Kiedyś w laboratorium (33.)

Któregoś razu, chyba na praktykach, bawiłem się Spekolem.
Jest to stary acz poczciwy sprzęt do spektrofotometrii, badający absorbancję (odwrotność przepuszczalności) światła o zadanej częstotliwości fali. Otrzymanie wiązki o odpowiedniej fali odbywa się dosyć prosto - źródło światła wewnątrz wytwarza światło białe, rozszczepiane siatką dyfrakcyjną na pełne widmo. Przy pomocy pokrętła obracamy siatkę powodując, że do wąskiej szczeliny na którą nasadzony jest układ w który wkładamy próbki wpada światło jednej określonej barwy, a więc o konkretnej długości fali. Taki układ ma oczywiście pewne ograniczenia, ale sam sprzęt mimo wszystko działa dosyć dobrze i nadal można spotkać się w nim w wielu laboratoriach.

Po zdjęciu przykręconej części na próbki odsłania się wspomniana szczelina. I otóż korzystając kiedyś z okazji zrobiłem kilka zdjęć pokazujących światło o konkretnych długościach fali:

Zdjęcia nie zupełnie oddają rzeczywiste odcienie, z powodu ograniczeń matrycy. Przy końcu skali za fioletem dało się jeszcze zauważyć słaby fioletowy odcień, zauważalny gołym okiem ale już nie przez okulary.

Cebulowe łzy

O tym dlaczego czosnek śmierdzi a cebula skłania nas do płaczu.

Cebula jadalna to gatunek wieloletniej rośliny, należący formalnie do rodzaju czosnek w ramach szerszej rodziny amarylkowatych, wobec czego jej krewniakiem jest też narcyz. Stanowi składnik ludzkiej diety od kilku tysięcy lat - cebulowe łuski i ślady zwęglonych w ognisku cebulek znane są aż z 5 tysiąclecia przed naszą erą. Były też powszechnie spożywane w starożytnym Egipcie, o czym często wspominają zachowane inskrypcje, stanowiąc obok chleba i piwo podstawę diety klas niższych. Była czczona prawdopodobnie jako jeden z symboli odrodzenia, na co wskazują jej znaleziska w grobowcach i obecność na malowidłach grobowych. Ślady cebulowych łusek znaleziono w oczodołach mumii Ramzesa IV.
W kontekście Egiptu wspomina o niej także Biblia: w Księdze Liczb w rozdziale 11 Izraelici wędrujący przez pustynię zaczynają narzekać na brak dobrego jedzenia, wspominając że w Egipcie mieli pod dostatkiem ryb, ogórków, melonów, cebuli, czosnku i porów, co wskazywałoby na całkiem przyzwoitą dietę jak na przymusowych robotników.

Uprawa cebuli na rysunkach z "ptasiego grobowca" z nekropolii w Sakkarze

Warzywa te znane były też w starożytnej Grecji i Rzymie. W języku łacińskim zwano ją cepa lub zdrobniale cepula, co wpłynęło zarówno na nazwę polską jak i niemiecką (Zwiebel od staroniemieckiego Zwibolle). Cebula uważana była za środek wzmacniający, stąd też zjadali ją gladiatorzy dbający o formę, czosnek miał chronić przed chorobami i złymi duchami, przy czym zwykle był dla tych zastosowań nie jedzony tylko noszony jak amulet; z kolei por był uważany za afrodyzjak. Cesarz Neron zajadał się porem w ogromnych ilościach, uważając go za środek poprawiający jakość głosu, stąd też popularny przydomek "porrophagos" - porożerca.
Czosnek zdobył sobie dużą popularność wśród ludów semickich, najbardziej znani byli z tego Żydzi, regularnie jedzący czosnek w szabat. W późniejszych czasach doprowadziło to do wykształcenia stereotypu Żyda-śmierdziela* Co ciekawe dokładnie przeciwny stosunek mieli do niego Arabowie - w kilku miejscach Koranu wspomniane jest, że osoby jedzące czosnek nie powinny zbliżać się do meczetu lub grup modlących się, i czekać w domu aż przestaną pachnieć. Ostatecznie jednak w Islamie nie jest to warzywo zakazane.

Wszystkie rośliny z tego rodzaju charakteryzuje silny, ostry zapach i smak, spowodowany obecnością wtkankach aktywnego związku siarkoorganicznego Alliiny ulegającego dalszym przemianom podczas krojenia. A przemiany te są nieco bardziej skomplikowane, niż to się nam dotychczas wydawało.
Alliina formalnie rzecz biorąc jest pochodną aminokwasu Cysteiny, w której końcowa siarka została utleniona do sulfotlenku i zalkilowana grupą allilową:

W sulfotlenkach siarka jest na czwartym stopniu utlenienia i formalnie tworzy z tlenem wiązanie podwójne będąc analogiem ketonów, jest ono jednak tak silnie spolaryzowane, że często używa się zapisu jonowego z ładunkiem dodatnim na siarce i ujemnym na tlenie. Przy takiej strukturze jedna z par elektronowych zostaje wolna a jej odpychanie nadaje pozostałym wiązaniom formę piramidy trygonalnej. W efekcie pojawia się asymetria umożliwiająca powstanie dwóch form chiralnych, tak jak to jest w przypadku tetraedrycznym węglem. Alliina ma w związku z tym dwa centra stereogeniczne - na siarce (S) i na węglu (R) w części pochodzącej od aminokwasu.
W chwili wyodrębnienia był to pierwszy znany naturalny związek z takim układem centrów. W Cebuli ponadto występuje izoalliina, z podwójnym wiązaniem przesuniętym o jedno miejsce. Oba związki są bezwonne. Gdy zaczynami kroić, żuć czy rozgniatać cebulki, sytuacja ulega zmianie - ze zniszczonych komórek uwolnione zostają enzymy, głównie allinaza.

Od tego momentu zaczyna się kaskada reakcji: alliinaza hydrolizuje alliinę, dzieląc wiązanie między siarką a węglem części aminokwasowej. Z części siarkowej powstaje kwas 2-propenosulfonowy, a z aminokwasowej dehydroalaniny. Ta ostatnia spontanicznie rozkłada się do amoniaku i kwasu pirogronowego.

Kwas sulfonowy jest cząsteczką nietrwałą, stąd też bardo chętnie reaguje sam ze sobą. Dwie cząsteczki kondensują, tworząc allicynę, będącą głównym składnikiem zapachowym czosnku.

Cebula zawiera zarówno alliinę jak i izoalliinę, z których po reakcji z alliinazą powstaje kwas 2-propenosulfonowy i 1-propenosulfonowy, z ich kondensacji powstaje allicyna, choć raczej w ilościach śladowych, i związki polisiarkowe. A skąd łzy?
Jak dawniej sądzono, przyczyną są kwasy sulfonowe uwalniane do powietrza przed kondensacją, które rozpuszczając się w łzach zakwaszały je wywołując łzawienie. Jednak w 2002 roku odkryto inny mechanizm[1]. Powstający specyficznie w cebuli kwas 1-propenosulfonowy zostaje przekształcony przez kolejny enzym, nazwany syntazą czynnika łzawiącego, czyli w skrócie LFS. Powoduje on przesunięcie jednego wodoru i wiązania podwójnego, tworząc związek z wiązaniem podwójnym między siarką a węglem - propanotial-S-tlenek. Formalnie nadal jest on S-tlenkiem ale bez właściwości kwasowych. Możliwe są dwa położenia tlenu, stąd dwa izomery syn i anti, z przewagą tej pierwszej.
Związek ten jest bardzo łatwo lotny i szybko przedostaje się do powietrza, rozpuszcza w łzach i tutaj podrażnia oko, ale nie poprzez zakwaszanie lecz działanie na receptory bólu. Jest zatem silnym lakrymatorem, którego wydzielanie przez roślinę jest strategią mającą odstraszyć roślinożercę. Właśnie za to odkrycie, ostatecznie tłumaczące sprawę, przyznano tegorocznego Ig-Nobla choć samo w sobie nie jest specjalnie zabawne.

Tak rozpoczęty łańcuch reakcji nie kończy się.  Łzawiący S-tlenek jest cząsteczką aktywną, chętnie więc, zwłaszcza podczas smażenia i gotowania, łączy się sam ze sobą tworząc dipropylodisulfid z mostkiem siarczkowym. Formalnie rzecz biorąc jest to uwodorniona allicyna. Wyjściowy związek ulega też hydrolizie do aldehydu propionowego o ostrym ale raczej owocowym zapachu, ale też kondensacji do związków wielosiarczkowych, nawet cyklicznych, o zapachach ostrych i nieprzyjemnych.

W przypadku czosnku końcowa allicyna jest głównym związkiem o specyficznym zapachu, ale nie jedynym. W wyniku jej rozkładu czy to w organizmie czy podczas gotowania, poprzez redukcję S-tlenek zamienia się w beztlenowy dwusiarczek dwuallilu (DADS), o zapachu jeszcze bardziej nieprzyjemnym. Jest to związek łatwo lotny. Powstając w organizmie podczas trawienia przedostaje się do krwioobiegu, stamtąd w płucach a wreszcie w naszym oddechu wpływając na zapach z ust. Inną pochodną jest dwusiarczek alliowo propylowy, decydujący z kolei o ostrym smaku cebuli. Oba związki są łatwo lotne i odparowują podczas gotowania, stąd słodkawy smak przyrządzonego warzywa. Są też alergenami, stąd możliwość uczulenia na czosnek.
 Możliwe są też pochodne z większą ilością atomów siarki. Gdy czosnek jest macerowany w tłuszczu, czynnik łzawiący łączy się z allicyną tworząc ajoen. Tak więc z jednej czy dwóch cząsteczek może powstać kilkadziesiąt podobnych związków, w tym kilka o działaniu łzawiącym. Ponieważ czosnek nie zawiera enzymu LFS przy jego krojeniu już tak nie płaczemy.

A co zrobić, aby nie płakać przy cebuli? Zbyt dobrych rad nie ma, enzymy przestają działać przy podgrzaniu do 60 stopni, więc być może blanszowanie w wodzie o temperaturze 70-80 stopni i ochłodzenie, powinno spowodować że krojona cebula nie będzie tak działać, zachowując smak. Allinaza praktycznie nie działa w niskich temperaturach, więc można też kroić cebulki ochłodzone wcześniej na górnej półce lodówki do kilku stopni albo krótko w zamrażalniku prawie do zera - taka cebula zacznie działać dopiero po ogrzaniu w sałatce. Oba enzymy przestają też być aktywne przy zakwaszeniu, więc można spróbować zakwaszać cytryną, ale nie do każdych zastosowań się to przyda.
Swój sposób przeprowadzili biotechnolodzy, za pomocą różnych technik hybrydyzacji wyciszając gen produkujący LFS i tworząc "niepłaczliwą" odmianę.[2]

Wszystkie opisane związki mają różnorodne działanie na organizm. Często są bakteriobójcze, mogą obniżać poziom cholesterolu albo zmniejszać krzepliwość; są przeciwutleniaczami, związkami przeciwzapalnymi czy pobudzającymi odpowiedź immunologiczną. Oczywiście roślina nie po to je wytwarza. Ich ostry zapach i drażniące działanie ma odstraszać, zniechęcać roślinożercę do zjadania cebulek. Tego jednak, że znajdzie się zwierzę, które będzie je zjadało właśnie dla tego smaku i zapach, matka natura nie przewidziała.
--------
* Stereotyp ten wykazuje duże podobieństwo do różnych rasistowskich mitów. Jednym z elementów dehumanizacji nienawidzonej grupy, jest zawsze twierdzenie, że jej członkowie są brudni i śmierdzą. Jeszcze na początku XX wieku powszechne było w Ameryce przekonanie, że murzyna można poznać po smrodzie. Identycznie postrzegano w Chinach pierwszych europejczyków. "Zapach Żyda" był też w dawnej Europie uważany za cechę wrodzoną, wywołaną grzechem przodków, którzy nie uznali Jezusa. W jednej z wersji mitu o morderstwach rytualnych, spożywanie macy z krwią miało likwidować ten wrodzony odór. A wszystko przez czosnek...

[1]  Imai S, Akita K, Tomotake M, Sawada H (2006. a) Identification of two novel pigment precursors and a reddish-purple pigment involved in the blue-green discoloration of onion and garlic. J Agric Food Chem 54 843–847.
[2]  Colin C. Eady, Takahiro Kamoi, [...], and Shinsuke Imai, Silencing Onion Lachrymatory Factor Synthase Causes a Significant Change in the Sulfur Secondary Metabolite Profile, Plant. Physiol. August 2008 147(4) 2096-2106

*http://en.wikipedia.org/wiki/Garlic
*http://en.wikipedia.org/wiki/Onion
*http://pl.wikipedia.org/wiki/Alliina
*http://de.wikipedia.org/wiki/Alliin
*http://en.wikipedia.org/wiki/Alliin
*http://en.wikipedia.org/wiki/Allicin
*http://en.wikipedia.org/wiki/Alliinase
* http://en.wikipedia.org/wiki/Syn-propanethial-S-oxide
*http://en.wikipedia.org/wiki/Diallyl_disulfide
*http://antaryamin.wordpress.com/2012/07/08/what-islam-says-about-eating-onion-and-garlic/
*http://www.touregypt.net/featurestories/neferherenptaht.htm
*http://onions-usa.org/all-about-onions/history-of-onions

Kiedyś w laboratorium (32.)

Na zajęciach z chemii fizycznej jednym z ćwiczeń było badanie stałej kwasowej wskaźnika pH czerwieni fenolowej. Do roztworu bufora z dodatkiem wskaźnika, dodawaliśmy po 0,2 ml wodorotlenku sodu. Po każdym dodatku i rozmieszaniu mieszadełkiem sprawdzaliśmy absorbancję roztworu w spektrofotometrze. Oczywiście nie mogłem się powstrzymać przed zrobieniem zdjęć ukazujących powolną zmianę barw - ostatni odcień podobał mi się najbardziej.

Czerwień fenolowa to wskaźnik zmieniający barwę od żółtej w roztworach obojętnych, do różowo-purpurowej w zasadowych. Jej cząsteczka jest bardzo podobna do zasadowej formy fenoloftaleiny - ten sam układ trifenylowy z dwoma pierścieniami z grupą hydroksylową i jednym z sulfonową.

W warunkach zasadowych następuje odszczepienie obu protonów z grup hydroksylowych i zmiana struktury elektronowej, co skutkuje zmianą barwy. Barwnik dawniej był używany w testach medycznych (tzw. PSP test) do sprawdzania czynności nerek. Po wstrzyknięciu do krwi lub bezpośrednio do tętnicy nerkowej, czerwień fenolowa była wydalana z moczem, co w normalnej sytuacji następowało szybko i w całości. Kolorymetryczne oznaczenie stężenia pozwalało stwierdzić, czy nerki wydalają we właściwy sposób. Obecnie test wyszedł już chyba z użytku.
Odczyn przy którym następuje zmiana barwy, jest zbliżony do normalnego odczynu płynów komórkowych i krwi, stąd dodatek czerwieni fenolowej do hodowli tkankowych pozwala szybko ocenić czy nie dochodzi do zakwaszenia, zwykle z powodu zakażenia bakteryjnego.
Przy okazji zrobiłem też krótki film:

Skąd ten zapach?

Każdego kto co nieco liznął na temat mechanizmów odczuwania zapachu, musiało zastanowić jak to się dzieje, że wyraźny i charakterystyczny zapach mają substancje zdecydowanie nielotne, jak żelazo, miedź czy kawałek wapienia.

Zapach żelaza
W znanej powieści "Pachnidło" jedną z pierwszych prób uzyskania nietypowych zapachów otoczenia, jest uzyskanie ekstraktu o zapachu miedzianej gałki u drzwi. Gałka była moczona w chłodnym tłuszczu, z którego po zagęszczaniu uzyskał bohater substancję pachnącą właśnie tak jak metal. Nie jest to ze strony autora taka zupełna fantazja, bo metalowe przedmioty z jakimi się często spotykamy, rzeczywiście mają swój specyficzny, metaliczny zapach, porównywany niekiedy do zapachu zaschniętej krwi. Co takiego jednak pachnie, skoro metal i jego tlenki są nielotne?
Jak można zauważyć, woni takiej nabiera metal używany, często dotykany, nie będzie go miał natomiast dobrze oczyszczony. Zapach ten jest w istocie bardziej związany z nasza skórą. Skóra jest w naturalny sposób natłuszczona za sprawą pracy odpowiednich gruczołów łojowych. Łój jest mieszaniną zawierającą między innymi krótkołańcuchowe nienasycone kwasy tłuszczowe. Kwasy te mają to do siebie, że pod wpływem powietrza i światła łatwo utleniają się do nadtlenków, te z kolei pod wpływem jonów metali na niższych stopniach utlenienia, chętnie redukują się, tworząc rozmaite ketony i alkohole. Wśród nich 1-okten-3-on, związek o silnym, łatwo wyczuwalnym zapachu, choć pewne znaczenie mają też inne ketony. Na powierzchni metalu zawsze obecna jest pewna ilość wolnych jonów, zwłaszcza gdy jest pokryty warstewką zabrudzeń; jony reagują z nadtlenkami i metal zaczyna pachnieć. Aby uzyskać podobny efekt, wystarczy nasmarować dłonie niewielką ilością roztworu żelaza II. Dostarczycielem jonów może być też zaschnięta krew, w czym też naukowcy widzą wytłumaczenie dużego wyczulenia naszych nosów na takie związki.

W przypadku stali i żeliwa, pewne znaczenie mają też zanieczyszczenia metalu. Stal zawiera węgiel oraz domieszki fosforu. W obecności wilgoci cząstki węgla stają się półogniwami z pewnym ładunkiem elektrycznym, na których fosfor może utleniać się do fosforowodoru i organicznych fosfin o nieprzyjemnym zapachu, stąd dodatkowa nuta.[1] Zapach ma też duże znaczenie dla wyczuwania metalicznego smaku - w badaniach z ochotnikami, metaliczny smak wyczuwalny dla soli żelaza znikał po zatkaniu nosa, dla miedzi wyniki były niejednoznaczne.[2] Pewne znaczenie dla smaku metalu ma też powstawanie słabych prądów gdy jeden metal, na przykład kawałek folii aluminiowej, zetknie się z amalgamatową plombą.

Swój własny, nieprzyjemny zapach ma natomiast osm, a to z powodu powstawania na powierzchni lotnego czterotlenku.

Zapach kredy...
Zapach mokrej kredy, bądź świeżego wapienia, jest bardzo charakterystyczny. I smaczny. Trudno dokładnie określić dlaczego, ale często miałoby się ochotę zjeść taki kamień. Jedni opisują go jako "mineralny" inni jako "roślinny" ale spotkałem się też ze stwierdzeniami, że naturalny wapień pachnie jabłkiem i pieczonym chlebem. Moje skojarzenia są raczej synestetyczne, bo kojarzy mi się z wyglądem zmąconej wody,  chociaż niedawno jednak stwierdziłem że kreda z kopalni w Mielniku ma miękki zapach mąki.
Niekiedy mówi się, że ochota na zjedzenie kredy, to skutek niedoboru wapnia. Gdyby ta zasada odnosiła się też do innych substancji, musiałbym stwierdzić w swym organizmie przewlekły niedobór czekolady...
Ale właściwie czym pachnie kreda? Kwesta ta nie została chyba zbyt dokładnie zbadana, skoro żadnego "oficjalnego" wyjaśnienia nie znalazłem. Najczęstsze przypuszczenie odnosi się do tego, że zapach ma kreda bądź pyląca się bądź wilgotna. Prawdopodobnie podczas wysychania tworzą się drobne cząstki, które dostając się do nosa wywołują odczuwane wrażenie.
Dlaczego jednak te drobne cząstki miałyby wywoływać takie nietypowe wrażenia? Sama alkalizacja czy obecność węglanów nie wystarczy, skoro soda oczyszczona nie ma takiej woni, zapewne więc znaczenie ma tutaj wapń. Pierwiastek ten jest ważny dla utrzymania równowagi elektrycznej komórek nerwowych, w tym komórek węchowych. W normalnym przypadku poburzenie receptorów na powierzchni komórki węchowej, powoduje napływ do jej wnętrza jonów wapnia i odpływ jonów chlorkowych; powstająca zmiana potencjału tworzy sygnał przekazywany przez nerw. Mogę zatem domniemywać że dostarczenie wapnia bez jonów chlorkowych na powierzchnię z komórkami węchowymi w jakiś sposób zmienia bądź inicjuje ten proces, przez co mózg odczuwa jakby mieszankę wszystkich zapachów. Myślę że byłby to ciekawy temat badań dla jakiegoś biochemika.

... i innych minerałów
Własny, specyficzny zapach posiadać mogą też inne minerały. Siarka rodzima ma charakterystyczny zapach, szczególnie silny przy pocieraniu, biorący się po trosze z oparów siarki jak i z jej tlenków. Podobnie pachnieć mogą minerały siarczkowe jak piryt, co też jest związane z powolnym utlenianiem, w jakimś stopniu może też z powodu wydzielania siarkowodoru. Minerały arsenu, jak arsenopiryt, mają dla odmiany czosnkowy zapach powstający przy rozdrabnianiu i kruszeniu - chętnie wówczas iskrzą - wywołany arsenowodorem i siarczkiem arsenu. Łupki bitumiczne i pewne odmiany wapieni zawierających domieszki substancji organicznych, przy rozłupywaniu dają niemiły zapach siarkowodoru, skąd też doczekały się nazwy śmierdząca kreda (Stinkstone).
Wśród minerałów szczególnym przypadkiem jest Anozonit - minerał fluoru. Zapach jaki wydziela jest ostry i niezupełnie przyjemny; bywa porównywany do zapachu ozonu albo przepalonej elektroniki. Wiadomo że jest to fluoryt, który utworzył się w pobliżu promieniotwórczych skał, których oddziaływanie zaburzyło jego sieć krystaliczną. Przez długi czas sądzono, że zapach jest wynikiem wybijania przez promieniowanie fluoru, który natychmiast reagował z powietrzem w porach minerału, tworząc ostro pachnący fluorek tlenu i ślady ozonu - niedawno jednak odkryto, że przyczyna jest jeszcze bardziej interesująca.
Fluor jest pierwiastkiem tak ogromnie reaktywnym, że Moissan chcąc go po raz pierwszy wyodrębnić, musiał użyć aparatury wykonanej z platyny, bo ze szkłem reagował bardzo szybko. W mieszaninie z powietrzem bardzo chętnie przechodzi w fluorki tlenu i azotu, reaguje z wodą. Dla wszystkich jest więc oczywiste, że nie występuje w naturze w stanie rodzimym. Albo może inaczej - dotychczas dla wszystkich był to fakt najzupełniej oczywisty. Jednak badania jakim poddał anozonit Florian Kraus, powinny zmienić tą opinię.

Postanowił on sprawdzić dawne teorie przyczyn zapachu tego minerału, ale w sposób nie niszczący - rozkruszenie wystawia wnętrze na działanie wilgoci. Dlatego też zbadał kilka kryształków za pomocą spektrometrii magnetycznego rezonansu jądrowego NMR. Ponieważ jądra atomów fluoru posiadają spin i moment magnetyczny, ich sygnały mogą być obserwowane w ten sposób. Wyniki badania pokazały jednoznacznie, że obserwowany sygnał pochodzi od wolnego, cząsteczkowego fluoru, zamkniętego w mikroporach minerału[3]
To zatem co czuć od kryształków, to mieszanka zapachów fluoru, fluorku tlenu i ozonu. Ciekawe swoją drogą co by przyniosło zbadanie pewnej odmiany halitu, która a sprawą bliskości promieniotwórczych minerałów przybrała fioletowawy kolor - efekt taki może dawać stały koloid sodu.

Zapach karbidu
Każdy kto zetknął się z karbidem pewnie zauważył też niemiły zapach tej substancji. Nie każdy jednak zastanowił się, że bezwonny jest zarówno powstający w reakcji acetylen jak i wodorotlenek wapnia.

 CaC₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + C₂H₂

W tym przypadku sprawa jest łatwa do wyjaśnienia - karbid wytwarza się prażąc wapień z węglem. Wapień naturalny zawiera domieszki innych niż węglan soli wapnia, a więc siarczanu i fosforanu, które po zredukowaniu zamieniają się w siarczek i fosforek wapnia. Te podczas reakcji z wodą wydzielają siarkowodór i związki fosforowodorowe (głównie difosfina, sam fosforowodór jest bezwonny), pierwszy o zapachu zgniłych jaj a drugie o zapachu zepsutego czosnku.
-------

* http://www.mindat.org/forum.php?read,6,284681,284731
[1] Glindemann D, Dietrich A, Staerk HJ, & Kuschk P (2006). The two odors of iron when touched or pickled: (skin) carbonyl compounds and organophosphines. Angewandte Chemie (International ed. in English), 45 (42), 7006-9 PMID: 17009284  
[2] Harry T. Lawless, Serena Schlake, John Smythe, Juyun Lim, Heidi Yang, Kathryn Chapman and Bryson Bolton (2004). Metallic Taste and Retronasal Smell Chem. Senses, 29 (1) DOI: 10.1093/chemse/bjh003  
[3] http://www.nature.com/news/stinky-rocks-hide-earth-s-only-haven-for-natural-fluorine-1.10992

Waniliowo

Bierzemy dajmy na to jajka i mąkę, i cukier i proszek do pieczenia. I robimy ciasto. A żeby ciasto pachniało dodajemy cukru waniliowego. Albo wanilinowego. Jakoś tak...

Na to co tak na prawdę jest napisane na opakowaniach takiego cukru sam zwróciłem uwagę dopiero niedawno gdy na zajęciach oznaczaliśmy zawartość waniliny. Mówi się "cukier waniliowy" ale tak na prawdę napisane jest tam "cukier wanilinowy" - oznacza to, zgodnie z prawdą, że jest to cukier z substancją zapachową waniliną a nie z wanilią. W czym zaś jedno różni się od drugiego i jakie chemiczne są tego konotację, piszę poniżej.

Wanilia jest tropikalnym pnączem należącym do rodziny storczyków (orchidea) rosnącym w Ameryce środkowej i południowej, wspinającym się niczym liana na drzewa, z czasem drewniejąc i upodabniając się do małego drzewka. Kwitnie charakterystycznymi żółtymi kwiatami, zapylanymi przez pewne pszczoły bezżądłowe, wyrastającymi w grupach po 10-15 kwiatków. Po zapyleniu formują się podobne do strąków grochu płaskie torebki zawierające drobne, podobne do pyłku nasionka, błędnie nazywane strączkami.
Ale wbrew temu co można by sądzić, dojrzałe owoce wanilii są dla celów kulinarnych bezużyteczne. To co znamy jako laski wanilii, to torebki które zerwano przed dojrzeniem i poddano pewnym specyficznym procesom.
Zielony, zebrany przed otwarciem owoc jest bezwonny. Stanowiąca główny składnik zapachowy wanilina, jest w nim związana w formie nielotnego betaglukozydu. Tuż po zbiorze owoce poddaje się blanszowaniu przez szybkie zanurzanie w gorącej wodzie, lub zamrażaniu, co zapobiega dojrzewaniu oraz uwalnia enzymy degradacyjne, w tym enzym rozkładający ten typ połączeń. Owoce są następnie pozostawiane na kilka dni w ciepłym miejscu, gdzie brązowieją, a glukozyd rozpada się uwalniając aromat. Po wysuszeniu owoce, pierwotnie w formie spłaszczonych torebek, kurczą się do cienkich laseczek i w takiej formie są sprzedawane.

Fermentujące owoce wanilii

Wanilia była znana już od dawna wśród ludów ameryki środkowej, przy czym pierwszymi którzy ją uprawiali byli prawdopodobnie Totonakowie, podbici przez Azteków na początku XV wieku. Nazywali ją tlilxochitl - "czarnym kwiatem" od wyglądu dojrzałych owoców, pękających przy wysychaniu na kilka płatów. Cenili ją jako jeden z boskich pokarmów. Przyprawiali nią czekoladę, będącą wówczas gęstym napojem z tłuczonych owoców kakaowca, kukurydzy i masła. W takiej też formie poznał ją w 1540 roku Cortez, pierwszy europejski zdobywca tych ziem. Nazwa rośliny jest zdrobnieniem hiszpańskiego słowa i dosłownie oznacza "mały strączek".

Przez długi czas, z oczywistych względów, jedynym producentem wanilii był Meksyk. Uprawy w innych miejscach, w tym na francuskiej wyspie Reunion, nie udawały się z powodu braku zapylających jej kwiaty pszczół bezżądłowych. Jako pierwszy zauważył to botanik Charles Morren, który zaproponował skomplikowaną metodę sztucznego zapylania, ta jednak nie przyjęła się. Monopol meksyku upadł jednak za sprawą pewnego chłopca - 12-letniego Edmonda Albiusa, niewolnika z plantacji na Reunion. W roku 1841 odkrył bardzo prostą metodę zapylania - w głąb kwiatka wsuwa się patyczek lub trawkę i podnosi przesłonę oddzielającą kwiaty męskie od żeńskich, zapobiegającą samozapyleniu. Prostym ruchem kciuka przenosi się pyłek na słupki i tak, po zaledwie kilku sekundach, kwiat zostaje zapylony.
W ten sposób wyspa stała się znaczącym producentem wanilii a ceny przyprawy znacznie spadły. Francuscy emigranci przynieśli metodę na Madagaskar - dziś wyspa ta jest zaraz po uprawach na Indonezji drugim światowym producentem. Sam Albius nie wiele skorzystał na swym odkryciu - po zniesieniu niewolnictwa pracował jako kucharz, po kradzieży biżuterii trafił na kilka lat do więzienia. Przez ostatnie lata żył z niewielkiego zasiłku przyznanego mu w podzięce za wkład w uprawy i zmarł w biedzie.

Główny składnik zapachowy wanilinę odkrył Theodore Gobley, znany też z odkrycia lecytyny i wyodrębnienia cholesterolu z jajek kurzych, który po prostu odparował do sucha ekstrakt waniliowy i odmył wanilinę z osadu gorącą wodą. Szybko zorientowano się że jest to prosty związek fenolowy, zawierający grupę aldehydową, hydroksylową i metoksylową, i zaczęto szukać sposobu jak też tu tanio ją z czegoś otrzymać 

Znano już dosyć dużo związków zawierających podobne ugrupowania, jednak pierwszymi którzy znaleźli odpowiednią substancję byli niemieccy chemicy Tieman i Haarmann. Wyizolowali oni z kory i wiosennego soku sosny glikozyd koniferynę, łatwo rozkładający się do alkoholu koniferylowego, którego cząsteczka była podobna do waniliny - zamiast grupy aldehydowej miała krótki łańcuch alkenowy. Można go było łatwo utlenić za pomocą chromianu potasu, zaś z końcowej mieszaniny destylowano powstającą wanilinę. Nie był to najlepszy sposób - koniferynę można było otrzymywać z drzew tylko wiosną, w niedużych ilościach, toteż trudno było wyprodukować w ten sposób dużą ilość związku, ponieważ jednak naturalna wanilia była niezwykle droga, obaj chemicy założyli firmę Vanilinfabrik, całkiem nieźle zarabiając.
Niedługo potem Haarmann znalazł związek jeszcze łatwiej dostępny - eugenol. Jest to silnie pachnący związek stanowiący główny (do 90%) składnik olejku goździkowego, a także olejku z liści cynamonu. Każdy kto bywa czasem u dentysty musiał się z nim zetknąć - w mieszaninie z tlenkiem cynku służy do tymczasowego wypełniania ubytków. Oba olejki były zdecydowanie tańsze niż glikozyd z soku sosny, więc i końcowy związek był tańszy. Syntezę prowadzono w dwóch etapach - eugenol izomeryzowano w środowisku zasadowym do izoeugenolu, po czym utleniano nadmanganianem lub ozonem:

Była to pierwsza synteza pozwalająca otrzymywać wanilinę na skalę przemysłową.
Równocześnie wykryto inną drogę.

Reakcja Reimera-Tiemanna to jedna z klasycznych dróg syntetycznych, pozwalająca przyłączać do związku fenolowego grupę aldehydową. Związek jest mieszany z trichlorometanem czyli chloroformem, i poddawany działaniu stężonej zasady. Chlorek w wyniku odszczepienia halogenów zamienia się w wysoce reaktywny karben, który przyłącza się do pierścienia i hydrolizuje. W ten sposób można na przykład otrzymać kwas salicylowy z fenolu.
Równocześnie znany był już wówczas gwajakol, silnie aromatyczny związek, będący częstym składnikiem syropów na kaszel, otrzymywany bądź z drzewa gwajakowego, bądź z kreozotu - wodnistej pozostałości po suchej destylacji drewna. Jego cząsteczka stanowi właściwie wanilinę bez grupy aldehydowej. Nie wiele trzeba było czasu aby połączyć jedno z drugim, i już w 1876 odkrywca reakcji Reimer , założył z Haarmannem osobną firmę, produkującą jeszcze tańszą wanilinę. Paradoksalnie najbardziej intratnym odkryciem tej dwójki chemików był pewien jonon otrzymywany z karotenu i stanowiący aromat o zapachu leśnych fiołków. Współczesnym spadkobiercą firmy jest Symrise, producent aromatów i składników perfum.
Gwajakol miesza się z chloroformem i poddaje działaniu silnej zasady. Po syntezie i hydrolizie powstaje wanilina:

Te dwie metody - utlenianie eugenolu i podstawianie gwajakolu, były powszechnie używane na przełomie XIX/XX wieku, a syntetyczna wanilina była używana do stworzenia pierwszego cukru wanilinowego, którego najbardziej znanym producentem był i jest Dr. Oetker, który zresztą miał w przedwojennej Polsce swoje fabryki. Najstarsza informacja o istnieniu tego produktu w polskiej prasie jaką znalazłem, pochodziła z roku 1881.[1] Produkt już wówczas nazywał się "Cukier Wanilinowy" zatem nie jest tak, jak sądzą ci, którzy brak wanilii w nazwie zauważyli niedawno, że dawniej producenci oszukiwali i dopiero niedawno zmienili nazwę.
Jednak chemicy nie byli by sobą, gdyby nie szukali jeszcze prostszej drogi, i rzeczywiście, już w latach 30. XX wieku znaleźli wyjątkowo tanie źródło. Mieliśmy już sok sosny, goździki i kreozot, więc pulpa drzewna nie będzie chyba zaskakująca...

Produkcja papieru zasadniczo polega na rozwłóknieniu drewna aż do otrzymania pulpy, od której oddziela się niewłóknistą ligninę, a pozostałą zawiesinę włókien odsącza na sitach, walcuje, suszy itp. aż do otrzymania arkuszy. Bezwartościowa dla papiernictwa lignina stanowi niewłóknistą substancję spajającą łańcuchy celulozy, będąca mieszaniną usieciowanych polifenoli i aromatycznych kwasów organicznych połączonych przypadkowo we wszelkich możliwych kombinacjach. Wśród podstawowych jednostek częsty jest też  alkohol koniferylowy - ten sam który Tieman i Haarmann otrzymywali z soku sosny. Nie jest oddzielana od pulpy tylko przy produkcji gładkiego papieru gazetowego. Stopniowe utlenianie i tworzenie sprzężonych chinonów jest przyczyną żółknięcia takiego papieru.
Do rozdziału używa się głównie trzech metod - siarczanowej, zasadowej i siarczynowej. W tej drugiej, dziś najczęstszej, pulpa jest alkalizowana silnymi zasadami, co powoduje przejście większości cząsteczek kwasów i fenoli do rozpuszczalnej formy anionowej. W tej pierwszej, nazywanej też procesem Kraft (od niemieckiego słowa "siła" a nie, jak można się spotkać, od nazwiska) pulpa poddawana jest działaniu roztworu siarczku sodu w środowisku silnie zasadowym. W tym trzecim z kolei pulpa jest mieszana w warunkach kwaśnych z siarczynami sodu i wapnia.

Fragment przykładowej struktury ligniny - widoczne liczne części o budowie waniliny

Właśnie ten trzeci jest tu dla nas interesujący. Bardzo dużo jednostek ligniny jest połączonych wiązaniami eterowymi i aldehydowymi, które rozpadają się w warunkach kwaśnych, chętnie w zamian przyłączając resztę kwasu siarkowego IV. Otrzymujemy w efekcie rozpuszczalne fragmenty sieci z grupami sulfonowymi przyłączonymi przy pierwszym węglu podstawnika przy pierścieniach aromatycznych, czyli lignosulfoniany. Bywają one suszone i spalane dla otrzymania energii i odzysku siarki, ale z reguły używa się ich w charakterze lepiszcza substancji mineralnych i betonów, czy do wytwarzania lżejszych płyt gipsowych. Bywają też używane na drogach w charakterze środka powstrzymującego pylenie, jako kleje i impregnaty płyt wiórowych, a w przemyśle do otrzymania DMSO - cennego rozpuszczalnika. Ponieważ zaś zawierają w swej budowie fragmenty cząsteczki waniliny, mogą być użyte do jej produkcji. Odpowiednio przeprowadzone utlenienie odszczepia boczne łańcuchy z grupami sulfonowymi, pozostawiając grupę aldehydową. Powstającą wanilinę oddziela się przez ekstrakcję lub wykrystalizowanie.
Od wprowadzenia w latach 30-tych, proces produkcji z ligniny stanowił główny stosowany; w niektórych latach kanadyjscy i norwescy producenci wytwarzali tak 60% światowej waniliny, jednak w miarę wypierania procesu siarczynowego przez bardziej ekonomiczny siarczanowy, produkcja spadała. Po wycofaniu się firm kanadyjskich, obecnie wanilinę produkuje w ten sposób jeden norweski producent, i stanowi ona niewielki procent rynku. Dziś przeważająca część waniliny powstaje przez syntezę z gwajakolu i katecholu.
Dość ciekawy typ syntezy wprowadził w 2000 roku koncern Rhodia - kwas ferulowy otrzymywany z otrębów jest poddawany działaniu bakterii, przerabiających go na właściwy pachnący związek. Produkt taki jest dosyć drogi ale ma jedną ważną dla przemysłu spożywczego cechę - ponieważ nie jest syntetyczny, może być na opakowaniach oznaczany jako naturalny i być stosowany w żywności organicznej

Cukier Waniljowy - reklama prasowa z 1936 roku.

Wanilina z ligniny różniła się od reszty jedną specyficzną cechą - miała mocniejszy aromat. Jak się okazało była zanieczyszczona podobnym związkiem, mającym zamiast grupy metoksylowej, grupę etoksylową. Związek ten, nazywany etylowaniliną, ma zapach ok 3-4 razy silniejszy od samej waniliny i dlatego bardzo chętnie używa się go do aromatyzowania, jednak aromat jest ostrzejszy i mniej słodki. Dziś otrzymuje się etylowanilinę w osobnym procesie.
Redukując wanilinę otrzymujemy alkohol wanilinowy, o nieco słabszym ale trwalszym zapachu też używany do aromatyzowania. Utleniając, otrzymamy kwas wanilinowy o słabym zapachu, bardziej owocowym; w dużych ilościach występuje w owocach Acai. Zastępując grupę aldehydową, grupą acetylową (resztą kwasu octowego) otrzymamy acetowanilon, związek występujący w wielu ziołach, stosowany jako lek przy miażdżycy. Innymi pochodnymi są izomery w których grupa metoksylowa jest położona w innym miejscu, pozbawione charakterystycznego aromatu. Z alkoholu wanilinowego można otrzymać eter butylowy, który ma właściwości rozgrzewające i bywa używany w kosmetykach. Nic zresztą dziwnego - aminowy analog tego związku to kapsaicyna, piekący składnik ostrej papryki.

Jak zapach czystej waniliny ma się do zapachu laski wanilii? Mniej więcej tak jak mentol do mięty. Prócz głównego składnika, decydującego o podstawowym aromacie, wanilia zawiera wiele innych substancji, które często w stanie czystym mogą pachnieć nawet nieprzyjemnie, lecz w sumie składają się na intrygujący, obszerny aromat. Gdy wąchałem laskę o tyle dobrze zachowaną, że nie wyschniętą na wiór, oprócz ostrego aromatu waniliny wyczuwałem też nutę woni liści i domieszki zapachów kwiatowych a nawet siana. Rzeczywiście - zawiera pachnący owocowo piperonal, będący też składnikiem woni heliotropu; migdałowy furfural, pachnący kozą kwas heksanowy, korzenny eugenol czy balsamiczny cynamonian metylu, w ilościach znacząco mniejszych, ale wypływających na całkowity bukiet.
Wanilia ma ponadto korzenny i lekko ostry smak, może być więc przyprawą również smakową. Zwykle jest używana w formie całych strąków, które po rozkruszeniu dodawane są do potraw, a także jako ekstrakt waniliowy. Można go dosyć łatwo otrzymać, zalewając rozcięte wzdłuż kawałki wanilii przynajmniej 40% alkoholem i odstawiając aż płyn nabierze głęboko brązowej barwy. Ekstrakt ten może być dodawany w niewielkich ilościach do dań, tak samo jak syntetyczna esencja wanilinowa.
A cukier waniliowy?
Najprościej można go zrobić zasypując laskę cukrem w słoiku i po zakręceniu odstawić na dwa-trzy tygodnie, aż cukier przesiąknie zapachem. Taką laskę można użyć jeszcze kilka razy - jednak aromat nie będzie wówczas tak głęboki. Aby był pełniejszy lepiej jest zemleć w młynku do kawy laskę wanilii z kilkoma łyżkami cukru, potem rozmieszać otrzymany brązowy puder z większą ilością cukru i przetrzymywać w słoiku. W ten sposób dość duża ilość cukru nasączy się aromatem, a cząstki wanilii dodadzą do niego swój pełny zapach.
Jeszcze prostszy sposób polega na nasączeniu łyżki cukru ekstraktem waniliowym i wysuszenie. Otrzymany brązowy cukier należy należy zetrzeć, zmieszać w słoiku z większą ilością cukru i odstawić do przegryzienia. Zastanawiam się czy nie dałoby się uzyskać miodu waniliowego, poprzez zalanie miodem wielokwiatowym laski wanilii i od czasu do czasu mieszanie zawartości aby substancje rozprowadziły się równomiernie. Nie próbowałem tego, bo pomysł dopiero co przyszedł mi do głowy, ale wydaje się być bardzo dobry.

Na koniec zabawna ciekawostka - jak już pisałem, wanilina może być otrzymywana z ligniny będącej składnikiem drewna, ale też zdrewniałych części roślin i słomy. Trawa i słoma stanowią główny składnik pożywienia zwierząt hodowlanych, na przykład krów. Bakterie żyjące w ich dwuczęściowym żołądku są w stanie strawić celulozę i zamienić w możliwe do metabolizowania związki. Nie robią tego jednak z ligniną, stanowiącą znaczny procent masy odchodów. Jak wykazała japońska badaczka Mayu Yamamoto, za pomocą prostego procesu ciśnieniowego, można rozłożyć tą masę otrzymując wanilinę, która za sprawą łatwo dostępnego surowca byłaby bardzo tania. Niestety o ile produkcja zostanie rozpoczęta, związek będzie używany tylko do tworzenia nawaniaczy i kosmetyków, bo w żywności nikt by go nie chciał, choćby był nie wiem jak oczyszczony[2]. Już zresztą staje się to na pewnych panikarskich stronach powodem dla bojkotu sztucznej waniliny, choć tą produkuje się głównie z gwajakolu.
Okoliczności odkrycia przyczyniły się do nadania Mayu nagrody Ig-Nobla w roku 2007.

Edit: zmieniłem nieco przypis bo znalazłem jeszcze starszą wzmiankę o sztucznej wanilinie. Dodaję też treść tej wzmianki, tak dla ciekawych.
-------------
Żródła i przypisy:
* Siarczynowy proces produkcji papieru
*  http://en.wikipedia.org/wiki/Vanillin
* http://en.wikipedia.org/wiki/Vanilla
*  http://de.wikipedia.org/wiki/Vanillin
* http://en.wikipedia.org/wiki/Edmond_Albius

[1] Dwutygodnik dla Kobiet: pismo belletrystyczne i naukowe 1881.12.10 R.2 Nr6, WBC Poznań
Była to krótka notka:  "Dla Gospodyń ważny mamy do zapisania wynalazek.
Wiadomo, jak jest drogą niezbędna w domowej apteczce wanilia, która odtąd zastąpiona być może przez sztucznie wyrabianą w a n i l i n ę, przewyższając tamtę trwałością, a  nieustępującą jej ani w zapachu, ani pod względem innych własności. Wyrabia się nowy ten materiał ze skrystalizowanego soku drzew iglicowych, a sprzedawany bywa w postaci olejku, lub cukru wanilinowego." 
[2] http://www.terradaily.com/reports/Japanese_Researchers_Extract_Vanilla_From_Cow_Dung.html

Kiedyś w laboratorium (31.)

W poprzednim semestrze na zajęciach z analizy żywności mieliśmy ćwiczenie o sprawdzaniu zawartości tłuszczu w tłuszczach dostępnych handlowo. Zrobiliśmy z bibuły naczynko, do którego odważyliśmy określoną ilość smalcu, i włożyliśmy do aparatu Soxhleta:

Jest to bardzo ciekawy przyrząd do ciągłej ekstrakcji w strumieniu rozpuszczalnika - w dolnym zbiorniczku wrze rozpuszczalnik, którego opary szeroką rurką boczną dostają się do chłodnicy zwrotnej. Tam wykraplają się i trafiają na polkę z ekstrahowanym produktem - w tym przypadku ze smalcem w bibule.

Gdy poziom rozpuszczalnika wzrośnie odpowiednio, przelewa się drugą boczną rurką ukształtowaną jak lewar wodny. Po zassaniu lewara cała porcja roztworu z półki z ekstrahowanym produktem, gwałtownie przelewa się do dolnego zbiornika. A ze zbiornika unosi się para, która dopływa do chłodnicy... i tak w kółko aż do zupełnego wymycia. W naszym przypadku ćwiczenie zakończyliśmy po 10 przelewach.

Rozpuszczalnikiem był heksan.

Po wysuszeniu bibuły ważyliśmy ją. Różnica mas powinna dawać informację o ilości substancji stałych, a zatem procencie masy nie będącym tłuszczem. W naszym przypadku wyniki były bardzo zabawne - gilza po ćwiczeniu była lżejsza niż przed. Nasz smalec zawierał 102% tłuszczu.