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桉葉油醇為什麼除不了氨?

日本109種天然素材篩選研究:冬葵葉萃取的除臭主成分1,8-桉葉油醇,對異戊酸、糞臭素等疏水性臭味去除92–97%,對氨、三甲胺、乙醛卻是0%;它靠可逆的物理吸附,而非化學反應

在植物除臭是化學反應,還是香味遮蔽?一文中,我們介紹了植物成分把甲硫醇「接」到自己分子上的化學反應。但植物成分還有第三種除臭方式。2020年,日本大阪的研究團隊在《においかおり環境学会誌》發表了一項篩選研究:他們從109種天然素材的萃取物中,找出冬葵葉萃取的除臭主成分是1,8-桉葉油醇(尤加利精油的主成分),並發現它對異戊酸、糞臭素、二甲基三硫等臭味的去除率達90%以上,對氨、三甲胺、乙醛卻是0%。原因在於它主要靠物理性的「吸附」,而不是化學反應。

臭味分子越小、越溶於水,桉葉油醇越抓不住 依 Henmi et al. (2020) 表4、圖3整理:除臭率對分子量 0% 25% 50% 75% 100% 0 40 80 120 160 臭味分子的分子量(g/mol) 除臭率 極易溶於水:0–17% 二甲基二硫、三硫、異戊酸、吲哚、 糞臭素、2-壬烯醛等:88–97% 正丁酸 75% 烯丙硫醇 二甲基硫 77% 甲硫醇 69% 雙乙醯 41% 乙酸 17% 氨 乙醛 三甲胺 論文的決定係數:全部16種 R²=0.62,僅疏水性12種 R²=0.70;水溶性4種以檢知管測定(兩次平均)
圖:1,8-桉葉油醇對16種臭味成分的除臭率與分子量的關係(依 Henmi et al., 2020 表4、圖3整理,本圖為本文整理,非原始論文圖表)。疏水性的含硫化合物、脂肪酸、吲哚類去除69–97%;極易溶於水的氨、三甲胺、乙醛為0%,乙酸僅17%。整體而言,分子量越小,除臭率越低。

一、實驗怎麼做:從109種天然素材找到冬葵葉

研究團隊來自大阪的リリース科学工業(Rilis),並有一位前近畿大學教授參與。他們把水果、蔬菜、種子、茶與藥草、海藻、菇類共109種天然素材,以50%乙醇萃取、乾燥成粉末,再以「烯丙基甲基硫醚」(吃大蒜後口氣的主要成分)作為篩選目標。為了避開早已知道的兒茶素等多酚類,他們刻意排除對氯化鐵呈陽性的樣品。冬葵葉萃取的除臭率約72%,在109種中最高。經過管柱層析分離,確認主要活性成分是1,8-桉葉油醇。

接著他們用市售高純度(99.8%)的1,8-桉葉油醇單獨測試:把桉葉油醇液體放進300 mL密封錐形瓶,注入臭味成分,在25°C下靜置60分鐘,再以氣相層析儀量測瓶內氣體,與不加桉葉油醇的對照瓶比較。氨、三甲胺、乙醛、乙酸這四種水溶性氣體無法用氣相層析儀定量,改用氣體檢知管量測。

二、結果:疏水性臭味90%以上,水溶性臭味為零

在每瓶300 mg的劑量下,桉葉油醇對二甲基三硫、異戊酸、2-壬烯醛、二甲基二硫、吲哚、糞臭素的除臭率都在92%以上,對二甲基硫、正丁酸、烯丙硫醇、甲硫醇為69–77%。在1到100 ppm的初始濃度範圍內,除臭率大致維持在81–96%,沒有因為臭味變濃而明顯下降。

但對極易溶於水的臭味,結果完全不同:氨、三甲胺、乙醛都是0%,乙酸只有17%。可溶於水的雙乙醯則介於中間,約41%。論文也發現,除臭率與臭味分子的分子量相關:分子越大越容易被捕捉,分子量低於約90的小分子效果較差。

研究發現(Henmi et al. 2020):
  • 109種天然素材萃取中,冬葵葉萃取對烯丙基甲基硫醚的除臭率最高(約72%),活性成分鑑定為1,8-桉葉油醇。
  • 1,8-桉葉油醇(300 mg/300 mL瓶)對6種疏水性臭味去除92.7–97.3%,對另外5種含硫或脂肪酸臭味去除69.1–88.0%。
  • 對氨、三甲胺、乙醛的除臭率為0%,乙酸17%(檢知管,兩次平均)。
  • 兩位受訓評審的官能測試中,2-壬烯醛、二甲基三硫、二甲基二硫的臭氣強度從3降到0(0至5分制)。

三、為什麼:靠吸附,而且加熱會放回來

作者的解釋是「疏水作用」:桉葉油醇本身是不溶於水的油性分子,會透過凡得瓦力與部分氫鍵,把同樣是油性的臭味分子拉在一起,讓它們離開氣體;氨、三甲胺這類極易溶於水的小分子,則不會被它拉住。這和活性碳吸附有機氣體的原理類似,也是我們在六大工業脫臭技術比較中所說的「吸著法」。

為了驗證這一點,研究者先讓桉葉油醇吸附臭味,再逐步加熱到50、75、100、150°C。結果被吸附的臭味會隨溫度升高而重新釋出:150°C時,二甲基三硫釋出53.3 ppm、2-壬烯醛38.6 ppm、異戊酸21.8 ppm、糞臭素4.1 ppm。換句話說,這是可逆的物理吸附,和第55篇百里醌把甲硫醇變成新化合物的化學反應不同。異戊酸與糞臭素釋出較少,作者推測與它們能和桉葉油醇形成氫鍵有關。另外,官能測試中臭氣強度下降的幅度比單看濃度預期的更大,作者認為香味遮蔽也貢獻了一部分效果。

四、對工廠除臭的意義:先分清臭味「怕不怕水」

工廠的臭味很少只有一種。畜牧場、堆肥場與禽舍同時有氨(極易溶於水)以及含硫化合物、脂肪酸、吲哚、糞臭素(疏水性);水產加工有三甲胺;化製與食品廠則有醛類與脂肪酸。這項研究提醒我們:同一個植物成分,可能對其中一半的臭味很有效,對另一半完全無效,而且原因可以從分子性質預測。

也要注意,第56篇檜木屑與單萜烯的研究中,α-蒎烯等成分對三甲胺有效;本研究的桉葉油醇對三甲胺則是0%。兩者是不同分子、不同測法,不能互相推論,這正說明了植物成分的除臭效果必須逐一對照臭味確認。對水溶性臭味,一般需要能與它反應的成分(例如以酸中和氨),或是水洗這類方法。

科學提醒:這是一項密閉玻璃瓶中的實驗室試驗,不是工廠現場試驗:瓶子只有300 mL,條件為25°C、靜置60分鐘、初始濃度1或10 ppm,與工廠排氣的風量、溫濕度和接觸時間完全不同。劑量非常高:300 mg桉葉油醇液體放在300 mL的空氣中,換算約每立方公尺空氣1公斤(本文計算,非論文數值),遠高於任何噴霧使用量,因此這些數字只能說明作用機制,不能推論現場去除率。氣相層析數據為三次平均;氨、三甲胺、乙醛、乙酸的檢知管數據只有兩次平均;官能測試只有兩位評審。加熱脫附試驗顯示吸附是可逆的;若在溫度較高的排氣中,被吸附的臭味可能重新釋出,這是本文的推論,論文沒有在排氣條件下測試。測試的是試藥級的單一成分,不是冬葵葉萃取本身,也不是任何植物萃取配方;冬葵葉萃取只在篩選階段測過烯丙基甲基硫醚一種臭味。五位作者中有四位任職於リリース科学工業,該公司持有相關專利(JP6342382),屬於企業研究,論文未另行聲明利益衝突。這項研究沒有測試SH200或任何NXT產品;SH200不是以桉葉油醇為主成分的產品,因此本研究不能證明SH200對上述任何臭味有效,也不能證明SH200對氨有效。它支持的是兩個提醒:植物成分除臭可能以吸附為主,而不是化學反應;以及效果會因臭味分子的水溶性與大小而有很大差異。
📚 資料來源:Henmi, A., Sugino, T., Nakamura, K., Nomura, M., & Okuhara, M.(邊見篤史・杉野努・中村健一・野村正人・奥原正國)(2020). Screening of deodorizing active compounds from natural materials and deodorizing properties of cineole(天然物からの消臭活性物質の探索とシネオールの消臭作用の特性). Journal of Japan Association on Odor Environment(においかおり環境学会誌), 51(2), 129–143. doi:10.2171/jao.51.129(J-STAGE開放取用,已閱讀全文)

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