TF-SPME als Erweiterung der klassischen Festphasenmikroextraktion Aroma an dünnen Schichten

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Gerstel GmbH & Co. KG

Redaktionsbüro Guido Deußing

Axel Semrau GmbH /Trajan Scientific and Medical

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Die Entwicklung der Solid Phase Microextraction (SPME) hat die Probenvorbereitung und Analyse von Spurenverbindungen nachhaltig beeinflusst. Die darauf basierende Dünnschicht-Festphasenmikroextraktion (TF-SPME) schließt Lücken, etwa in der herausfordernden Analyse von u. a. Aromastoffen in schwierigen fetthaltigen Lebensmitteln.

Schlangen sind sensorisch bestens ausgestattet, obgleich ihr Seh- und Hörvermögen vergleichsweise schlecht ausgebildet ist. Die Schuppenkriechtiere sind dennoch sehr gut in der Lage, ihre Beute aus großer Distanz zu orten. Mehr noch, Schlangen können sich ihre Mahlzeit buchstäblich auf der Zunge zergehen lassen, und zwar lange bevor sie den ersten Biss getan haben. Ihre feine, zweizipfelige Zunge spielt dabei eine wichtige Rolle: Während des Züngelns adsorbiert sie die von der Beute emittierten Geruchsstoffe aus der Luft und leitet sie weiter an das im Gaumendach sitzende Geruchsorgan, auch Vomeronasal- oder Jacobsonsches Organ genannt [1], das als Teil eines komplexen olfaktorischen Systems höchst empfindlich auf chemische Verbindungen reagiert.

Von Mutter Natur lernen

Ein der Schlangenzunge technisches Äquivalent findet sich in der chemischen Analytik, und zwar in Form der 1989 von Janusz Pawliszyn entwickelten lösungsmittelfreien Festphasenmikroextraktion [2], kurz SPME (Solid Phase Microextraction) genannt (s. LP-Info-Kasten). Mechanisch hohe Belastungen kann die SPME-Faser allerdings nicht verknusen, anders als die Zunge der Schlange: Während die Schuppenkriecher Beutetiere verschlingen können, die um ein Vielfaches größer und schwerer sind als sie selbst, droht die SPME-Faser zu brechen, wird sie in eine flüssige Probe getaucht, die etwa unter Einsatz eines Agitators in Bewegung versetzt und durchmischt wird. Erschwerend kommt hinzu: die SPME-Faser lässt sich ihrer schlanken Bauart wegen nur mit einer vergleichsweise geringen Menge Adsorbensmaterial beschichten. Das hat Einfluss auf die Anreicherungskapazität bzw. Extraktions­effizienz der SPME, was beim Nachweis von Spuren- und Ultra­spurenverbindungen in Betracht zu ziehen ist.

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Dem Bedarf angepasst

Die Dünnschicht-SPME (Thin Film Solid Phase Microextraction, TF-SPME), eine Weiterentwicklung der SPME, trägt diesem Umstand Rechnung. Durch eine Veränderung der Geometrie des Extraktionsmediums und einer damit verbundenen signifikant größeren Oberfläche, ist es gelungen, die Extraktionseffizienz und damit auch die Empfindlichkeit der SPME zu verbessern. Für die TF-SPME wird keine nadelartige Faser verwendet, sondern ein aus Kohlenstofffasern gewobenes und mit dem Absorbens imprägniertes Netz (20 mm x 4,8 mm), das sich am Verschlusskopf des Probengefäßes befestigen und sowohl im Dampfraum über der Probe positionieren als auch in die Probe eintauchen lässt, berichten Laurel Vernarelli, Jackie Whitecavage und John Stuff [5]. Das Anwendungsfeld der TF-SPME ist mit jenem der klassischen SPME vergleichbar, bietet aber für den Ultraspurennachweis etwa in der Lebensmittel-, Aroma-, Umwelt- und Bioanalytik Mehrwerte [5-12]. Die Handhabung gestalte sich dabei denkbar einfach, wie die Applikationsexperten der Gerstel, Inc. – der US-amerikanischen Tochtergesellschaft des in Mülheim an der Ruhr ansässigen Analysengeräteherstellers Gerstel – sagen: Nach der Extraktion wird das TF-SPME-Netz dem Probengefäß entnommen, bei Bedarf gespült, trocken getupft und in ein leeres Thermodesorptionsröhrchen überführt. Die Analyten werden lösungsmittelfrei thermisch desorbiert und analysiert. Auf Wunsch voll automatisch.

Blick auf technische Details

Vernarelli, Whitecavage und Stuff waren mit der Aufgabe betraut, Aroma- und Geschmacksstoffe in fettreichen Lebensmitteln wie dunkler Schokolade zu analysieren. Geschmackskomponenten zu bestimmen ist Teil der Produktentwicklung und gehört zur Qualitätskon­trolle, weil die Identifikation von Fehlaromen hilft, Produktmängel zu erkennen und zu beheben, schreiben die Forscher. Für die Probenvorbereitung wählten sie die TF-SPME, und zwar automatisiert (Gerstel-Multi-Purpose-Sampler, MPS), gefolgt von einer Thermodesorption (Gerstel-Thermal-Desorption-Unit, TDU 2) und Cryofokussierung (Gerstel-Kalt-Aufgabe-System, KAS 4) der Analyten mit anschließender GC/MS-Analyse (7890A GC, 5977B MSD, beide Agilent Technologies). Die Adsorbensphase bestand aus einer Mischung aus Divinylbenzol (DVB) und Polydimethylsiloxan (PDMS). Die GC-Trennung erfolgte im Fall der dunklen Schokolade mit einer Rxi-5Sil MS-Säule, in den drei anderen Anwendungsbeispielen mit einer DB WAX-Säule.

Auswertung der Analyse

Die von ihnen eingesetzte MPS-automatisierte TF-SPME mit anschließender KAS-Cryofokussierung und Thermodesorptions-GC/MS erlaube es, auf robuste, schnelle und sichere Art und Weise eine große Anzahl unterschiedlichster chemischer Verbindungen in Lebensmittelproben zu identifizieren und zu quantifizieren, schreiben Vernarelli, Whitecavage und Stuff [5]. Bei der TF-SPME-TD/KAS-GC/MS-Analyse von Zartbitterschokolade identifizierten sie eine Vielzahl flüchtiger und halbflüchtiger Aromastoffe wie Ester, Alkohole, Säuren, Aldehyde, Ketone und Furane. Sie wiesen auch Pyrazinverbindungen nach, die der Schokolade das typische kakaoartige und nussige Aroma verleihen, namentlich 2,5-Dimethyl-2-(3-methylbutyl)-pyrazin, 3-Ethyl-2,5-dimethylpyrazin, Tetramethylpyrazin (röstige Note) und 2,3,5-Trimethyl-6-ethylpyrazin. Weiterhin wiesen sie Essigsäure, Isovaleraldehyd, 2-Methylbutyraldehyd, 2,3-Butandiol, Tetrahydrofurfurylalkohol und alpha-Pinen nach.

Die TF-SPME-TD/KAS-GC/MS-Analyse von Blauschimmelkäse förderte Aldehyde, Alkohole, Ester, Säuren und Phenole zutage. 2-Pentanon, 2-Heptanon und 2-Nonanon zählten laut Auskunft der Applikationsexperten zu den dominanten Verbindungen, allesamt Abbauprodukte von Penicillium-Schimmel. Die Methylketone seien für den charakteristischen Geschmack von schimmelgereiftem Käse verantwortlich, schildern Vernarelli, Whitecavage und Stuff. Weiterhin wurden von ihnen sekundäre Alkohole wie 2-Pentanol, 2-Heptanol, 2-Nonanol sowie die Fettsäuren Butansäure, Hexansäure, Octansäure, Nonansäure und n-Decansäure detektiert.

In Caesar-Dressing ermittelten die Forscher Terpene/Terpenoide, Alkohole, Säuren und Aldehyde. Dominant seien das Konservierungsmittel Sorbinsäure und das Lösungsmittel Ethylacetat gewesen. Darüber hinaus fanden sich Terpene und Terpenoide, u. a. Pinen, Limonen, Phellandren und Caryophyllen, wichtige Aromastoffe, die in der äußeren Fruchtschicht von schwarzem Pfeffer vorkommen. Identifiziert wurden auch Fettsäuren wie Butan­säure, Hexansäure, Heptansäure, Octansäure und n-Decansäure, die vermutlich Parmesan und Romano-Käse entstammen, spekulieren Vernarelli, Whitecavage und Stuff.

Aufklärung wichtiger Details

Um einen Einfluss der Temperatur auf das Analysenergebnis zu ermessen, wurde Erdbeerfrischkäse auf zweierlei Weise analysiert: drei Stunden lang bei 40 °C und 16 Stunden bei 25 °C. Ansonsten gestalteten sich Probenvorbereitung und Messung ähnlich. Die Langzeituntersuchung bei annähernd Raumtemperatur brachte eine breite Palette von Verbindungen zutage, darunter Alkohole, Ester, Aldehyde, Säuren, Furane und Lactone. Das größte Signal lieferten das Ethylacetat, Ethylbutyrat, ein häufig verwendeter künstlicher Aromastoff für Lebensmittel mit Fruchtgeschmack, Ethyl-2-methylbutyrat, ein fruchtiger Aromastoff, und Acetoin, ein Lebensmittelaromastoff mit einem angenehmen, butterartigen Aroma.

Das Chromatogramm des nach dreistündiger TF-SPME bei 40 °C angereicherten Analytenprofils führte zudem Furfural, 2-Furanmethanol, Maltol, 3,5-Dihydroxy-6-methyl- 2,3-dihydro-4H-pyran-4-on und 5-Hydroxymethylfurfural vor Augen. Dies deutet darauf hin, schreiben Vernarelli, Whitecavage und Stuff, „dass sich TF-SPME gut für die Überwachung unerwünschter Maillard-Reaktionsprodukte eignet, die bei der Lebensmittelverarbeitung oder beim Erhitzen von Lebensmitteln entstehen können“. Mit anderen Worten: Die TF-SPME ermöglicht die Quantifizierung und Bewertung von Qualitätsmängeln, die im Zuge von Verarbeitungsprozessen entstehen oder durch Verpackungsmaterialien verursacht werden, und zwar mit minimalen Probenvorbereitungsaufwand.

Vielseitige Plattform

Die Dünnfilm-Festphasen-Mikroextraktion (TF-SPME) hat sich laut den US-amerikanischen Applikations­experten Laurel Vernarelli, Jackie Whitecavage und John Stuff als effiziente und robuste sowie einfach und sicher zu handhabende Technik zur Identifizierung und – unter Verwendung entsprechender Standards – Quantifizierung einer Vielzahl von Verbindungstypen in Lebensmittelproben erwiesen. Die von ihnen vorgestellte Methode [5] liefere schnell und sicher die Informationen, die für Qualitätskontrolle, Produktentwicklung, Fehlersuche oder Wettbewerbsanalyse erforderlich sind. Zusammenfassend lasse sich sagen, berichten die Forscher, dass die lösungsmittelfreie TF-SPME aufgrund der besonderen Phasengeometrie Extraktionszeiten verkürze und gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit gewährleiste. Zudem lasse sich die TF-SPME mit der Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE, Gerstel-Twister) kombinieren [6], was sich nicht nur positiv auf die Extraktionseffizienz auswirke sowie Zeit und Ressourcen spare, sondern obendrein ließen sich so auch die Mehrwerte beider Extraktionstechniken in einer einzigen Applikation erschließen.

Referenzen:

[1] Bauchot, Roland (Hrsg.), Schlangen, Naturbuch Verlag (1994)

[2] Catherine L. Arthur and Janusz Pawliszyn, Solid phase microextraction with thermal desorption using fused silica optical fibers, Analytical Chemistry 62, 19, 1990, 2145-2148, https://doi.org/10.1021/ac00218a019

[3] Böcker, Jürgen, Chromatographie: instrumentelle Analytik mit Chromatographie und Elektrophorese, 1. Auflage, Vogel Verlag (Laborpraxis), Würzburg 1997

[4] Ronald V. Emmons, Ramin Tajali und Emanuela Gionfriddo, Development, Optimization and Applications of Thin Film Solid Phase Microextraction (TF-SPME) Devices for Thermal Desorption: A Comprehensive Review, Separations 6, 39, 2019, http://doi.org/10.3390/separations6030039

[5] Laurel Vernarelli, Jackie Whitecavage und John Stuff, Analysis of Food Samples using Thin Film Solid Phase Microextraction (TF-SPME) and Thermal Desorption GC/MS, GERSTEL Application Note No. 202, 2019, www.gerstel.de

[6] Fred D. Foster und John R. Stuff, Determination of Hormones in Water by Back Extraction of TF-SPME-SBSE and LC-MS/MS, GERSTEL Application Note No. 220, 2021, www.gerstel.de

[7] Nicole C. Kfoury, Jaqueline A. Whitecavage und John R. Stuff, Comparison of Three Types of Thin Film-Solid Phase Microextraction Phases for Beverage Extractions, GERSTEL Application Note No. 219, 2021, www.gerstel.de

[8] Ray Marsili und Charles Raymond Laskonis, Evaluation of Sequential-SBSE and TF-SPME Extraction Techniques Prior to GC-TOFMS for the Analysis of Flavor Volatiles in Beer, Journal of the American Society of Brewing Chemists 77 (2019) 113-118, https://doi.org/10.1080/03610470.2019.1590070

[9] Dominika Gruszecka, Jonathan Grandy Emanuela Gionfriddo, VaroonSingh und JanuszPawliszyn, Direct immersion thin film solid phase microextraction of polychlorinated n-alkanes in cod liver oil, Food Chemistry 353 (2021) 129244, https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129244

[10] Ronald V. Emmons, Tiffany Liden, Kevin A. Schug und Emanuela Gionfriddo, Optimization of thin film solid phase microextraction and data deconvolution methods for accurate characterization of organic compounds in produced water, Journal of Separation Science 43 (2020) 1915-1924, https://doi.org/10.1002/jssc.201901330

[11] Jonathan J. Grandy, Khaled Murtada, João Raul Belinato, Paola Alejandra Ortiz Suárez und Janusz Pawliszyn, Development and validation of an improved, thin film solid phase microextraction based, standard gas generating vial for the repeatable generation of gaseous standards, Journal of Chromatography A 1632 (2020) 461541, https://doi.org/10.1016/j.chroma.2020.461541

[12] Vincent Bessonneau, Ezel Boyaci, Malgorzata Maciazek-Jurczyk und JanuszPawliszyn, In vivo solid phase microextraction sampling of human saliva for non-invasive and on-site monitoring, Analytica Chimica Acta 856 (2015) 35-45, https://doi.org/10.1016/j.aca.2014.11.029

* G. Deußing, Redaktionsbüro Guido Deußing, 41464 Neuss

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