Skąd się biorą piękne zapachy

Cytrusy, róża, lawenda - aromaty identyczne z naturalnymi prosto z laboratorium chemicznego
Mała różnica, wielki efekt: w jaki sposób z cytralu produkowanego przez BASF powstaje czarujący bukiet zapachów


Historia

We współczesnym świecie, zdominowanym przez doznania wzrokowe i słuchowe, węch często traktuje się jako zmysł drugiej kategorii. Tymczasem jego znaczenie w naszym życiu jest znacznie większe niż się powszechnie uważa. Bez niego nie moglibyśmy ani delektować się aromatem pysznego dania lub wina, ani rozpoznać zepsutej żywności. Zmysł węchu wywiera podprogowy wpływ na nasze życie: od niego może zależeć, czy kogoś polubimy, czy będziemy czuć do niego antypatię, może też przywołać dawno zapomniane wspomnienia.

Choć zasadniczo ludzie potrafią odróżnić tylko cztery różne smaki - słodki, kwaśny, słony i gorzki - to ludzka błona węchowa posiada blisko 350 różnych receptorów węchowych. Tym niemniej zasada „klucza i zamka” mówi, że do receptorów tych mogą dopasować się tylko konkretne molekuły aromatyczne i stymulować w ten sposób wrażenia zapachowe w mózgu. Aromaty złożone równocześnie aktywują wielką liczbę receptorów, co znakomicie pomnaża liczbę odczuwanych zapachów. W efekcie dobrze wytrenowany nos potrafi rozróżnić ponad 10.000 „odcieni” zapachu.



Ludzie otaczają się przyjemnymi zapachami, by zrobić przyjemność swemu zmysłowi powonienia. BASF jest jednym z liderów światowego rynku aromatów syntetycznych. Podstawowym produktem jest tu cytral, chemiczny aromat produkowany od roku 2004 w Ludwigshafen - nowej fabryce o rocznej zdolności produkcyjnej wynoszącej 40.000 ton.
Cząstka tego związku, zawierająca atomy węgla (C), w naturze odpowiada też za aromat cytrusowy, znany na przykład z owoców cytrusowych lub palczatki cytrynowej. Syntetyczny cytral z zakładów BASF daje jednak coś więcej niż aromat cytrusów. Po wprowadzeniu niewielkich zmian w strukturze molekularnej tej cząstki można uzyskać inne substancje ważne dla branży produktów aromatycznych, takie jak linalol dający zapach lawendy, i geraniol wydzielający charakterystyczny zapach różany. „Te kwiatowe aromaty są bardzo do siebie podobne pod względem struktury molekularnej. Wszystkie trzy mają identyczny szkielet, zbudowany z dziesięciu atomów węgla oraz, co jest ich cechą charakterystyczną, jednego atomu tlenu” - wyjaśnia dr Klaus Ebel, Research Manager w BASF. „Kluczową różnicą jest umiejscowienie tlenu i rodzaj jego wiązania. W cytralu i geraniolu ulokowany jest on na końcu łańcucha węglowego, z tym że w cytralu połączony jest wiązaniem podwójnym, a w geraniolu pojedynczym. Z kolei w linalolu atom tlenu dołączony jest po prostu do innego atomu węgla, znajdującego się wewnątrz łańcucha”.



Różnica jest mała, ale daje wielki efekt, tak jak zmiana choćby jednego nacięcia klucza. Każda z trzech cząsteczek pasuje do innego receptora węchowego w nosie i wywołuje odpowiadające jej wrażenie zapachu. Pod względem chemicznym te substancje aromatyczne są dokładnie takie same jak ich naturalne odpowiedniki, więc nawet najbardziej czuły nos nie jest w stanie wyczuć różnicy. Co więcej, identyczne z naturalnymi aromaty BASF mają dwie decydujące zalety. Po pierwsze, niezmiennie wysoką czystość, prawie niemożliwą do uzyskania w ekstrakcie naturalnym. Po drugie, synteza jest często jedyną metodą wyprodukowania potrzebnej ilości aromatu za możliwą do przyjęcia cenę. Na przykład, do uzyskania z palczatki cytrynowej 40.000 ton metrycznych cytralu produkowanego co roku w Ludwigshafen trzeba by uprawiać powierzchnię 40.000 hektarów, czyli z grubsza równą śródziemnomorskiej Majorce.

Okazuje się jednak, że synteza cytralu i jego produktów pochodnych wymaga zaangażowania pokaźnych środków technicznych. „W zakładzie produkującym cytral w Ludwigshafen, otwartym w roku 2004, w niektórych częściach instalacji panuje temperatura rzędu 300C i utrzymywane są wysokie ciśnienia sięgające 300 barów. W celu zainicjowania niezbędnych reakcji chemicznych i zminimalizowania ilości powstających niepożądanych produktów ubocznych, musieliśmy opracować specjalny katalizator zawierający srebro i inne metale szlachetne jako składniki aktywne” - mówi dr Martin Schmidt-Radde, odpowiedzialny w BASF za produkcję zapachowych związków chemicznych.

Nawet „mariaż” materiałów wyjściowych do produkcji cytralu możliwy jest dopiero pod wysokim ciśnieniem: najpierw trzeba połączyć ze sobą względnie proste molekuły izobutenu (zawiera cztery atomy węgla) i formaldehydu (z jednym atomem węgla), aby uzyskać produkty pośrednie w postaci prenolu i prenalu (każdy z pięcioma atomami C). Następnie jedną cząsteczkę prenolu łączy się z jedną molekułą prenalu i otrzymuje w ten sposób cytral z dziesięcioma atomami węgla, z którego z kolei na dalszych etapach syntezy produkuje się pokrewne aromaty, to jest geraniol i linalol. Blisko jedna trzecia cytralu produkowanego w Ludwigshafen jest jednak wykorzystywana do produkcji substancji, które na pierwszy rzut oka mają niewiele wspólnego z wyrafinowanymi perfumami, a mianowicie witamin (konkretnie A i E) oraz karotenoidów wykorzystywanych w przemianie materii jako prekursory witamin i antyutleniacze. Obie te witaminy mają główny łańcuch składający się z 20 i 29 atomów węgla, a w karotenoidach jest to nawet 40 takich atomów. W efekcie substancje te mają małą lotność i nie są wyczuwane zmysłem węchu.

Szczególnie wysokie wymagania stawia się przed związkami aromatycznymi na bazie cytralu, gdyż nawet najmniejsze zanieczyszczenie związane z zapachem może zepsuć, a nawet zniszczyć pożądane typowe wrażenie zapachowe. Z tego względu końcowym technicznym etapem produkcji jest specjalny proces destylacji opracowany przez BASF. W ten sposób zapewniona jest niezmienna jakość produktu. Teraz, przed dostarczeniem go do klienta, trzeba pokonać już tylko jedną przeszkodę - jest nią Alfred ten Haaf i jego specjaliści z zespołu oceny organoleptycznej w BASF Competence Center Analytics. „Jeżeli nawet produkt końcowy jest idealny pod względem składu chemicznego, ale nie ma odpowiedniego zapachu, to w tym miejscu kończy się droga danej partii materiału. Nabywcy substancji zapachowych BASF oczekują bezwzględnie nienagannej jakości aromatu. Tylko dzięki takiemu podejściu kompozycja zapachowa perfum, na którą składają się liczne składniki aromatyczne, może zagwarantować oczekiwane wrażenie. W innym wypadku nieuniknione jest rozczarowanie zapachem” - wyjaśnia Alfred ten Haaf. Wraz ze swym zespołem ten ekspert od perfum i technologii kosmetyków i detergentów wkłada nos do każdej partii składników zapachowych, zanim zostaną one wysłane do klienta. W końcu żaden chromatograf gazowy na świecie nie może równać się z wyrafinowanymi możliwościami ludzkiego nosa.

Perspektywy
Do nadania kremom, szamponom i proszkom do prania przyjemnego zapachu potrzebne są tylko niewielkie ilości czystych związków aromatycznych takich jak cytral. Okazuje się jednak, że w skali globalnej są to ilości niebagatelne: od roku 2004 obecna fabryka BASF w Ludwigshafen produkuje około 40.000 ton metrycznych cytralu rocznie - to jest czterokrotnie więcej w porównaniu z poprzednimi możliwościami. Ta skala produkcji oznacza, że BASF jest największym na świecie producentem cytralu i związków pokrewnych. Głównymi odbiorcami substancji zapachowych są producenci kosmetyków i środków piorących, a w wypadku witamin - wytwórcy suplementów diety i karmy dla zwierząt.
BASF zajmuje się nie tylko cytralem i jego pochodnymi, ale też innymi substancjami zapachowymi: aktualnym przykładem może być tu tlenek różany wchodzący w skład zapachu różanego, a poza tym wykorzystywany jako „wzmacniacz aromatu” w innych perfumach. W dzisiejszym świecie przyjemnie pachnące produkty traktowane są jako coś oczywistego i w efekcie substancje aromatyczne tworzą powoli, ale bez przerwy rosnący rynek, nieodczuwający cykli ekonomicznych, gdyż ludzie zawsze będą chcieli się myć i kąpać.


Rozległy świat zapachów

Przez całe wieki producenci perfum musieli polegać wyłącznie na naturalnych substancjach zapachowych, czasami bardzo trudnych do zdobycia. Era syntetycznych aromatów zaczęła się wraz z wyprodukowaniem waniliny (1874) i piżma (1888). W latach 30. ubiegłego wieku BASF dołączyła do wytwórców związków zapachowych, wprowadzając na rynek alkohol etylowofenylowy, taki sam jak występujący w przyrodzie składnik olejku różanego o zapachu palisandru lub liści róży. W Ludwigshafen, począwszy od lat 60. ubiegłego wieku, cytral stał się podstawą produkcji witamin i substancji aromatycznych.

Spośród około 3000 syntetycznych związków zapachowych znanych na świecie, BASF ma w swej ofercie blisko 100 tych, których produkcja jest uzasadniona ekonomicznie. W wielu przypadkach potrzeba tak małej ilości związku zapachowego, że jego synteza, choć możliwa, jest nieopłacalna i rozsądniejsze jest sięgnięcie po substancję naturalną.

Zdjęcia:

Zdjęcie 1: Fabryka BASF w Ludwigshafen produkująca cytral
Zakład produkcji cytralu w Ludwigshafen jest dla BASF kluczowym elementem w sektorze chemikaliów wysokowartościowych, gdyż substancja ta jest materiałem wyjściowym do produkcji witamin A i E, karotenoidów i różnorodnych chemikaliów zapachowych. Na zdjęciu widać jedną z 16 kolumn destylacyjnych znajdujących się w fabryce. Zdjęcie: BASF - The Chemical Company, 2009

Zdjęcie 2: Cytrusy, róża, lawenda - aromaty identyczne z naturalnymi prosto z laboratorium chemicznego
Mała różnica, wielki efekt: wystarczy mała zmiana struktury molekularnej, by z cytralu produkowanego przez BASF uzyskać czarujący bukiet zapachów.