CHEMO-SENSORY CHARACTERIZATION OF ODOR-ACTIVE CONSTITUENTS IN NATIVE WOODS AND THEIR STRUCTURE-ODOR RELATIONSHIPS

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Issue Date
2024
Authors
Ghadiriasli, Rahil
Editor
Abstract

The living tree and its obtained wood have played a prominent role in human everyday life in the form of building material and furniture, or in products of daily use. The aroma components emanating from wood-based products have a powerful influence on human Psychophysiological activity and have been used for mental, spiritual and physical healing. The wood aroma can be used in the indoor environment to foster relaxation and stress release effects. The current study was conducted to determine the individual wood odor and its constituents in two diverse types of woods, namely Oak wood and cembran pine wood. Oak wood has been used since long during the maturation and aging process imparting aroma and flavor in alcoholic beverages and vinegar as by-products that have been either fermented or aged in oak barrels. Several investigations targeted the aroma composition of modified and heat-treated oak wood, but only little information about aroma-active compounds constituting the native and raw oak wood is available. The Cembran pine wood (Pinus cembra L.), also known as Arolla pine, Swiss pine, or Stone pine, has a prominent and long-lasting aroma that has been reported to relieve stress and that is widely used in aromatherapy. However, the odorants responsible for this distinctive aroma are not yet comprehensively revealed. Therefore, the main objective of this thesis was to characterize the impacting odorants and to deepen the knowledge about native oak wood and unique Cembran pine wood odor by applying a combinatory chemo-analytical approach based on human-sensory evaluations and multi-dimensional gas chromatographic and mass spectrometric techniques. Furthermore, it was tried in this thesis to gain deeper insights into formation pathways and odor sources in these two types of wood and their applications. Most of these odorants comprised aldehydes, acids, lactones, a series of terpenes, mostly mono- and sesquiterpenes, and several odor-active compounds containing a phenolic core moiety. The odor profiles of all wood samples were compared, the potent odorants were determined, and selected odorants of both types of wood samples (oak and Cembran wood samples) were quantified by application of stable isotope dilution assays (SIDA). Odor activity values (OAVs) were calculated based on the odor threshold (OTs) determined in water. The second part of this thesis dealt with the investigation of the effects of different geographical regions and pedoclimatic conditions on the odor of different wood samples. This study focused on elucidating the smell profiles of several natural oak samples from Germany, Austria, and Hungary. Particular consideration is given to view the current challenges associated with climate change on the forestry sector, and thus concerning the respective regional conditions, and underwent statistical interpretation. In the case of Cembran wood, the influence of different geographical forest regions in Austria and Italy was determined and evaluated by means of principal component analysis (PCA) and statistical interpretation of obtained data. Recombination experiments by mixing the dominant odor-active compounds in their naturally occurring concentrations revealed a good agreement of the model mixtures with the overall smell of the respective native wood samples. In addition, the structure odor relationships in representative substance classes of wood were elucidated. Specifically, the smell impressions of guaiacol and selected structurally related odorants such as alkylated, alkenylated, methoxylated and halogenated guaiacol derivatives were studied. All investigated compounds elicited characteristic smoky, vanilla-like, and /or clove-like smell impressions. Smoky smells, primarily comprising guaiacols, phenols and cresols, are enjoyed in diverse foods and beverages such as wine, whiskey, smoked ham, cheese, or baked goods such as pizza. Furthermore, the studies indicated that the odor properties of alkylated and halogenated guaiacols and phenols demonstrated the smoky smells are not the same for everyone and can be differently perceived in individual humans. Overall, the odor threshold investigation of guaiacol and its alkylated, alkenylated, and methoxylated derivatives showed that no specific substituent caused a significant and universal effect on OT. However, the positioning of the substituents to the hydroxyl function seems to have an impact on OT. Obtained data could be used to identification and analysis of the investigated compounds. Furthermore, the results can also be avail in understanding the structure and the odor correlation of compounds, which is still not fully resolved. Finally, to investigate the wine off-odors, barrel-aged wine samples were analyzed by gas chromatography-olfactometry (GC-O), with regards to the presence of the typical earthy-smelling off-odor. The 2-methylisoborneol (2-MIB) was detected in these wines, although the wine samples were seven years old and all the previous studies showed that this substance is unstable in wine and must. Degradation products of 2-MIB were synthesised, and with regard to their odor, these dehydration products were found to be odorless. To investigate this paradoxical situation, 2-MIB stability was analyzed in wine and model solutions, starting with an elevated initial concentration. Therefore it was concluded that although 2-MIB concentration greatly decreased with time it still can be detected in old wines and can induce the earthy off-odor.

Abstract

Holz zählt seit Menschengedenken zum bedeutendsten und vielseitigsten Rohstoff und spielt eine herausragende Rolle im menschlichen Alltag. Neben seinem allgegenwärtigen Einsatz als Werkstoff kann das Holzaroma Wohlbefinden bei Menschen auslösen und die Stimmung positiv beeinflussen. Weiterhin kann das Holzaroma im Innenbereich zielgerichtet zur Entspannung eingesetzt und für stresslösende Effekte genutzt werden. Die aktuelle Studie wurde daher durchgeführt, um den einzigartigen Geruch zweier verschiedener Holzarten auf ihre einzelnen Geruchsmoleküle zu entschlüsseln. Eichenholz wird traditionell während des Reife- und Alterungsprozesses von alkoholischen Getränken verwendet, um ihnen ein einzigartiges Aroma zu verleihen, indem sie beispielsweise in Eichenfässern gelagert werden. Mehrere Untersuchungen zeigten zwar die Aroma-Komposition von modifiziertem und hitzebehandeltem Eichenholz, jedoch sind bisher nur wenige Informationen über die nativen und rohen Eichenholz-Geruchsstoffe verfügbar, die Einfluss auf den Gesamteindruck der Produkte haben. Das unbehandelte Holz der Zirbelkiefer (Pinus cembra L.), auch bekannt als Arbe oder Arve, Schweizerkiefer oder Steinkiefer, hat einen prominenten und lang anhaltenden Geruch, der für seine entspannende Wirkung bekannt ist. Die für diesen unverwechselbaren Geruch verantwortlichen Geruchsstoffe sind jedoch bisher nicht bekannt. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand daher darin grundlegendes Wissen über die Schlüsselaromen aus nativer Eiche und der einzigartigen Zirbelkiefer durch einen kombinatorischen chemoanalytischen Ansatz zu generieren. Hierfür kamen sensorische Techniken gekoppelt an multidimensionale gaschromatographische und massenspektrometrische Methoden zur Anwendung. Die eindeutige Identifizierung der zugrundeliegenden chemischen Stoffe ermöglichte es Einblicke in potentielle Bildungswege und Geruchsstoffquellen in diesen beiden Holzarten zu geben. Der Großteil dieser Geruchsstoffe gehört zur Strukturklasse der Aldehyde, Säuren, Lactone, einer Reihe von Terpenen, meist Mono-und Sesquiterpenen, und Verbindungen mit einem phenolischen Grundgerüst. Weiterhin wurden ausgewählte Geruchsstoffe in beiden Holzarten (Eiche und Zirbelkiefer) mittels Stabilisotopen-Verdünnung-Analysen (SIDA) quantifiziert und ihre Odor activity values (OAVs) auf der Grundlage von in Wasser ermittelten Geruchsschwellen (OTs) berechnet. Alle Geruchsrekombinate, die durch Mischen der Geruchsstoffe mit OAVs ≥1 in ihren natürlich vorkommenden Konzentrationen hergestellt wurden, zeigten eine sehr gute Ähnlichkeit mit den Hölzern und bewiesen somit die erfolgreiche Charakterisierung der jeweiligen Geruchsstoffe. Der zweite Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Untersuchung der Auswirkungen verschiedener geographischer Regionen und pedoklimatischer Bedingungen auf den Geruch verschiedener Holzproben. Insbesondere im Hinblick auf die Herausforderungen des Klimawandels für die Forstwirtschaft zielte diese Studie darauf ab, die Geruchsstoffe verschiedener naturbelassener Eichenholzproben aus Deutschland, Österreich und Ungarn hinsichtlich ihrer verschiedenen äußeren Einflussparameter auf den Einfluss auf den Gesamtgeruch zu bewerten. Eine statistische Analyse der Geruchsstoffe aus den Eichenholzproben wurde ebenfalls durchgeführt. Im Falle von Cembranholz wurde der Einfluss verschiedener geographischer Waldregionen in Österreich und Italien ermittelt. Eine Hauptkomponentenanalyse der Daten, PCA und andere statistische Analysen wurden ebenfalls durchgeführt. Zusätzlich zu diesen Studien wurde die Struktur-Wirkungs-Beziehung von Guajacol und ausgewählten, strukturell verwandten Geruchsstoffen, wie alkylierten, alkenylierten, methoxylierten und halogenierten Guajacolderivaten, untersucht. Rauchige Gerüche, die hauptsächlich aus Guajacolen, Phenolen und Kresolen bestehen, werden in verschiedenen Lebensmitteln und Getränken wie Wein, Whisky, geräuchertem Schinken, Käse oder Backwaren wie Pizza genossen. Dabei zeigten die Geruchseigenschaften von alkylierten und halogenierten Guajacolen und Phenolen, die einen rauchigen Geruch aufwiesen, dass sie durch jeden Menschen interindividuell unterschiedlich wahrgenommen werden. Eine Untersuchung der Geruchsschwellen von Guajacol und seinen alkylierten, alkenylierten und methoxylierten Derivaten zeigte, dass kein spezifischer Substituent eine signifikante und universelle Wirkung auf die Geruchsschwelle hatte. Allerdings schien die Positionierung der Substituenten zur Hydroxylfunktion Auswirkungen auf die Geruchsschwelle zu haben. Schließlich wurden Weinfehlgerüche im Fass gereifter Weinproben auf das Vorkommen des typischen erdigen Fehlgeruchs untersucht. Das 2-Methylisoborneol (2-MIB) wurde in diesen Weinen als ursächlich für den Fehlgeruch nachgewiesen, obwohl die Weinproben bereits sieben Jahre alt waren und bisherige Studien zeigten, dass dieser Stoff in Wein und Most instabil ist. Abbauprodukte von 2-MIB wurden daraufhin synthetisiert und bezüglich ihres Geruchs bewertet. Diese Dehydratisierungsprodukte erwiesen sich jedoch als geruchlos. Stabilitätsuntersuchungen von 2-MIB in Wein in einer Modelllösung mit einer erhöhten Anfangskonzentration zeigten, dass die 2-MIB-Konzentration zwar mit der Zeit stark abnimmt, aber immer noch in gealterten Weinen nachweisbar ist und dort den erdigen Fehlgeruch hervorrufen kann.

DOI
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