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Probenvorbereitung Aller Anfang ist schwer: Probenvorbereitung in der Lebensmittelanalytik

Autor / Redakteur: Petra Gerhards* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Gerade Lebensmittelproben sind für die Analyse häufig herausfordernd. Vor allem die richtige Vorbereitung für die nachfolgenden Methoden ist entscheidend. In diesem Beitrag finden Sie einige Tipps, wie die richtige Probenvorbereitung für bestimmte Proben aussieht.

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Abb.1: Obst wie Erdbeeren sind eine typische Lebensmittelmatrix und können mithilfe eines Standard QuEChERS-Röhrchen für die Analyse vorbereitet werden.
Abb.1: Obst wie Erdbeeren sind eine typische Lebensmittelmatrix und können mithilfe eines Standard QuEChERS-Röhrchen für die Analyse vorbereitet werden.
(Bild: Thermo Fisher Scientific)

Die Probenvorbereitung ist der entscheidende Schritt in allen Bereichen der Lebensmittelanalytik. Der personelle Aufwand ist hoch und oftmals wird dieser Schritt des Analyse-Prozesses unterschätzt, obwohl er einen sehr großen Einfluss auf das Ergebnis haben kann. Wer in der Lebens­mittelanalytik arbeitet, weiß wie schwierig es sein kann, die richtige Probenvorbereitung zu finden. Aber warum ist dieser Teil so arbeitsaufwändig und kompliziert?

Es beginnt mit der Probe selbst. Lebensmittelproben können sehr unterschiedlich sein, von Limonaden über Backwaren, Obst und Gemüse, Fleisch bis hin zu Milchprodukten, um nur einige zu nennen. Die große Vielfalt an Proben und Matrices sorgt für die Herausforderungen.

Dieser Artikel beschäftigt sich mit häufigen Problemen, die die Lebens­mittel-Matrix für den Analytiker bereithält. Es wird ein Überblick gegeben, welche Technik sich für welche Art der Matrix eignet.

Das Problem mit der Probenmatrix

Lassen Sie uns Milchprodukte als Beispiel nehmen. Die Gruppe der Milchprodukte beinhaltet ein breites Spektrum an Matrices. Milch enthält Milchzucker. Käse hat einen hohen Fettanteil. Zu Joghurt werden alle möglichen Geschmacksstoffe, Zucker und in einigen Fällen sogar Zuckeralkohole, zugesetzt.

Abb.2: Je nach Konsistenz der Probe (flüssig, fest oder pastös) sollten andere Probenvorbereitungsmethoden eingesetzt werden.
Abb.2: Je nach Konsistenz der Probe (flüssig, fest oder pastös) sollten andere Probenvorbereitungsmethoden eingesetzt werden.
(Bild: LABORPRAXIS, Quelle: Thermo Fisher Scientific)

Die Unterschiede in der Zusammensetzung der Milchprodukte müssen bei der Wahl der Probenvorbereitung berücksichtigt werden. Es wird noch komplizierter – beispielsweise sind die Nachweisgrenzen für dieselben Analyte in Säuglingsnahrung in der Regel sehr viel niedriger.

Oder denken Sie an Avocados und Erdbeeren – beides Früchte, deren Matrix sich aber komplett unterscheidet im Fett- und Wassergehalt.

Von der Probennahme bis zur Vorbereitung

So viele unterschiedliche Matrices es in der Lebensmittelanalytik gibt, so viele mögliche Probenvorbereitungen sind üblich! Viele sind vom Gesetzgeber reglementiert. Eine wässrige Probe benötigt eine andere Vorbereitung, als eine Matrix mit viel Fett oder Proteinen. Die Aufgabe der Probenvorbereitung ist es, die Analyte von der Matrix zu trennen, aufzukonzentrieren und dann so bereitzustellen, dass sie mit der angestrebten Analytik kompatibel sind und die notwendigen Nachweisgrenzen erreicht werden. Neben der Matrix bestimmen die Analyte und ihre chemischen Eigenschaften die Art der Probenvorbereitung.

Abb.3: Substanzgruppen und ihre Probenvorbereitung
Abb.3: Substanzgruppen und ihre Probenvorbereitung
(Bild: LABORPRAXIS, Quelle: Thermo Fisher Scientific)

Einen wesentlichen Einfluss auf die Ergebnisse hat aber auch, was immer mit der Probe passiert, bevor sie ins Labor kommt. Die Probennahme, die Aufbewahrung der Probe und der Transport spielen hier eine wichtige Rolle. Nach Möglichkeit sollten dabei keine Behälter aus Kunststoff verwendet werden, da dieser die Proben mit Phthalaten und anderen extrahierbaren Stoffen kontaminieren kann. Wichtig ist es, auf weitere Kontaminationsrisiken zu achten, wie z. B. Kreuzkontaminationen durch Schneidwerkzeuge bis hin zur Kontamination durch die Raumluft.

In der Regel müssen die Proben homogenisiert werden, um vergleichbare und zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Dies kann ein sehr zeitraubender Schritt sein. Im Falle einer flüssigen Probe ist es meist einfacher. Bei Früchten ist es weniger kompliziert, wenn die Schale vorher entfernt werden kann. Dies ist aber nicht immer möglich. Manchmal muss das Obst oder Gemüse in kleine Stücke geschnitten werden, wobei das Risiko besteht, dass die Temperatur während dieses mechanischen Prozesses zu hoch wird. Das wiederum führt dazu, dass Analyte wie Pestizide abgebaut werden und im Anschluss nicht nachgewiesen werden können. Gekühlte Kugelmühlen oder Trockeneis können hier eine Lösung sein, um den Verlust von Analyten während der Homogenisierung zu vermeiden.

Ein weiteres Risiko sind nicht ausreichend gereinigte Glasgefäße. Um hier eine Kontamination zu vermeiden, ist es empfehlenswert, für die Reinigung spezielle Geschirr- spüler für Laboratorien einzusetzen. Außerdem kann eine Trennung der Glasgeräte, die für niedrige oder hohe Konzentrationen verwendet werden, sinnvoll sein. Klebrige, fett- und/oder proteinhaltige Matrix kann Spuren auf den Glasgeräten hinterlassen. Und schon kann es zu einer Kreuzkontaminierung und in einigen Fällen zu falsch positiven Ergebnissen kommen.

Wie wird die Probe extrahiert und aufgereinigt?

Wenn die Proben fester oder öliger Natur sind, ist die Flüssig-Flüssig-Extraktion (Liquid-Liquid Extraction, LLE) ein guter Startpunkt. Zuerst müssen die interessierenden Komponenten aus der Matrix extrahiert werden und in eine Form überführt werden, die eine große analytische Kompatibilität erlaubt. Das hört sich nach einer universellen Lösung an, doch ist der Extrakt auch sauber genug?

Die nachfolgende Analytik kann leicht mit einer unsauberen Probe kontaminiert werden, was eine Reinigung des jeweiligen Systems erfordert. Das ist oft kosten- und zeitintensiv.

Ein weiteres Problem ist die Messung von extrem niedrigen Konzentrationen und hochkonzentrierter Extrakte auf ein und demselben Gerät. Hier kann ein ergänzender Probenvorbereitungsschritt weiterhelfen, z. B. in Form der Festphasenextraktion (Solid Phase Extraction, SPE). Natürlich ergeben sich hierdurch zusätzliche Kosten und ein erhöhter Arbeitsaufwand. Doch die erzielten Ergebnisse sind spezifischer und analytisch kompatibler. Je spezifischer die Probenvorbereitung, umso geringer sind die Nachweisgrenzen.

Die SPE eröffnet dem Anwender eine große Auswahl an Sorbentien, deren Einsatz sich nach den chemischen Eigenschaften der Matrix und der zu bestimmenden Analyte richtet. Ein anderer Lösungsansatz ist die gerade in der Lebensmittelanalytik weit verbreitete QuEChERS-Methode (Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, Safe, s. Abb. 1 und Infokasten). Hierbei handelt es sich um eine Fest-Flüssig-Extraktion (SLE). Manchmal muss aber auch hier anschließend über eine Festphasenextraktion (SPE) aufgereinigt werden.

Abb.4: Analyte und die entsprechende Analysenmethode
Abb.4: Analyte und die entsprechende Analysenmethode
(Bild: LABORPRAXIS, Quelle: Thermo Fisher Scientific)

Wenn Sie eine flüssige Probe haben, kann diese verdünnt und/oder derivatisiert werden und anschließend gleich in das chromatographische System injiziert werden. Nur sind Sie sich auch sicher, dass die Matrix Ihr System nicht kontaminiert? Auch hier gilt: je besser das Clean-Up, umso besser sind die Ergebnisse! Liegt der Fokus auf flüchtigen Substanzen, können Methoden wie die statische Headspace Analytik (HSS), die Solid- Phase-Microextraction (SPME) oder die Purge und Trap (P+T) Technik eingesetzt werden. Bei größerer Probenanzahl kann Automation ein Thema sein. Hier kann die beschleunigte Lösemittel-Extraktion (Accel­erated Solvent Extraction, ASE) genutzt werden.

Mit der Probe zum Analyse-Erfolg!

Es ist deutlich geworden, warum die geeignete Probenvorbereitung in der Lebensmittelanalytik so anspruchsvoll ist. Das Thema konnte hier nur oberflächlich betrachtet und an einigen Beispielen in seiner Komplexität veranschaulicht werden. Es gibt viele verschiedene Matrices und Lösungen, herausfordernd ist die Entscheidung, welche der Optionen man nutzen möchte.

Die Matrix, die chemischen Eigenschaften und die Konzentration des Analyten bzw. Nachweisgrenzen bestimmen die Auswahl der Probenvorbereitung. Das immer mit dem Ziel, eine schnelle, zuverlässige und ökonomische Lösung zu finden, die funktioniert. Dazu muss man manchmal das Quäntchen mehr Energie in die Probenvorbereitung stecken, um wirklich gute Ergebnisse zu erhalten – und dabei auch die weniger offensichtlichen Einflussfaktoren nicht außer Acht lassen.

Das Worst-Case-Szenario für ein Lebensmittellabor ist ein falsch negatives Ergebnis oder ein nicht bestandener Ringversuch. Neben dem Vertrauensverlust kann es in einigen Fällen dazu führen, dass dem Labor die Erlaubnis entzogen wird, bestimmte Analysen durchzuführen. Das möchte natürlich jeder tunlichst vermeiden. n

* P. Gerhards, Thermo Fisher Scientific GmbH, 63303 Dreieich

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