Zuverlässige Probenaufbereitung in der Lebensmitteltechnologie

Zuverlässige Probenaufbereitung in der Lebensmitteltechnologie

Eine effiziente Probenaufbereitung für schnelle, zuverlässige und reproduzierbare Analyseergebnisse wird in der heutigen Zeit immer wichtiger. Sowohl in der Forschung, als auch in der Produktion, z.B. bei der Produktüberwachung und Qualitätskontrolle, werden zunehmend strengere Maßstäbe gesetzt. Besonders in der Nahrungsmittelindustrie, der pharmazeutischen und der biotechnologischen Industrie sowie der Medizin ist eine akribische Probenaufbereitung als Voraussetzung für Feinstanalysen unerlässlich, um vorgegebene Grenz- und Toleranzwerte einhalten zu können. Die Lebensmittelindustrie ist bei Produktion und Qualitätsüberwachung auf schnelle und sichere Probenaufbereitungstechniken angewiesen, um ohne Zeitverluste möglichst simultan in laufende Verfahrensprozesse eingreifen zu können. Hier nehmen staatliche und private lebensmittelchemische Institute und Labore eine wichtige Schlüsselfunktion bei der Überwachung der Unbedenklichkeit und Reinheit von Nahrungsmitteln ein. Im folgenden werden Techniken zur Probenaufbereitung mit Retsch-Geräten am Beispiel eines nach wie vor aktuellen Themas aufgezeigt: der Nachweis des Schadstoffes Acrylamid in Lebensmitteln.


Der gesundheitsgefährdende Schadstoff Acrylamid in Lebensmitteln

Das Monomer Acrylamid (Acrylsäureamid oder nach IUPAC 2-Propenamid) dient in der Industrie als Basis für die Herstellung des Polymers Polyacrylamid, das in Kunststoffverpackungen (z.B. auch für Lebensmittelverpackungen), Dichtmassen, Kosmetika und als Bindemittel in Papier und Pappen verwendet wird. Weiterhin wird es für Membranen bei der Umkehr-Osmose (Entsalzung von Wasser) und als Flockungsmittel bei der Abwasserbehandlung eingesetzt. Da Anteile des Monomers durch Migration aus dem Polyacrylamid entweichen können, versucht man über gesetzlich festgelegte Grenzwerte bei diesen Produkten eine Anreicherung des Schadstoffes auf ein Minimum zu reduzieren. Aus Tierversuchen ist bekannt, dass es sich bei Acrylamid um einen neurotoxischen, krebserzeugenden und erbgutverändernden Schadstoff handelt, für dessen Wirkungsweise grundsätzlich kein signifikanter Schwellenwert angenommen werden kann. Da noch keine Langzeitstudien vorliegen, die Aussagen über Spätfolgen auf den Menschen zulassen, wird das Krebsrisiko auch bei kleinen Konzentrationen von wenigen Mikrogramm pro Tag zunächst als hoch eingeschätzt. Bei einer Kontrolluntersuchung an Acrylamid-exponierten Arbeitern in Schweden wurde entdeckt, dass auch vermeintlich unbelastete Vergleichspersonen erhebliche Konzentrationen an Acrylamid in ihren Blutwerten aufwiesen. Weiterführende intensive Nachforschungen ergaben, dass die Ursache der erhöhten Acrylamidwerte der Vergleichspersonen auf die Konsumierung von bestimmten Nahrungsmitteln zurückzuführen war. Man fand hohe Konzentrationen in einer Vielzahl von Lebensmitteln wie Knäckebrot, Pommes Frites, Zwieback, Chips, Keksen, aber auch Kaffee, Bier, Cerealien, Brot u.ä. Nahrungsmitteln. Als Auslöser für die angereicherten Acrylamid-Konzentrationen wurden die in der Industrie und auch im Haushalt angewandten Röst-, Frittier-, Brat- oder Backprozesse ausgemacht, womit erklärt werden konnte, wie Acrylamid in die Nahrungskette gelangte. Die Ursachenforschung zur Entstehung von Acrylamid bei Produktion oder Verarbeitungsprozessen von Nahrungsmitteln hat mittlerweile ergeben, dass überhöhte Backtemperaturen, jedoch auch Feuchte- und Fettgehalte der im Herstellungsprozess behandelten Produkte maßgeblichen Einfluss haben. Am wahrscheinlichsten für die Bildung von Acrylamid ist dabei die sogenannte Maillard- Reaktion, bei der Aminosäuren (Asparagin) mit Zuckern (Glukose) reagieren. Diese liegen in vielen Lebensmitteln in unterschiedlichen Konzentrationen vor und bieten somit eine Basis für die Bildung des Schadstoffes. Wegen der Gefährdung durch ein erhöhtes Krebsrisiko ist es unerlässlich geworden, eine stetige Kontrolle der Acrylamid- Belastung in den Lebensmitteln durchzuführen, um eine Minimierung des Schadstoffgehaltes zu gewährleisten. Deswegen ist eine schnelle, zuverlässige und genaue Analytik nötig, die eine effiziente, reproduzierbare, aber auch sorgfältige und analytverlustfreie Probenaufbereitung voraussetzt.



Probenvorbereitung für Acrylamid-Analysen

Analytische Verfahren

Häufig angewandte und zuverlässige Verfahren zum Nachweis des Acrylamids sind die gas-chromatographische Massenspektrometrie (GC-MS) oder die Liquid Chromatography/Mass Spectroscopy (LC-MS/MS). Bei der GC-MS-Analytik wird als verlässliche Methode die negative chemische Ionisation (CI-) mit Methan oder Ammoniak angewandt, während bei der LC-MS/MS-Analytik die Elektrospraytechnik (ESI+) zum Einsatz kommt. Die quantitative Bestimmung des Acrylamids erfolgt dann mittels dazu in Verhältnis gesetzter, gemessener Standardlösungen von D3-Acrylamid, Acrylamid (AA) und Methacrylamid (MAA). Bevor allerdings aus der größeren Laborprobe eine Analysenprobe wird, die den Anforderungen obengenannter Messverfahren entspricht, muss die Laborprobe zunächst sorgfältig aufbereitet werden. Hier werden hinsichtlich der Aufbereitung von fettigen bzw. fettarmen und fettfreien Produkten unterschiedliche Verfahren angewandt. Äußerst wichtig sind zunächst die Schritte der Zerkleinerung auf Partikelgrößen kleiner gleich 1 mm und der vollständigen Homogenisierung der Probe. Erfahrungsgemäß zeigt das Acrylamid sehr inhomogene Verteilungen in den einzelnen Lebensmitteln, die beispielsweise durch Temperaturgradienten beim Backen oder Rösten entstehen. So kann die Acrylamid- Konzentration an der Oberfläche um ein Mehrfaches höher sein als im Inneren eines zu beprobenden Nahrungsmittels und dazu führen, dass eine Probeentnahme an einer bestimmten Stelle erhebliche Abweichungen des Schadstoffgehaltes zu der Entnahme an anderer Stelle aufweist. Die Analyseergebnisse würden dadurch verfälscht. Weiterhin ist es sinnvoll, nach der Homogenisierung einer genügend großen Laborprobe eine Probenteilung durchzuführen, die eine repräsentative Analysenprobe erzeugt. Um größere Analytverluste zu vermeiden, sollte bei der Zerkleinerung eine Temperatur unterhalb von 60°C eingehalten werden.


Aufbereitung mit Messer und Ultra-Zentrifugalmühlen

Fettige Proben

Eine schonende und schnelle Aufbereitung fettiger Proben wie Chips, Pommes Frites, etc. ohne nennenswerte Temperaturerhöhung kann z.B. in einer Messermühle (Retsch Grindomix GM 200) erfolgen, die mittels zweier versetzt angeordneter und mit hoher Drehzahl von bis zu 10.000 min-1 rotierender Messer durch Schneid- und Schlagwirkung in wenigen Sekunden ein völlig homogenes, pastöses Probengemisch bereitstellt.



Fettarme und fettfreie Produkte

Trockene und spröde, fettarme und fettfreie Produkte wie z.B. Knäckebrot und Brot lassen sich ebenfalls schonend und in kürzester Zeit in einer Ultra-Zentrifugalmühle (Retsch ZM 100) zerkleinern und homogenisieren. Hier trifft das Probematerial zentrisch auf einen sich mit 18.000 min-1 drehenden Rotor und wird dann durch Prall- und Scherwirkung zwischen dem Rotor und dem ihn umgebenden Distanzsieb weiter zertrümmert und nach Passieren des Siebes in eine Auffangkassette ausgetragen. Dabei entstehen Partikelfeinheiten entsprechend der gewählten Lochweite des Siebes von 1 mm oder kleiner.


Weiterer Probenaufschluss

Durch Zugabe von Wasser zu dem lichtempfindlichen und deswegen schnell weiter zu verarbeitenden Homogenisat wird eine Nassaufschlämmung (Slurry) erzeugt, die anschliessend mit 1-Propanol versetzt wird, welches das Acrylamid der Probe aufnimmt. Das erhaltene Extrakt wird eingeengt und durch Zugabe von Acetonitril weiter aufgereinigt und mit Hexan entfettet. Das so erhaltene aufkonzentrierte Gemisch wird dann anhand obengenannter Analysemethoden untersucht und die vorhandene Acrylamidkonzentration der Probe unter Berücksichtigung der Standardlösungen bestimmt.<(p>