Immer der Nase nach auf dem Weg zu wissenschaftlichen Erkenntnissen
Untersuchung der Auswirkungen chemischer Wärmeprozesse auf die flüchtigen Inhaltsstoffe von E-Zigaretten
Waldemar Weber, Shimadzu Europa GmbH
E-Zigaretten erfreuen sich in den letzten Jahren zunehmender Beliebtheit. Die bei der Erzeugung des Dampfes von E-Zigaretten verwendeten Rohstoffe wurden bereits zahlreichen Tests unterzogen. Weniger erforscht ist jedoch, was mit diesen Inhaltsstoffen durch den Wärmeprozess geschieht. Im Rahmen einer Reihe von Experimenten mithilfe von Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC/MS) wurden kürzlich die Auswirkungen des Wärmeprozesses auf den Geschmack untersucht. Dabei wurde beispielsweise analysiert, wie bestimmte Chemikalien, die einen Himbeergeschmack imitieren sollen, nach dem Erhitzen möglicherweise anders schmecken.
Daraus entstand eine clevere neue Methode, mit der sich die Schaffung und Aufrechterhaltung einer besseren Qualitätskontrolle für Aromen von E-Zigaretten besser verstehen und vorhersagen lässt. Interessanterweise enthüllte die neue Methode einen neuen Ansatz für die Prüfung der Verbrauchersicherheit auf dem sich schnell entwickelnden Markt für E-Zigaretten.
Vaping, also die Verwendung von E-Zigaretten, sorgt seit der Markteinführung von elektronischen Zigaretten vor über 20 Jahren für hitzige Diskussionen. Befürworter argumentieren, dass E-Zigaretten eine angenehme und effektive Möglichkeit für die Entwöhnung von Tabakzigaretten darstellen. Der Konsum von Tabak ist bekanntermaßen mit allen möglichen Gesundheitsrisiken verbunden. Vaping hingegen gilt als gesündere Alternative, entweder als dauerhafte Lösung oder als erster Schritt auf dem Weg zur vollständigen Nikotinentwöhnung.
Gleichzeitig argumentieren Kritiker, dass die gesundheitlichen Risiken von E-Zigaretten nicht ausreichend untersucht seien und weiterer Forschungsbedarf bestehe. Diese Diskussion hält bis heute an, wobei einige Länder Vaping schlichtweg verbieten, andere die Verwendung von E-Zigaretten einschränken und zahlreiche weitere Länder Vaping einfach erlauben und das Beste hoffen.
In den meisten Ländern, in denen Vaping relativ uneingeschränkt erlaubt ist, gilt natürlich eine Altersbeschränkung. Außerdem führen viele Länder Sicherheitstests für die einzelnen beim Vaping verwendeten Komponenten durch, darunter Akkus und die in den sogenannten „E-Liquids“ enthaltenen Chemikalien. Zweifellos bedarf es jedoch noch weiterer Untersuchungen, wenn Vaping so sicher wie möglich sein soll.
Die Faszination der Aromen
Unterdessen haben sich mehrere Laborforscher mit einem anderen Problem des Vapings befasst. E-Liquids für E-Zigaretten gibt es in verschiedenen Geschmacksrichtungen. Die Aromen von E-Zigaretten sind in der Regel süß oder fruchtig, was vor allem daran liegt, dass diese Geschmacksrichtungen jüngere Verbraucher ansprechen – den Markt von heute und morgen. Doch wie lässt sich sicherstellen, dass der erzeugte Dampf auch wirklich den Geschmack hat, den das Liquid verspricht? Die Wissenschaftler führten Tests mit der erstklassigen Auswahl an wissenschaftlichen Instrumenten von Shimadzu durch, die ihnen zur Verfügung standen.
Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag nicht auf den Chemikalien selbst, sondern auf dem chemischen Prozess, der beim Vaping im Mittelpunkt steht. Beim Vaping wird eine Stromquelle (in der Regel eine Batterie) verwendet, um einen Verdampfer – ein Heizelement – zu betreiben, der aus E-Liquid in einem kleinen Tank ein Aerosol aus Dampf erzeugt, das dann eingeatmet wird. Über die Auswirkungen der Erwärmung auf die Grundchemikalien ist relativ wenig bekannt, weshalb die Forscher untersuchten, wie sich die Ausgangsstoffe durch den Aufheizprozess des E-Liquids verändern.
Einsatz modernster Testgeräte
Das Verdampfungsverhältnis von Aromastoffen in E-Liquids ändert sich mit der Temperatur, da der Dampfdruck der einzelnen Verbindungen unterschiedlich ist. Daher ist zu erwarten, dass sich der Geschmack eines E-Liquids je nach Temperatur ändert. Die Gaschromatographie/Massenspektrometrie (GC/MS) eignet sich ideal für die objektive Bewertung der Korrelation zwischen Geschmacksrichtungen und Aromastoffen.
Was sich schließlich als effektive neue Methode herausstellte, begann mit folgendem Experiment: Die Aromastoffe des E-Liquids wurden einer einfachen Vorbehandlung unterzogen und dann in einer Umgebung analysiert, die den tatsächlichen Verwendungsbedingungen nahekommt. Als Probe diente ein aromatisiertes E-Liquid, von dem 1 mg direkt in ein Crimp-Fläschchen für einen Headspace-Sampler eingewogen wurde. Dabei kamen eine hitzebeständige Crimp-Kappe als Fläschchenverschluss und ein hochhitzebeständiges Septum zum Einsatz.
Ein HS-20 NX Headspace-Sampler wurde an einen GCMS-QP2020 NX Gaschromatographen mit Massenspektrometriedetektor angeschlossen. Anschließend wurde der Progress-Modus eines angeschlossenen HS-20 NX ausgewählt. Schließlich erfolgte die Analyse unter den für die Smart Aroma Database spezifischen Bedingungen. Während der Chargenanalyse erfolgte eine schrittweise Änderung der Ofentemperatur durch Auswahl des Progress-Modus, wobei Analysen in 20-°C-Schritten bei Temperaturen zwischen 150 °C und 270 °C durchgeführt wurden.
Jetzt wird es heiß
Im Ergebnis wurden 47 Aromastoffe mithilfe der Smart Aroma Database identifiziert. Um die Korrelation zwischen der Peakfläche jedes Aromastoffs und der Temperatur zu untersuchen, wurde der Flächenwert standardisiert und eine Clusteranalyse mithilfe der statistischen „R“-Analysesoftware durchgeführt. Die im Rahmen der Clusteranalyse erstellte Heatmap ist in Abbildung 2 dargestellt. Hier ist ersichtlich, dass der Dampfdruck von E-Liquid mit steigender Temperatur zunimmt. Daher wird der Spitzenflächenwert in Abbildung 2 durch die Verdünnungsrate mit dem Druckgas korrigiert. Die Verdünnungsrate durch das Druckgas wurde auf der Grundlage des gemessenen Innendrucks des Fläschchens berechnet
Abbildung 2 zeigt außerdem die Korrelation zwischen dem Flächenwert jeder Verbindung und der Ofentemperatur. Die Korrelation ist auf einen Blick erkennbar. Insgesamt ist auch zu beobachten, dass die Menge der Aromastoffe im erzeugten Gas mit steigender Ofentemperatur tendenziell zunimmt. Insbesondere besteht eine deutliche Tendenz, dass diese ab 210 °C ansteigt. Andererseits hängt die Tendenz zur Veränderung der Fläche der Aromastoffe bei genauer Betrachtung von der Vielfalt der Verbindungen ab.
Veränderungen der Aromaeigenschaften
In Abbildung 3 ist die Temperaturabhängigkeit der quantitativen Ionenpeakflächen von Himbeerketon und Benzonitril dargestellt. Diese beiden Verbindungen sind in Abbildung 2 rot umrandet. Die Flächenwerte in Abbildung 3 wurden unter Berücksichtigung des Verdünnungsverhältnisses des Druckgases korrigiert, wie im Fall von Abbildung 2. Wie in Abbildung 3 dargestellt, steigt die Peakfläche von Himbeerketon mit der Temperatur an, nimmt jedoch ab etwa 210 °C tendenziell ab. Im Gegensatz dazu ändert sich die Peakfläche von Benzonitril im Niedrigtemperaturbereich nicht wesentlich, steigt jedoch ab 250 °C rapide an. Diese Ergebnisse zeigen, dass sich die ansteigenden Tendenzen der Flächenwerte der beiden Verbindungen deutlich unterscheiden.
Die Smart Aroma Database enthält sensorische Informationen über zahlreiche Aromastoffe. Diesen sensorischen Informationen zufolge riecht Himbeerketon beispielsweise himbeerartig, Benzonitril hingegen ranzig. Aus den in Abbildung 2 und 3 dargestellten Ergebnissen lässt sich ableiten, dass sich der himbeerartige Geruch bis 210 °C intensiviert und der ranzige Geruch ab etwa 250 °C rapide zunimmt.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Untersuchung der Korrelation zwischen den Aromastoffen von E-Liquid-Dämpfen und der Heiztemperatur unter Verwendung eines GCMS-QP2020 NX und eines HS-20 NX ergab, dass durch die Verknüpfung von Veränderungen bei den Aromastoffen mit sensorischen Informationen eine neue Methode geschaffen wurde, die zur Verbesserung der strategischen Entwicklung und Evaluierung von Aromen eingesetzt werden kann. Darüber hinaus wurde bestätigt, dass die Smart Aroma Database die Analyse von Aromastoffen in E-Zigaretten maßgeblich unterstützt, da sie Informationen zu charakteristischen Ionen, Retentionsindizes und Massenspektren für mehr als 500 Aromastoffe enthält. Die Datenbank enthält darüber hinaus sensorische Informationen zu all diesen Aromastoffen.
Der Rest der Geschichte …
Wie bereits erwähnt, wurde eine neue Methode entwickelt, die Forschern die Möglichkeit bietet, Aromen und Geschmacksrichtungen von E-Zigaretten durch die Verknüpfung der Analyseergebnisse von Aromastoffen mit sensorischen Informationen effizienter zu entwickeln und zu bewerten. Noch interessanter ist jedoch, dass hierdurch auch ein besserer Weg zur Sicherheitsprüfung von E-Zigaretten aufgezeigt wird. Die Untersuchung der Auswirkungen des Erhitzens auf E-Liquids – also Aromen – eignet sich auch für die Erforschung ungeplanter schädlicher Verbindungen, die durch den chemischen Prozess des Erhitzens entstehen. Aber das ist eine andere Geschichte. Vielleicht sogar eine für eine zukünftige Ausgabe der Secrets of Science.
Die Wissenschaft der Entdeckung
In diesem Artikel wird ein wichtiger Aspekt der wissenschaftlichen Forschung hervorgehoben: Nämlich, dass eines wirklich zum anderen führt. Der Weg von der Erforschung von Aromen hin zur Verbesserung der Verbrauchersicherheit verläuft nicht unbedingt linear. Die Wissenschaft geht sprunghaft voran und führt manchmal von A nach Z, lässt dabei aber alle Buchstaben dazwischen aus. Forschung führt zu Erkenntnissen, und manchmal stoßen wir dabei auf bisher gänzlich unbekannte Phänomene.
Shimadzu würdigt die Kreativität und das Engagement von Forschern überall auf der Welt und setzt sich dafür ein, dass Labore weltweit über die besten Werkzeuge verfügen, um der Wissenschaft zu folgen – wohin auch immer sie führt.
Die Empfehlungen für Hardware und Software für die Analyse sind unten aufgeführt.
Haupteinheit: Nexis GC-2030 mit GCMS-QP2020 NX: Gaschromatograph mit Massenspektrometriedetektor
Zubehör: HS-20 NX Headspace-Sampler
Hauptverbrauchsmaterial: SH-I-5Sil MS
Software: GCMSsolution und GCMS Lab Solutions Insight Software
Abbildung 1 zeigt ein Bild der verwendeten Geräte, einschließlich der Haupteinheit und des Zubehörs.
Die Empfehlungen für Hardware und Software für die Analyse sind unten aufgeführt.
Haupteinheit: Nexis GC-2030 mit GCMS-QP2020 NX: Gaschromatograph mit Massenspektrometriedetektor
Accessory: HS-20 NX headspace sampler
Zubehör: HS-20 NX Headspace-Sampler
Hauptverbrauchsmaterial: SH-I-5Sil MS
Software: GCMSsolution und GCMS Lab Solutions Insight Software
Abbildung 1 zeigt ein Bild der verwendeten Geräte, einschließlich der Haupteinheit und des Zubehörs.
