Wichtige Analysenmethoden zur Untersuchung auf Herkunft und Echtheit in Lebensmitteln

Dr. E. Annweiler, Dr. S. Erich, Dr. K. Pietsch, H.-U. Waiblinger (jeweils CVUA Freiburg), Dr. T. Kuballa (CVUA Karlsruhe)

 

NMR, Stabilisotopen-MS, PCR

Stabilisotopen-Massenspektroskopie:

Die in Lebensmitteln enthaltenen Bioelemente Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff und Schwefel kommen neben ihrem leichten Haupt-Isotop auch in geringen Mengen als schwere Nebenisotope vor. Ihr Anteil ist dabei nicht konstant, sondern variiert aufgrund chemischer, physikalischer und biochemischer Prozesse in sehr geringem Ausmaß. Diese geringfügigen Variationen der Stabilisotopenverhältnisse lassen sich sehr genau messen und erlauben Rückschlüsse auf Herkunft, Rohstoffverwendung sowie Herstellungs- und Anbaumethoden (z.B. Bio-Anbau).

Das analytische Verfahren

Die Bestimmung des Stabilisotopenverhältnisses erfolgt mittels spezieller Massenspektrometer. Je nach Fragestellung wird die Probe für die Messung unterschiedlich aufgearbeitet. Die Probenvorbereitung kann von der einfachen Filtration bis hin zu komplexen Fällungs- und Extraktionsreaktionen sehr unterschiedlich sein.

 

Die gewonnenen Probefraktionen werden mit Hilfe verschiedener Peripheriegeräte in ein entsprechendes Messgas, z.B. Kohlendioxid, Stickstoff oder Wasserstoff überführt und online dem Isotopenverhältnis-Massenspektrometer zugeführt.

 

Zur Beurteilung von Herkunftsangaben sind umfangreiche Vergleichsdaten erforderlich, die erhoben und aktuell gehalten werden müssen, denn die Isotopenwerte insbesondere für C,N,O und H variieren selbst am gleichen Erzeugungsort (z.B. witterungsbedingt). Eine ständige Aufgabe besteht deshalb in der Erweiterung der Isotopen-Datenbanken für alle zu überprüfenden Lebensmittel.

Isotopen-Messung im Labor am Beispiel Spargel

Probenaufarbeitung am Beispiel Spargel

 

Kernspin-Resonanzspektroskopie (engl. Nuclear Magnetic Resonance, NMR):

Mit der NMR-Technik können die Atomkerne der in den Lebensmitteln enthaltenen Stoffe unterschieden und mengenmäßig erfasst werden. Damit kann eine Identifikation und Strukturaufklärung organischer und biochemischer Moleküle über die quantitative Erfassung einzelner Inhaltsstoffe bis hin zur Echtheitsbewertung und die Bestimmung der Herkunft und Sortencharakterisierung für bestimmte Produkte durchgeführt werden. Die „non target Analyse" ist ein schnelles und sehr selektives Probenscreening mit sehr hohem Informationsgewinn. Kennzeichnend für die NMR Technik ist eine meist sehr geringe Probenvorbereitung verbunden mit einer kurzen Messzeit, die im Vergleich zu chromatographischen Messtechniken einen höheren Probendurchsatz erlaubt.

Das analytische Verfahren

Die Proben werden mit möglichst geringer Probenaufarbeitung flüssig, meist gelöst in Wasser oder deuteriertem Chloroform, in die NMR-Röhrchen abgefüllt. Diese werden direkt zur Messung eingesetzt. Da es sich um eine zerstörungsfreie Messtechnik handelt, wird keine Probe verbraucht und das NMR-Spektrometer kann nicht durch Probenmatrix verunreinigt werden. In dem starken Magnetfeld absorbieren die Atomkerne (z. B. Wasserstoff) die star-ken (Hochfrequenz-)Impulse und schwingen mit einer charakteristischen Frequenz. Dies wird von der Spule im NMR-Spektrometer detektiert und in ein Spektrum „umgewandelt".

 

Auf diese Weise kann die absolute Menge an Atomkernen in einer Probe bestimmt werden und dadurch die Menge einzelner Stoffe in der Probe erfasst werden. Auf Grund der unterschiedlichen Nachbarschaft jedes Atomkerns können verschiedene Teile der Stoffe über ihre charakteristische chemische Verschiebung identifiziert und eindeutig bestimmt werden. Bei einer statistischen Auswertung wird das ganze Spektrum oder Teile der Spektren einer Probe mit anderen Proben verglichen. Da die Messung am NMR-Spektrometer sehr konstant ist, können mit Hilfe von authentischen Proben Datenbanken aufgebaut werden, die dann Informationen über Herkunft und/oder Echtheit der Proben liefern können.

NMR-Messung am Beispiel Honig

NMR-Messung am Beispiel Honig

PCR (engl. Polymerase Chain Reaction):

Selbst kleinste Unterschiede zwischen Individuen sind im genetischen Code der Erbsubstanz (DNA) enthalten. Die meisten Lebensmittel werden aus pflanzlichen oder tierischen Rohstoffen gewonnen und enthalten je nach Verarbeitungsgrad teilweise noch erhebliche Mengen charakteristischer DNA-Sequenzen. So haben eng verwandte Pflanzen und Tiere oft gleiche funktionelle Einheiten (Gene), die in Proteine umgesetzt werden, wie etwa das Gliadin-Gen des Weizens. Doch innerhalb dieser Gene kann es Unterschiede innerhalb der DNA-Sequenz geben. Darauf aufbauend werden heute viele molekularbiologische Methoden, (z.B. Polymerasekettenreaktion (PCR), quantitative Real-Time-PCR, DNA-Sequenzierung) auch zur Echtheitsbestimmung in der Lebensmitteluntersuchung eingesetzt.

 

Immer dann, wenn eng verwandte Pflanzen- oder Tierarten zu deutlich unterschiedlichen Preisen gehandelt werden, ist die Gefahr von Verfälschungen groß. Lachs, Seezunge oder Kaviar sind hier als Beispiele zu nennen. Bei der Überprüfung solcher Fragestellungen werden molekularbiologische Verfahren eingesetzt. Derartige Verfahren werden auch beim Nachweis von nicht deklariertem Pferdefleisch und anderen Tierarten oder von Verunreinigungen durch Fremdgetreide bei Produkten auf Basis von Dinkel, Roggen und Hartweizen eingesetzt. Auch hochpreisige Trüffelprodukte werden seit kurzem parallel molekularbiologisch und mikroskopisch auf Verfälschungen untersucht.

 

Nicht nur Rückschlüsse auf verwendete Zutaten, sondern auch Anhaltpunkte zur verwendeten Menge sind so mittlerweile in zusammengesetzten Lebensmitteln möglich. Verfahren zur gleichzeitigen Quantifizierung tierartspezifischer DNA-Sequenzen haben sich im Zuge des Pferdefleisch-Falls bewährt. So können gleichzeitig DNA-Sequenzen von Rind, Schaf, Schwein und Pferd erfasst und ihr prozentualer Anteil quantifiziert werden. Gleichzusetzen mit dem Verhältnis der Anteile von Fleisch der jeweiligen Spezies in Gewichtsprozent (bezogen auf den Fleischanteil eines Lebensmittels) sind diese Anteile aber nicht immer. So können bestimmte Zutaten wie z.B. Schweinespeck zu einer Unterschätzung des Gewichtanteils führen, da Fett nur wenig DNA enthält. Dennoch sind zumindest halbquantitative Aussagen möglich. Irrelevante Spurenanteile unter 1 Prozent können von Beimischungen differenziert werden - und dies auch in stärker prozessierten Lebensmitteln.

 

PCR-Analyse, allgemeiner Ablauf

 

 

Bildnachweis

CVUA Freiburg, CVUA Karlsruhe

 

 

Bericht erschienen am 05.04.2016 13:49:29