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Aromaanalytik Modifikation des GC beschleunigt Analyse von Aromen

Autor / Redakteur: Guido Deußing* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Lebensmittelproduzenten investieren große Summen in die komplexe Aromaanalytik, um ein gleichbleibendes Geschmacks- beziehungsweise Geruchsprofil ihrer Produkte zu gewährleisten. Das Research Institute for Chromatography (RIV) von Prof. Pat Sandra im belgischen Kortrijk hat nun als modifizierte GC eine HS-SPME-CGS-MSD-Methode entwickelt, mit der sich das Screening von Aromen erheblich beschleunigen lässt.

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Abb. 1 Das RIC verwendete zur Fast-GC-Analyse von Aromen aus Apfelproben einen GC 6890 in Verbindung mit einem MSD 5975, beide von Agilent Technologies. Der GC wurde für die schnelle Trennung mit einem Mach-Modul von Gerstel ausgestattet. Die Probenvorbereitung erfolgte automatisiert mit einem Gerstel-Multi-Purpose-Sampler (MPS), ebenso die Probenaufgabe in den GC-Injektor; hierbei handelte es sich um ein Gerstel-Kalt-Aufgabe-System (KAS). Im Bild zu sehen ist das Nachfolgemodell des GC 6890, ein GC 7890 mit Doppel-MACH-System.
Abb. 1 Das RIC verwendete zur Fast-GC-Analyse von Aromen aus Apfelproben einen GC 6890 in Verbindung mit einem MSD 5975, beide von Agilent Technologies. Der GC wurde für die schnelle Trennung mit einem Mach-Modul von Gerstel ausgestattet. Die Probenvorbereitung erfolgte automatisiert mit einem Gerstel-Multi-Purpose-Sampler (MPS), ebenso die Probenaufgabe in den GC-Injektor; hierbei handelte es sich um ein Gerstel-Kalt-Aufgabe-System (KAS). Im Bild zu sehen ist das Nachfolgemodell des GC 6890, ein GC 7890 mit Doppel-MACH-System.
( Archiv: Vogel Business Media )

Es gibt nur wenige Früchte, denen der Mensch so viele unterschiedliche Bedeutungen beimisst wie dem Apfel. Er symbolisiert gleichermaßen Fruchtbarkeit und Liebe, Sünde und Schmach, Zank und Streit. Lässt man Mythologie, Volksglaube und christliches Gedankengut aus dem Spiel, ließe sich noch sagen, der Apfel ist gesund und lecker, vorausgesetzt, er besitzt die Genussreife, die selbst Laien erfolgreich durch Inaugenscheinnahme erkennen können: Ein reifer, wohlschmeckender Apfel weist eine gut entwickelte, breite Kelchpartie auf; sie befindet sich auf der dem Stil gegenüberliegenden Seite, sozusagen am Südpol des Apfels. Die Kelchhöcker liegen weit auseinander und bilden eine weite und tiefe Kelchgrube. Nur ein derart gewachsener Apfel entwickelt sein sortentypisches Aroma; aromatisch unterentwickelte Äpfel besitzen eine enge und flache Kelchgrube. Dieses optische Merkmal, das sich auf den ersten Blick erkennen lässt, erleichtert die Wahl beim Einkauf, schafft jedoch keine Sicherheit im Sinne einer hinreichend wissenschaftlichen Exaktheit, die etwa bei der industriellen Verarbeitung der Früchte erforderlich ist. Hierfür bedarf es einer anderen, technischen Vorgehensweise, etwa des Einsatzes der Gaschromatographie in Verbindung mit der massenselektiven Detektion (GC/MSD).

Reizvoll an der optischen Beurteilung einer Frucht ist die Geschwindigkeit, mit der Fachmann wie Laie zu einem Ergebnis kommen. Diese Geschwindigkeit ist mit der instrumentellen Analytik, obgleich exakt und reproduzierbar, nicht schlagbar. Die Dauer der Aromaanalyse nachhaltig zu reduzieren und effizienter zu gestalten, war das Ziel von Prof. Pat Sandra vom Research Institute for Chromatography (RIC) im belgischen Kortrijk. Durch Einsatz eines speziellen Säulenheizmoduls für Kapillar-GC-Säulen gelang es dem Wissenschaftler, die Analyse der in einem Apfel enthaltenen Aromen im Vergleich zu herkömmlichen Vorgehensweisen um den Faktor 10 zu beschleunigen und die Zykluszeit auf 4,5 Minuten zu verkürzen.

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Mehr Leistung durch Modifikation des GC

Die Geschwindigkeit einer kapillar-gaschromatographischen Analyse lässt sich insbesondere erhöhen, wird die Säulentemperatur auf schnelle Art und Weise gesteigert. Allerdings spielen auch andere Faktoren in der so genannten Fast-GC eine wichtige Rolle. So bedarf es etwa relativ kurzer Säulen mit kleinem Innendurchmesser sowie eines Injektors mit kleinem Volumen, der die Möglichkeit bietet, die Probe im Splitmodus und sehr schnell in ein schmales Band auf die Säule zu bringen. Um darüber hinaus die Probe durch den geringeren Querschnitt der Säule befördern zu können, muss der Druck über das herkömmliche Maß einer üblichen GC-Anwendung gesteigert werden; nicht jedes Standardsystem ist dazu in der Lage. Ferner wird ein MSD benötigt, der der hohen Trenngeschwindigkeit mit einer adäquaten Messfrequenz begegnen kann. Das RIC verwendete für die Analyse der Apfelaromen eine Kombination bestehend aus GC 6890 sowie einen MSD 5975 von Agilent Technologies. Um schnelle Heizraten zu realisieren, war der GC mit dem Modular-Accelerated-Column-Heater (MACH) von Gerstel ausgestattet, einem speziellen Säulenheizmodul für Standard-Kapillarsäulen, dass mit Heizraten von bis zu 1800 °C pro Minute arbeitet; die Abkühlung von etwa 240 auf 40 °C erfolgt innerhalb von 30 Sekunden.

„Mach basiert auf der so genannten Low-Thermal-Mass-Technology (LTM): Der Aufbau ist nahezu frei von Isoliermaterialien, Metallplatten oder Totvolumina, die im Verlauf eines Temperaturprogramms mit erhitzt beziehungsweise abgekühlt werden müssten. Ansteuern lässt sich das Modul aus der Chem-Station von Agilent Technologies“, beschreibt Andreas Hoffmann. Um Missverständnissen vorzubeugen, klärt der Applikationsexperte von Gerstel auf, „nicht die GC-Ofentür wird aufgebohrt, sie wird ausgetauscht gegen eine für bis zu vier Mach-Module vorbereitete Tür.“ Nur rund 30 Minuten etwa dauere es, bis ein GC 6890 oder GC 7890 auf die neue Heiztechnik umgerüstet und voll funktionsfähig sei. „Das Säulenheizmodul wird einfach durch einen Schlitz von außen in der Tür montiert statt im Innern des GC-Ofens. Vorteil dieser Bauweise: Die für die Analyse notwendige höchste Temperatur lässt sich isotherm betreiben. Es müssen keine besonderen Schritte unternommen werden, die Enden des Injektors und des Detektors innerhalb des Ofens zu heizen“, betont Hoffmann.

Probenvorbereitung im MPS automatisiert

So gingen die Wissenschaftler vom RIC vor: Sie schälten einen Apfel und pürierten das Fruchtfleisch in einem Mixer. Zehn Gramm des resultierenden Kompotts wogen sie in 20-mL-Headspace-Vials, die verkapselt und auf dem Probenteller des Gerstel-Multi-Purpose-Samplers (MPS) gestellt wurden; alle weiteren Schritte der Probenvorbereitung, die so genannte Headspace-Solid-Phase-Micro-Extraction (HS-SPME), sowie die Probenaufgabe erfolgten automatisiert mit dem MPS.

Die SPME-Faser, beschichtet mit 100 µm Polydimethylsiloxan (PDMS), wurde für die Dauer von rund fünf Minuten in die Gasphase der Probe getaucht; die Temperatur betrug 25 °C. Die Desorption im Injektor erfolgte bei 250 °C für die Dauer von 30 Sekunden. Um die Produktivität zu erhöhen, wurde der MPS in den Modus „sample prepahead“ eingestellt; Probenvorbereitung und GC-Analyse verliefen so verschachtelt: Während die Probe analysiert wurde, erfolgte die SPME der nachfolgenden Probe, die just-in-time aufgegeben werden konnte, wenn der GC für den neuen Lauf heruntergekühlt und zu Analyse bereit war.

Der Injektor, ein Kalt-Aufgabe-System (KAS) von Gerstel, war mit einem deaktivierten Liner von 1,5 mm Innendurchmesser ausgestattet und arbeitete im Splitmodus mit einer Splitrate von 3:1. Als Trägergas kam Helium zum Einsatz, der Druck betrug konstant 390 kPa. Der Säulenfluss am Anfang wurde auf 0,8 mL/min eingestellt, was dafür sorgte, dass der Fluss im Liner auf drei Milliliter pro Minute anstieg. Dies ermöglichte den schnellen Transfer der gelösten Stoffe auf die Säule. Die Empfindlichkeit genügte den Anforderungen der Qualitätskontrolle.

Vom Injektor führte eine 20 cm lange Kieselglassäule mit 100 µm Innendurchmesser durch den GC-Ofen, der auf konstant 250 °C eingestellt war, zum Eingang der Trennsäule im Mach: Bei der Säule im MACH-Modul handelte es sich um eine 10 m x 100 µm Innendurchmesser, 1 µm DB 1-MS Kapillare. Vom Säulenausgang führte eine 50 cm lange deaktivierte Kieselglassäule mit einem Innendurchmesser von 100 µm wiederum durch den mit 250 °C isotherm geheiztem GC-Ofen zum MSD. Beide Transfersäulen waren mit Anschlusstücken, die über ein geringes Totvolumen verfügten, mit der Kapillarsäule verbunden.

Profil der Aromen in drei Minuten mit einer Zykluszeit von 4,5 Minuten

Das MACH-Modul wurde mit folgendem Temperaturprogramm betrieben: Von 25 °C ausgehend wurde die Temperatur mit 50 °C/min auf 105 °C gesteigert, dann unverzüglich mit 250 °C/min weiter bis zur Endtemperatur von 250 °C; sie wurde für die Dauer von 30 Sekunden gehalten. Die Temperatur der Transfersäule betrug konstant 250 °C. Die Temperatur der MSD-Quelle und des Quadrupols betrug 230 °C beziehungsweise 150 °C. Der MSD wurde im Scan-Modus betrieben im Bereich von 33 und 300 m/z; die Daten wurden mit einer Frequenz von 21 Hz aufgezeichnet.

„Im Gegensatz zum klassischen GC-Ofen, kühlt das Mach-Modul die GC-Säule innerhalb von Sekunden ab und gewährt damit Zykluszeiten von wenigen Minuten. Das gesamte Profil der Apfelaromen lag nach drei Minuten vor, und das GC/MS-System war in der Regel nach 4,5 Minuten wieder für den nächsten Lauf bereit“, schreiben die Wissenschaftler des RIC. Die Peakweite in halber Peakhöhe betrug für die meisten flüchtigen Verbindungen wie Hexan, Butanol und Popylazetat etwa 0,010 bis 0,014 Minuten beziehungsweise 600 bis 780 Millisekunden und für alle anderen Verbindungen zwischen 0,005 und 0,007 Minuten beziehungsweise 300 bis 420 Millisekunden. Für die schnellsten Peaks – die Peakweite an der Basislinie betrug 0,01 Minuten – wurden mehr als zehn Messpunkte aufgezeichnet, womit zuverlässig quantifiziert werden konnte.

*G. Deußing, ScienceCommunication Redaktionsbüro, 41464 Neuss

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