Zapach

thumb|Jan Miense Molenaer, Smell, 1637

Zapach (łac. odor, ang. odor lub odour, smell, fr. odeur, niem. Geruch) – w najogólniejszym sensie: cecha związków chemicznych lub ich mieszanin (odorantów), polegająca na zdolności do pobudzania narządu węchu, czyli odgrywania roli bodźców wywołujących wrażenia (mówimy np. „Aminy mają zapach rybi”), wrażenie węchowe, odbierane w wyniku działania chemicznego bodźca (mówimy np. „Czuję jakiś ładny zapach”).

W języku polskim przez zapach rozumie się często woń przyjemną, jest np. nazwą olejków dodawanych do potraw, ale używa się tego słowa również w sensie woni obojętnej lub przykrej – nieprzyjemne zapachy są nazywane smrodem, odorem lub fetoremZnaczenie wyrazu „zapach” w przenośni – zobacz np. Wikicytaty, Tadeusz Gricgier: „Są dwa sposoby: bić po łapach lub robić wokół kogoś zapach”..

Historia percepcji zapachu Zapach był obiektem badań już w starożytności. Pierwszych prób klasyfikacji zapachu dokonali Platon, Teofrast z Eresos oraz Arystoteles. Kolejnym autorem, który postanowił dokonać klasyfikacji zapachów był Karol Linneusz. Podzielił on je na siedem grup, uwzględniając ich wpływ na zdrowie. Dalsze badania umożliwiły opracowanie olfaktometru (skonstruował go lekarz Hendrik Zwaardemaker). Klasyfikacje zapachu opierają się w dużej mierze na subiektywnej ocenie badaczy i filozofii, a nie realnych właściwościach czy naturze chemicznej.

Odbieranie wrażeń węchowych i funkcje zapachu

thumb|150px|Owieczka czuje zapach (wrażenie węchowe) thumb|150px|Artykuły, które mają zapach (cecha artykułu) Człowiek odczuwa zapachy na skutek wdychania do nosa powietrza, w którym zawarty jest co najmniej jeden związek wonny w ilości większej od określonego stężenia minimalnego. Aby pierwiastek lub związek chemiczny był wonny, przede wszystkim musi być lotny, czyli musi mieć wystarczająco dużą prężność pary w temperaturze pokojowej. Kolejne warunki, to zdolność do przenikania przez błonę śluzową, znajdującą się na powierzchni nabłonka węchowego, oraz do tworzenia kompleksów z białkami receptorowymi, mieszczącymi się w błonie komórek węchowych (receptorowych) nabłonka. Komórki przekazują informacje o odebraniu bodźca do węchomózgowia i wyższych pięter centralnego układu nerwowego.

Liczbę bodźców zapachowych możliwych do rozróżnienia przez człowieka szacuje się na około 10 tysięcy, jednak C. Bushdid i in. przeprowadzili badania, z których wynika, że liczba ta wynosi około biliona

Ogromna większość lotnych związków chemicznych ma zapach – mniej lub bardziej intensywny. Do nielicznych substancji bezwonnych należą gazy, które stale występują w powietrzu, takie jak tlen, azot, dwutlenek węgla, argon, hel lub para wodna. Dzięki temu jest możliwe pełnienie przez nabłonek węchowy roli detektora, który przekazuje do węchowego analizatora informacje o otoczeniu, np. o obecności w powietrzu śladowych ilości substancji semiochemicznych. Jest to funkcja węchu, ważna z punktu widzenia interakcji międzygatunkowych i wewnątrzgatunkowych we wszystkich ziemskich ekosystemach. Odgrywa też ważną rolę w życiu współczesnego człowieka (sygnały ostrzegawcze o toksycznych zanieczyszczeniach powietrza, informujące o jakości pożywienia itp.).

Rodzaj i intensywność zapachu określonej próbki (np. owoc, mydło, wykładzina podłogowa) zależy od tego: jakie lotne związki są uwalniane z jego powierzchni i w jakich ilościach (jakie są prężności pary składników materiału w temperaturze otoczenia), jak wdychane powietrze, zawierające określone zanieczyszczenia, zostanie zakwalifikowane przez biologiczny analizator chemicznego bodźca – węch zwierzęcia lub człowieka.

Poszukiwania związku między subiektywną charakterystyką wrażenia i obiektywną charakterystyką bodźca wchodzą w zakres psychofizyki oraz innych nauk, objętych zainteresowaniami kognitywistyki. Badania mechanizmów powstawania pozytywnych lub negatywnych emocji, wywoływanych przez bodźce węchowe, są prowadzone m.in. z użyciem fMRI – obrazowania zmian aktywności lewej lub prawej części kory przedczołowej, związanych z odczuwaniem emocji o różnej jakości hedonicznej (hamujących spontaniczne stany emocjonalne, związane z aktywnością podwzgórza i układu limbicznego).

Psychofizyka węchu

Psychofizyka zajmuje się zależnościami wrażeń zmysłowych (sfera psychiki) od wielkości i rodzaju bodźców, które je wywołują (fizycznych lub chemicznych). Cechy wrażeń zmysłowych są określane metodami analizy sensorycznej, a wielkości bodźców – z użyciem odpowiednich przyrządów pomiarowych. W przypadku badań dotyczących węchu pomiary wielkości bodźca są wykonywane z użyciem różnych klasycznych analizatorów stężenia zanieczyszczeń powietrza (np. chromatografów gazowych) albo specyficzną metodą olfaktometrii dynamicznej (pomiary stężenia zapachowego).

W zakres psychofizyki węchu wchodzą na przykład: oznaczenia wartości progów węchowej wyczuwalności (czystych związków chemicznych i mieszanin), określanie zależności między wynikami jakościowych i ilościowych analiz próbek powietrza (obiektywna charakterystyka bodźca) a cechami zapachu (wrażenia): intensywnością (np. psychofizyczne prawo Webera-Fechnera, modele interakcji węchowych), rodzajem (charakterem) zapachu (do jakich znanych wzorców jest podobny), jakością hedoniczną (jak bardzo jest przyjemny lub nieprzyjemny).

Próg węchowej wyczuwalności Progi wyczuwalności czystych związków chemicznych Próg węchowej wyczuwalności związku chemicznego to stężenie, przy którym zapach staje się wyczuwalny. Badania progów percepcji są wykonywane „metodami limitów” lub metodą „testów różnicowych” – parzystych, trójkątowych i innych (zob. analiza sensoryczna). Ze względu na zmienność wrażliwości węchu testy sensorycznej wrażliwości trzeba przeprowadzać wielokrotnie, ograniczając do minimum wpływ innych zewnętrznych bodźców. Przyjęto, że próg indywidualny odpowiada stężeniu zanieczyszczenia w próbce, przy którym prawdopodobieństwo wyczucia zapachu przez osobę oceniającą wynosi 0,5. Rozpoznanie zapachu jest możliwe po około dziesięciokrotnym zwiększeniu stężenia związku w powietrzu.

Dostępne w piśmiennictwie wartości progów wyczuwalności są bardzo zróżnicowane, co ilustrują poniższe przykłady, zaczerpniętymi z obszernego opracowania J. Amoore’a. Amoore zgromadził źródłowe dane z lat 1909–1983, dotyczące kilkuset związków występujących w atmosferze przemysłowej. Celem pracy było określenie możliwości uznawania zapachu za sygnał alarmowy, ostrzegający o zagrożeniu chemicznym.

Nazwa związku Masa mol. [g/mol] Wzór sumaryczny Liczba danych źródłowych Próg – średnia geom. [ppm] śr. geom. / SD śr. geom. * SD Siarkowodór 34,1 26 0,008 0,0054 0,0122 Amoniak 17,0 13 5,20 2,6 10,4 Ozon 48,0 6 0,045 0,024 0,0855 Dwusiarczek węgla 76,1 6 0,11 0,058 0,209 Kwas mrówkowy 46,0 9 49,0 25,8 93,1 Metanol 32,0 17 100 50 200 Metanotiol 48,1 10 0,002 0,0008 0,0032 Metyloamina 31,1 5 3,20 0,7 14,7 Cyjanowodór 27,0 5 0,58 0,3 1,1 Etanol 46,1 18 84,0 46,7 151 Etanotiol 62,1 13 0,001 0,00038 0,0015 Aceton 58,1 28 13,0 8,13 20,8 Trimetyloamina 59,1 4 0,0004 0,0003 0,0006 Dietyloamina 73,1 7 0,130 0,045 0,38 Pirydyna 79,1 25 0,170 0,12 0,24 Chlorobenzen 112,6 8 0,680 0,43 1,09 Nitrobenzen 123,1 15 0,018 0,01 0,031 Benzen 78,1 23 12,0 7,5 19,2

Zestawienie ma charakter orientacyjny. Dotyczące poszczególnych związków dane źródłowe są bardzo zróżnicowane (SD – odchylenie standardowe średniej geometrycznej). Jest to konsekwencją stosowania – w ubiegłych latach – różnych procedur pomiarowych lub odczynników o niepotwierdzonej czystości (niezbędna dokładność analiz jest trudna do osiągnięcia nawet obecnie).

thumb|200px|Pomiar progu wyczuwalności n-butanolu przy olfaktometrze TO7 thumb|200px|Japoński test trójkątowy w ZUT-Szczecin Od roku 2003 w Europie oznaczenia indywidualnych i zespołowych progów wyczuwalności zapachu są wykonywane zgodnie z normą EN 13725 (PN-EN 13725:2007) metodą olfaktometrii dynamicznej, w Japonii – metodą rozcieńczeń statycznych (testy trójkątowe). Wyniki, uzyskiwana z użyciem obu technik, są podobne.

W czasie badań wykonywanych metodą olfaktometrii dynamicznej grupa osób wielokrotnie porównuje zapach strumienia powietrza zawierającego różne – znane – ilości badanego zanieczyszczenia z zapachem jednego lub dwóch (test „parzysty” lub „trójkątowy”) strumieni powietrza czystego. Zadaniem oceniających jest wskazanie, który z porównywanych strumieni zawiera odorant. Wynikiem testu jest najmniejsza z wartości stężenia, przy których wskazania są poprawne. Indywidualne progi wyczuwalności (symbol ITE –Individual Threshold Estimate) są zdefiniowane statystycznie, jako średnie geometryczne ze zbioru 10-20 kolejnych wyników pomiarów (wykonywanych w czasie kilku sesji). Umożliwia to określenie – charakterystycznego dla badanej osoby – zakresu zmienności progu pod wpływem zmian nastroju i okoliczności zakłócających percepcję (np. hałas, zdenerwowanie itp.).

Próg wyczuwalności zapachu związku chemicznego – oznaczany symbolem cth (th – threshold; „próg”) – jest średnią geometryczną z określonej liczby wartości ITE. Mogą to być wartości „grupowe” lub „zespołowe”. Pojęcie „zespół” odnosi się do grupy osób, które mają podobną wrażliwość węchu na zapach n-butanolu. Muszą spełniać kryteria selekcji, określone w normie (średnia z ITEn-butanol w zakresie 20-80 ppb, odchylenie standardowe większe od wartości wskazanej w normie).

Próg wyczuwalności zapachu mieszanin Zestawienia wiarygodnych wartości cth [ppm] czystych związków chemicznych nie umożliwiają przewidywania zapachu ich mieszanin z innymi związkami. W mieszaninach odorantów występują tzw. interakcje węchowe (wzajemne wzmocnienie, osłabienie lub maskowanie). Ogranicza to możliwości wykorzystywania węchu jako „osobistego urządzenia”, ostrzegającego przed zagrożeniem chemicznym.

Szczególnym rodzajem interakcji jest współdziałanie dwóch rodzajów substancji bezwonnych, które mogą wywoływać wrażenie węchowe, jeżeli występują w powietrzu równocześnie (Z. Zou i L.B. Buck, 2006).

Badania rodzajów interakcji węchowych są prowadzone od bardzo dawna, jednak dotychczas nie doprowadziły do wyjaśnienia mechanizmu tych procesów.

Obiektami badań doświadczalnych są najczęściej próbki powietrza zawierającego zaledwie dwa lub trzy rodzaje odorantów, takie jak: siarkowodór-amoniak-metyloamina, cykloheksan i cykloheksanon, aceton-kwas octowy-octan etylu i inne. Tabela poniżej ilustruje wielokrotnie opisywane zjawisko, że związki czyste mają niższy próg wyczuwalności, niż związki z domieszkami (progi oznaczano metodą ekstrapolacyjną (nie zgodną z PN-EN 13725)).

Odoranty Proporcja składników mieszaniny (molowo) Grupowy próg wyczuwalności cth Cykloheksan czysty składnik 1 154 ppm Cykloheksan-cykloheksanon (mieszanina 1) 98 : 2 546 ppm Cykloheksan-cykloheksanon (mieszanina 2) 95 : 5 229 ppm Cykloheksan-cykloheksanon (mieszanina 3) 86 : 14 164 ppm Cykloheksanon czysty składnik 2 10 ppm

Adaptacja węchowa thumb|200px|Zmiany progu wyczuwalności zapachu i intensywności wrażenia spowodowane stopniowym wzrostem stężenia odoranta Czynnikiem ograniczającym możliwości uznania zapachu za sygnał alarmowy jest adaptacja sensoryczna. Przebywając w pomieszczeniu, w którym stężenie toksycznego związku stopniowo rośnie, możemy nie wyczuć jego zapachu, mimo wielokrotnego przekroczenia progu wyczuwalności, określanego zgodnie z normą w czystym laboratorium. Rysunek ilustruje sytuację, gdy wzrost stężenia odoranta ma charakter schodkowy. Adaptacja sprawia, że po chwili zapach ten przestaje być wyczuwalny. Próg podwyższa się do poziomu równego wartości stężenia w otoczeniu, które analizator węchowy zaczyna uznawać za naturalne tło dla innych bodźców. Zauważalny jest tylko kolejny wzrost stężenia (ponad nowy próg wyczuwalności). Odczuwane wrażenie jest wtedy dużo słabsze od tego, które byłoby odebrane bez wcześniejszej adaptacji. Podobnie przebiega adaptacja wzroku do zmieniającego się oświetlenia.

Intensywność zapachu Prawo Webera-Fechnera i prawo Stevensa