水蒸気蒸留

水蒸気蒸留vs通常の蒸留

通常の蒸留は,沸点に25℃以上の差がある2つの液体を化学的に分離する場合や,粘度の高い不揮発性の化合物から液体を分離する場合に用いられます。後者の場合,揮発性の高いほうの化合物の沸点に達するまで熱を加えて,発生した蒸気を捕集し,凝縮され液体になります。しかし,このときの蒸留物は純度が低いことがあります。

水蒸気蒸留法は,熱に弱い化合物の蒸留に適した蒸留プロセスの1つです。水蒸気蒸留では、蒸留する混合物に水蒸気を吹き込み、化合物の沸点を下げます。凝縮物を集めて得られた水溶液を、滴定と組み合わせて分析物の定量に使用できます。水蒸気蒸留は主に、芳香族化合物、天然物からのオイルの分離、香料の製造、ケルダール窒素の定量に用いられます。

以下の分析対象物は水蒸気蒸留で分離し,正確に定量することができます。

表1:水蒸気蒸留に適した分析法の表

測定項目	サンプル	定量メソッド	関連基準
タンパク質(窒素),TKN TVBN	食品、飲料、医薬品、飼料、廃水	電位差 / 比色滴定	采用AOAC公认的2001.11 采用AOAC公认的920.87 ISO 937 ISO 3188
アンモニウム,亜硝酸,硝酸(デバルダ),尿素	肥料,土化粧品,毛染め剤	電位差 / 比色滴定	采用AOAC公认的892.01 采用AOAC公认的955.04 83/514 / EEC
電位差 / 比色滴定	ワイン,ビール, スピリッツ	密度計	欧共体2870/2000
揮発性の酸	ワイン,ジュース	電位差滴定	OIV-MA-AS313-02
亜硫酸、二酸化硫黄	ワイン,ビール, ドライフルーツ, シーフード	電位差滴定	采用AOAC公认的962.16
シアン化物, アミグダリン	シアン化物, アミグダリン	錯滴定	ISO 2164 - 1975, 采用AOAC公认的915.03
VDK	ビール	紫外可視分光
フェノール	土、廃水	紫外可視分光	ISO 6439:1990 DIN 38409 - h16 3
ホルムアルデヒド	繊維製品、 メープルシロップ	紫外可視分光	ISO 14184 - 1 采用AOAC公认的964.21
リモネン(エッセンシャルオイル)	ジュース,香料, ホップ	酸化還元滴定

窒素/タンパク質の定量

タンパク質は重要な栄養成分の1つで,ほぼすべての食品や動物用飼料製品に含まれており,品質管理の成分として使用されます。食品の場合,消費者のために,タンパク質含有量を製品の栄養成分として表示しなければなりません。この表記は食品製造者に対する国内法および国際法で定められています。ケルダール窒素(TKN)を測定することで,サンプル中の窒素量からタンパク質含有量が計算できます。また,TKN分析では各サンプル中に有機物として存在する窒素と,無機物として存在する窒素の両方が定量できます。食品分析では,総揮発性塩基窒素(TVBN)が魚介類製品の鮮度を測定するのに用いられます。

図1:ケルダール窒素測定の分解,水蒸気蒸留,滴定の3つの重要ステップ

ステップ1:分解

分解器を用いてサンプルを酸分解し,有機態窒素をアンモニアに変えるところから分析は始まります。サンプルを、硫酸カリウムおよび銅触媒を混合した分解促進剤の入った濃硫酸を加熱し、有機態窒素をアンモニアに変えなければなりません（図2）。分解器にスクラバーを組み合わせて腐食性のガスを除去し、ラボの安全を確保します。

図2:加熱ブロックを用いた分解プロセス

ステップ2:水蒸気蒸留の手順と滴定

ケルダールの2番目のステップは,適切な蒸留装置を用いた水蒸気蒸留です。まずアルカリ化,濃水酸化ナトリウムを加えて分解液pH值のを9.5まで上げなければなりません。このpHにすると,アンモニアガスが生成します。そのあと,アンモニアガスを水蒸気蒸留装置を通じて酸性の吸収液,ホウ酸溶液に送り込み,アンモニウムに変えます(図3)。その後,電位差滴定もしくは比色分析法を用いて,この受け溶液内の窒素濃度が測定できます。

図3:水蒸気蒸留プロセス。①水蒸気が試料管に送り込まれます②水蒸気がサンプルを押し出す③分析成分は,水蒸気蒸留によってスプラッシュプロテクターを通過します④揮発性成分が凝縮されて受け器に集められます

水蒸気－揮発性分分析

アルコール

法律や税制上の目的により,食品や飲料はアルコール含有量を測定しなければなりません。適切な蒸留装置で水蒸気蒸留を実施したあと,アルコール含有量を密度計,比重瓶またはU字振動管で測定します。

二氧化硫

亜硫酸はドライフルーツやシーフードなどの食品や,ワインやビールなどの飲料の保存料として一般的に用いられています。この化合物には一部アレルギー反応を示す人がいるため,二氧化硫含有量を測定して,法で定められた許容量に従わなければなりません。ラベル表示義務の一部として,二氧化硫含有量も明記しておかなければなりません。二氧化硫の測定では、最適化Monier-Williams法に希釈H2O2溶液を用いた電位差滴定を組み合わせることを推奨します。

揮発性の酸

ワインでは,ごく少量の揮発性の酸が味の重要なパラメータとなります。ワインを長時間空気触れさせすぎると,アルコールが酢酸に変化し,ワインが酸っぱくなり美味しくなくなりま

す。二酸化炭素を脱気して,酒石酸を用いてから水蒸気蒸留を行うことで,揮発性酸度が測定できます。

ビシナルジケトン

ビシナルジケトン(VDK)はビールの風味成分の一部です。VDKはビールの発酵中に生成し,ビールの味を決めます。VDK量が多すぎたり少なすぎたりする場合、菌の発生や、発酵の不十分さを示している可能性があります。VDK量をモニターしてコントロールすることが、ビール製造における風味づけで重要な役割を果たすことがあります。

アンモニウム,フェノール,シアン化物

環境分析では,アンモニウム含有量やフェノール類,あるいはシアン化物含有量など,土や水サンプルから複数のパラメータが測定されることがあります。また,アーモンドサンプルでは,有毒なシアン化物の量が重要な意味をもちます。

ホルムアルデヒド

繊維製品では不純物のホルムアルデヒド量を常に検査しており,特定の認証を取得するには,この量を低く抑えなければなりません。接着剤業界では,ホルムアルデヒド含有量がアミノ樹脂系接着剤の効果を左右し,これは水蒸気蒸留で測定することができます。また,木材中のホルムアルデヒド含有量は,放散量による区分けに利用されます。

エッセンシャルオイルの水蒸気蒸留

水蒸気蒸留によるエッセンシャルオイルの抽出は,高純度の物を得るために最も一般的に利用されているメソッドの1つです。エッセンシャルオイルは,アロマセラピーや食品フレーバー、化粧品、フレグランスなどに使用されています。食品フレーバーや化粧品,動物用飼料の添加剤など,特定の製品用途に関する法律は,エッセンシャルオイルにも関係しています。これらの成分は,消費者の安全確保のために注意深く評価され,ラベルに明記しなければなりません。