香水的香气从何而来？

作为一味芳香元素，香水可以美化人们的生活、提升人的品味。经过长期的演绎发展，人们赋予了香水更多的礼仪、文化内涵。

香奈儿说“不喷香水的女人是没有未来的”。但是，近年来的一些研究报告却认为香奈儿等著名香水品牌中有些化学成分具有致过敏性，所以从2015年起，欧盟正式禁用这些成分。

这样一来，关于香水的话题也不免变得慎重起来。其实，香水自从诞生之日起，就与化学有着千丝万缕的联系，我们就来聊一聊香水的化学背景。

香气的强度与结构

什么是香气强度？

对于香水而言，由于其成分复杂，每一种香气的挥发能力各不相同。因此在1954年，英国著名调香师扑却（Poucher）按照香气的挥发度，将三百多种天然与合成香料分为头香、体香、基香这三个类别。用作头香的原料，其挥发性略好；体香是被感觉到的主体香气，可以停留较长时间；而基香则是头香与体香的气体成分挥发完后留下的香气。

一名优秀的调香师，必须具有敏锐的嗅觉以辨别千百种香味。从定量的角度来说，大量实验证明，嗅闻者所感觉到的某种的香气强度与浓度的关系可以总结为Steven公式：I=kCg0.6。其中，I表示人体嗅觉所感受到的香气强度，Cg是闻到的香气浓度，k为人体对该种香气的敏感强度。

什么是香气结构？

香气之所以能给人以各种美妙的感受，归根结底还在于其化学结构不同。一般来说，无机盐是没有气味的，香料工业是有机化学的“势力范围”。不管是天然香料还是人造香料，总能归结到有机化合物的分子构造上来。一些教科书将香气分子区分为醇类，酯类，醛类、酮类等十几种结构类型。

图片来源：黄晓东

很多文献也都指出，香气分子的分子量不是很大（多数在300以下），分子结构中，碳原子的数量会对香气产生明显的影响，两个碳的乙醇具有酒的气息，6～9个碳的醇带有清香、果香、橘香和油脂气息，10～14个碳的醇香气逐渐减弱直至消失。

除了分子结构中的碳原子会影响香气以外，分子本身的空间立体构造、带有的官能团、取代基等因素，都会制约有机分子的气味属性。

如何科学鉴定香水？

香水的成分并不单一。因此，要准确定量的检测香水的组分，就需借助仪器来进行分析。常用的方法有气相色谱法（GC）、气相色谱-质谱法(GC/MS)、气相色谱-嗅觉测量法（GC-O），等等。

气相色谱法

气相色谱法依靠有机分子各自不同的特性，把它们分离出来，将分子的浓度转变为电信号，记录下不同组分的出峰时间。用这个方法，可以检测出香水中成分的含量。

气相色谱法测定香水成分图谱 图片来源：黄晓东

气相色谱+质谱法

把气相色谱与质谱的方法结合起来，不仅能将各个有机化合物分离出来，而且通过离子化，把化合物分解成离子碎片，从而可以根据分子量与出峰时间对香水产品中的成分进行定量与定性分析。

天竺葵精油的GC/MS图谱 图片来源：黄晓东

香水的配方与生产

既然人们非常重视香水的质量控制，我们自然要探究一下香水的制作工艺。香精是香水最重要的组份，香精在整个配方中所占重量比约为10～20%。其余都是酒精和添加剂。

香水制造的工艺流程看似并不复杂，但却相当耗时。陈化过程非常重要，将混合好的香水密封放置于恒温环境中，经过数月（甚至一年）的时间，香水体系内部发生了微妙的变化，组分之间悄然进行着酯化、分解、聚合、缩醛、氧化等各种反应，而一些不溶解的微小颗粒就会被沉淀出来。有时候，人们也会采用诸如超声等辅助手段来缩短陈化时间。

怎样获得香精、香料？

香精并不是单一的纯物质，在《香精香料学》中，一般都把多种天然或人工合成香料的组合称为香精。例如香奈儿5号女式香水就使用了如下香精：

香奈儿5号女用香水的香精配方 图片来源：《香精香料学》

香精中的各种香料组分所扮演的角色各有轻重，有的是主体原料，有的则起辅助修饰作用。香精中组分的分类方法有很多种，除了前文中香师扑却以香精组分的挥发能力来分类以外，按功能来划分，一个香精配方中的香料又可以被区分为主香剂、修饰剂、定香剂等几个部分。

调配香精的过程被称为调香，调香是科学与艺术的融汇技艺，调香师除了要掌握香料的物化性能，了解现代调香仪器以外，还必须要有敏锐的香味辨识力和记忆力，用调配出的香精来创造持久温馨的效果。一个新的香精配方，可以按照传统的调香“三步法”来设计出小样。

但小试阶段的调香工作，最终还是服务于香精的工业化生产。在香精与香水的工业化生产过程中，都需要经过一个陈化（熟化）的过程，以便香料在特殊的环境中反应融合。

香精缓释微胶囊

有人用天然或者合成的高分子材料（蛋白质、糖类、纤维素等）为胶囊壁，将香精包裹在里面，以形成一个由香精做成的微胶囊，各种香料分子会随着胶囊壁的微小孔道释放出来，这样就能使香气持久。

微胶囊扫描电镜照片 图片来源：黄晓东

种类繁多的天然香料及其提取技术

现在我们知道，香料可以分为天然香料和合成香料这两大类。而天然香料又有动物性香料和植物性香料之分。

动物性香料的种类较少，主要有麝香、灵猫香、龙涎香，海狸香、麝鹿香这几种，这些香料的价格昂贵，均可被用作定香剂。

图片来源：黄晓东

相比寥寥可数的动物性香料，植物性香料的种类就要广泛得多（500种以上），它们往往提取自植物的茎叶、花果等部位。

工业上，需要先对植物性原材料进行破碎、浸泡等前处理，方才用于提取工序。

图片来源：黄晓东

传统的提取工艺（压榨法、浸提法等）存在诸多的问题，例如，水蒸气蒸馏法可能会破坏对热不稳定的香料成分。最近几十年中，研究人员创造了很多新的提取技术。我们不妨略作一窥。

超临界二氧化碳萃取法

这是以二氧化碳作为萃取介质，萃取天然产物的方法。二氧化碳在特定的温度和压力状态下，兼具液体和气体的特征，具有较高的流动性和溶解性，提取过程少有活性物质被破坏；提取物中没有溶剂残留。

微波辅助萃取法 图片来源：黄晓东

将植物原材料浸没于溶剂中，通过微波辐射，香料成分能迅速溶解在溶剂中，微波法具有时间短、提取率高等特点。

超声萃取法

超声萃取法 图片来源：黄晓东

利用超声波辐射产生的强烈的多级效应，使原材料中的香料分子与溶剂充分接触，加速了溶解。超声萃取法安全、高效，具有发展前景。

分子蒸馏法

分子蒸馏法 图片来源：黄晓东

这是在高真空条件下，使香料分子挥发、分离的技术，分子蒸馏法可以在远低于液体沸点的温度下分离出香料分子，所得产品的纯度较高，适合于对热敏感的物质的分离提取。

酶提取法

用酶先对植物细胞壁等组织进行降解，使香料分子更畅通的被提取出来。酶提取法并不能单独应用，而需要与水蒸气蒸馏法、超临界二氧化碳萃取法等其他方法联合使用。酶法提取条件温和、效率高、安全环保。

一种纤维素酶的结构 分子蒸馏法 图片来源：黄晓东

蓬勃发展的人工合成技术

化学合成的一些新手段也渗透进了合成香料的研发制造中。这些新的方法，新的思路，主要是促使合成技术迈向更加安全、高效、绿色的境界。

新催化剂

围绕着如何提高反应收率、改善反应条件、提高产品质量等目的，研究者创造出了很多新的催化剂，如图所示的锡（Sn）催化剂，对合成有着新鲜甜瓜香气的甜瓜醛起到了很大的促进作用。

一种锡催化剂的结构 图片来源：黄晓东

手性合成

图片来源：黄晓东

很多香料分子存在空间对称性，犹如我们的双手，两个分子左右对称。研究表明，这样的两个相互对称的香料分子，香气的性质与程度却是不同的。

手性合成技术通过化学手段，可以获得更具有愉悦气味的那个分子。这就需要调用有机化学中的系统知识来完成手性分子的合成。

除此之外，微波辅助合成、有机电合成、仿生合成等技术手段也在不断被应用于香料的人工合成中。

香水的背后，确实蕴含着深刻的科学原理呢！