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Authentizitätsprüfung von Lebensmitteln Isotope als unsichtbare Qualitätssiegel

Autor Christian Lüttmann

Kommt der Vanillegeschmack im Eis aus dem Labor oder der Vanilleschote? Und ist der Blütenhonig rein oder mit Zuckersirup gestreckt? Solche Fragen klärt die Stabilisotopenanalytik. Damit lassen sich natürlich vorkommende Isotope der Elemente nachweisen, die jedem Lebensmittel ein typisches, unsichtbares Etikett verleihen.

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Abb.1: Das Verhältnis der stabilen Kohlenstoffisotope wird zur Echtheitsprüfung von Lebensmitteln wie Honig genutzt (Symbolbild).
Abb.1: Das Verhältnis der stabilen Kohlenstoffisotope wird zur Echtheitsprüfung von Lebensmitteln wie Honig genutzt (Symbolbild).
(Bild: ©Konstantin; ©castecodesign - stock.adobe.com_[M]-Kübert)

Zum Frühstück ein Marmeladenbrötchen, nachmittags einen frisch gebackenen Blaubeermuffin mit einer Kugel Eis, abends herzhaft ins Leberwurstbrot beißen – und überall spielt Vanille mit. Ja, selbst in Wurst wird das Gewürz zur Geschmacksveredlung eingesetzt. Und edel ist es ohne Frage: Mit Spitzenpreisen von zeitweise über 700 Euro für ein Kilo Vanilleschoten gehört es zu den teuersten Gewürzen der Welt. Dies liegt u. a. daran, dass die Blüten aufwändig per Hand bestäubt werden müssen – und nicht zuletzt an der gewaltigen Nachfrage. Laut Verbraucherzentrale liegt der jährliche Bedarf an Vanille bzw. dem Hauptaromastoff Vanillin bei rund 37.000 Tonnen [5]. Dass Vanillearoma heute in so vielen Produkten enthalten ist, verdanken wir der chemischen Synthese des Aromastoffes. Bereits 1874 entwickelten die Chemiker Wilhelm Haarmann und Ferdinand Tiemann ein Verfahren, um aus dem Naturstoff Coniferin – enthalten z. B. im Saft von Nadelhölzern wie Koniferen – das begehrte Vanillin herzustellen [2].

Heute stammt industriell hergestelltes Vanillin häufig aus einem Prozess, der Reststoffe der Holz- und Papierindustrie nutzt. Das dabei anfallende Lignin wird in einem chemischen Verfahren in den wohlriechenden Duftstoff umgewandelt. Verglichen mit den handgeernteten Vanilleschoten ist das chemisch erzeugte Vanillin um ein Vielfaches günstiger. Dabei unterscheidet es sich chemisch gesehen nicht von dem Vanillin in der hochpreisigen Bourbon-Vanille: Jedes Atom in den Aromamolekülen ist genau an der Stelle, an der es sein muss. Könnte man das Molekül fotografieren, sähe es identisch aus, egal ob aus dem Rührkessel der Fabrik oder aus der Schote der Vanillepflanze. Das macht es zu einem attraktiven Ziel für Lebensmittelfälscher, die in ihren Produkten preiswert hergestelltes Vanillin als teures Bourbon-Vanillearoma deklarieren. Um ihnen auf die Spur zu kommen, eignet sich eine Methode, die Stoffe nicht nur nach ihren unterschiedlichen Größen und chemischen Eigenschaften auftrennt, wie es in der Chromatographie der Fall ist.

Chemisch gleich, und doch verschieden

Wie aber unterscheidet man Moleküle, die chemisch gesehen identisch sind? Möglich wird dies mit der Stabilisotopenanalytik (SIA). Hierbei macht man sich zu Nutze, dass einige chemische Elemente wie Kohlenstoff in verschiedenen Formen daherkommen, die zwar chemisch identisch sind, aber unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. So gibt es neben dem „Standard“-Kohlenstoff 12C u. a. auch das etwas schwerere 13C-Isotop, welches ein Neutron mehr im Kern hat. Diese Isotope lassen sich mittels Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS) in speziellen, hochsensitiven Massenspektrometern unterscheiden und quantitativ erfassen.

Im Gegensatz zu 14C, welches als instabiles Isotop mit der Zeit zerfällt und deshalb in der Radiocarbonmethode zur Altersbestimmung von Fossilien benutzt wird, ist 13C ein stabiles Isotop, das nicht von allein zerfällt. In der Natur ist daher in allen organischen Substanzen etwa jedes hundertste Kohlenstoffatom ein 13C. Dieses Verhältnis findet sich in Tieren und Pflanzen wieder, so auch in den Vanilleschoten und deren Vanillin-Molekülen.

Bei genauerer Analyse fällt jedoch auf, dass dieses Verhältnis nicht überall exakt gleich ist. Es unterliegt leichten Schwankungen. Und das Besondere ist: Diese Schwankungen sind nicht rein zufällig, sondern hängen von verschiedenen Effekten ab – etwa von den chemischen Reaktionen im Photosyntheseweg der Pflanzen. Weil schwerere Isotope geringfügig langsamer reagieren als ihre leichteren Varianten, kommt es durch chemische Umwandlungen im Stoffwechsel zu einer Isotopenfraktionierung. Das bedeutet: in den Stoffwechselprodukten ist etwas weniger des schweren Isotops enthalten als vor der Reaktion. „Das Isotopenverhältnis kann daher genutzt werden, um die Authentizität von Lebensmitteln nachzuweisen“, sagt Arne Dübecke vom Tentamus Center for Food Fraud. Wenn also die Vanille-Pflanze über Photosynthese und diverse biochemische Reaktionen aus dem Kohlendioxid der Luft ihr Vanillin produziert, ist der 13C Anteil darin kleiner als noch bei den Ausgangsstoffen. Industriell hergestelltes Vanillin wird hingegen meist aus dem petrochemischen Rohstoff Guajacol und über völlig andere Reaktionen hergestellt. Damit ergibt sich ein signifikant anderes Isotopenverhältnis als bei dem verstoffwechselten Produkt aus der Vanilleschote. Vergleicht man Vanillin-Extrakte mittels SIA, ist deshalb gut zu erkennen, ob eine Probe den natürlichen Aromastoff oder das naturidentische Pendant enthält. Ausgedrückt wird dies in relativer Abweichung δ13C[‰] zu einem international festgelegten Standard, dem Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB).

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Urzeitlicher Standard

Als internationaler Standard für die Stabilisotopenanalytik von Kohlenstoff dient der Pee Dee Belemnite (PDB). Dieser Wert beruht auf dem Isotopenverhältnis eines marinen Fossils der Kreidezeit, welches sich durch einen ungewöhnlich hohen 13C-Gehalt auszeichnet. Die meisten natürlichen Substanzen heute haben einen negativen Wert für δ13C, weil sie weniger 13C enthalten als das Kalziumkarbonat-Fossil. Weil das Fossil selbst nur begrenzt Material zur Verfügung stellt, hat die Internationale Atomenergie-Organisation IAO in Wien diesen Standard künstlich nachproduziert, bezeichnet als Vienna Pee Dee Belemnite (VPDB): (13C/12C)VPDB=0,011180 [1]

Der VPDB ist das Isotopenverhältnis eines marinen Fossils der Kreidezeit, welches sich durch einen ungewöhnlich hohen 13C-Gehalte auszeichnet. Die meisten natürlichen Substanzen haben einen negativen Wert für δ13C, weil sie weniger 13C enthalten als das Kalziumkarbonat-Fossil dieser urzeitlichen Kopffüßler, die der Gruppe der Belemniten angehören. „Anhand dieses Wertes kann man unterscheiden, ob das Vanillin wirklich aus der Schote kommt, ob es biotechnologisch gewonnen wurde oder komplett aus fossilen Chemikalien aus dem Labor stammt. Das ist jeweils an verschiedenen Isotopensignaturen erkennbar“, erklärt Food-Fraud-Experte Arne Dübecke.

LABORPRAXIS
LABORPRAXIS

Für Vanillin aus der Schote finden sich beispielsweise Werte von -21,5 bis -16,8 Promille, während industriell hergestelltes Vanillin aus Guajacol bei -36,2 bis -24,9 Promille liegt [3].

Zeig dein Isotop, und ich sag woher du kommst

Doch das ist nicht die einzige Aussage, die sich mit SIA treffen lässt, wie in Tabelle 1 gezeigt ist. Die Methode kann sogar helfen, die Herkunftsregion eines Produktes zu verifizieren. Denn je nach Standort unterscheiden sich die Isotopenverhältnisse des Kohlenstoffes, bedingt durch das Klima und die Zusammensetzung der Luft. So hat beispielsweise Vanillin von Tahiti mit -19,7 bis -15,9 ‰ ein anderes Isotopenverhältnis als das der Bourbon-Vanille von Madagaskar (-21,5 bis -19,2 ‰) [3].

Tabelle 1: Was aus Stabilisotopenverhältnissen abgeleitet werden kann
Tabelle 1: Was aus Stabilisotopenverhältnissen abgeleitet werden kann
(Bild: LABORPRAXIS)

Für geographische Vergleiche oft noch besser geeignet, sind die Isotopenverhältnisse in Wasser – also z. B. das Verhältnis der stabilen Sauerstoffisotope 18O/16O. Über Verdunstung gelangen die schweren Isotope mit dem Wasserdampf in die Luft und werden vom Wind aufs Festland getragen. Wenn der Wasserdampf zu Regentropfen kondensiert, geschieht das bei schweren Wassermolekülen minimal schneller als bei normalem Wasser, sodass sich die schweren Isotope in der Flüssigphase anreichern. Die Wolken werden also immer weiter von den schweren Isotopen reingewaschen, je weiter sie aufs Land ziehen. In Grundwasserproben ergibt sich so ein Gradient im Isotopenverhältnis von Sauerstoff, der von Küstenregionen zum Landesinneren hin immer stärker zu geringeren Isotopenkonzentrationen und damit kleineren δ18O verschoben wird (s. Abb. 2).

Abb.2: Die ständige Hauptwindrichtung (Pfeil) beeinflusst das Isotopenmuster des Grundwassers.
Abb.2: Die ständige Hauptwindrichtung (Pfeil) beeinflusst das Isotopenmuster des Grundwassers.
(Grafik: LABORPRAXIS; Daten: Agroisolab)

„Für genauere Aussagen zur Geographie zieht man auch Isotope von Wasserstoff, Stickstoff und manchmal Schwefel oder Strontium hinzu“, erklärt Dübecke. Es sei zudem hilfreich, wenn man sich ergänzend zu den Isotopen auch die Spurenelement-Profile mittels ICP-MS ansieht. „Wenn sich die Geologie verschiedener Probennahmestellen hinreichend unterscheidet, lässt sich mit so einer Kombination die Herkunftsregion gut auseinanderhalten“, sagt der Experte.

Keine Chance für Honigfälscher

Bei der Authentizitätsprüfung von Lebensmitteln muss es aber nicht immer um exotische Gewürze gehen. Auch die botanische und geografische Herkunft bei regionalen Produkten sind Merkmale, mit denen gelegentlich Falschaussagen gemacht werden. „Mit der Stabilisotopenanalytik kann man in vielen Fällen bestimmen, aus welcher Region ein Naturprodukt stammt. So hat das Chemische und Veterinäruntersuchungsamt Freiburg durch die Untersuchung von C-, H- und O-Isotopenverhältnissen in Spargel bei der Herkunftsfrage den Breisgau vom Bodensee unterschieden“, sagt Ulrike Burmester von Intertek Food Services. Die Fachleiterin hat sich auf die Echtheitsprüfung von Honig spezialisiert. „Die Basis für jede Authentizitätsuntersuchung bei Honig ist eine Probenahme direkt beim Imker. Anhand nachweislich authentischer Proben wird ein für Honig valider Bereich ermittelt, der auch sorten- und klimaspezifische Schwankungen berücksichtigt“, erklärt die Lebensmittelprüferin.

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Referenzdatenbanken: Chance und Hürde der Analytik

Für die Stabilisotopenanalytik ist Referenzmaterial unverfälschter Proben von großem Wert. Doch das zu bekommen, ist nicht unbedingt einfach, wie Arne Dübecke vom Tentamus Center for Food Fraud schildert: „Beim Aufbau der Bruker-Honigdatenbank hatten wir einen Fall, bei dem wir Referenzmaterial von einem langjährigen, zuverlässigen Partner bekommen haben. Unsere Routineanalyse mit AOAC 998.12 hat aber ergeben, dass dort 47 % Prozent Fremdzucker aus C4-Pflanzen wie Rohrzucker enthalten ist. Das zeigt: Selbst wenn der direkte Kontakt, der die Referenz bereitstellt, nichts Böses will, kann es sein, dass er schon jemand anderem auf den Leim gegangen ist.“

Eine weitere Schwierigkeit ist der Austausch von Daten. Zwar wäre eine gemeinsame Datenbank von Vorteil, sowohl was die Standardisierung als auch die Bandbreite der enthaltenen Proben betrifft. Doch bürokratische Hürden wie Datenschutz machen ein solches Unterfangen nahezu unmöglich. „Das Nationale Referenzzentrum für authentische Lebensmittel des Max-Rubner-Instituts für Ernährung und Lebensmittel hat bereits versucht, eine gemeinsame Basis für den Datenaustausch zwischen allen verschiedenen Bundesländern zu schaffen und ist gescheitert, da sich die unterschiedlichen Anforderungen der Bundesländer nicht auf einen Nenner bringen ließen. Von ganz Europa ist daher eine gemeinsame Datenbank erst Recht nicht zu erwarten“, meint Dübecke.

Trotz mancher bürokratischer Hürden wachsen bestehende Datenbanken immer weiter, und die Labore können im Bedarfsfall entsprechende Daten anfragen. Über solche Zusammenarbeiten gelingt es immer besser, möglichen Lebensmittelfälschungen auf die Spur zu kommen.

Neben der Zusammensetzung des Honigs interessiert v. a. die Zugabe von honigfremden Zuckern. Genauer gesagt: Ist der Honig wirklich rein aus dem Bienenstock gekommen oder wurde er mit Sirupen wie Maissirup gestreckt? Mit der Stabilisotopenanalytik bzw. der Isotope Ratio-Massspectrometry (IRMS) untersucht man in diesem Fall das Kohlenstoffisotopenverhältnis 13C/12C. Praktischerweise lässt sich Maissirup besonders gut mit der Stabilisotopenanalytik nachweisen. Denn er stammt von so genannten C4-Pflanzen, die über einen Reaktionsmechanismus CO2 aus der Atmosphäre binden, der mit beiden Kohlenstoffisotopen gleich schnell abläuft. Die daraus hergestellten Zuckermoleküle haben also ein Isotopenverhältnis, ähnlich dem des CO2. Honig hingegen basiert auf Blütennektar, den Bienen überwiegend von C3-Pflanzen sammeln. Diese Pflanzen nutzen einen Photosyntheseweg, der das 12C- signifikant schneller umsetzt als das 13C-Isotop. Dadurch wird im Vergleich zu den Zuckern aus C4-Pflanzen deutlich weniger 13C eingelagert. Das Isotopenverhältnis 13C/12C unterscheidet sich bei C4-Pflanzen wie Mais und C3-Pflanzen wie zahlreichen, von Bienen angeflogenen Blütenpflanzen daher messbar: Bei Honigen aus C3-Pflanzen liegt δ13C überwiegend im Bereich von -22,5 bis -27,5 Promille. C4-Pflanzen wie Mais oder Zuckerrohr liegen im Bereich von -9 bis -11 Promille.

Für die Honig-Prüfung gibt es seit 1996 die Standardmethode AOAC 998.12 von der Association of Official Analytical Chemists [4]. Dies ist bis heute die einzige offizielle Methode zum Testen von Honig. Dazu werden zunächst die im Honig enthaltenen Proteine im Labor gefällt und deren Isotopenverhältnis als Referenzwert für den jeweiligen Honig verwendet. „Die Protein-Isotope als internen Standard zu nehmen funktioniert deshalb, weil potenziell zugegebener Sirup in der Regel keine Proteine, wie Enzyme, enthält. Das Isotopenverhältnis des gefällten Proteins bleibt deshalb charakteristisch für den jeweiligen Honig, egal ob dieser gestreckt wurde oder nicht“, erklärt Burmester. Anders verhält es sich mit dem Gesamtwert δ13C: Wurde dem Honig z. B. Maissirup hinzugefügt, so ändert sich dieser Wert im getreckten Honig durch die zugefügten, honigfremden Zucker. Unterscheiden sich die Isotopenverhältnisse von Protein und Honig deutlich, so ist dies ein starkes Indiz dafür, dass Sirup zugesetzt wurde. „Mit der beschriebenen AOAC-Methode lässt sich der C4-Zuckergehalt in Honig berechnen. Als Bezugsgröße dient dabei der Isotopenwert von Maissirup“, ergänzt die Expertin.

Eine Methode allein macht noch kein Ergebnis

Wenn statt C4-Zucker aus z. B. Mais andere Zusätze wie C3-Sirupe aus Zuckerrübensaft beigemischt wurden, braucht es andere Methoden als die ursprüngliche AOAC 998.12. Denn die C3-Zucker können ein ähnliches Isotopenverhältnis aufweisen wie der Honig aus den C3-Blütenpflanzen, die Bienen vorwiegend anfliegen. Um auch hier Verfälschung aufzudecken, kommt die LC IRMS zum Einsatz. Dabei trennen Lebensmittelchemiker zunächst die Zuckerfraktionen mittels Flüssigchromatographie (LC) auf und untersuchen dann die Mono-, Di- und Trisaccharide mit einer angeschlossenen Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS). „Wurde dem Honig kein Fremdzucker zugesetzt, so sollten die Isotopenverhältnisse von Protein, Honig und Zuckerfraktionen sehr ähnlich sein. Wurde aber z. B. ein Saccharose-Sirup zugesetzt, so kann dieser Zusatz das Isotopenverhältnis der Disaccharide im Vergleich zu allen anderen Werten verändern. Genau nach diesen Differenzen suchen wir“, sagt Authentizitätsprüferin Burmester. „Aktuell gibt es allerdings so viele verschiedene Honige-Sirup-Kombinationen auf dem Markt, dass man mit einer Methode allein keine sichere Aussage über die Echtheit eines Honigs treffen kann“, betont sie. „Wir bei Intertek empfehlen die Stabilisotopenanalytik deshalb nur in Kombination mit weiteren Methoden wie NMR Profiling und LC HRMS.“ Mit einem solchen orthogonalen Ansatz verschiedener Analysetechniken ist es dann nur eine Frage des Investments, ob ein Lebensmittelbetrug aufgedeckt wird oder nicht.

Literaturtitel

[1] Q. L. Zhang, T. L. Chang, W. J. Li.: A Calibrated Measurement of the Atomic-weight of Carbon. Chinese Science Bulletin. Bd. 35, Nr. 4, 1990, S. 290–296.

[2] Tiemann, F., Haarmann, W., Ueber das Coniferin und seine Umwandlung in das aromatische Princip der Vanille. Ber. dt. chem. Ges. 7 (1874) 608 – 623, Beitrag in der Pharmazeutischen Zeitung

[3] Dameri, Renata Paola, Rosenthal-Sabroux, Camille: Herkunft und Authentizität von Vanillearomen, Lebensmittelchemie, Wiley VCH, 2010 / 03 Vol. 64; Iss. 2; DOI: 10.1002/lemi.201290001

[4] AOAC: C-4 Plant Sugars in Honey

[5] Verbraucherzentrale: https://www.verbraucherzentrale.de/wissen/lebensmittel/lebensmittelproduktion/vanille-vanilla-und-vanillearoma-in-lebensmitteln-was-sind-die-unterschiede-17708

* Christian Lüttmann, Redaktion LABORPRAXIS, E-Mail: Christian.luettann@vogel.de

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