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POPs in Supplements effizient und sicher bestimmen Persistente organische Verbindungen in Nahrungsergänzungsmitteln?

| Autor / Redakteur: Guido Deußing* / Dr. Ilka Ottleben

Nahrungsergänzungsmittel (Supplements) können mit Schadstoffrückständen belastet sein. US-amerikanische Applikationsexperten haben eine GC-MS/MS-Methode zum Nachweis einer Vielzahl persistenter organischer Verbindungen (POPs) in Nahrungsergänzungsmitteln entwickelt und in der Laborroutine etabliert.

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Abb. 1: Nahrungsergänzungsmittel sind ein boomender Markt.
Abb. 1: Nahrungsergänzungsmittel sind ein boomender Markt.
(Bild: ©Kunstzeug - stock.adobe.com)

Das Deutsche Ärzteblatt berichtete am 4. April 2019 in seiner Onlineausgabe, dass der Umsatz von Apotheken mit Nahrungsergänzungsmitteln in den zurückliegenden fünf Jahren bis 2018 im Schnitt um sechs Prozent gewachsen sei, und zwar auf einen Wert von rund 2,1 Milliarden Euro [1]. Supplements sind ein boomender Markt. Die Verbraucherzentrale spricht von 6000 neuen Präparaten pro Jahr, Tendenz steigend. Bei dieser Fülle könnte man Gefahr laufen, den Überblick zu verlieren, auch darüber, welche Zusätze bei der Herstellung verarbeitet wurden; was, wenn pflanzenbasierte Rohstoffe versehentlich mit der Ernte eingefahrene natürlicherweise toxische Stoffe enthalten, Pyrrolizidinalkaloide etwa [2]?

Die Entwicklung neuer Supplements bedarf aus Konsumentensicht einer besonderen Kontrolle: Die Qualität von Nahrungsergänzungsmitteln ist sicherzustellen, nicht zuletzt, weil „Ärzte und Ernährungswissenschaftler i.A.die Einnahme von Nahrungsergänzungsmitteln zur Unterstützung des Stoffwechsels und zur Verbesserung der Gesundheit empfehlen würden, ohne jedoch die darin enthaltenen Toxine zu berücksichtigen“, sind US-amerikanische Wissenschaftler vom Department of Chemistry and Biochemistry an der Duquesne University in Pittsburgh/USA überzeugt, und fokussieren dabei insbesondere auf langlebige organische Schadstoffe (Persistent Organic Pollutants, POPs).

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Derzeit gebe es allerdings keine Routinemethode für die Extraktion und quantitative Analyse von POPs in Nahrungsergänzungsmitteln, schreiben Hao et al. Diese Lücke zu schließen, haben sich die Forscher in Zusammenarbeit mit Applikationsexperten der in den USA beheimateten Firmen Gerstel, Inc. und Applied Isotope Technologies auf die Fahne geschrieben. Ihr Ziel war „die Entwicklung eines effektiven und effizienten Extraktions- und Analyseprotokolls für POPs in Nahrungsergänzungsmitteln, um die Produktqualität, die öffentliche Sicherheit und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften sicherzustellen“ [3].

Kein Medikament, sondern Lebensmittel

Zur größten Gruppe der Nahrungsergänzungsmittel gehören laut einer Studie der Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Universität in Hannover und der Gesellschaft für Konsumforschung GfK Mineralstoffe und Vitamine [4]. Herz- und Kreislaufpräparate oder Mittel für die Blasen- und Darmgesundheit werden als Nahrungsergänzungsmittel angeboten, und auch solche, die der Schönheitspflege oder der Stärkung von Muskeln, Gelenken und Nerven dienen. Rechtlich betrachtet [5], handelt es sich bei Nahrungsergänzungsmitteln nicht um Medikamente oder medizinische Erzeugnisse, sondern um Lebensmittel, gleichwohl in Supplements zunehmend auch Stoffe Anwendung finden, die bislang nur Arzneimitteln zugesetzt wurden und/oder bei denen Zweifel an ihrer Sicherheit bestehen, bemerkt die Verbraucherzentrale auf ihrer Homepage [6].

Weil Nahrungsergänzungsmittel keinem Zulassungsverfahren unterliegen und Festlegungen zu zugesetzten Stoffen und deren Höchstmengen in der Nahrungsergänzungsmittel-Verordnung [5] fehlen, obliegt den Landesüberwachungsbehörden die Verantwortung, die Einstufung der Produkte als Nahrungsergänzungsmittel sowie deren Wirksamkeit und Sicherheit in jedem Einzelfall zu bewerten sowie bestehende Mängel zu ahnden.

Das Problem langlebiger Chemikalien

Zur Wirk- und Inhaltsstoffkontrolle gesellt sich die Überwachung einer möglichen Schadstoffbelastung. Insbesondere Nahrungsergänzungsmittel natürlichen bzw. pflanzenbasierten Ursprungs können Chemikalienrückstände enthalten: Allein der Pestizideinsatz in der Landwirtschaft kann zu einer potenziellen Belastung von Agrarerzeugnissen führen und damit auch von pflanzenbasierten Supplements; insbesondere, wenn Rohstoffe aus Ländern importiert werden, deren Normvorgaben nicht den hierzulande geforderten Ansprüchen genügen.

Ein besonderes Problem stellen persistente (langlebige) organische Schadstoffe (POPs) dar. Hierzu zählt das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit eine Reihe von Pflanzenschutzmitteln wie Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT), Industriechemikalien wie polychlorierte Biphenyle (PCB) sowie die hochgiftigen Dioxine und Furane, die als unerwünschte Nebenprodukte in Produktions- und Verbrennungsprozessen entstehen. Alle diese Stoffe besäßen eine fatale Gemeinsamkeit: „Sie sind schwer abbaubar, reichern sich in der Nahrungskette an und haben unerwünschte Wirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt.“

Hinzu komme, dass sie über das Wasser oder die Luft weltweit verbreitet werden und zu einer zunehmenden Verschmutzung auch in wenig industrialisierten und besiedelten Gebieten führen. Das betreffe u.a. auch die kalten Polarregionen, wo Umweltproben und Lebensmittel deutlich höhere Konzentrationen dieser Chemikalien aufweisen“, heißt es auf der Homepage des Bundesministeriums [7].

POPs in Supplements bestimmen

Der Eintrag von POPs in Lebens- sowie Nahrungsergänzungsmittel scheint somit unvermeidbar. Was bedeutet, dass sich eine Kontamination natürlicher Erzeugnisse mit POPs nicht verhindern lasse, wohl aber sei ihre Höhe zu messen sowie durch entsprechende Tests Grenzwerte für Maximalbelastungen zu definieren und deren Einhaltung zu kontrollieren, sind Experten überzeugt. In Ermangelung einer geeigneten Routinemethode zum Nachweis von POPs in Nahrungsergänzungsmitteln haben sich Hao et al. an die Methodenentwicklung gemacht.

Orientierung bot den US-Wissenschaftlern eine von ihnen in Kooperation mit Kollegen vom Department of Biological Chemistry der Johns Hopkins University in Baltimore sowie Applikationsexperten von Agilent Technologies, Gerstel und Applied Isotope Technologies etablierte Methode zur Quantifizierung von POPs in Humanblut [7]. Sie basiert auf der Extraktion der Zielanalyten mittels Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE, Gerstel-Twister) gefolgt von der Thermodesorption sowie der anschließenden gaschromatographischen Trennung und Tandem-Isotopenverdünnungs-Massenspektrometrie (SBSE-TD-GC-MS-IDMS) der Analyten.

Die Forscher sind überzeugt, ihre Methode ermögliche eine genaue, präzise und empfindliche Quantifizierung von POPs in menschlichen Vollblutproben, und die IDMS-Messung liefere gegenüber Kalibriergeraden eine höhere Präzision und Richtigkeit, insbesondere bei niedrigen Konzentrationen. Die Verwendung der Tandem-GC/MS erlaube zudem im Vergleich zu klassischen GC/MS-Methoden die Realisierung niedrigster Bestimmungsgrenzen, schreiben Hao et al [8].

Anwendungsspezifische Details

Die von Hao et al. entwickelte und unter Einsatz realer Proben validierte Methode zur Quantifizierung von POPs in Supplements sieht verkürzt folgende Vorgehensweise vor: Ein Gramm Pflanzenextrakt in Pulverform wird in einem Probenfläschchen vorgelegt und mit einer Mischung aus 2 mL Acetonitril und 8 mL entionisiertem Wasser in Lösung gebracht. Hierin erfolgt die SBSE unter Verwendung eines PDMS-Twisters (Dauer: 1 Stunde, 1200 UpM). Der Twister wird der Probe entnommen, mit entionisiertem Wasser gespült, trockengetupft und in ein Desorptionsröhrchen überführt, das auf dem Probenteller des verwendeten Autosamplers (Gerstel-MPS in der Dualhead-Version) zur weiteren automatisierten Behandlung platziert wird.

Weitere Details der Analyse: Die Thermodesorption der Analyten erfolgt in der Thermodesorptionseinheit TDU 2 (Gerstel) bei 290 °C. Im Heliumgasstrom werden die Analyten in den -10 °C flüssigstickstoffkalten PTV-Einlass (Gerstel-KAS 6) des Gaschromatographen (Agilent 7890B) überführt und temperaturprogrammiert mit 12 °C pro Sekunde (Zieltemperatur: 300 °C) auf die GC-Säule (HP-5 MS, Agilent, 30 m × 0,25 mm Innendurchmesser, 0,25 µm Filmdicke) überführt. Als Trägergas dient Helium (1,2 mL/min). Der GC-Ofen wird mit 10 °C pro Minute von 40 °C auf 290 °C erhöht.

Nach der Elektronenstoßionisation wurden die Analyten mit dem Agilent Triple-Quadrupol-MS der Serie 7010 analysiert. Identifizierung und Quantifizierung der Analyten erfolgten im Multiple Reaction Monitoring (MRM). (MRM-Übergänge der Analyten und der Isotopenanaloga s. [6, Tab. 1]. Die Datenanalyse erfolgte mit der Masshunter-Workstation-Software (Agilent).

Erfolgreicher Einsatz in der Laborpraxis

Hao et al. haben nach eigenen Angaben eine genaue, präzise, sensitive und effiziente Quantifizierungsmethode für den Nachweis von POPs in Nahrungsergänzungsmitteln auf Basis von Pflanzenextrakten entwickelt. Zur Validierung verwendeten sie mit Referenzsubstanzen angereicherte Realproben. Um die Stichhaltigkeit ihrer Methode zu untermauern, wurde die IDMS mit einer Quantifizierung mittels Kalibriergeraden verglichen. Hierbei zeigte sich, dass IDMS Vorteile hinsichtlich Genauigkeit, Präzision und Effizienz der Analyse aufweist. Im Vergleich zu GC-MS war die GC-MS/MS zudem in der Lage, Analysen bei niedrigeren Nachweisgrenzen (LOQs) durchzuführen.

Die optimierte und validierte Methode wurde also verwendet, um POPs in zwölf in den USA im Handel erhältlichen Nahrungsergänzungsmitteln auf Basis von Pflanzenextrakten zu quantifizieren. PAK wie Naphthalin, Acenaphthen, Fluoren, Phenanthren, Fluoranthen, Pyren, Chrysen und Benzo[a]pyren wurden in den meisten Produkten nachgewiesen. DDT war das am häufigsten nachgewiesene OCP und wurde in acht Produkten gefunden. Im Durchschnitt wurden zwölf Analyten in jeder Probe mit einer mittleren Konzentration von 1,31 ng/g nachgewiesen. Diese Messungen wurden in die tägliche Aufnahmemenge umgerechnet und mit den bestehenden Richtlinien verglichen, berichten Hao et al. „Keiner der quantifizierten Analyten in den untersuchten Nahrungsergänzungsmitteln überschritt die für einzelne Toxine festgelegten Schwellenwerte“, schreiben die Forscher.

Allerdings seien die Wechselwirkungen mehrerer POPs in Supplements nach wie vor eine zu erforschende Fragestellung, insbesondere in Bezug auf Kinder und schwangere Frauen. Der mittlere Fehler von Messungen unter Verwendung ihrer Methode betrug 7,24 Prozent mit einer mittleren relativen Standardabweichung (RSD) von 8,26 Prozent. Die Anwendung von GC-MS/MS ermöglichte im Vergleich zur GC-MS etwa zwei Größenordnungen niedrigere Bestimmungsgrenzen.

Auf den Punkt gebracht: Ihre SBSE-basierte Methode eigne sich bestens, um eine Vielzahl von POPs in pflanzenbasierten Nahrungsergänzungsmitteln sicher nachzuweisen und hoch empfindlich zu quantifizieren.

Referenzen:

[1] Markt für Nahrungsergänzungsmittel wächst jährlich um sechs Pro-zent, aerzteblatt.de (4. April 2019), https://www.aerzteblatt.de/nachrichten/102188/Markt-fuer-Nahrungsergaenzungsmittel-waechst-jaehrlich-um-sechs-Prozent

[2] Guido Deußing, Giftkräuter analytisch im Griff, Laborpraxis 4 (2017) 70-72, https://www.laborpraxis.vogel.de/giftkraeuter-in-lebens-und-futtermitteln-analytisch-im-griff-a-599401/

[3] Hao et al., Quantification of Persistent Organic Pollutants in Dietary Sup-plements Using Stir Bar Sorptive Extraction Coupled with GC-MS/MS and Isotope Dilution Mass Spectrometry, GERSTEL Application Note No. 214 (2020), http://www.gerstel.de/pdf/AppNote-214.pdf

[4] Studie: Bewusster Umgang mit Nahrungsergänzungsmitteln, Lebens-mittelverband Deutschland (10.11.2015), https://www.lebensmittelverband.de/de/aktuell/20151110-studie-bewusster-umgang-verwendung-nahrungsergaenzungsmittel

[5] Verordnung über Nahrungsergänzungsmittel (Nahrungsergänzungs-mittelverordnung, NemV), http://www.gesetze-im-internet.de/nemv/__1.html

[6] Allgemeine rechtliche Aspekte zu Nahrungsergänzungsmitteln, Ver-braucherzentrale (23.04.2020), https://www.verbraucherzentrale.de/wissen/projekt-klartext-nahrungsergaenzung/informationen/rechtliches/allgemeine-rechtliche-aspekte-zu-nahrungsergaenzungsmitteln-13248

[7] POPs – (Persistet organic pollutants), Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit, https://www.bmu.de/themen/gesundheit-chemikalien/chemikaliensicherheit/pops/

[8] Hao et al., Quantification of Persistent Organic Pollutants in Human Whole Blood Samples Using Stir Bar Sorptive Extraction Coupled with GC/MS/MS and Isotope Dilution Mass Spectrometry, Microchemical Journal 153 (2020) 104279, https://doi.org/10.1016/j.microc.2019.104279.

[9] SW-846 Test Method 6800: Elemental and Molecular Speciated Isotope Dilution Mass Spectrometry, United Staes Environmental Protection Agen-cy (EPA), https://www.epa.gov/hw-sw846/sw-846-test-method-6800-elemental-and-molecular-speciated-isotope-dilution-mass

* G. Deußing Redaktionsbüro Guido Deußing, 41464 Neuss

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