Lebensmittel untersuchen

Bildgebende Massenspektrometrie

Die bildgebende Massenspektrometrie (MS-Bildgebung oder MS-Imaging) kombiniert die aus der Massenspektrometrie gewonnene Information über Moleküle mit räumlicher Information: Indem der Laser eine Probenoberfläche abrastert und Pixel für Pixel jeweils eine andere Stelle auf der Probe bestrahlt, kann für jeden Punkt, den der Laser getroffen hat, ein Massenspektrum aufgenommen werden. Die bildgebende Massenspektrometrie liefert in vielen Bereichen präzise Informationen über die räumliche Verteilung von Substanzen.

Forschende der Universität Bayreuth zeigen weitere Anwendungen in der Lebensmittelanalytik. Ihnen ist es u. a. gelungen, einen Zusatzstoff (Additiv) in Milchprodukten und eine herstellungsbedingte Kontamination in Backwaren sichtbar zu machen. Die in Zusammenarbeit mit dem Bayerischen Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit (LGL) entstandene, in der Zeitschrift „Food Chemistry“ veröffentlichten Studie zeigt das große Potenzial dieses Verfahrens, nicht zuletzt im Hinblick auf den Verbraucherschutz.

Bild 1: Inhaltsstoffe einer Kiwi; grün: Zucker, blau: Polyphenol, rot: Kiwi-typisches Lipid. © Oliver Wittek

Natamycin im Käse

Um Käselaibe oder auch geräucherte Würste vor Schimmelpilzbefall zu schützen, werden die Oberflächen häufig mit dem Fungizid Natamycin behandelt. Eine EU-Verordnung setzt dafür einen Grenzwert von einem Milligramm pro Quadratdezimeter fest und schreibt überdies vor, dass Natamycin nicht tiefer als fünf Millimeter in einen behandelten Käselaib eindringen darf. Mit den bisher üblichen lebensmittelanalytischen Verfahren lässt sich diese Eindringtiefe allerdings nicht im Detail beschreiben. Das Bayreuther Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Andreas Römpp hat jedoch mit Hilfe der MS-Bildgebung zeigen können, wo und in welchen Mengen das Fungizid in verschiedenen Goudasorten vorkommt. Das Eindringen der Natamycin-Moleküle lässt sich von der Rinde bis ins Innere des Käselaibs verfolgen. Die Wissenschafter und Wissenschaftlerinnen haben bei diesen Untersuchungen mit dem Bayerischen Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit (LGL) zusammengearbeitet. „Aufbauend auf diesem neu entwickelten Ansatz der MS-Bildgebung lässt sich in Zukunft die Exposition der Verbraucherinnen und Verbraucher gegenüber Konservierungsstoffen möglicherweise verringern“, sagt Prof. Dr. Andreas Römpp, der an der Universität Bayreuth den Lehrstuhl für Bioanalytik und Lebensmittelanalytik innehat.

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Acrylamid in Lebkuchen

Auch für das Vorkommen von Acrylamid in Lebensmitteln setzt eine EU-Verordnung Grenzwerte fest. Es handelt sich um eine krebsfördernde Substanz, die bei geringer Feuchtigkeit und Temperaturen von über 120 °C aus Zucker und Asparagin, einer Aminosäure, gebildet wird. Ein in Bayreuth entwickeltes, auf der MS-Bildgebung basierendes Verfahren macht die Acrylamid-Verteilung in traditionellen deutschen Lebkuchen sichtbar. „Dafür mussten wir die Lebkuchenproben auf weniger als minus 60 °C abkühlen und dann mit einer elektrischen Mikrosäge rund zwei Millimeter dicke Lebkuchenscheiben herstellen. Nur so konnten wir sehr geringe Mengen von Acrylamid entdecken“, berichtet Professor Römpp.

Bild 2: MS-Imaging eines Querschnitts durch einen Gouda-Laib. Bild rechts: Das Fungizid Natamycin (grün) dringt aus dem Bereich der Rinde (ganz links) an einigen Stellen nach innen vor. © Julia Kokesch-Himmelreich

Untersuchungen von Weißwürsten

Die neue Studie zeigt auch, dass sich die MS-Bildgebung ebenso für Analysen von verarbeiteten Fleischprodukten eignet. In Weißwürsten werden wasserlösliche und fettlösliche Bestandteile erkennbar, so dass sich fettarme und fettreiche Regionen klar voneinander unterscheiden lassen. Ebenso wird sichtbar, wo sich Substanzen pflanzlichen Ursprungs befinden, die aus beigemischten Kräutern stammen. Professor Römpp ergänzt: „Die MS-Bildgebung ermöglicht aber nicht nur die Lokalisierung von Inhaltsstoffen in Fleischprodukten, sondern hilft zum Beispiel auch bei Untersuchungen von ‚Klebefleisch‘ oder sogenannten Hydrolysat-Zugaben, die eine höhere Qualität vortäuschen sollen, wenn sie auf den Verpackungen nicht deklariert werden. Die MS-Bildgebung könnte daher nützlich sein, um Verbrauchertäuschung in Fleischprodukten aufzuspüren und die Konsumentinnen und Konsumenten auch in dieser Hinsicht besser zu schützen.“

Kiwis und Karotten

Bild 3: Einstellen des automatischen Matrixsprayers, ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Ionisation der Zielmoleküle. © UBT / Chr. Wißler

Die Anwendungspotenziale im Bereich von Obst und Gemüse belegen Untersuchungen an Kiwis und Karotten. Die „Mini-Kiwi“ (Actinidia arguta) ist nicht nur süß, sondern hat auch zahlreiche gesundheitsfördernde bioaktive Inhaltsstoffe. Mit nur wenige Hundertstel Millimeter dicken und auf etwa minus 40 °C heruntergekühlten Probeschnitten haben die Bayreuther Bioanalytiker die Verteilung einiger Substanzen in der Schale und im Fruchtfleisch sichtbar gemacht: Zuckermoleküle (Disaccharide), antioxidativ wirksames Polyphenol und ein für Kiwis charakteristisches Lipid. In Karotten wiederum wurden Moleküle des Beta-Carotin, einer Vorstufe von Vitamin A, erkennbar. Darüber hinaus konnten auch die räumliche Verteilung sowie die typischen molekularen Strukturen unterschiedlicher Farbstoffe (Anthozyane) identifiziert werden, die den Karotten eine orange, gelbe oder violette Färbung verleihen.

Analyseverfahren ohne Markieren

Bild 4: Eine Probe wird in den Verfahrtisch der Ionisierungskammer eingespannt. © UBT / Chr. Wißler

„Unsere Studie macht deutlich, dass die MS-Bildgebung eine wertvolle Ergänzung der bereits etablierten Verfahren der Lebensmittelanalytik darstellt: Sie bietet neue Erkenntnisse über die räumliche Verteilung und die relativen Anteile von Inhaltsstoffen. Dabei hat sie den großen Vorteil, dass die Moleküle der Inhaltsstoffe nicht mit Färbemitteln oder anderen Labelling-Verfahren markiert werden müssen. An der Universität Bayreuth werden wir – im Rahmen der neu etablierten Fakultät VII für Lebenswissenschaften: Lebensmittel, Ernährung und Gesundheit – künftig weiter daran arbeiten, die analytischen Möglichkeiten der bildgebenden Massenspektrometrie zu verfeinern, sie mit anderen Instrumenten der Lebensmittelanalytik zu kombinieren und sie auf bisher nicht untersuchte Inhaltsstoffe anzuwenden. Auf diese Weise können wir an der Universität Bayreuth wichtige Beiträge zum Verbraucherschutz leisten“, sagt Professor Römpp.

Forschungsförderung
Die Forschungsarbeiten, die in „Food Chemistry“ vorgestellt werden, wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der TechnologieAllianzOberfranken (TAO) gefördert.

Originalpublikation: Julia Kokesch-Himmelreich, Oliver Wittek, Alan M. Race, Sophie Rakete, Claus Schlicht, Ulrich Busch, Andreas Römpp: MALDI mass spectrometry imaging: From constituents in fresh food to ingredients, contaminants and additives in processed food. Food Chemistry (2022), Vol. 385. DOI: https://doi.org/10.1016/ j.foodchem.2022.132529

Quelle: Universität Bayreuth

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