Ванилин

Ванилин (vanillin) — вещество, придающее ванили ее запах. Он считается самой используемой ароматической молекулой в мире [1]. Он присутствует в ферментированных плодах ванильной орхидеи (Vanilla planifolia). Однако менее 1 % потребляемого в мире ванилина покрывается за счет ванили. Ванилин также производится путем химического синтеза уже 150 лет, и сегодня более 80 % потребления приходится на синтетический продукт [2]. Ванилин также самопроизвольно образуется в напитках, созревающих в дубовых бочках. При расщеплении лигнина (сетчатого вещества, придающего древесине твердость) обожженного дуба под действием тепла и спирта высвобождается ванилин [3]. Этим объясняется «ванильная» нота виски и бочкового вина [4], [5]. Производители продуктов питания приобретают ванилин для вкуса, производители алкоголя — для бочкового профиля, производители парфюмерии — как компонент аромата [6].

Где образуется ванилин и сколько его содержится?

У ванилина есть три источника: плоды ванили, термически обработанная древесина и промышленность.

Ваниль. В зеленых плодах ванили ванилин не находится в свободной форме, а связан с сахаром (глюкованилин). В процессе ферментации (традиционный процесс, при котором плоды прогревают и выдерживают в течение недель) эта связь расщепляется, и ванилин высвобождается. Исследование 90-дневной традиционной ферментации в Мексике сообщает, что большая часть глюкованилина расщепляется на начальных этапах [7]. Исследование, сравнившее 30 образцов ферментированной ванили из семи стран, выявило содержание ванилина от 1,7 до 3,6 % в сухом веществе V. planifolia и от 1,0 до 2,0 % в таитянской ванили (V. tahitensis). В таитянской ванили содержится больше анисовых соединений (веществ с запахом, похожим на анис) [8]. Вид и происхождение меняют это соотношение.

Дуб. В древесине ванилин не содержится в готовом виде. Он возникает в результате расщепления лигнина под действием тепла и спирта [3]. При производстве бочек древесина сначала сушится на открытом воздухе, затем обжигается на огне. В исследовании с анализом 133 дубов из шести лесов естественная сушка почти не изменила летучие компоненты, тогда как средний обжиг заметно увеличил содержание ванилина, эвгенола (вещество с запахом гвоздики) и дубового лактона (характерное ароматическое вещество дуба). Видовые различия (дуб черешчатый и дуб скальный) оставались значимыми на всех этапах, различия между лесами исчезали. Внутри одного вида вариативность между деревьями высока [9]. Степень обжига также не стандартизирована. Исследование в бондарных мастерских сообщает, что «средний обжиг» не получается однородным, тогда как легкий, средний плюс и сильный обжиг более стабильны [10]. В других видах древесины (каштан, акация, вишня) при обжиге также высвобождаются ванилин и сиреневый альдегид (близкий аналог ванилина) [11]. Дубовый лактон среди исследованных видов деревьев был обнаружен только у дуба [12].

Промышленность. Ванилин производится в объеме более 10.000 тонн в год, большая часть — путем химического синтеза (оценка 2001 года) [6]. Производство ванилина окислением лигнина также является промышленно масштабированным методом [13]. Существует также ванилин, получаемый с помощью микроорганизмов из феруловой кислоты (растительная кислота, которой много в сельскохозяйственных отходах), эвгенола или глюкозы [1], [2]. Его называют «биованилином» [14].

Таким образом, два продукта с надписью «ванилин» могут иметь разное происхождение. Источник определяет сопутствующие компоненты и цену: натуральный ароматизатор ванили значительно дороже синтетического ванилина [15]. Сама молекула одинакова в любом источнике. Определить источник можно только с помощью анализа (см. «Как читать отчет об анализе?»).

Ванилин, сиреневый альдегид, ванилиновая кислота: в чем разница?

Значения взяты из PubChem. XLogP показывает сродство вещества к жиру или воде. Чем выше значение, тем выше липофильность. Ванилин находится посередине. HMF близок к воде, дубовый лактон — к жиру.

Четыре альдегида. Ванилин и сиреневый альдегид составляют одну пару, конифериловый альдегид и синаповый альдегид — другую. Все четыре являются продуктами распада лигнина и переходят в напиток из обожженного дуба вместе [3], [16]. С повышением температуры обжига количество первой пары увеличивается [17]. Дистиллят виски, созревавший 3 года в обожженной (charred) бочке, также отличался от дистиллята из необожженной бочки по содержанию сиреневого альдегида, кониферилового альдегида, синапового альдегида и ванилиновой кислоты [18]. Поэтому строки альдегидов дают информацию о термической истории древесины.

HMF — термический след сахара. HMF (продукт термического распада сахара) и фурфурол образуются при обжиге сахаров и целлюлозной части древесины. Они не являются продуктами лигнина [12]. Обжиг сильно увеличивает количество фурановых альдегидов [19]. На обожженной поверхности клепки HMF, фурфурол, ванилин и сиреневый альдегид присутствуют вместе. Их количество зависит от температуры обжига и кислородопроницаемости древесины [20].

Ванилиновая кислота возникает двумя путями. Нагретый ванилин превращается в ванилиновую кислоту под действием кислорода воздуха [21]. В древесных продуктах ванилиновая кислота также образуется непосредственно при распаде лигнина [3]. В чистом ванилине или экстракте ванили высокая доля ванилиновой кислоты указывает на воздействие тепла и окисление. В продуктах из дуба сама по себе она об этом не свидетельствует.

Дубовый лактон — маркер дуба. Среди восьми исследованных видов деревьев он был обнаружен только у дуба [12]. В американском белом дубе его содержится значительно больше, чем в европейском. Европейский дуб черешчатый беден лактоном, но богат танинами (терпкие вещества древесины) [22]. Влияние обжига на лактон различается в зависимости от вида [19].

Этилванилин не является натуральным. Это синтетический аналог ванилина, используемый как самостоятельное ароматическое вещество; в ванили он отсутствует. Его обнаружение в ванильной продукции указывает на постороннюю добавку (см. «Как читать отчет об анализе?»).

Запах. В собственном запахе древесины и в бурбоне ванилин входит в число самых сильных одорантов [23], [4]. В бочковом вине роль ванилина и дубового лактона признана определяющей, а роль фурфурола — незначительной [5]. Ванилин плохо растворим в воде и хорошо — в этаноле (см. «Как ведет себя в рецептуре?»).

Для чего используется?

Пищевая промышленность: ароматизатор. Экстракт ванили — это экстракция ферментированных стручков водно-спиртовой смесью. Исследование 24 коммерческих продуктов ванили показало содержание ванилина от 0,4 до 8,6 мг/мл, в среднем 3,7 мг/мл. В части продуктов также был обнаружен этилванилин в концентрации от 0,3 до 2,3 мг/мл [24]. В 11 % из 66 коммерческих образцов какао-порошка был обнаружен незадекларированный ванилин или этилванилин; ванилин составлял от 5,6 до 90,8 мг/100 г. Дегустационная комиссия оценила аромат порошков с ванилином как более округлый [25].

Алкоголь: бочковой характер. Ванилин — одно из основных веществ, переходящих из бочки в напиток [4], [5]. В исследовании 64 бочковых вин при выдержке белого вина на дрожжевом осадке ванилина осталась лишь треть от уровня в модельном вине (водно-спиртовой раствор, имитирующий вино). В красном вине через 93 недели содержание ванилина было менее половины от модельного вина и еще больше снизилось за 2 года в бутылке [26]. В исследовании выдержки вина Мерло с семью видами дубовых фрагментов в течение 12 месяцев пряные и ванильные ноты коррелировали с эвгенолом и ванилином. Сладость была связана с лактонами, горечь и терпкость — с фурановыми альдегидами и гваяколом (вещество с дымным запахом) [27]. Дистиллят виски, выдержанный 3 года в обожженном американском дубе, получил значительно более высокие баллы дегустационной комиссии по дескрипторам зрелого напитка по сравнению с необожженной бочкой [18]. По мере повторного использования бочки ее отдача снижается [3].

Алкоголь: фрагменты и экстракты взамен бочки. Вместо бочек применяются чипсы и бруски. В бренди за первый год в стальном танке дубовые или каштановые бруски и таблетки дали более высокий уровень ванилина и сиреневого альдегида по сравнению с бочкой [28]. В винном уксусе 15-дневная выдержка с 2 % обжаренных дубовых чипсов увеличила содержание ванилина в 20 раз по сравнению со 180-дневной выдержкой в бочке [29]. В красном вине применение чипсов или брусков с микрооксигенацией (дозирование малых объемов воздуха, имитирующее проницаемость бочки) позволило органолептически воспроизвести 6-месячную выдержку в новой бочке [30]. Размер фрагментов оказался более важным фактором, чем вид дуба [31]. Также производятся жидкие древесные ароматизаторы (экстракты), полученные водно-спиртовой экстракцией дубовых чипсов. В исследовании их состав сравнивался с экстрактами виноградной лозы с акцентом на фенолы и производные фурана [32].

Пищевая промышленность: консервант. В исследовании ингибирующей дозы на трех бактериях для E. coli потребовалось около 2,3 г/л, для Listeria innocua — 5,3 г/л, для Lactobacillus plantarum — 11,4 г/л ванилина. Авторы охарактеризовали действие как бактериостатическое, а не бактерицидное [33]. Для трех видов пищевых дрожжей ингибирующая доза составила от 2,0 до 3,2 г/л [34]. Для плесеней, бактерий и дрожжей, вызывающих порчу свеженарезанного манго, было достаточно 0,8–2,0 г/л; погружение долек в раствор 12,2 г/л замедлило порчу при 14-дневном хранении [35]. Эти дозы находятся на уровне граммов на литр. В 24 коммерческих экстрактах ванили среднее содержание самого ванилина составляет 3,7 г/л [24]. Поскольку экстракт вносится в продукты в малых долях, содержание ванилина в готовом продукте остается значительно ниже консервирующей дозы.

Косметика. Ванилин используется как душистое вещество в парфюмерной и косметической промышленности [6], [15]. Название косметического ингредиента (INCI): Vanillin.

Ваниль, дуб или чистый ванилин: какую форму выбрать?

Ванилин продается в шести формах. В трех из них это чистая молекула, в трех других он идет в комплексе с другими веществами.

Зачем использовать ваниль или дуб, если есть чистый ванилин? Чистый ванилин дает только сам ванилин. Он не обеспечивает трех вещей. Первое — маркировка: синтетический ванилин нельзя заявлять как «натуральный». Даже ферментационный ванилин считается «натуральным» по нормам ЕС и США только при использовании натурального предшественника [2]. Разница в цене между натуральным ароматизатором и синтетическим ванилином подтверждает ценность такой маркировки для рынка [15]. Второе — профиль: ваниль содержит десятки ароматических соединений [7], а дуб несет в себе всю химию бочки. Среди самых сильных ароматических компонентов бурбона наряду с ванилином присутствуют дубовый лактон и эвгенол [4]. В бочковом вине лактон и ванилин имеют решающее значение [5]. В вине Мерло сладость формировалась лактоном, пряность — эвгенолом, а горечь и терпкость — фурановыми альдегидами и гваяколом. Ванилин дает только одну из этих составляющих [27]. Третье — прослеживаемость: в дистиллятах добавленный синтетический ванилин выявляется изотопным анализом в сравнении с древесным ванилином, и европейские нормы запрещают такую добавку [37]. Ванилин из дуба в этом тесте попадает в диапазон древесины. Решение принимается на основе этих трех факторов. Если важны маркировка «натуральный», бочковой профиль или соблюдение алкогольного законодательства, необходимы ваниль или дуб.

Выбор зависит от пяти вопросов:

• Требуется ванилин, ваниль или дубовый профиль? Чистый ванилин дает только одну молекулу. Экстракт ванили несет десятки ароматических веществ [7]. Обожженный дуб содержит вместе с ванилином другие альдегиды, производные фурана и лактон [16].
• Какое количество ванилина необходимо? Если целевая норма составляет 1 мг ванилина на 1 л напитка, то потребуется 50 мг стручков ванили с содержанием 2 % в сухом веществе, около 0,3 мл экстракта с концентрацией 3,7 мг/мл или 1 мг чистого ванилина [8], [24]. Все три варианта дадут одинаковое количество ванилина. Разница заключается в сопутствующем аромате и объеме. Цифры приведены для примера.
• Что будет указано на этикетке? Источник сырья определяет наименование продукта в соответствии с законодательством. Обзор методов ферментации указывает, что ванилин, полученный микробиологическим путем из натурального предшественника, признается «натуральным» по нормам ЕС и США [2].
• Какова термическая предыстория? Для дуба необходимо уточнять степень обжига и кратность использования древесины [10], [3].
• Цена. Для чистого ванилина сравнивают цену за килограмм. Для ванили и дуба содержание ванилина не является единственным критерием. Сначала определяется необходимый компонентный состав, после чего сравнивается стоимость.

Как читать отчет об анализе?

Метод. Ванилин измеряется методом ВЭЖХ (HPLC, жидкостная хроматография с разделением и количественным учетом компонентов) [38]. В дубовых продуктах полный профиль летучих соединений определяется методом ГХ-МС (GC-MS, разделение и идентификация летучих веществ) [19]. Метод должен быть указан в сертификате.

Ванилин отдельно или в сумме? В сертификате на дубовую продукцию ванилин может указываться отдельно или в сумме с другими альдегидами. Если указана сумма, должен быть приведен перечень компонентов. Ванилин составляет лишь часть этой суммы. В продуктах из ванили контролируют строки этилванилина и кумарина (вещество, отсутствующее в ванили и встречающееся в фальсификатах). В исследовании 24 продуктов все три компонента измерялись совместно [24].

Строка ванилиновой кислоты. В чистом ванилине и экстрактах ванили это признак термической обработки и окисления [21]. В дубовых продуктах ванилиновая кислота образуется также из лигнина [3].

Натуральный или синтетический: изотопный анализ. Натуральный ароматизатор ванили значительно дороже синтетического. Разница в цене вызывает случаи фальсификации, и методы подтверждения подлинности разрабатываются более 30 лет [15]. Структура молекулы идентична, однако изотопный состав атомов различается в зависимости от источника. Изотопный состав углерода позволяет разделить ванилин из стручков, из растительного сырья и из нефтехимических источников [36]. Метод, разработанный для дистиллятов, сопоставил 16 образцов натуральной ванили, 1 образец лигнина, 7 образцов синтетического ванилина и 17 образцов дубовых танинов. Ванилин в дистиллятах преимущественно находился в диапазоне танинов; в одном образце был обнаружен синтетический ванилин. В исследовании отмечается, что нормы ЕС запрещают внесение стороннего ванилина в дистилляты, и данный метод предлагается для контроля [37]. В 79 экстрактах ванили совместный анализ изотопов углерода и водорода позволил дифференцировать ваниль от альтернативных источников [39]. Для идентификации биованилина из феруловой кислоты требуется дополнительное измерение [40].

Спецификация и результаты испытаний — разные документы. Спецификация фиксирует заявленные параметры производителя. Измеренное значение — это фактический результат конкретной партии. Технический паспорт (TDS) является общим документом. Сертификат анализа (CoA) выдается на партию.

Что указывает на качество?

Альдегидный профиль. Указаны ли ванилин, сиреневый альдегид, конифериловый альдегид и синаповый альдегид раздельно? Температура обжига меняет их соотношение [17]. Общая суммарная строка скрывает эти данные.

Фурановые альдегиды. HMF и фурфурол отражают термическую деструкцию сахаров [12]. Их уровень растет при обжиге [19].

Дубовый лактон. Подтверждает принадлежность сырья к дубу [12]. Высокое содержание характерно для американского дуба, низкое — для европейского [22].

Ванилиновая кислота. В чистом ванилине и ванильной продукции указывает на нагрев и окисление [21].

Этилванилин. Служит маркером незадекларированных добавок в ванильной продукции и какао [24], [25].

История древесины. Ароматические альдегиды экстрагируются из первых 20 мм древесины при каждом цикле, в истощенной бочке лактон отсутствует [3]. Чипсы из отработанных коньячных бочек показали наименьшие концентрации фенолов и лактона при созревании сливового дистиллята [16].

Остаточные растворители. Уровень остатков зависит от экстрагента. Для экстрактов необходимо проверять тип растворителя и нормы по его остаточному содержанию.

Для чистого ванилина запрашивают показатели чистоты и подтверждение происхождения (изотопный отчет).

Контроль сырья. Для продукции из древесины проверяют содержание ПАУ от обжига (включая бенз(а)пирен) и тяжелых металлов; для ванильного сырья — остаточные пестициды и микотоксины.

Как ведет себя в рецептуре?

Растворимость. Ванилин малорастворим в воде. В исследовании десяти растворителей наименьшая растворимость зафиксирована в воде; этанол и этилацетат существенно превосходят ее [41]. В смесях этанол-вода растворимость меняется пропорционально доле этанола [42]. В водные продукты ванилин не вносится напрямую: требуется спирт или растворитель-носитель.

Нагрев и воздух. При нагревании ванилин окисляется до ванилиновой кислоты. Окисленная смесь демонстрирует повышение антиоксидантной и противомикробной активности [21]. В термически обрабатываемых продуктах целевую дозировку ванилина рассчитывают с учетом накопления ванилиновой кислоты.

Дрожжи. Три вида дрожжей, вызывающих порчу, при концентрациях ниже ингибирующей переводили ванилин преимущественно в ванилиловый спирт (продукт метаболизма ванилина) и в небольшом объеме — в ванилиновую кислоту. Оба продукта не подавляют рост дрожжей [34]. В белом вине на осадке уровень ванилина составлял треть от модельного вина [26]. В продуктах с нормируемым содержанием ванилина момент внесения дуба или экстракта выбирают с учетом этого фактора.

Время. В модельном вине экстракция ванилина из бочки замедлялась в первые 32 недели, после чего шла с постоянной скоростью [43]. При использовании чипсов вино достигает равновесия за 70 дней, тогда как с брусками экстракция продолжается дольше [31]. Чипсы и бруски не обеспечивают медленной оксигенации, свойственной бочке. В исследовании на красном вине этот процесс компенсировали микрооксигенацией [30].

Ароматическое взаимодействие. В китайском рисовом вине ванилин, бензальдегид и фурфурол снижали порог восприятия аромата (минимальную концентрацию для обнаружения запаха) и меняли интенсивность вкусовых дескрипторов даже в подпороговых концентрациях [44]. Дозировку ванилина рассчитывают в комплексе с другими альдегидами рецептуры.

Органолептический предел консервирующего действия. Ингибирующие концентрации находятся в диапазоне граммов на литр [33], [35]. Это значительно превышает ароматические дозировки. При использовании ванилина в качестве консерванта вкус продукта корректируют с учетом высокой концентрации.

Безопасность и маркировка. При работе с экстрактами или чистым ванилином соблюдают паспорт безопасности (SDS). Допустимость указания статуса «натуральный» и выбор торгового наименования зависят от категории продукта и нормативных требований.