Bildgebende Massenspektrometrie macht Inhaltsstoffe, Zusatzstoffe und Verunreinigungen von Lebensmitteln sichtbar

Die massenspektrometrische Bildgebung (MS-Bildgebung) liefert hochpräzise Informationen über die räumliche Verteilung von Substanzen in vielen Bereichen. Forscher der Universität Bayreuth stellen in der Zeitschrift nun beispielhaft neue Anwendungen in der Lebensmittelanalytik vor Lebensmittelchemie. Erstmals ist es ihnen gelungen, einen Zusatzstoff in Milchprodukten und eine produktionsbedingte Verunreinigung in Backwaren sichtbar zu machen. In Obst, Gemüse und Fleischprodukten lassen sich spezielle Inhaltsstoffe nachweisen, die die Lebensmittelqualität beeinflussen. Die Studie, die in Zusammenarbeit mit dem Bayerischen Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit (LGL) durchgeführt wurde, zeigt das große Potenzial dieser Methode, nicht zuletzt im Hinblick auf den Verbraucherschutz.

Natamycin in Käse

Um Käselaibe oder geräucherte Würste vor Schimmelbefall zu schützen, werden die Oberflächen oft mit dem Fungizid Natamycin behandelt. Eine EU-Verordnung legt dafür einen Grenzwert von einem Milligramm pro Quadratdezimeter fest und schreibt außerdem vor, dass Natamycin nicht tiefer als fünf Millimeter in einen behandelten Käselaib eindringen darf. Diese Eindringtiefe lässt sich zwar mit den bisher üblichen Methoden der Lebensmittelanalyse nicht im Detail beschreiben, aber das Bayreuther Forscherteam um Prof. Dr. Andreas Römpp konnte mithilfe der MS-Bildgebung erstmals zeigen, wo und in was Mengen des Fungizids kommen in verschiedenen Gouda-Sorten vor.

Das Eindringen der Natamycin-Moleküle lässt sich von der Rinde bis ins Innere des Käselaibs verfolgen. Bei diesen Untersuchungen arbeiteten die Wissenschaftler mit dem Bayerischen Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit (LGL) zusammen. Basierend auf den erzielten Ergebnissen haben sie methodische Standards für die Identifizierung von Natamycin in Käse entwickelt. „Aufbauend auf diesem neu entwickelten MS-Bildgebungsansatz könnte es möglich sein, die Exposition der Verbraucher gegenüber Konservierungsmitteln in Zukunft zu reduzieren“, sagt Prof. Römpp, Inhaber des Lehrstuhls für Bioanalytik und Lebensmittelanalytik an der Universität Bayreuth.

Acrylamid in Lebkuchen

Auch eine EU-Verordnung legt Grenzwerte für das Vorhandensein von Acrylamid in Lebensmitteln fest. Es ist ein krebsfördernder Stoff, der bei niedriger Luftfeuchtigkeit und Temperaturen über 120 Grad Celsius aus Zucker und Asparagin – einer Aminosäure – gebildet wird. Eine in Bayreuth, Deutschland, entwickelte Methode, basierend auf MS-Bildgebung, visualisiert die Acrylamidverteilung in traditionellen deutschen Lebkuchen. „Dazu mussten wir die Lebkuchenproben auf weniger als minus 60 Grad Celsius abkühlen und dann mit einer elektrischen Mikrosäge zwei Millimeter dicke Lebkuchenscheiben herstellen. Nur so konnten wir sehr geringe Mengen an Acrylamid nachweisen“, berichtet sie Prof. Römpp.

Untersuchungen zu Weißwürsten

Die neue Studie zeigt auch, dass sich die MS-Bildgebung gleichermaßen für Analysen von verarbeiteten Fleischprodukten eignet. Bei Weißwürsten werden wasserlösliche und fettlösliche Bestandteile sichtbar, sodass fettarme und fettreiche Regionen deutlich unterschieden werden können. Ebenso wird sichtbar, wo Stoffe pflanzlichen Ursprungs gefunden werden, die aus beigemischten Kräutern stammen. „Die MS-Bildgebung ermöglicht aber nicht nur die Lokalisierung von Zutaten in Fleischprodukten, sondern hilft beispielsweise auch bei der Untersuchung von ‚klebrigem Fleisch‘ oder sogenannten Hydrolysatzusätzen, die eine höhere Qualität vortäuschen sollen, wenn sie nicht deklariert sind der Verpackung. Es könnte daher hilfreich sein, Verbrauchertäuschungen bei Fleischprodukten aufzudecken und Verbraucher auch in dieser Hinsicht besser zu schützen“, sagt Prof. Römpp.

Kiwis und Karotten

Das Anwendungspotential im Obst- und Gemüsebereich wird durch Studien an Kiwis und Karotten belegt. Die „Mini-Kiwi“ (Actinidia arguta) ist nicht nur süß, sondern verfügt auch über zahlreiche gesundheitsfördernde Bioaktivstoffe. Anhand von nur wenige hundertstel Millimeter dicken und auf minus 40 Grad heruntergekühlten Probenscheiben visualisierten die Bayreuther Bioanalytiker die Verteilung mehrerer Substanzen in Haut und Fleisch: Zuckermoleküle (Disaccharide), antioxidative Polyphenole und ein Fett (Lipid) charakteristisch für Kiwis. In Karotten wiederum wurden Moleküle von Beta-Carotin, einer Vorstufe von Vitamin A, nachgewiesen. Darüber hinaus konnten auch die räumliche Verteilung und typische molekulare Strukturen verschiedener Farbstoffe (Anthocyane) identifiziert werden, die Karotten eine orange, gelbe oder violette Färbung verleihen.

Eine analytische Methode ohne Farbstoffe

„Unsere Studie macht deutlich, dass die MS-Bildgebung eine wertvolle Ergänzung zu bereits etablierten Methoden der Lebensmittelanalyse ist: Sie bietet neue Einblicke in die räumliche Verteilung und die relativen Anteile von Zutaten. Sie hat den großen Vorteil, dass die Moleküle der Zutaten nicht sein müssen mit Farbstoffen oder anderen Markierungsmethoden markiert werden.An der Universität Bayreuth – innerhalb der neu gegründeten Fakultät VII für Lebenswissenschaften: Lebensmittel, Ernährung und Gesundheit – werden wir auch in Zukunft daran arbeiten, die analytischen Möglichkeiten der bildgebenden Massenspektrometrie zu verfeinern und zu kombinieren B. mit anderen Lebensmittelanalytik-Tools und Anwendung auf bisher nicht untersuchte Inhaltsstoffe. So können wir an der Universität Bayreuth wichtige Beiträge zum Verbraucherschutz leisten“, sagt Prof. Römpp.

Zur bildgebenden Massenspektrometrie (MS)

MS unterscheidet sich von anderen Analysemethoden wie UV-, Fluoreszenz-, Infrarot- oder Kernspinresonanz-Spektroskopie dadurch, dass sie nicht von bestimmten Eigenschaften der Moleküle und Atome abhängig ist – also weder von Lichtabsorption oder Fluoreszenz noch vom Kernspin, dem Drehimpuls einer Atomkern um seinen Schwerpunkt. Unterscheiden sich zwei Moleküle oder Atome in der Masse, kann dieser Unterschied durch Massenspektrometrie sichtbar gemacht werden. Insofern ähnelt ein Massenspektrometer einer Waage für Atome und Moleküle – nur dass es mehrere Millionen Mal genauer und empfindlicher ist als jede Küchenwaage.

Vor jeder massenspektrometrischen Analyse ist es notwendig, die Moleküle der zu identifizierenden Substanzen zu ionisieren, sodass geladene Teilchen entstehen. Denn nur geladene Teilchen können durch die im Massenspektrometer verwendeten magnetischen und elektrischen Felder abgelenkt und beschleunigt werden. Ein Ionisationsverfahren, das auch am Lehrstuhl für Bioanalytik und Lebensmittelanalytik der Universität Bayreuth eingesetzt wird, ist die matrixunterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI). Dabei wird eine Matrixsubstanz auf die Probe aufgebracht und anschließend mit einem Laser bestrahlt. Die bildgebende Massenspektrometrie (MS-Bildgebung) kombiniert Informationen über Moleküle, die durch MS gewonnen werden, mit räumlichen Informationen: Durch Scannen einer Probenoberfläche und Bestrahlen jedes Mal einer anderen Stelle auf der Probe, Pixel für Pixel, kann ein Massenspektrum für jeden Punkt, den der Laser trifft, aufgezeichnet werden hat geschlagen.