhitzt. Der Thermoextraktor dient der Probenvorbereitung sowie der Bestimmung von Materialemissionen und ist mit einem Glasrohr bestückt, welches mit einer definierten Menge Probe befüllt im Ofen auf eine voreingestellte Temperatur erhitzt wird. Zur Entwicklung der Extraktionsmethode wurde zuerst eine kalibrierte Temperaturmesssonde über den Ausgang in die Mitte des Rohres geführt. Dabei wurde eine Temperaturdifferenz zwischen angezeigter und gemessener Temperatur von 9 Grad festgestellt und um diese Differenz bei weiteren Extraktionen korrigiert. Die Temperatur wurde über 90 min bei 230 °C Soll-Temperatur gemessen, und eine Ist-Temperatur von 229,9 °C ± 0,03 % wurde bestimmt. Für die Extraktion wurde das Rohr mit 0,1 g Probe befüllt und für 1 Stunde bei 180, 230 und 300 °C erhitzt.

Bild 1: Gerstel® TE ThermoExtractor mit Schubstange. © Gerstel

Für die Gewinnung der leicht flüchtigen Stoffe wurde der Trägergasstrom über ein 17,8 cm langes Glasröhrchen, gefüllt mit 0,3 g Glaswolle, gefolgt von zwei Adsorptionsröhrchen mit Tenax TA® Material (Gerstel), geführt. Die beladenen Adsorptionsröhrchen wurden anschließend mit einer Thermo Desorption Unit (TDU, Gerstel) desorbiert und mit umfassender zweidimensionaler Gaschromatographie und massenspektrometrischer Detektion (GC×GC-MS) analysiert. Die schwerflüchtigen Verbindungen wurden bei einer weiteren Extraktion direkt am Ofenausgang an einem Glasröhrchen niedergeschlagen. Das viskose Kondensat wurde ausgewogen, mit 4 g einer Lösung aus 2,4 mg/kg 2,3-Dimethoxytoluol in tert.-Butyl-methylether aufgenommen und mittels Gaschromatographie mit Massenspektrometrie (GC-MS) analysiert.

TDU-GC×GC-MS
Ein Shimadzu-GC-System (GC 2010 Plus), ausgestattet mit einem Kaltaufgabesystem (CIS 4), einer Thermo Desorption Unit (TDU 2; beides Gerstel) und einem Loop-type-Modulator (Zoex Corporation, USA), wurde mit einem Triplequadrupol MS (GCMS-TQ8040, Shimadzu) gekoppelt. Die Thermodesorption der Probenröhrchen erfolgte in der TDU bei einer Temperatur von 280 °C für 10 min mit einem Desorptionsfluss von 100 ml/min. Bei Holzproben, die bei 180 °C erhitzt wurden, wurde ein geringerer Desorptionsfluss von 40 ml/min und ein niedrigeres Splitverhältnis verwendet. Das Gesamtsplitverhältnis betrug daher bei diesen Proben 1 : 20 und für alle anderen Proben 1 : 50. Die Temperatur des CIS wurde während der Desorption bei -20 °C gehalten, und die thermodesorbierten Verbindungen wurden in einem mit Tenax TA® gepackten Liner zurückgehalten. Nach Ende der Thermodesorption wurde die CIS-Temperatur mit 12 °C/s auf 280 °C erhöht und für 10 min gehalten. Das Splitventil blieb währenddessen für 4 min geschlossen. Die Transferline zwischen CIS und TDU wurde konstant bei 300 °C gehalten.

Die 1D-Trennsäule bestand aus einer 30 m × 0,25 mm i. D. fused silica-Kapillarsäule mit Polyethylenglycol als stationäre Phase (df = 0,25 µm, ZB-Wax; Phenomenex) und die 2D-Trennsäule aus einer 2 m × 0,15 mm i. D. Kapillarsäule, beschichtet mit 0,15 µm einer 5 % Phenylmethylpolysiloxan-Phase (Rxi-5SilMS, Restek), die über einen PressFit-Connector (Restek) verbunden waren. Als Trägergas wurde Helium bei einem Fluss von 1,8 ml/min verwendet. Die Ofentemperatur startete bei 40 °C, wurde für 2 min gehalten und dann mit 4 °C/min auf eine Endtemperatur von 240 °C erhöht (15 min isotherm). Die Modulationszeit betrug 6 s. Die MS-Transferline wurde auf 240 °C und die Ionenquelle auf 230 °C geheizt. Die massenspektrometrische Detektion erfolgte im positiven EI-Modus bei 70 eV im Full-scan-Modus (m/z 33 – 500). Die Datenaufnahme erfolgte mit der GCMSsolution-Software (Version 4.41, Shimadzu) und die Datenauswertung mittels GCImage, Version 2.7 (Lincoln, USA). Die Automatisierung der Thermodesorption erfolgte mit einem MPS robotic-Autosampler (Gerstel) und die Ansteuerung der Gerstel-Komponenten erfolgte über die Maestro-Software (Version 1.5.2.9).

Flüssiginjektion-GC-MS
Das gelöste schwerflüchtige Kondensat wurde mit einem Kaltaufgabesystem (CIS 4, Gerstel) in den GC 7890B (Agilent) überführt und massenspektrometrisch (MSD 5977B, Agilent) analysiert. Die splitlose Aufgabe von 5 µl der Probe erfolgte automatisiert (MPS 2XL Autosampler, Gerstel). Die Überführung der Probe vom Kaltaufgabesystem auf die Trennsäule erfolgte bei 40 °C mit einer Aufheizrate von 12 °C/s bis 180 °C (5 min isotherm). Die Auftrennung der Analyten erfolgte auf einer DB-Wax ultra inert-Trennsäule (60 m × 0,32 mm i. D., df=0,25 µm, Agilent) mit einem Heliumfluss von 2 ml/min bei einem Temperaturprogramm von 60 °C nach 240 °C mit 4 °C/min. Die Endtemperatur von 240 °C wurde für 75 min gehalten.

Die MS-Transferline wurde auf 280 °C, die Ionenquelle auf 230 °C und der Quadrupol auf 150 °C geheizt.

Die massenspektrometrische Detektion erfolgte im positiven EI-Modus bei 70 eV im Full-scan-Modus (m/z 25 – 350). Die Datenaufnahme erfolgte mit der GC-MS Mass Hunter-Software (Agilent B07.05.2479) und die Datenauswertung mittels AMDIS (V 3.2.13.03.08).

Ergebnisse
Die Messung der Kerntemperatur und Temperaturkonstanz während einer einstündigen Heizphase im Stickstoffstrom zeigte, dass mit dem Thermoextraktor zerkleinertes Buchenholz reproduzierbar erhitzt werden kann. Zur Untersuchung der Bildung flüchtiger Stoffe wurde Buchenholz in einer Dreifachbestimmung bei je 180, 230 und 300 °C thermisch behandelt, und die Komponenten der leicht flüchtigen Fraktion wurden in Adsorptionsröhrchen zurückgehalten, die mittels zwei- dimensionaler Gaschromatographie gekoppelt mit Quadrupol-MS untersucht wurden (Bild 2).

Bild 2: Zweidimensionale GC-Chromatogramme (X-Achse 1D-Retentionszeit in Minuten, Y-Achse 2D-Retentionszeit in Sekunden) der leichtflüchtigen Fraktion nach Buchenholzerhitzung (A) bei 230 °C mit Elutionsfolge bestimmter Stoffklassen, (B) bei 180 °C, (C) 230 °C bzw. (D) 300 °C. © Symrise

Die Analyse der leichtflüchtigen Fraktion zeigte eine starke Freisetzung von insbesondere Furanen und Phenolen bei 230 °C (Bild 2). Eine Auswertung der Peaks mit Hilfe der GC Image®-Software wurde durch die strukturierte Elution bestimmter Stoffklassen wie Alkanale, 2-Alkenale, 2-Alkanone, Säuren, Furane und Phenole erleichtert (Bild 2A). Dabei erfolgte die Identifizierung von Analyten mittels Abgleich der Massenspektren und der Retentionsindices mit einer internen Referenzdatenbank. Durch den Vergleich der Peakflächen konnten statistisch signifikante Unterschiede berechnet werden. Bei 180 °C wurden u. a. Essigsäure, Furfural, 5-Methylfurfural, 5-Methylenfuran-2-on, 2-Hydroxymethylfuran, Cylcopent-2-en-1-on und 2-Oxopropanal gebildet. Bei 230 °C wurden neben erhöhten Mengen Furanen zusätzlich die Phenole Guaiacol, 4-Methylguaiacol, 4-Ethylguaiacol und o-Kresol nachgewiesen. Bei 300 °C konnten polycyclische Komponenten und längerkettige Furanylverbindungen wie 2-Ethyl-3-methylbenzofuran, 4-(2-Furyl)-buten-2-on, 2-Methylbenzofuran, 2-Formyl-5-methylfuran, 1-Methylnaphthalin, Butylphenylketon, 2-Pentylfuran, 5-Ethyl-2-vinylfuran und 5-Methyl-2-propenylfuran nachgewiesen werden. Diese Messungen deuten stark darauf hin, dass bei Temperaturen unter 200 °C die Zersetzung der zuckerhaltigen Fraktion des Buchenholzes beginnt, gefolgt von einer Zersetzung der ligninhaltigen Stoffe schon bei 230 °C sowie einer intensiven Weiterreaktion unter Eliminierung von Wasser und Polymerisierung der freisetzenden Stoffe bei Temperaturen um 300 °C.

Um die Bildung der phenolischen Verbindungen genauer zu untersuchen, wurde auch die schwerflüchtige Fraktion analysiert. Diese wurde durch Kondensation an einem Glasrohr am Ofenausgang bei Raumtemperatur gewonnen, mit organischem Lösemittel gelöst und mittels GC-MS untersucht (Tabelle 1).

Tabelle 1: Zusammensetzung des Buchenholzkondensats und Bildung schwerflüchtiger Komponenten bei Erhitzung bei 230 °C für 1 Stunde im Stickstoffstrom. 1) Die Konzentration wurde durch Zusatz des internen Standards 2,3-Dimethoxytoluol zum Flüssigextrakt und Einpunktkalibrierung abgeschätzt. 2) RSD = relative Standardabweichung

Im Mittel wurden 2,5 mg Kondensat bei 100 mg Einwaage zerkleinerten Buchenholzes ausgewogen, welches sich aus Furan- und Pyran-artigen (8,9,11,14,16,17,19,22,27,29,34-36,40) sowie phenolischen flüchtigen Verbindungen (2,3,6,7,10,12,13,15,18,20,21,23-26,28,30-33,37-39,41,42) zusammensetzt. Letztere werden durch den Abbau der Ligninmonomere p-Coumaryl (Abkürzung h für 4-Hydroxyphenyl-), Coniferyl- (Abkürzung g für Guaiacyl-) und Sinapylalkohol (Abkürzung s für Syringyl-) gebildet (Bild 3). Das Mengenverhältnis dieser Abbauprodukte wird in der Literatur als h : g : s-Verhältnis beschrieben und leitet sich von der chemischen Bezeichnung des entsprechend substituierten Benzolrings der Ligninmonomere ab.

Bild 3: Bildung von phenolischen Aromastoffen durch Abbau der Ligninmonomere. Das Verhältnis der Abbauprodukte bestimmter Monomere (h : g : s-Verhältnis) ist typisch für verschiedene Hölzer.

Das h : g : s-Verhältnis (Bild 3) ist ein Charakterisierungsmerkmal verschiedener Hölzer und wird durch Addition der Mengenangaben der detektierbaren Abbauprodukte aus den einzelnen Ligninmonomeren bestimmt. Bei der Pyrolyse von Buchenholz wurden beispielsweise h : g : s-Verhältnisse von 5 : 49 : 46 wt % und 3 : 45 : 52 mol % (letztere Pyrolyse bei 600 °C für 10 s) berichtet [12,13]. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine Zersetzung von Buchenholz bei einer Temperatur von 230 °C ebenfalls ein typisches h : g : s Verhältnis von 6 : 48 : 46 wt % ergibt.

Die Gesamtkonzentration der phenolischen Verbindungen im Kondensat beträgt fast 900 mg/kg und prägt die Sensorik, welche in einem Expertenpanel als phenolisch, stark rauchig beschrieben wurde, maßgeblich. Besonders hervorzuheben sind die Aromastoffe Eugenol, Guaiacol, Isoeugenol, 4-Methylguaiacol, 4-Ethylguaiacol, Maltol, Methylcyclopentenolon, Methylcyclohexenolon, Norfuraneol, Vanillin und 4-Vinylguaiacol (Tabelle 1), die aufgrund ihrer Geruchsaktivität und ihres Geruchsprofils von Konsumenten positiv wahrgenommen werden.

Mit den Ergebnissen aus den vorliegenden kombinierten Thermoextraktions- und Analysen-Verfahren konnte erstmals nachgewiesen werden, dass auch bei einer Temperatur < 240 °C aromawirksame flüchtige Verbindungen in signifikanter Menge gebildet werden [14].

Referenzen
[1] Wittkowski, R., Ruther, J., Drinda, H., Rafiei-Taghanaki F., in Flavor Precursors: Thermal and Enzymatic Conversions, edited by Teranishi, R., Takeoka, G. R., Guntert, M. ACS Symposium Series 490, Washington DC, 1992, 232-243.
[2] Official Journal of the European Union 2003, 46, L309, 1.
[3] Official Journal of the European Union 2013, 56, L333, 54.
[4] Official Journal of the European Union 2008, 51, L354, 34.
[5] Mohan, D., Pittman, C.U., Steele, P.H. Energ. Fuel 2006, 20, 848-889;
[6] White, R.H., Dietenberger, M.A. in Encyclopedia of Materials: Science and Technology (Second Edition), edited by Buschow, K.H.J., Cahn, R.W., Flemings, M.C., Ilschner, B., Kramer, E.J., Mahajan, S., Veyssière, P. Elsevier, Oxford, 2001, 9712, ISBN 978008043, 1529.
[7] Yang, H., Yan, R., Chen, H., Lee, D.H., Zheng, C. Fuel 2007, 86, 1781-1788.
[8] Brebu, M., Vasile, C. Cell. Chem. Technol. 2010, 44, 353-363.
[9] Mohammad, A.F.M., Yoshimitsu, U., Noridah, O., Suzana, Y. Appl. Mech. Materials 2014, 625, 714-717.
[10] Gucho, E.M., Shahzad, K., Bramer, E.A., Akhtar, N.A., Brem, G. Energies 2015, 8, 3903-3923.
[11] Candelier, K., Dumarcay, S., Petrissans, A., Petrissans, M., Kamdem, P., Gerardin, P. J. Anal. Appl. Pyrol. 2013, 101, 96-102.
[12] Faix, O., Meier, D., Grobe, I. J. Anal. .Appl. Pyrol. 1987, 11, 403-416.
[13] Freudenberg, K. Science 1965, 148, 3670.
[14] Boerding, S., Backes, M., Kiefl, J., Kohlenberg, B., Slabizki, P., Raithore, S., Krammer, G., Abstracts of Papers, 255th ACS National Meeting & Exposition, New Orleans, LA, USA, March 18-22, 2018, Pages AGFD-190.

AUTOREN
Sandra Boerding

Michael Backes
Johannes Kiefl
Birgit Kohlenberg
Petra Slabizki
Gerhard Krammer
Symrise AG, Deutschland

Smita Raithore
Symrise AG, USA

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige