Abb. 1 GERSTEL-MultiPurposeSampler (MPS) mit HS- und DHS-Option auf einem GC 7890 von Agilent Technologies.
Abb. 2 HS-Chromatogramm eines gereiften Whiskeys (Peakzuordnung siehe Tabelle unten)
Abb. 3 DHS-Chromatogramm eines gereiften Whiskeys (Peakzuordnung siehe Tabelle unten)
Nr. Verbindung Nr. Verbindung
1 Propanol 23 Heptansäureethylester
2 Ethylacetat 24 Nonanal
3 Isobutanol 25 ß-Phenylethylalkohol
4 3-Methylbutanal 26 Octansäure
5 2-Methylbutanal 27 Octansäureethylester
6 1-Butanol 28 Decanal
7 1,1-Diethoxymethan 29 ß-Phenylethylacetat
8 Propionsäureethylester 30 Nonansäureethylester
9 n-Propylacetat 31 Decansäure
10 3-Methyl-1-butanol 32 Ethyl-trans-4-decenoat
11 2-Methyl-1-butanol 33 Decansäureethylester
12 Isobuttersäureethylester 34 Octansäure-3-methyl-butylester
13 Isobutylacetat 35 1-Ethylpropyloctanoat
14 Buttersäureethylester 36 Caprinsäureisobutylester
15 Buttersäure-2&3-methyl-ethylester 37 Dodecansäure
16 Isobutyraldehyd-diethylacetat 38 Decansäureethylester
17 Isoamylacetat 39 Pentadecansäure-3-methyl-butyl-ester
18 2-Methyl-1-butylacetat 40 Pentadecansäure-2-methyl-butyl-ester
19 Butyraldehyde-diethylacetal 41 Tetradecansäureethylester
20 Acetaldehyd-ethyl-amylacetal 42 Ethyl-9-hexadecenoat
21 Hexansäureethylester 43 Hexadecansäureethylester
22 Hexylacetat    
Tabelle 1 Im Whiskey-Aroma mittels HS-GC/MS und DHS-GC/MS nachgewiesene Verbindungen.
DHS-Schema
Abb. 4 Schema des DHS-Prozesses.
Statische Headspace (HS)
KAS: Tenax TA, Solvent-vent mode
MPS: 60°C Inkubationstemperatur
(10 min)
2.5 mL injection volume
Dynamische Headspace (DHS)
 KAS: Tenax TA
 DHS: 30°C Fallentemperatur
60°C Inkubationstemperatur
(10 min)
50 mL Spülvolumen
10 mL/min Spülfluss
10 mL Trockenvolumen
5 mL/min Trockenfluss
 TDU: solvent venting
20°C (1 min);
720°C/min; 110°C (1 min);
720°C/min; 300°C (3 min)
GERSTEL-TDU
 CIS: Tenax TA liner, Solvent vent
(60 mL/min) bei 0 kPa.
Splitless (2 min)
20°C (0.2 min); 10°C/s; 300°C
(5 min)
 Säule: 25 m CP-SIL 5CB (Varian)
di = 0,15 mm df = 2,0 μm
 Pneumatik: He, konstanter Fluss = 0,5 mL/min
 Oven: 40°C (10 min); 10°C/min;
300°C (6 min)
 MSD: Scan, m/z = 28 - 350

 

Autoren

Kevin Mac Namara, Frank McGuigan
Irish Distillers-Pernod Ricard, Midleton
Distillery, Midleton, Cork, Ireland

Andreas Hoffmann
GERSTEL GmbH & Co. KG, Eberhard-Gerstel-Platz 1, 45473 Mülheim an der Ruhr,
Germany

Aromaprofiling von Whiskey

Auf den Geschmack gekommen

Die gaschromatographische Ermittlung von Geschmacksprofilen alkoholischer Getränke, die gelöste Feststoffe enthalten, kann sich als Herausforderung erweisen. Wie nämlich gelingt es, Haupt- und Spurenbestandteile gleichermaßen empfindlich und störungsfrei zu detektieren? Ein namhafter Spirituosenhersteller setzt mit Erfolg auf eine Kombination von statischer und dynamischer Headspace-Technik.

Handelsübliche destillierte Spirituosen sind komplexe Mischungen unterschiedlichster Geschmacksverbindungen in einer dominanten Ethanol-Wasser- Matrix [1,2]. Die Geschmacksstoffe entstammen meist den zugrunde liegenden Produktionsprozessen wie Rohstoffextraktion, Fermentation und Destillation sowie, sofern zutreffend, der Reifung, etwa im Eichenfass. Von einigen Ausnahmen einmal abgesehen, sind die meisten Geschmacksstoffe destillierter Spirituosen GC-gängig. Ihre Matrix ist relativ rein, sodass eine direkte Aufgabe der Alkoholprobe in den GC meist ohne zeitraubende Probenvorbereitung möglich ist. Die Quantifizierung erfolgt durch einfache Split-Injektion in den GC und anschließende Flammenionisationsdetektion [3,4]; höhere Ester und Säuren lassen sich ebenfalls durch Direktaufgabe von 5 bis 10 μL Probe und unter Einsatz eines PTV-Injektors zur Entfernung von Lösungsmittelresten gaschromatographisch bestimmen. Um niedrigere Nachweisgrenzen zu erreichen, lässt sich die Injektionsmenge von Fall zu Fall auf 50 bis 100 μL erhöhen; hierbei ist allerdings darauf zu achten, dass der Liner im Injektionseinlass nicht überlastet oder Analyten über das Splitventil verloren gehen. Daher ist eine genaue Abstimmung der Injektionsgeschwindigkeit sowie weiterer Methodenparameter notwendig [5].

Wenn nicht-flüchtige Bestandteile die Matrix belasten

Eine Direktaufgabe scheidet in der Regel aus, wenn die zu untersuchende Probe erhebliche Mengen nicht-flüchtiger Bestandteile beinhaltet. Bei Likören etwa kann der hohe Zuckeranteil störend sein; bei sehr alten Brandys und Whiskeys sind polyphenolische Verbindungen problematisch, die dem Reifungsprozess im Eichenfass entstammen. Wird bei der GC-Analyse dieser Proben nicht regelmäßig der Liner gewechselt, reichert sich das nichtflüchtige Material an und es besteht das Risiko, dass das Einlasssystem und die Trennsäule kontaminiert werden und die Analyse beeinträchtigen. Zuckerartefakte, die sich im heißen Einlassventil bilden, könnten zudem die Auswertung der Chromatogramme erschweren.

Wenn sich also Spirituosen aus den genannten Gründen nicht direkt aufgeben lassen, bleibt dem Anwender keine andere Wahl, als auf alternative Extraktions- und Aufgabetechniken zurückzugreifen, die sich durch eine hohe Fracht unlöslicher Bestandteile in der Probe in ihrer Effizienz und Zuverlässigkeit nicht beeinträchtigen lassen. Hierzu zählen unter anderem die Festphasenmikroextraktion (Solid Phase Micro Extraction, SPME), die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) mit dem GERSTEL-Twister, die HeadSpaceSorptive Extraction (HSSE) sowie die statische (HS) und dynamische Headspace-Technik (DHS). Alle genannten Techniken haben sich in der Laborpraxis bewährt und wurden vielfach in der Literatur beschrieben [6-12]. Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu untersuchen, ob und wie sich mittels der sequenziellen Anwendung von statischer (HS) und dynamischer Headspace (DHS) Geschmacksprofile von in gereiftem Whiskey vorkommenden Haupt- und Nebenbestandteilen erstellen lassen.

Dass die Kombination von HS und DHS auf einem Gerät sinnvoll und richtig ist, macht folgende Überlegung deutlich: Während Hauptaroma- und Geschmackskomponenten in der Regel in hoher Konzentration vorliegen, finden sich Nebenkomponenten meist nur in Spuren. Um Spurenverbindungen in hinreichender, sprich: analysierbarer Menge trappen zu können, wird die dynamische Headspace- Extraktion (DHS) eingesetzt. Die DHS auf Hauptkomponenten anzusetzen, wäre hingegen ein Zuviel des Guten; die Konsequenz wäre eine Überladung der Säule. Die konventionelle statische HS liefert dafür eine ausreichende Ausbeute an Analyten. Als Königsweg erweist sich allerdings, beide HS-Techniken auf einem Sampler zu kombinieren, um bedarfsorientiert schnell und effektiv wechseln zu können.

Um die Empfindlichkeit für jeden Modus zu optimieren, wird ein KaltAufgabeSystem (KAS, PTV-Injektor, Solvent-vent-Modus) eingesetzt; die Analyten werden im gepackten Liner fokussiert, um sie anschließend punktförmig auf die Trennsäule überführen zu können. Eine kurze apolare Kapillarsäule (di = 0,15 mm) mit einem Phasenverhältnis von 19 ermöglicht eine schnelle Analyse und exzellente Trennung der interessanten Verbindungen. Als ideal erweist es sich, wie im weiteren Verlauf dieser Arbeit dargelegt wird, die beschriebenen Abläufe vollständig zu automatisieren.
Probenvorbereitung:
10-mLHeadspace- Vials werden mit Proben befüllt und durch mit Septen bestückte Metallkappen versc hlossen. Sobald die Vials auf den Probentellern des MPS platziert und die Parameter der MAESTRO-Steuersoftware per Mausklick gesetzt sind, erfordert die Untersuchung der Proben keine weitere manuelle Tätigkeit.

Randbemerkung: Wässrige Proben beziehungsweise Proben mit einem hohen Wassergehalt können sich in der HS/ DHS-Analyse als problematisch erweisen und die Präzision der Analyse beeinträchtigen. Als Gegenmaßnahme wird das KAS im Lösungsmittelausblendungsmodus (Solvent-vent mode) und mit einem Tenax-gefüllten Liner betrieben, wodurch sich die Wasserlast signifikant reduzieren lässt. Bei Einsatz des Dynamic Headspace- Systems (DHS) werden die Analyten kontinuierlich aus dem Dampfraum über der Probe zum Adsorbens transportiert. Sofern nicht alle Feuchtigkeit entfernt wurde, ermöglicht das DHS-System die automatisierte Trocknung des Adsorbensröhrchens im Gasstrom.

Die Desorption der Analyten erfolgt automatisiert in der ThermalDesorptionUnit (TDU); sie werden im KAS cryofokussiert und temperaturprogrammiert auf die Trennsäule gegeben, was zu einer sehr guten Peakform führt. Durch eine zusätzliche Lösungsmittelausblendung im TDU lassen sich unter anderem Fuselalkohole aus dem System entfernen.

Ergebnis und Diskussion

Um den von uns gewählten Analysenansatz auf seine Wirksamkeit hin zu überprüfen, wurde fassgereifter Whiskey mittels der Kombination von HS und DHS untersucht. Die statische HS brachte Chromatogramme (Abbildung 2) zutage, die von Fusel- oder höheren Alkoholen zusammen mit Ethylacetat und den wesentlichen geradkettigen Fettsäureestern bis zu Dodecansäure dominiert wurden. Ebenfalls zu sehen sind deutliche Signale von Aldehyden, Ethylestern und Acetalen im vorderen Elutionsbereich. Als besonders wichtig erweisen sich die Ethylester kurzkettiger Fettsäuren, ihres angenehmen Aromas wegen auch Fruchtester genannt. Beißend riechende Aldehyde sowie süß schmeckende Acetale verschiedener Alkohole können das Aroma ebenfalls beeinflussen. Das Chromatogramm der dynamischen Headspace wiederum zeigt ein ganz anderes Bild. Während Alkohole bis C5 zum Teil verloren gehen und der entsprechende Bereich des Chromatogramms nur geringe Aussagekraft besitzt, liefert der restliche Bereich im Chromatogramm umso mehr und detailreichere Daten. Im Bild zeigen sich viele geradkettige und verzweigte Ester sowie einige Säuren; Nonanal und Decanal wurden zuvor schon in Bier, Wein und Cognac nachgewiesen, Komponenten also, die auch vermehrt in der Geschmacks- und Duftstoffindustrie eingesetzt werden.

Fazit: Die Ergebnisse beider Injektionsmethoden sind sehr gut reproduzierbar; diese benötigen normalerweise nicht den Einsatz interner Standards. Die Kombination statischer und dynamischer Headspace- Techniken bietet einen nützlichen komplementären Ansatz zur Profilierung von Haupt- und Nebenbestandteilen in alkoholischen Getränken. Das gilt insbesondere für solche, die nicht unerhebliche Mengen an gelösten Feststoffen enthalten; sie verbleiben als Rückstand im Vial und belasten das GC/MS-System nicht. Die HS- beziehungsweise DHS-Analyse erfolgt voll automatisiert auf ein und demselben Autosampler; eine Offline-Probenvorbereitung ist nicht erforderlich. Für beide Techniken ist die einzig benötigte Probenvorbereitung die Verdünnung der Probe in einem Headspace-Vial. In beiden Fällen wird ein KaltAufgabeSystem (KAS) als PTV-Injektor im Solvent-vent Modus genutzt, um eine bestmögliche Chromatographie zu erreichen. Die Anwendung des hier vorgestellten kombinierten Ansatzes stellt ein effektives Routine-Analyseprotokoll für diese spezifische Produktgruppe dar, wobei eine Kontamination des GCLiners mit schlecht verdampfbaren Komponenten verhindert wird.

 

Literatur

[1] Aroma of Beer, Wine and Distilled Beverages, L. Nykänen, H. Suomalainen, Eds. Akademie-Verlag. Berlin (1983).
[2] R. de Rijke, R. ter Heide, Flavour of Distilled Beverages; J. Piggott Ed.; Ellis Horwood: Chichester (1983) 192.
[3] K. Mac Namara, J. High Res. Chrom. 7 (1984) 641.
[4] R. Madera, B. Suárez Valles, J. Chrom. Sci. 45 (2007) 428.
[5] J. Staniewski, J. Rijks, J. Chrom. A 623 (1992) 105-113.
[6] A. Zalacain, J. Marín, G.L. Alonso, M.R. Salinas, Talanta 71 (2007).
[7] K. Schulz, J. Dressler, E-M. Sohnius, D.W. Lachenmeier, J. Chrom. A 1145 (2007) 204-209.
[8] J.C.R. Demyttenaere, J.L. Sánchez Martínez, M.J. Téllez Valdés, R. Verhé, P. Sandra, Proceedings of the 25th ISCC, Riva del Garda, Italy, (2002).
[9] P. Salvadeo, R. Boggia, F. Evangelisti, P. Zunin, Food Chem., 105 (2007) 1228.
[10] B. Tienpont, F. David, C. Bicchi, P. Sandra, J. Microcol. Sep. 12(11) (2002) 577-584.
[11] C. Bicchi, C. Cordero, E. Liberto, P. Rubiolo, B. Sgorbini, P. Sandra, J. Chrom. A 1071 (2005) 111- 118.
[12] J.R. Stuff, J.A. Whitecavage, A. Hoffmann, Gerstel Application Note (2008) 04/2008.