Duftstoffe

Düfte und Aromen - ein sinnliches Erlebnis
Mit unserem Geschmackssinn unterscheiden wir nur fünf Geschmacksqualitäten, nämlich süß, sauer, bitter, salzig und unami (Fleischgeschmack). Trotzdem können wir Nahrungsmittel nicht nur nach diesen Geschmacksrichtungen beurteilen. Es ist schon erstaunlich - der Geruchssinn erschließt uns die breite Palette geschmacklicher Unterschiede.

In der Nasenschleimhaut befinden sich 10 Mio. Sinneszellen. Mit ihrer Hilfe vermögen wir mehrere Tausend Gerüche zu unterscheiden. Aus der Kombination von beiden Wahrnehmungen ergibt sich der Gesamteindruck des "Geschmacks".
Das ist der Grund, weshalb wir große Schwierigkeiten haben, bei zugehaltener Nase oder Schnupfen Nahrungsmittel am Geschmack zu unterscheiden. Auslöser für den "Geschmack" sind immer Stoffe, die sich im Speichel bzw. in dem Feuchtigkeitsfilm der Nasenschleimhaut lösen. Der Geschmacksinn und der Geruchssinn sind chemische Sinne.

Damit chemische Stoffe an die Riechzellen gelangen und dort einen Reiz auslösen können, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein. Die Stoffe müssen leicht in die Gasphase übertreten können. Solche Stoffe nennt man flüchtig. Ein hydrophober (Wasser abstoßender) Molekülteil bewirkt ihre Löslichkeit in unpolaren Stoffen. Zusätzlich muss aber eine polare Komponente vorhanden sein, denn durch sie wirken die Duftstoffe auf die Rezeptoren. Diese Komponenten der Duftstoffe nennt man osmophore Gruppen (griech: osme = Geruch, phora = das Tragen).

Erzeugen solche Riechstoffe einen angenehmen Geruch, bezeichnet man sie als Duftstoffe. Man nennt entsprechende duftende und leicht flüchtige Stoffe oft auch etherische Öle.
Schlechte Gerüche werden oft von schwefelhaltigen Gruppen oder der Amino-Gruppe ausgelöst. Stoffe mit diesen Gruppen entstehen z. B. beim Abbau von Eiweißen.

Unter einem Aromastoff (lat.: aroma = Wohlgeruch) versteht man eine Substanz, die angenehme Geruchs- und Geschmackswahrnehmungen hervorruft. Aromen sind eine Untergruppe der Duftstoffe, die oft erst beim Kauen, z. B. durch die Wärme im Mund freigesetzt werden. Duft- und Aromastoffe sind in vielen Pflanzen und besonders auch in Obst enthalten.

Manchmal entstehen diese Stoffe erst aus Vorläufersubstanzen, wenn die Ausgangsstoffe erhitzt werden. Aus dem Alltag kennen wir dieses Phänomen beim Kochen, Backen und Braten. Dabei entwickeln sich typische Gerüche und der charakteristische Geschmack. In gekochtem Fleisch sind über 740 verschiedene Aromen gefunden worden. Auch die typischen Aromastoffe des Kaffees entstehen erst beim Rösten. Hier wurden 600 bis 700 duftende Einzelverbindungen nachgewiesen.
Einige der Duft- und Aromastoffe werden in der Lebensmittelindustrie gezielt genutzt und Erzeugnissen zugesetzt. Aber auch Kosmetikprodukte, Parfüms, Haushalts- und Reinigungsprodukte werden mit angenehm riechenden Inhaltsstoffen angereichert.

Vom Duftstoff bis zum Parfüm
Naturmaterialien geben unter bestimmten Umständen Duftstoffe ab. Diese Erkenntnis hatten die Menschen schon sehr frühzeitig gewonnen.
In der Frühzeit der Menschheit standen Wohlgerüche ausschließlich im Dienst magischer Kulte und der Verehrung der Götter (Bild 2). Das Verbrennen bestimmter Pflanzenteile und Hölzer als Rauchopfer gehört zu den ältesten Formen des Gottesdienstes.

Ägypter, Perser und Skyten verwendeten Harze und duftende Pflanzenöle zur Einbalsamierung der Toten. Zu der Zeit fanden Duftpräparate jedoch auch zu kosmetischen Zwecken Verwendung. Die Ägypter fertigten duftende Badezusätze, Salben und Parfüme zur Körperpflege.
Babylon war 2000 v. Chr. ein Handelszentrum für Gewürze, Hölzer, Kräuter und Harze zwischen dem fernen und nahen Osten. Durch die Phönizier verbreitete sich die Kunst der Parfümerie schon vor unserer Zeitrechnung im Mittelmeerraum.

Schriften von HIPPOKRATES und GALENUS beweisen, dass Griechen und Römer Duft- und Aromastoffe nicht nur für die Körperpflege, sondern auch in der Heilkunde verwendeten.
Einen Aufschwung erhielt die Herstellung entsprechender Präparate, als die Araber ab dem 8. Jahrhundert unserer Zeit die Methoden zur Extraktion mit Ethanol und Destillation weiter entwickelten, sodass sie eine große Palette von Salben, Essenzen und Elixieren für Medizin und Kosmetik herstellen konnten.

Als die Kreuzritter nach ihrer Rückkehr aus dem heiligen Land auch die wohlriechenden Kostbarkeiten des Orients mitbrachten, setzte ein reger Handel zwischen Europa und dem nahen Osten ein. Aber erst etwa im 13. Jahrhundert begann man sich in Mitteleuropa der Herstellung entsprechender Präparate zu widmen.

Suchten die Alchemisten nach dem Elixier für ewige Jugend, so beschäftigten sich Mönche vor allem mit der Vervollkommnung der Heilkunst. Seit dem 15. Jahrhundert wurden vor allem in Italien und Frankreich Duftwässer zum Parfümieren des Körpers hergestellt.
Grasse in Südfrankreich entwickelte sich zum bedeutendsten europäischen Duftzentrum. Das Parfüm wurde besonders von den Handschuhmachern genutzt, um den Geruch des gegerbten Leders zu überdecken.

Mit Beginn des 19. Jahrhunderts wurde die Herstellung der ätherischen Öle industrialisiert. Die Isolierung reiner Riechstoffe führte zur Aufklärung ihrer chemischen Struktur. Die Nutzung der Kenntnisse führte zur Synthese naturidentischer und künstlicher Duftstoffe.

Gewinnung von Duft- und Aromastoffen
Bei Duft- und Aromastoffen, die aus natürlichen Produkten gewonnen wurden, handelt es sich um Mischungen unterschiedlicher chemischer Verbindungen. Es gibt je nach Eigenschaften der Duftstoffe verschiedene Verfahren der Gewinnung.

Manche Duftstoffe, z. B. Citrusöle kann man allein durch Auspressen von Pflanzenteilen erhalten. Oft ist der Ertrag aber nur dann groß genug, wenn gleichzeitig noch erhitzt wird (Bild 3). Doch viele Duftstoffe halten eine höhere Wärmebelastung nicht aus und werden dadurch zersetzt. Leicht flüchtige ölige Substanzen können durch Wasserdampfdestillation isoliert werden. Durch Erhitzen und Einleiten von heißem Wasserdampf werden die ätherischen Öle ausgetrieben, wobei der Wasserdampf als Träger dient. Während des Abkühlens entmischen sich Wasser und Öl wieder. Bei dem Verfahren kann nicht über 100 °C erhitzt werden. Dadurch werden hitzeempfindliche Öle schonend herausgelöst. Auf diese Art gewinnt man Fenchel-, Kümmel-, Nelkenöl und andere.

Bei der Extraktion werden geeignete Lösungsmittel, z. B. Ethanol, verwendet, um die organischen Duft- und Aromastoffe aus den Zellen des Pflanzenmaterials herauszulösen. Nach Filtrieren und Abdampfen des Lösemittels bleiben die gewünschten Stoffe zurück.

Bei der Enfleurage benutzt man gereinigtes, geruchsneutrales Fett zur Extraktion von Duftstoffen aus manchen Blüten. Das ist teuer, da das Fett viele Male mit den Blüten beschichtet werden muss, bis sich genug Duftstoffe angereichert haben. Aus dem duftenden Fett, der sogenannten Pomade, können die ätherischen Öle durch Lösen in Ethanol rein gewonnen werden.

Ein modernes und schonendes Verfahren ist die Destraktion, bei der Gase wie Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, Propan u.a. zur Isolierung der Duftstoffe eingesetzt werden.

Alle diese Verfahren dienen zur Gewinnung von natürlichen Duft- und Aromastoffen. Es ist aber auch möglich, Aromastoffe künstlich herzustellen. Naturidentische Aromastoffe weisen dieselbe chemische Struktur auf wie natürlich Stoffe. Synthetisch hergestellte Aromastoffe, die kein Vorbild in der Natur haben, bezeichnet man als künstliche Aromastoffe.

Parfüms
Einige Pflanzenteile und -produkte verströmen beim Verbrennen angenehme Wohlgerüche. Der schwere Duft von Weihrauch entsteht, wenn das Harz eines in Arabien beheimateten Baumes verbrannt wird. Durch den Rauch (lat.: per fumum) wird der Duft verbreitet. Davon leitet sich unser Wort Parfüm ab.

Löst man Duftstoffe in Ethanol, erhält man ein Parfüm. Parfüm enthält 10-25 % Parfümöle. Eau de Parfum hingegen weist nur noch einen Anteil von 8-10 %, Eau de Toilette einen Anteil von 5-8 % und Eau de Cologne (Kölnisch Wasser) einen Gehalt von 2-5 % Parfümölen auf.
Zur Herstellung dieser Kosmetika finden ätherische Öle aus Blüten oder anderen pflanzlichen Organen und Extrakte aus tierischen Produkten Verwendung. Mitunter werden sie chemisch verändert (halbsynthetisch). Es werden aber auch künstliche Duftstoffe zugesetzt.

Zur Einteilung der Geruchsrichtungen hat man "Duftfamilien" mit bestimmten "Noten" festgelegt. So gibt es u. a. Citrus-, Lavendel-, blumige, Gewürz-, orientalische, Holz-, Tabak- und Ledernoten. Aus einem Vorrat an entsprechenden Grundstoffen wäre es möglich, sich selbst Parfüms zusammenzustellen. Allerdings bedarf es zur Komposition eines guten Parfüms einer ausgezeichneten Nase, Fantasie, Kreativität und jahrelanger Ausbildung und Erfahrung. Parfümeure benötigen einen feinen Geruchssinn.

Die chemische Seite der Duft- und Aromastoffe
Blüten, Früchte und auch Lebensmittel sind durch ganz charakteristische Duft- und Aromastoffe gekennzeichnet (Bild 5). Häufig gehören sie zur Gruppe der Ester. Schon mit einfachen Mitteln lassen sich solche Stoffe herstellen.
Als Ausgangsstoffe für die Synthese eines Fruchtaromas können beispielsweise die Ethansäure (eine Carbonsäure) und das Hexanol (ein Alkanol) dienen. Beide Stoffe haben selbst einen typischen Geruch. Ihre funktionellen Gruppen - die Carboxyl-Gruppe der Carbonsäuren und die Hydroxyl-Gruppe der Alkanole - sind osmophore Gruppen.
Das entstehende, sehr intensive Fruchtaroma erinnert an Birnen. Die Verbindung ist demzufolge ein flüchtiger Stoff, der im Molekül ebenfalls eine osmophore Gruppe besitzt. Es handelt sich um einen Ester und zwar um einen sogenannten Fruchtester. Fruchtester enthalten in ihren Molekülen jeweils einen Rest einer kurzkettigen Alkansäure und den Rest eines Alkohols. Die beiden Reste sind über die Esterbindung miteinander verknüpft.

Ausgewählte Fruchtester
Ester	Geruch	Ester	Geruch
Ethansäure- pentylester	Banane	Butansäure- methylester	Ananas
Ethansäure- hexylester	Erdbeere	Butansäure- ethylester	Pfirsich
Propionsäure- butylester	Rum	Benzoesäure- ethylester	Pfefferminz

Nicht nur in der Gruppe der Ester findet man Duft- und Aromastoffe. Beispielsweise sind im Erdbeeeraroma die Aldehyde Hexanal und Heptanal enthalten (Bild 6). Diese gehören zur Stoffklasse der Alkanale mit der CHO-Gruppe als osmophorer Gruppe.

Auch die Hauptkomponente der Vanille, das Vanillin kann den Aldehyden zugeordnet werden. Bei der geruchsbestimmenden Gruppe handelt es sich ebenfalls um eine CHO-Gruppe (Bild 7). Vanille ist beispielsweise ein beliebtes Gewürz. Es wird aus den Kapseln der Vanille (ein Orchideengewächs mit der Fachbezeichnung Vanilla planifolia) gewonnen.

Man kann im Experiment den natürlichen Aromastoff aus den Zellen der Vanillefrucht (Kapsel) die Duft- und Aromastoffe mit einem Lösungsmittel extrahieren. Dazu man die Frucht gut zerkleinern, damit man eine große Oberfläche erhält und die Zellen teilweise mechanisch zerstört werden. Auch das Lösungsmittel Ethanol trägt zum Aufschluss der Zellen bei. Zuerst schneidet man die Frucht in kleine Stücke und gib sie in einen Erlenmeyerkolben. Es werden etwa 20 ml Ethanol hinzugefügt, der Kolben verschlossen und das Gemisch geschüttelt. Das Gemisch muss etwa 30 min ziehen und dabei weiterhin in regelmäßigen Abständen geschüttelt werden. Danach filtriert man die Lösung. Von dem Filtrat wird ein Tropfen auf ein Filterpapier gegeben. Man wartet ab, bis das Ethanol verdunstet ist und kann dann den Geruch überprüfen. Dabei wird man deutlich den Geruch nach Vanille wahrnehmen.

Auch zur Herstellung des natürlichen Vanillearomas werden die Inhaltsstoffe der Vanillefrucht extrahiert. Allerdings ist die Produktion recht teuer und das zur Verfügung stehende Ausgangsmaterial reicht nicht, um den Bedarf zu erfüllen. Daher stellt man Vanillin auch halbsynthetisch her. Ausgangsstoff istder natürliche Aromastoff Eugenol der Nelken aus. Durch eine chemische Veränderung (Oxidation) kann ein naturidentischer Aromastoff gewonnen werden.

In anderen Gruppen organischer Stoffe sind ebenfalls Duftstoffe zu finden. So gehört das Muscon zur Gruppe der Ketone, weil es eine Keto-Gruppe in den Molekülen aufweist. Muscon bildet den Hauptbestandteil des Moschus, ein stark riechendes Sekret der männlichen Moschustiere. Ähnliche Substanzen werden auch in Drüsen der Bisamratte und Zibet-Katze gebildet. Moschus findet in der Parfümindustrie Verwendung. Heute wird allerdings häufig der synthetisch produzierte Duftstoff verwendet.