Zimt (Cinnamomum verum)

Zimt ist vor allem als Gewürz bekannt, das in der Küche verwendet wird, um süßen und herzhaften Speisen Geschmack zu verleihen. In dieser festlichen Zeit des Jahres geben Sie vielleicht eine Zimtstange in Ihren Glühweintopf, um ihm das typische Aroma zu verleihen, das viele von uns mit der Weihnachtszeit verbinden. In diesem Beitrag befassen wir uns mit den Molekülen im Zimt, die für diesen Duft verantwortlich sind, und mit einigen ihrer anderen Verwendungsmöglichkeiten.

1. Auf dem Hauptbild sieht man Zimtstangen und gemahlenen Zimt in einem Rundkolben, der mit einem Korken verschlossen ist und auf einem Korkring ruht. Rundkolben werden im Labor häufig zum Erhitzen von Flüssigkeiten und zur Durchführung von Reaktionen verwendet. Sie sind oben mit einem Schliff versehen, der das Anschließen anderer Glasgeräte, z. B. Kondensatoren, oder das sichere Verschließen erleichtert. Ihre Form vergrößert die Oberfläche und macht das Erhitzen und Umrühren sehr effizient, aber wie Sie sich vorstellen können, neigen sie auch dazu, wegzurollen (und zu zerbrechen, wenn sie fallen gelassen werden!), so dass sie in einer Klammer fixiert werden müssen oder auf einem Korkring ruhen, dessen Form die ihre widerspiegelt. Hier liegen sie auf der Seite, damit ihr fester Inhalt besser zur Geltung kommt; das wäre nicht so einfach (oder sicher), wenn sie eine heiße Flüssigkeit enthalten würden. Das Bild zeigt auch die Molekularstruktur von trans-Zimtaldehyd, der Quelle des vertrauten Zimtgeruchs.

Zimt stammt aus Sri Lanka, wo er in der inneren Rinde mehrerer Bäume der Gattung Cinnamomum vorkommt, die zur Familie der Lauraceae gehören. Wie der Name schon sagt, gehört zu dieser Familie auch der Lorbeer, Laurus nobilis, aus dem die in der Küche verwendeten Lorbeerblätter stammen. Zimtbäume sind mittelgroße bis große Bäume, die in vollem Wachstum eine Höhe von 6-15 Metern erreichen. Sie gedeihen gut in einer Höhe von etwa 1.000 m in Gebieten mit einer jährlichen Niederschlagsmenge von 200-250 cm. Zimt wird zwischen September und November geerntet; für die Rindenentnahme eignen sich besonders fingerdicke Triebe mit einheitlich brauner Farbe. Diese werden im Alter von etwa 2 Jahren in Bodennähe abgeschnitten, möglichst gerade, mit einer Länge von 1,0-1,25 m und einer Dicke von 1,25 cm. Die innere Rinde wird dann abgeschabt, geschält und getrocknet. Dabei nimmt sie die Form des Federkiels der Zimtstangen an (wie in der Flasche rechts im Hauptbild oben zu sehen). Die Federkiele werden dann sortiert, wobei „00000“ für die feinste Qualität und „0“ für die gröbste steht. Sie können auch zu Pulver gemahlen werden (wie in der linken Flasche), und beide Formen werden normalerweise exportiert.

Zimt wurde im Laufe der Geschichte als Gewürz für eine Vielzahl von Zwecken verwendet. Man nimmt an, dass er bereits 2000 v. Chr. zum ersten Mal verwendet wurde, da er auf Malereien in ägyptischen Pyramiden abgebildet war. Die Ägypter nutzten das Gewürz zu medizinischen Zwecken, da sie seine antibakteriellen und antimykotischen Eigenschaften kannten, aber auch als Aromastoff in Getränken und als Parfüm bei der Einbalsamierung, bei der sie Körperhöhlen mit Gewürzkonservierungsmitteln füllten. Zimt wird auch mehrfach in den Büchern Exodus und Sprüche in der Bibel erwähnt, vor allem als eine der Zutaten des Salböls von Moses, zusammen mit reiner Myrrhe, Kassia und Olivenöl. Im Mittelalter wurde Zimt zu einem Symbol des Reichtums, da in Europa und Afrika kein geeignetes Klima für den Anbau des Gewürzes herrschte und es daher aus dem Osten eingeführt werden musste. Der Zimt wurde auf langen und beschwerlichen Landwegen transportiert, was die Versorgung einschränkte und ihn teuer machte, so dass seine Verwendung zu einem echten Statussymbol wurde.

2. Der Geschmack von Zimt ist auf ein aromatisches ätherisches Öl zurückzuführen, das 0,5-1 % seiner Zusammensetzung ausmacht. Dieses ätherische Öl wird durch Zerkleinern der Zimtrinde, Einweichen in Meerwasser und anschließendes Destillieren gewonnen. Dabei entsteht ein Öl von goldgelber Farbe, das sowohl nach Zimt riecht als auch schmeckt. Die wichtigsten chemischen Bestandteile dieses ätherischen Öls sind in Schema 1 dargestellt. Dazu gehören Eugenol, ein Ausgangspunkt für die Synthese von Vanillin, Linalool (siehe unseren Beitrag über Lavendel), Estragol, Ethylzimt, Caryophyllen und Zimtaldehyd (dazu später mehr). Diese Verbindungen können durch Festphasenextraktion und anschließende Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) getrennt und identifiziert werden.

GC-MS ist eine Analysetechnik, die Gaschromatographie und Massenspektrometrie miteinander verbindet. Bei der Gaschromatographie wird ein Gemisch von Verbindungen aufgetrennt; zunächst wird eine Probe in einem Lösungsmittel aufgelöst und in eine Säule injiziert. Ein nicht reaktionsfähiges Gas befördert die Probe dann durch die Säule, in der sich die verschiedenen Verbindungen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen, je nachdem, wie gut sie an die Beschichtung der Säule, die so genannte stationäre Phase, binden; sie eluieren daher zu unterschiedlichen Zeiten. Dieser Ansatz ähnelt der Papierchromatographie, die die meisten Menschen kennen, bei der in ihrer einfachsten Form die Farben von Filzstiften getrennt werden und so sichtbar werden, wenn Wasser langsam durch ein markiertes Filterpapier sickert.

Die aus dem Gaschromatographen eluierenden Verbindungen werden dann in Ionen umgewandelt und ein Massenspektrometer wird verwendet, um jede dieser Substanzen zu identifizieren. Jedes Ion kann anhand seines Gewichts identifiziert werden, indem der Molekülionenpeak im Spektrum lokalisiert wird, aber auch anhand der kleineren und leichteren Verbindungen, in die es während des Verfahrens zerfällt. Weitere Einzelheiten über GC-MS finden Sie auf dieser Seite, die von einem unserer Kollegen aus Bristol erstellt wurde.

3. 90 % des ätherischen Öls von Zimt besteht aus einer organischen Verbindung namens trans-Zimtaldehyd oder 3-Phenylprop-2-enal (im Hauptbild und in Schema 1 dargestellt). Es wurde in der Vergangenheit von unseren Kollegen in Bristol zum Molekül des Monats gewählt und ist für den unverwechselbaren Geruch und Geschmack von Zimt verantwortlich.

Es gibt mehrere bekannte Methoden der chemischen Synthese, obwohl Wikipedia darauf hinweist, dass es nach wie vor am billigsten ist, Zimtaldehyd durch Wasserdampfdestillation des Öls der Zimtrinde zu gewinnen. Im Labor kann es aus verwandten Verbindungen wie Zimtalkohol (Schema 2), aber auch aus strukturell nicht verwandten Verbindungen hergestellt werden, zum Beispiel durch Aldolkondensation von Benzaldehyd und Aceton. Die Kinetik und der Mechanismus dieser und verwandter Reaktionen wurden 1991 von Guthrie und Wang eingehend untersucht (Can. J. Chem. 1991, 69, 339-344).

Bei diesem Syntheseweg wird zunächst eine starke Base verwendet, um das Aceton-Enolat-Ion zu erzeugen (siehe unten, Schema 3).

Dieses Enolat ist sehr nucleophil, so dass es das Carbonyl des Benzaldehyds angreifen kann (Schema 4). Dabei entsteht ein Alkoxidion, das ein Proton aus Wasser aufnehmen kann, um ein Beta-Hydroxyketon zu bilden. Das Elektronenpaar am Kohlenstoff wird dann zur Eliminierung des Hydroxidions verwendet, wobei ein alpha,beta-ungesättigtes Keton entsteht, das gewünschte Produkt, trans-Zimtaldehyd. Diese Verbindung ist auch das Ausgangsmaterial für die Synthese komplexerer Moleküle, und eine Reihe von Routen für ihre Herstellung werden weiterhin beschrieben (J. Org. Chem. 2011, 76, 8986-8998).

Die bekannteste Anwendung von Zimtaldehyd ist die Verwendung als Aromastoff in Lebensmitteln und Getränken, aber es hat auch antimikrobielle Eigenschaften, die für eine Reihe von Industrien von Interesse sind (siehe z.B. Int. J. Food Microbiol. 2004, 94, 223-253, Progr. Org. Coatings 2007, 60, 33-38, Environ. Chem. Lett. 2012, 10,325-347), wo es zur Hemmung des Wachstums verschiedener Mikroben (Nutrients 2015, 7, 7729-7748) wie Bakterien, Pilze, Schimmelpilze und Dermatophyten verwendet werden kann. Diese Fähigkeit und seine geringe Toxizität machen Zimtaldehyd auch zu einem nützlichen Fungizid, das sich bei über 40 verschiedenen Kulturpflanzen bewährt hat. Mittels GC-MS wurde der Zimtaldehydgehalt verschiedener Lebensmittel bestimmt, um festzustellen, ob seine antimikrobiellen Eigenschaften bei der Verarbeitung erhalten bleiben (J. Agric. Food Chem. 2000, 48, 5702-5700). Zimtaldehyd könnte sich auch positiv auf die Behandlung von Diabetes auswirken, obwohl in diesem Bereich noch weitere Studien erforderlich sind (Diabetic Medicine 2012, 29, 1480-1492).

Eine weitere interessante Anwendung von Zimtaldehyd ist schließlich seine Verwendung als Korrosionsschutzmittel für Stahl und andere Eisenlegierungen in korrosiven Flüssigkeiten. Unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen wird die Polymerisation von trans-Zimtaldehyd begünstigt, was dazu führt, dass sich auf der Metalloberfläche ein dünner Film bildet, der als Barriere gegen Korrosion wirkt (Electrochimica Acta, 2013, 97, 1-9.)

Auch wenn dieser Ansatz derzeit vor allem auf Ölfeldern angewendet wird, würden wir gerne wissen, ob unsere Autos in Zukunft vielleicht einmal nach Weihnachten riechen werden…

(Mitwirkende: Olivia Levy (Recherche, Schreiben, Fotos, Bilder), Natalie Fey (Redaktion).