Wissenschaft + Forschung

&Uuml;ber das gesamte Jahr verteilt publiziert die Redaktion der Nachrichten aus der Chemie Trendberichte &uuml;ber alle chemischen Disziplinen hinweg.

Trendberichte

Prof.Dr.

Bei der Proteinoxidation sind nicht nur Mechanismen und Reaktionsprodukte interessant, sondern auch, wie sie sich auf funktionelle und sensorische Eigenschaften von Lebensmitteln auswirken. Massenspektrometrie ersetzt zunehmend die unspezifische UV- und Fluoreszenzspektroskopie. Und mit Targeted-proteomics-Ansätzen lassen sich nicht nur einzelne oxidierte Aminosäuren bestimmen, sondern auch selektiv oxidierte tryptische Peptide.
Das Leben in einer Sauerstoffatmosphäre bringt unerwünschte Oxidationen mit sich, die Struktur und Funktionalität von Biomolekülen verändern. Diese Reaktionen werden von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) ausgelöst, zu denen das Superoxidradikal, Wasserstoffperoxid und das besonders reaktive Hydroxylradikal gehören. In lebenden Zellen machen antioxidative Enzyme wie Katalase oder Superoxiddismutase ROS unschädlich, sodass ein Gleichgewicht zwischen ROS-Entstehung und -Abbau vorliegt. Verschiebt sich das Gleichgewicht zugunsten der Bildung der ROS, spricht man von oxidativem Stress.1)Lebensmittel sind Bedingungen ausgesetzt, die von der physiologischen Norm in Temperatur, pH-Wert oder umgebendem Medium abweichen. Daher laufen bei der Lebensmittelverarbeitung und -lagerung Reaktionen ab, von denen viele noch unbekannt sind. Sie zu kennen, kann dazu beitragen, oxidationsinduzierte funktionelle Veränderungen an Proteinen zu verstehen. Zudem lassen sich so Struktur-Wirkungsbeziehungen erkennen.<h2>Radikale entstehen</h2>Für die radikalische Proteinoxidation lassen sich wie bei der Lipidperoxidation Kettenstartreaktionen definieren, in denen Proteinradikale entstehen (Abbildung 1).2) In aliphatischen Seitenketten kann an solche Radikale Sauerstoff addieren, wobei sich Peroxylradikale bilden, die zu Hydroperoxiden weiterreagieren. Während der Propagation können Radikale innerhalb des Proteins transferiert werden. Die Hydroperoxide sind bis zu einige Stunden stabil, werden jedoch letztlich zu Hydroxy- oder Ketoverbindungen abgebaut (Abbildung 2).<figure><img src="https://media.graphcms.com/Xe9buP1GSreWyLLM98zK"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Phasen der radikalischen Proteinoxidation.</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/g96uq8VqRRe1FtQsC2Kt"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Einige Reaktionsprodukte der Proteinoxidation.</figcaption></figure>
Hydroxyverbindungen entstehen auch bei der Oxidation aromatischer Aminosäureseitenketten wie in Phenylalanin, Tyrosin oder Tryptophan. Die Dimerisierung von Proteinradikalen führt zur Quervernetzung. Neben radikalischen finden 2-Elektronen-Oxidationen statt, etwa am Methionin, wobei Methioninsulfoxid und Methioninsulfon gebildet werden (Abbildung 2).2) Einige oxidierte Aminosäuren treten in biochemisch relevanten Stoffwechselwegen als Intermediate auf, etwa die aromatische Aminosäure Kynurenin, ein Stoffwechselintermediat des Tryptophanabbaus.In den letzten Jahren konzentrierten sich die Arbeiten zu individuellen Produkten auf die oxidationsinduzierte Quervernetzung, wobei Strukturen wie das in Abbildung 2 gezeigte Histidin-Quervernetzungsprodukt vornehmlich aus massenspektrometrischen Daten abgeleitet wurden.3) Synthese und Charakterisierung der Substanzen stehen noch aus. Darüber hinaus werden neue Reaktionswege beschrieben, wie die katalytische Rolle von Methionin bei Peptidspaltreaktionen, bei der die Thioethergruppe einen oxidativen Schaden an das Proteinrückgrat weitergibt (Abbildung 3).4)<figure><img src="https://media.graphcms.com/AdrwEKnhTxGtQTX8NEv3"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Postulierter Mechanismus der methioninassoziierten α-Amidierung.4)</figcaption></figure>
<h2>Effekte der Proteinoxidation in Lebensmitteln</h2>Durch Lipidperoxidation geschädigte Lebensmittel sind an den sensorischen Eigenschaften erkennbar: Sie schmecken ranzig. Produkte der Proteinoxidation fallen sensorisch deutlich weniger auf, dennoch können auch sie das Aroma verändern. So tritt beispielsweise Lichtgeschmack bei Milch und Bier auf, wenn diese Lebensmittel Sonnenstrahlung ausgesetzt sind. Durch Photooxidation des Methionins werden intermediär Thiylradikale frei, die zu Dimethyldisulfid dimerisieren können (Abbildung 4).5) In Bier kann nach Reaktion mit Abbauprodukten von Hopfenbitterstoffen das flüchtige 3-Methylbut-2-en-1-thiol entstehen.5)<figure><img src="https://media.graphcms.com/GtdqcUnjSnK5ih481r8m"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Sensorisch wahrnehmbare Reaktionsprodukte der Proteinoxidation. Oben: 3-Methylbut-2-en-1-thiol; Mitte: Dimethyldisulfid; unten: Dimethyltrisulfid.</figcaption></figure>
In einigen EU-Ländern, nicht aber in Deutschland, dürfen Fisch und Geflügel zur Haltbarmachung mit ionisierender Strahlung behandelt werden. Dabei entsteht Dimethyltrisulfid, das sich beim Abbau der schwefelhaltigen Aminosäuren bildet.6) Es löst einen als „faulig“ beschriebenen Geruch aus.Neben dem Aroma ändern sich funktionelle Eigenschaften durch Proteinoxidation: Oxidationsinduzierte Quervernetzung vor allem aufgrund von Cystin mindert Zartheit und Saftigkeit von Muskelfleisch.7)Enzymatische antioxidativ wirkende Systeme sind in Lebensmitteln meist deutlich weniger aktiv als in lebenden Systemen oder durch die Verarbeitung (Hitzebehandlung, pH-Änderungen) inaktiviert. Somit unterliegen Proteine in verarbeiteten Lebensmitteln oxidativem Abbau stärker als unter physiologischen Bedingungen. Um die Lipidperoxidation zu hemmen, stehen Antioxidanzien zur Verfügung, die aufgrund ähnlicher Strukturen ähnlich schnell mit ROS reagieren wie Lipide und mesomeriestabilisierte Radikale bilden. Da manche Substrukturelemente von Proteinen, etwa Thiol- oder Thioethergruppen, jedoch schneller mit ROS reagieren, als es die meist fettlöslichen Antioxidanzien tun,9) können Antioxidanzien für Lipide Proteinoxidation nicht verhindern.Durch die verglichen mit der Lipidperoxidation geringen sensorischen Auswirkungen der Proteinoxidation können diese Reaktionen nützlich sein: Oxidationsinduzierte Quervernetzungsreaktionen, die in Fleischprodukten unerwünscht sind, wirken in Lebensmitteln wie Joghurt emulsions- und gelstabilisierend. So verbessert die Proteinoxidation beispielsweise die Textur veganer und vegetarischer Produkte auf Proteinbasis.10)<h2>Proteinoxidation: aufschließen und aufarbeiten</h2>Zu Konzentrationen von Produkten der Proteinoxidation in Lebensmitteln liegen bisher wenige Daten vor. Seit einigen Jahren steigt das Interesse an einzelnen oxidierten Aminosäuren und Substanzgruppen in Lebensmitteln, wobei darauf meist Methoden aus der Analytik der Proteinoxidation in vivo übertragen werden. Bisher wurden individuelle Strukturen meist nur mit geringen Probenzahlen erfasst.11,12) Für belastbare Expositionsabschätzungen wäre eine Ausweitung der Datenbasis nötig.Die Aufarbeitungsmethode ist entscheidend für die Aussagekraft von Analysen der Proteinoxidation. Um einzelne oxidierte Aminosäuren zu analysieren, ist es nötig, diese aus dem Proteinverband per Hydrolyse zu lösen (Abbildung 5). Hierzu dient meist die enzymatische oder salzsaure Hydrolyse.<figure><img src="https://media.graphcms.com/6B1Fg9hQNaxQU5sHIFiA"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Methoden, die oxidierte Aminosäuren erfassen. DNPH: 2,4-Dinitrophenylhydrazin.</figcaption></figure>
Gerade beim Übertragen von Methoden aus der physiologischen Chemie auf Lebensmitteluntersuchungen sind die Methoden für die jeweiligen Matrices zu validieren. Dies ist insbesondere bei der Untersuchung von Lebensmitteln mit stark divergierenden Matrixeinflüssen schwierig. Beispielsweise neigen Lebensmittelproteine, die bei hohen Temperaturen und alkalischen pH-Werten verarbeitet werden, zur kovalenten Quervernetzung. Hier stoßen enzymatische Hydrolysen an Grenzen.Manche Oxidationsprodukte sind nicht säurestabil, sodass Standardverfahren wie die salzsaure Hydrolyse sich nicht für diese Produkte eignen. Die salzsaure Hydrolyse kann dazu führen, dass ihre Reaktionsprodukte, etwa Methioninsulfoxid aus Methionin, in die Irre führen.<h2>Proteincarbonyle messen</h2>In der Vergangenheit wurden die Proteincarbonyle bestimmt, ohne die Grenzen ihrer Analytik ausreichend zu berücksichtigen. Die Bestimmung der Proteincarbonyle beruht auf der Reaktion von 2,4-Dinitrophenylhydrazin (DNPH) mit Carbonylgruppen am Protein, dies sind vor allem die Produkte Allysin und γ-Glutamylsemialdehyd (Abbildung 2, S. 55).13) Ein entscheidender Vorteil der Carbonylierungsanalytik: Es ist nicht nötig, das Protein zu hydrolysieren, was Artefakte verursachen kann. Allerdings gehen nur lösliche Proteine in die Analytik ein, und die Carbonylierungsanalytik erfasst nur einen Teil der Veränderungen, die durch Oxidation an Proteinen stattfinden. Nicht alle oxidierten Aminosäuren haben tatsächlich Carbonylstruktur (Abbildung 2).Die Autoren neuerer Publikationen erfassen daher vermehrt einzelne oxidierte Aminosäuren in Lebensmitteln.11,14) Es werden also die Gesamtgehalte einzelner Aminosäuren nach Hydrolyse des Proteins bestimmt und einzelne oxidierte Seitenketten identifiziert, die leicht oxidiert werden.Wie die Analyse individueller oxidierter Aminosäuren zeigt, ist in Lebensmitteln Methioninsulfoxid die dominierende oxidierte Aminosäure; unter physiologischen Bedingungen ist die Methioninoxidation deutlich geringer.11,14)Bis zu drei Viertel der Methioninreste können in Lebens- und Futtermitteln oxidiert vorliegen.2,12) Unter physiologischen Bedingungen mindern die Methioninsulfoxidreduktasen die Anreicherung von Methioninsulfoxid. Vermutlich unterscheidet sich aufgrund solcher Enzyme und aufgrund der Bedingungen, denen Lebensmittelproteine während der Verarbeitung ausgesetzt sind, das Spektrum oxidierter Aminosäuren in Lebensmitteln deutlich von dem lebender Systeme.<h2>Proteomik</h2>Eine andere Möglichkeit, einzelne Verbindungen zu analysieren, sind proteomikbasierte Methoden. Dabei werden Proteine enzymatisch zu Peptiden hydrolysiert, etwa mit Trypsin, flüssigchromatographisch getrennt und mit hochauflösender Massenspektrometrie identifiziert. Über eine bioinformatische Auswertungssoftware lässt sich der Oxidationsgrad der Peptide bestimmen, in Fragmentierungsspektren auch die Position der Oxidation und damit die einzelne oxidierte Aminosäure.15)Meist kommt diese Methode bei Milch, Milchprodukten, Fleisch und Fleischprodukten zum Einsatz. Wie sich gezeigt hat, ist das Spektrum der oxidierten Aminosäuren in Lebensmitteln deutlich größer, als bisher nach Totalhydrolyse von Proteinen ermittelt wurde.15)Die neueste Entwicklung der Redox-Proteomik verbindet die Markierung von Carbonylgruppen sowie die selektive Isolierung der Reaktionsprodukte mit hochauflösenden massenspektrometrischen Verfahren.16,17) Zudem lässt sich die Oxidation einzelner Proteine nachweisen, wenn diese zunächst elektrophoretisch getrennt und anschließend mit der Westernblot-Technik auf eine Membran übertragen werden. Dort werden sie dann mit Dinitrophenylhydrazin umgesetzt, und die dabei entstehenden proteingebundenen Hydrazone sind visuell oder immunchemisch nachweisbar.<h2>Effekte auf den Menschen</h2>Wie bei vielen chemischen Reaktionen in Lebensmitteln wird auch bei der Proteinoxidation diskutiert, ob sie Gesundheitsrisiken birgt. Einige Wissenschaftler meinen, die Aufnahme von Proteinoxidationsprodukten aus der Nahrung sei eine „lautlose Bedrohung der menschlichen Gesundheit”.18)Oxidierte Nahrungsproteine sind möglicherweise nicht vollständig verdaubar und übertragen eventuell oxidative Schäden auf den Menschen.2,18) Um hier Struktur-Wirkungsbeziehungen aufzustellen, ist es erforderlich herauszufinden, wie stark Menschen den einzelnen oxidierten Proteinen und Aminosäuren ausgesetzt sind. Dabei sind Oxidationsreaktionen einzuschließen, die erst im Verdauungstrakt stattfinden.<h2>Drei Fragen an den Autor: Michael Hellwig</h2>Welcher Trend ist in den letzten zwölf Monaten aufgekommen, den Sie so nicht erwartet haben?Die rasante Entwicklung der Möglichkeiten hochauflösender massenspektrometrischer Detektionsverfahren etwa für Screening-Analysen wie Authentizitätsbestimmungen. Die so gewonnenen Informationen sind gleichzeitig Ausgangspunkt für neue Hypothesen zu Bildung und Stabilität der detektierten Verbindungen.Ihre Forschung in 140 Zeichen?Mein Interesse gilt verarbeitungsinduzierten Reaktionen in Lebensmitteln sowie der Analytik und dem Metabolismus der gebildeten Strukturen.In welchem Gebiet erwarten Sie in diesem Jahr die größten Entwicklungen und warum?Dies sollte aufgrund der weltweiten Pandemiesituation in der Wirkstoffforschung sein.Michael Hellwig, Jahrgang 1979, ist Habilitand an der Technischen Universität Dresden, wo er 2011 in der Arbeitsgruppe von Thomas Henle promovierte. Es folgten Postdoc-Aufenthalte am Max-Rubner-Institut in Karlsruhe sowie am Centre Auvergne-Rhône-Alpes in Theix, Frankreich. Im Jahr 2019 erhielt er den Werner-Baltes-Preis des Jungen Wissenschaftlers der Lebensmittelchemischen Gesellschaft.<div><img src="https://media.graphcms.com/AfQN8C1mSlKy3LRBwXRV">

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<ul><li>
1 H. Sies, Redox Biol. 2015, 4, 180–183</li><li>
2 M. Hellwig, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 16742–16763</li><li>
3 P. Hägglund, M. Mariotti, M.J. Davies, Expert Rev. Proteomics 2018, 15, 665–681</li><li>
4 M. Hellwig, K. Löbmann, T. Orywol, J. Pept. Sci. 2015, 21, 17–23</li><li>
5 D.R. Cardoso, S.H. Libardi, L.H. Skibsted, Food Funct. 2012, 3, 487–502</li><li>
6 M.S. Brewer, Meat Sci. 2009, 81, 1–14</li><li>
7 M.N. Lund, M. Heinonen, C.P. Baron, M. Estévez, Mol. Nutr. Food Res. 2011, 55, 83–95</li><li>
8 Efsa Panel (NDA), EFSA J. 2016, 14, 4370</li><li>
9 M.J. Davies, Biochem. J. 2016, 473, 805–825</li><li>
10 S. Isaschar-Ovdat, A. Fishman, Trends Food Sci. Technol. 2018, 72, 134–143</li><li>
11 Z. Chen, F. Leinisch, I. Greco et al., Free Radic. Res. 2019, 53, 68–81</li><li>
12 M. Hellwig, J. Agric. Food Chem. 2020, accepted</li><li>
13 M. Utrera, D. Morcuende, J.-G. Rodríguez-Carpena, M. Estévez, Meat Sci. 2011, 89, 500–506</li><li>
14 M. Kölpin, M. Hellwig, J. Agric. Food Chem. 2019, 67, 8967–8976</li><li>
15 J. Meltretter, J. Wüst, D. Dittrich et al., J. Proteome Res. 2020, 19, 805–818</li><li>
16 J.M. Dyer, S. Clerens, A. Thomas et al., Int. Dairy J. 2017, 66, 56–60</li><li>
17 B. Mitra, R. Lametsch, T. Akcan, J. Ruiz-Carrascal, Meat Sci. 2018, 140, 134–144</li><li>
18 M. Estévez, Y, Xiong, J. Food Sci. 2019, 84, 387–396</li></ul>

Artikel

Trendbericht Lebensmittelchemie

Bei der Proteinoxidation sind nicht nur Mechanismen und Reaktionsprodukte interessant, sondern auch, wie sie sich auf funktionelle und sensorische Eigenschaften von Lebensmitteln auswirken. Massenspektrometrie ersetzt zunehmend die unspezifische UV- und Fluoreszenzspektroskopie. Und mit Targeted-...

Wenn Betrüger Haselnüsse mit Erdnüssen verfälschen und so einen höheren Preis erzielen, ist das ein lukratives Geschäft. Ob Lebensmittel authentisch sind, lässt sich anhand ihrer Metaboliten überprüfen, denn diese zeigen ein charakteristisches NMR-Spektrum.
Die wirtschaftlichen Schäden infolge von Lebensmittelbetrug, beispielsweise durch Umdeklaration des Herkunftslands oder durch Beimischungen von Lebensmitteln minderer Qualität, werden auf mehrere Milliarden Euro geschätzt.1) Zu den am häufigsten gefälschten Lebensmitteln gehören Olivenöl, Fisch, Lebensmittel aus biologischem Anbau, Honig, Kaffee und Fruchtsäfte. Bei vielen davon sind Verfälschungen mit der NMR-Spektroskopie erkennbar – so ist die Herkunfts- und Authentizitätsprüfung von Olivenölen und Säften mit NMR inzwischen ebenso etabliert wie die Unterscheidung zwischen Arabica- und Robusta-Kaffee.2–4)Die Zusammensetzung der Stoffwechselprodukte (Metaboliten) und insbesondere deren Konzentrationen unterscheiden sich innerhalb eines biologischen Systems je nach endo- und exogenen Einflüssen. Metabolomikstudien (Metabolomics) untersuchen alle Metaboliten in dem jeweiligen biologischen System. Die Metaboliten, die als Substrate, Zwischenprodukte und Produkte aller Stoffwechselprozesse auftreten, reflektieren also ein biologisches System in Abhängigkeit von seinem Zustand.5)Metabolomische Untersuchungen eignen sich nicht nur für klinische, toxikologische oder pharmakologische Studien, sondern auch für die Lebensmittelanalytik. Beispiele sind die Bestimmung der geografischen Herkunft oder der Produktionsweise (biologisch oder konventionell) von Lebensmitteln. Das Metabolom ändert sich auch während der Lagerung oder durch Schimmelpilzbefall; zudem lassen sich äußerlich nicht sichtbare Verfälschungsmittel erkennen.<h2>Fingerabdruck der Herkunft</h2>Für Metabolomikstudien haben sich insbesondere die Massenspektrometrie (MS) und die NMR-Spektroskopie durchgesetzt. NMR-Spektroskopie zeichnet sich durch unkomplizierte Probenvorbereitung aus, durch kurze Analysenzeiten, die hohen Probendurchsatz erlauben, sowie eine hohe Reproduzierbarkeit. Darüber hinaus geben NMR-Methoden Aufschluss über die Struktur der Metaboliten.6)Eine spezielle Methode metabolomischer Untersuchungen ist das Metabolic Profiling, also die Einteilung in Probengruppen anhand ähnlicher Metabolitenmuster. Für die Analyse der geografischen Herkunft von Lebensmittelproben werden zunächst NMR-Spektren der jeweiligen Einzelproben gemessen, um so ein für jede Probe individuelles Metabolitenprofil zu erhalten, vergleichbar mit einem Fingerabdruck.Zur Datenerhebung eignen sich zwar nahezu alle NMR-Experimente. Aber meist werden Protonenspektren aufgenommen, da sie eine kurze Messdauer haben, einfach auszuwerten sind und einen hohen Informationsgehalt aufweisen. Die Auswertung der NMR-Daten ist dann die wesentliche Aufgabe metabolomischer Untersuchungen. Man erhält ein NMR-Spektrum des Gemischs aller Metaboliten in der Probe, und dieses Gemisch ist durch starke chemische Diversität der Metaboliten und hohe Konzentrationsunterschiede gekennzeichnet. Durch chemisch sehr ähnliche Metaboliten kommt es zusätzlich zu Signalüberlagerungen.Die Unterschiede in den Probengruppen kommen häufig nicht durch An- oder Abwesenheit von Metaboliten zustande, sondern durch Unterschiede in den jeweiligen Konzentrationen. Um die Daten auszuwerten, dienen daher Verfahren der multivariaten Datenanalyse. Diese auf Algorithmen gestützten Auswerteverfahren machen über statistische und mathematische Methoden Unterschiede in den Probengruppen sichtbar.<h2>Beispiel Haselnüsse</h2>Wie multivariate Analyse von NMR-Daten funktioniert, zeigt das Beispiel Haselnüsse (Abbildung 1). Haselnüsse sind als hochpreisiges Lebensmittel durch Umdeklaration des Herkunftslands für Lebensmittelbetrug attraktiv.7) Dies gilt besonders für Jahre wie 2014, in dem es in der Türkei eine Missernte gab. 262 Haselnussproben aus Deutschland, Frankreich, Georgien, Italien und der Türkei lassen sich nach polarer Extraktion anhand der 1H-NMR-Spektren unterscheiden. Dabei zeigt bereits die Hauptkomponentenanalyse (PCA) eine räumliche Trennung der Probengruppen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/U7gHyJUpQuOwTY2OJSH8"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Haselnussproben liefern je nach Herkunftsland ein anderes 1H-NMR-Spektrum. Der Ausschnitt aus den Spektren zeigt den Bereich der organischen Säuren und Kohlenhydrate einer Probe aus Italien und einer Probe aus der Türkei. A: Die Hauptkomponentenanalyse von 262 Haselnussproben zeigt Cluster der Gruppen nach dem Herkunftsland. B: Ergebnisse einer Klassifizierung (lineare Diskriminanzanalyse) für ein Test-Set aus 90 Proben. Die Herkunft wurde für 96 Prozent der Proben richtig vorhergesagt (DE: Deutschland, FR: Frankreich, GE: Georgien, IT: Italien, TR: Türkei).</figcaption></figure>
Dennoch liegen die Proben sehr dicht zusammen, sodass für eine Unterscheidung der Probengruppen ein anderer Algorithmus gewählt werden muss. Hierfür kommen mehrere Algorithmen maschinellen Lernens in Frage, die ein Klassifizierungsmodell erstellen. Das neu erstellte Modell ordnete 96 Prozent der Haselnussproben, die zur Validierung genutzt wurden, dem richtigen Herkunftsland zu.Weitere Anwendungsgebiete solcher Klassifizierungsmodelle können beispielsweise die Unterscheidung von Lebensmitteln aus biologischem und konventionellem Anbau sein oder die Detektion von Zuckerbeimengungen, wie man sie bei Fruchtsäften oder Honig findet.8,9)<h2>Betrug mit Erdnüssen</h2>Als Lebensmittelbetrug kommt auch die Beimischung billigerer oder qualitativ minderwertiger Rohstoffe vor, um höhere Gewinne zu erzielen.10) So werden Nussprodukte mit Erdnüssen verfälscht, da sie preiswert und einfach verfügbar sind. Für Allergiker ist dies lebensbedrohlich.11,12) In verarbeiteten Produkten sehen Erdnüsse den teureren Haselnüssen oder Mandeln sehr ähnlich, und auch ihre chemische Zusammensetzung ist schwer zu unterscheiden. Erdnüsse werden beispielsweise gehackt oder gemahlen unter andere Nüsse gemischt, wie die Operation Opson VI von Europol und Interpol in den Jahren 2016 und 2017 ermittelt hat. Die Behörden beschlagnahmten 1,3 Tonnen Haselnüsse, die mit acht Prozent Erdnüssen verschnitten waren.13)Bei dem Vergleich von 1H-NMR-Spektren der polaren Extrakte unterschiedlicher Nüsse wie Mandeln, Haselnüsse, Walnüsse sowie Erdnüsse fällt das spezifische Signal im Spektrum der Erdnuss bei 3,05 ppm auf (Abbildung 2).14) Dieses Singulett ruft der Metabolit N-Methyl-trans-4-hydroxy-l-prolin (1) hervor und eignet sich dazu, Erdnussbeimengungen nachzuweisen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/WxM45VHBSiuoJKWzpkP4"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Beimengungen von Erdnuss sind anhand des chemischen Markers (1) nachweisbar, dessen N-Methyl-Gruppe bei 3,05 ppm im polaren Extrakt der Erdnuss (unteres Spektrum) ein Singulett zeigt. Das Spektrum der Haselnuss (oberes Spektrum) zeigt in diesem spektralen Bereich keine Signale. Eine unbekannte Probe (blaues Spektrum) kann nun auf den Marker untersucht werden: Die Probe ist ein Gemisch aus 90 Prozent Haselnuss und 10 Prozent Erdnuss und zeigt das Signal des Markers.</figcaption></figure>
Wie 1H-NMR-Spektren weiterer Extrakte von Erdnussproben aus unterschiedlich deklarierten Herkunftsländern (Ägypten, USA, Israel, Südafrika) zeigen, gehört der Metabolit zum chemischen Profil der Erdnuss und eignet sich somit als Marker. Zudem ist die Verbindung selbst nach sechs Stunden bei 180 °C und anschließender Extraktion noch im 1H-NMR-Spektrum zu erkennen. Da der Gehalt des Markers in den Erdnüssen natürlicherweise variiert, liegt die Nachweisgrenze bei einer Messzeit von zwei Minuten bei etwa vier Prozent Erdnussbeimengung. Mit längerer Messzeit sinkt jedoch die Nachweisgrenze. Die NMR-Spektroskopie ermöglicht so einen schnellen qualitativen sowie semiquantitativen Nachweis solcher Beimengungen in Lebensmitteln.<h2>Schimmel auf Haselnüssen</h2>Lebensmittel können beispielsweise durch lange Lagerung oder ungünstige Lagerbedingungen Schaden nehmen. Erhebliche Gefahr für die Gesundheit der Konsumenten geht von verschimmelten Lebensmitteln aus. So lösen Schimmelpilze und deren Sporen allergische Reaktionen und Asthma aus; zudem bilden sie Mykotoxine, die akut giftig oder krebserregend sein können.Ein Nachweis erfolgt meist mit LC-MS nach Affinitätsanreicherung. Solche Analysen sind spezifisch für bestimmte Substanzen oder Substanzgruppen, ein allgemeiner Nachweis ist aufwendig. Die Empfindlichkeit der NMR-Spektroskopie reicht nicht dafür aus, Mykotoxine direkt nachzuweisen. Metabolische Veränderungen, ausgelöst durch lange Lagerung oder Befall mit Schimmelpilzen, sind dagegen leicht zu beobachten.Ein Problem ergibt sich aus der Komplexität des biologischen Systems aus Wirts- und Schadorganismus, die zu starken Schwankungen in den Metabolitenkonzentrationen führen kann. Um chemische Marker für einen Verderb von Lebensmitteln zu finden, werden die zeitlichen Änderungen der Konzentrationen als Funktion der chemischen Verschiebung farblich codiert.Ein solcher Signal-Pattern-Plot wurde für die 14 Tage lange Inkubation von frischen Haselnüssen mit acht Schimmelpilzarten erstellt und mit einer Referenzprobe verglichen. Proben wurden dabei nach 0, 3, 5, 8, 11 und 14 Tagen genommen. Jede Probe weist ein spezifisches Signalmuster auf (Abbildung 3), Gemeinsamkeiten und Unterschiede sind auf einen Blick erkennbar.15)<figure><img src="https://media.graphcms.com/Itzt1PhdSVGJbInux3SO"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Der Signal-Pattern-Plot zeigt den Verlauf der Signaltrends (lineare Änderung) über einen Zeitraum von 14 Tagen als Funktion der chemischen Verschiebung. A: Einfärbung der Signale im realen Spektrum nach der Änderung der Signalintensitäten. B: Überführung in den Signal- Pattern-Plot, der jedes Signal vereinfacht als Kästchen darstellt. Bereiche ohne Signalintensität wurden im Signal-Pattern-Plot ausgespart. C: Ausschnitt der Ergebnisse nach Beimpfen von Haselnüssen mit acht Schimmelpilzarten im Vergleich zu einer Referenzprobe im Bereich von 1,90 bis 3,75 ppm. Auffällig ist die Entstehung von Betain mit dem Signal der N-Methylgruppen bei einer chemischen Verschiebung von 3,27 ppm in den verschimmelten Nüssen, aber nicht in der Referenzprobe.</figcaption></figure>
Durch den Schimmelbefall nehmen unter anderem die Intensitäten der Kohlenhydratsignale ab – Kohlenhydrate braucht der Schadorganismus, um zu wachsen. Auffällig ist das Signal der N-Methylgruppen von Betain (7) bei einer chemischen Verschiebung von 3,27 ppm, das in der Referenzprobe nicht zu erkennen ist. Es steigt bei allen vom Schimmel befallenen Proben. Daher könnte Betain (7) als chemischer Marker für Schimmelpilzbefall bei Haselnüssen dienen.Je nach Anwendungshäufigkeit kann es sich bei solch spezifischen Fragen anbieten, Benchtop-NMR-Spektrometer mit niedrigen Feldstärken zu verwenden, da ihre Anschaffungs- und Unterhaltskosten niedriger sind.16)<h2>Ausblick: biologische Ursachen, Zusatzstoffe, weitere Kerne</h2>Auch die Analyse anderer NMR-aktiver Kerne als 1H ist in der Lebensmitteluntersuchung vielversprechend. So lassen sich anhand von 31P-NMR-Spektren beispielsweise Phosphate nachweisen, die als Säureregulatoren zugesetzt werden, oder Ribonucleotide, die als Geschmacksverstärker fungieren.17)Die Methode der NMR-basierten Untersuchung der Metaboliten in Lebensmitteln befindet sich bereits im Prozess der Anwendungsentwicklung: in der Industrie für die Qualitätskontrolle des Wareneingangs sowie in amtlichen Überwachungszentren, um Lebensmittelbetrug entgegenzuwirken und aufzudecken.<h2>Die Autoren</h2>Den Beitrag haben Thomas Hackl (Foto), René Bachmann, Caroline Schmitt und Stephanie Watermann verfasst. Hackl leitet seit 2009 die NMR-Abteilung am Fachbereich Chemie der Universität Hamburg. Seit 2014 betreut er die Gruppe Food-NMR in Zusammenarbeit mit der Hamburg School of Food Science. Bachmann leitet die NMR-Abteilung des Landeslabors Schleswig-Holstein. Schmitt und Watermann promovieren über Authentizitätsbestimmung von Lebensmitteln.<div><img src="https://media.graphcms.com/q70ASKHKREy6cV26xGti">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Klassische 1H-NMR-Spektren eignen sich dazu, die Stoffwechselprodukte in Lebensmitteln zu untersuchen, um Veränderungen bei einzelnen Proben oder Unterschiede zwischen Proben zu erkennen.Anwendungsgebiete sind die Aufklärung von Lebensmittelbetrug oder die Untersuchung spezifischer Metaboliten.Damit eignet sich NMR-Spektroskopie, je nach Frage auch mit Benchtop-Geräten, für Anwendungen außerhalb der Forschungslaboratorien, beispielsweise in der Wareneingangskontrolle der Industrie oder in der amtlichen Lebensmittelüberwachung.
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1 <a href="https://ec.europa.eu/food/sites/food/files/safety/docs/ff_ffn_annual-report_2018.pdf" target="_blank">ec.europa.eu/food/sites/food/files/safety/docs/ff_ffn_annual-report_2018.pdf</a></li><li>
2 Y. B. Monakhova, W. Ruge, T. Kuballa et al., Food Chem. 2015, 182, 178–184</li><li>
3 <a href="https://bruker.com/de/products/mr/nmr-food-screening/juice-profiling.html" target="_blank">bruker.com/de/products/mr/nmr-food-screening/juice-profiling.html</a> (Stand 10.06.2020)</li><li>
4 <a href="https://eurofins.de/lebensmittel/food-news/food-testing-news/herkunftsbestimmung-von-olivenoel/" target="_blank">eurofins.de/lebensmittel/food-news/food-testing-news/herkunftsbestimmung-von-olivenoel/</a> (Stand 10.06.2020)</li><li>
5 J. Sotelo, C. M. Slupsky, Metabolomics in food and nutrition [Hrsg.: B. C. Weimer, C. Slupsky], Woodhead Publishing Limited, Davis, 2013</li><li>
6 A.-H. Emwas, R. Roy, R. T. McKay et al., Metabolites 2019, 9, 123–162</li><li>
7 R. Bachmann, S. Klockmann, J. Haerdter, M. Fischer, T. Hackl, J. Agric. Food Chem. 2018, 66, 11873–11879</li><li>
8 S. M. Ackermann, D. W. Lachenmeier, T. Kuballa, B. Schütz, M. Spraul, M. Bunzel, Magn. Reson. Chem. 2019, 57, 579–588</li><li>
9 P. I. C. Richardson, H. Muhamadali, Y. Lei, A. P. Golovanov, D. I. Ellis, R. Goodacre, Analyst 2019, 144, 1401–1408</li><li>
10 S. Klockmann, E. Reiner, N. Cain, M. Fischer, J. Agric. Food Chem. 2017, 65, 1456–1466</li><li>
11 F. D. Finkelman, Curr. Opin. Immunol. 2010, 22, 783788</li><li>
12 M. Esteki, Y. Vander Heyden, B. Farajmand, Y. Kolahderazi, Food Control 2017, 82, 31–41</li><li>
13 Europol/Interpol, Operation Opson VI – Targeting Counterfeit and Substandard Foodstuff and Beverage, 2017</li><li>
14 C. Schmitt, T. Bastek, A. Stelzer, T. Schneider, M. Fischer, T. Hackl, J. Agric. Food Chem. 2020, doi: 10.1021/acs.jafc.0c01999</li><li>
15 R. Bachmann, A. Jilani, H. Ibrahim et al., Anal. Bioanal. Chem. 2019, 411, 6857–6866</li><li>
16 A. P. Sobolev, F. Thomas, J. Donarski et al., Trends Food Sci. Technol. 2019, 91, 347–353</li><li>
17 W. Baltes, Lebensmittelchemie, Springer, Berlin, Heidelberg, 2000</li></ul>

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