Ten artykuł dotyczy cechy polegającej na pobudzaniu zmysłu węchu. Zapoznaj się również z: zapach – właściwość cząstek elementarnych.

Portal:
Węch i zapachy

Zobacz publikację na Wikibooks:
Uciążliwość zapachowa

 Osobny artykuł: Kodowanie zapachu.

Jan Miense Molenaer, Smell, 1637

Zapach – w najogólniejszym sensie:

W języku polskim przez zapach rozumie się zwykle woń przyjemną, aczkolwiek używa się tego słowa również w sensie woni obojętnej lub przykrej. Nieprzyjemne zapachy są nazywane smrodem, odorem lub fetorem.

Odbieranie wrażeń węchowych i funkcje zapachu

 Osobny artykuł: Węch.

Owieczka czuje zapach (wrażenie węchowe)

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.

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:

Poszukiwania związku między subiektywną charakterystyką wrażenia i obiektywną charakterystyką bodźca wchodzą w zakres psychofizyki.

Psychofizyka węchu

 Osobny artykuł: Testy psychofizyczne.

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:

Próg węchowej wyczuwalności

Progi wyczuwalności czystych związków chemicznych

Próg węchowej wyczuwalności związku chemicznego to stężenie, przy którym zapach staje się wyczuwalny. Zanieczyszczoną próbkę powietrza można wówczas odróżnić węchem od próbki powietrza czystego. Ze względu na zmienność wrażliwości węchu przyjęto, że próg odpowiada sytuacji, gdy prawdopodobieństwo poprawnego wskazania próbki zanieczyszczonej 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.

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).

Pomiar progu wyczuwalności n-butanolu przy olfaktometrze TO7

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 wykonywnych metodą olfaktometrii dynamicznej grupa osób wielokrotnie porównuje zapach strumienia powietrza zawierającego różne – znane – ilości badango 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; (ang.) „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 standardowenie 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).

Adaptacja węchowa

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

Powszechnie wiadomo, że zapachy występujące w otoczeniu człowieka – pożądane lub niepożądane – z różną szybkością zanikają w miarę rozcieńczania czystym powietrzem (są mniej lub bardziej "uporczywe"). Najczęściej stosowane równania matematyczne, opisujące tę zależność intensywności zapachu od stężenia odorantów, są wyrazem praw psychofizycznych o charakterze ogólnym (dotyczących percepcji wszystkich wrażeń zmysłowych). Stosowane są dwa rodzaje funkcji:

S = kWF log(c/cth),

S = kS * c.

Prawa psychofizyczne Webera-Fechnera i Stevensa – a wyniki ocen intensywności zapachu

Zastosowane symbole oznaczają: S – intensywność zapachu, określana różnymi metodami skalowania (popularne techniki analizy sensorycznej) cth – próg wyczuwalności zapachu, kS, kWF, n – stałe empiryczne (indywidualna cecha węchu człowieka, różne wartości dla różnych odorantów).

Na rysunku przedstawiono wyniki ocen intensywności zapachu powietrza zawierającego różne ilości czterech związków chemicznych (źródło – tab. 3.4 w podręczniku "Odory", PWN 2002 Zmienną niezależną (x) jest – na każdym z wykresów – logarytm ze stężenia zanieczyszczenia. Zmienną zależną jest intensywność zapachu (prosta oczekiwana wg Webera-Fechnera) oraz logarytm intensywności (prosta oczekiwana wg Stevensa). Wskazanie prawa, które lepiej odpowiada wynikom oznaczeń (punkty), utrudnia niewielka powtarzalność ocen intensywności zapachu.

Modele interakcji węchowych

Modelami interakcji węchowych są nazywane równania empiryczne, które opisują zależność intensywności zapachu powietrza zawierającego mieszaniny zanieczyszczeń od:

Żaden z licznych opracowanych modeli nie ma charakteru ogólnego.

Klasyfikacja zapachów według rodzaju

Historia badań naukowych

Próby klasyfikacji zapachów były podejmowane już w starożytności. Znana jest klasyfikacja Arystotelesa (384 p.n.e. – 322 p.n.e.), który proponował wyodrębnienie 6 klas, określonych nazwami pochodzącymi od smaków, łatwiejszych do nazwanie. Jest to związane, jak wiadomo obecnie, z odbieraniem wrażeń smakowych przez pięć różnych receptorów bodźców smakowych. W roku 1752 Linneusz wyodrębnił siedem klas zapachu: aromatyczny, pachnący, ambrozji, czosnkowy, kozi, odpychający i budzący mdłości. Klasyfikacja Linneusza, w wersji nieco zmienionej w r. 1895 przez Zwaardemakera (9 klas, nieco zmienione nazwy zapachów), była stosowana przez około 100 lat.

Na przełomie XIX i XX wieku podejmowano próby doświadczalnego wykazania, że wymienione zapachy – wyodrębnione na podstawie subiektywnych wrażeń – są "zapachami podstawowymi". Opierano się na analogii z mechanizmem odbierania barwnych wrażeń wzrokowych. W siatkówce oka występują trzy rodzaje czopków widzenia dziennego, które zawierają białka (rodopsyna) zmieniające konformację w wyniku absorpcji kwantów promieniowania w trzech pasmach widma widzialnego (trzy barwy podstawowe). Dzięki ich pobudzaniu w różnym stopniu człowiek odbiera całą paletę barw i odcieni.

Zakładano, że pobudzenie niewielkiej liczby rodzajów receptorów „zapachów podstawowych” (6-9) umożliwia komponowanie wszystkich znanych zapachów. Doświadczenia zmierzające do potwierdzenia hipotezy o istnieniu sześciu zapachów podstawowych prowadził niemiecki psycholog Hans Henning (1885–1946). Jako zapachy podstawowe zaproponował on w 1915 roku zapachy: korzenny, kwietny, owocowy, żywiczny, przypalony i gnilny. Jednoznacznego potwierdzenia hipotezy nie uzyskano.

W latach 1960-1980 bardzo popularna była kolejna hipoteza, dotyczące zapachów podstawowych – w dużo mniejszym stopniu oparta na subiektywnych ocenach podobieństwa zapachu. System Johna Amoore'a i Roberta Moncrieffa jest znany jako teoria stereochemiczna Amoore'a.

Na podstawie przeglądu piśmiennictwa Amoore wykazał, że istnieje siedem najczęściej używanych określeń zapachu czystych związków chemicznych: zapach kamforowy, piżmowy, kwiatowy, miętowy, eteryczny, ostry i gnilny. Stwierdził, że w tak wyodrębnionych grupach znalazły się związki, których modele kulowe mają podobny kształt, uznał więc, że istnieje siedem różnych receptorów zapachów podstawowych, w których znajdują się "gniazdka" o odpowiednim kształcie (model klucza i zamka).

Obecnie wiadomo, że problem percepcji zapachu jest znacznie bardziej skomplikowany. W nabłonku węchowym człowieka znajduje się około 300 różnych białek receptorowych, przy czym nie reagują nie są one selektywne (na obecność jednego związku reaguje nie jeden, lecz kilka lub więcej różnych receptorów (Linda B. Buck, Richard Axel, Nagroda Nobla 2004). Próby klasyfikacji zapachów, oparte na hipotezie "zapachów podstawowych", zostały zarzucone.

Klasyfikacje zapachów, stosowane w praktyce

Podstawą stosowanych w praktyce systemów klasyfikowania zapachów i substancji zapachowych są wyniki: - oznaczeń lotności substancji (prężności par w ustalonej temperaturze), - ocen intensywności zapachu w określonych warunkach (np. z użyciem skal punktowych 10-stopniowych), - ocen podobieństwa rodzaju zapachu do określonych wzorców (np. najbliższe skojarzenie z zapachem naturalnym).

W przemyśle spożywczym wyodrębnia się "słodkie", "kwaśne" i "słone" (nawiązanie do systemu klasyfikacji Arystotelesa). Przykładami grup "słodkich" są karmelowa, miodowa, cytrusowa, maślana. Większą liczbę grup i podgrup stosuje się oceniając jakość win z użyciem "The_Aroma_Wheel". Analogiczne "koła zapachów" są używane w przemyśle kosmetycznym. Nazwy zapachów nazwy wywodzą się zwykle z nazw ziół i kwiatów, z którymi kojarzą się najbardziej, na przykład grupa "różana", czy grupa "jaśminowa". Istnieją też katalogi związków posiadających intensywny zapach, ale zakazanych ze względu na toksyczność, silne alergizowanie lub rakotwórczość. Dla przykładu – w większości krajów świata jest zakazane stosowanie tanich i silnie pachnących estrów kwasu octowego i masłowego.

Hedoniczna jakość zapachu

 Osobny artykuł: Jakość hedoniczna.

Najczęściej stosowane metody określania, w jakim stopniu dany zapach jest przyjemny lub nieprzyjemny, polegają na stosowaniu skal punktowych, graficznych lub skal wzorców. Stosowane są metody konsumenckie i eksperckie.

Badania konsumenckie muszą obejmować duże grupy ludzi, ponieważ odczuwane emocje są wybitnie subiektywne (związane czynnikami genetycznymi, osobistymi doświadczeniami życiowymi, zdrowiem, dietą itp). Badania eksperckie są wykonywane różnymi metodami "profilowania jakości zapachu". Przykład takiej skali zamieszczono obok. Jest to fragment dużej tabeli, zawierającej liczne skrajne określenia cech różnych bodźców/próbek. Niektóre z nich nie są – w normalnych sytuacjach życiowych – stosowane w odniesieniu do zapachu. Symbole A i B oznaczają zapachy (badane próbki zapachowe), których profile są porównywane.