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Tagging als Alternative zu Kjeldahl

Proteingehalt auf Knopfdruck

| Autor/ Redakteur: Ulf Sengutta* / Christian Lüttmann

Der Proteingehalt in Lebensmitteln ist nicht nur für den Endverbraucher eine wertvolle Information, er dient auch der Qualitätskontrolle bei der Produktüberwachung. Um diesen Parameter schnell und betrugssicher zu bestimmen, bietet sich eine Methode an, die spezifisch nur den Protein-Stickstoff bestimmt.

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Abb.1: Der Proteingehalt ist in vielen Lebensmitteln ein wichtiges Qualitätsmerkmal (Symbolbild).
Abb.1: Der Proteingehalt ist in vielen Lebensmitteln ein wichtiges Qualitätsmerkmal (Symbolbild).
(Bild: ©PhotoSG - stock.adobe.com)

Die häufigste Methode zur Bestimmung des Proteingehaltes von Molkereiprodukten war bisher die Kjeldahl-Methode. Sie ist lange erprobt und vielfach als Standard-Methode vorgegeben. Doch weil sie gewisse Nachteile in der Arbeitssicherheit und Aussagekraft der Ergebnisse mit sich bringt, sind schon seit geraumer Zeit Alternativen von den Anwendern gefragt.

Eine Schwäche der Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl ist, dass sie den Gesamtstickstoffgehalt der Probe erfasst, dabei aber keine Unterscheidung der Stickstoffquellen zulässt. Im Normalfall lässt sich zwar aus dem Gesamtstickstoffgehalt einer Probe der Stickstoffanteil der Proteine berechnen. Bei verfälschten Lebensmitteln (Adulterated Food) oder modifizierten Lebensmitteln (Modified Food) ergeben sich jedoch Probleme. Dies zeigte sich u.a. in Skandalen mit Hundefutter und Babymilch in den Jahren 2006 und 2009. Dort war die stickstoffreiche Substanz Melamin zugemischt worden, um einen höheren Proteingehalt der Produkte vorzutäuschen. Mit der Gesamtstickstoff-erfassenden Messung nach Kjeldahl war dies nicht zu erkennen.

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Auch die alternative Sickstoffbestimmung nach Dumas erfasst lediglich den Gesamtstickstoffgehalt. Und Messungen mithilfe der Nahinfrarot-Spektrometrie sind zwar spezifischer, müssen allerdings umfangreich kalibriert werden. Zudem können schon leichte Schwankungen der Probenzusammensetzung das Messergebnis nachhaltig beeinflussen.

Die Kjeldahl-Methode

Die Kjeldahl-Methode ist seit 1883 bekannt und beinhaltet zeitintensive Arbeitsschritte. Bis der Proteingehalt berechnet ist, dauert es einige Stunden. Zudem ist das Arbeiten mit siedender Schwefelsäure nicht gerade als angenehm zu bezeichnen. Im ersten Schritt beim Aufschluss wird die Probe mit einem Überschuss an Schwefelsäure in einem offenen Kolben gekocht. Dabei wird der Kohlenstoff im organischen Material zu CO2 oxidiert und Schwefelsäure zu SO2 reduziert. Der Stickstoff liegt danach als Ammoniumsulfat gelöst vor.

Im zweiten Schritt erfolgt die Wasserdampfdestillation, bei der zunächst durch Zugabe einer starken Base Ammoniak aus der Lösung getrieben wird. Dieses wird dann in eine Säurevorlage – üblicherweise Borsäure – eingeleitet und bildet dort Ammoniumborat. Dieses wird im dritten Schritt für die Bestimmung des Gesamtstickstoffgehaltes titriert: Für die direkte Titration von Borat verwendet man häufig ein Indikatorgemisch aus Methylrot und Methylenblau, welches im Sauren umschlägt. Das verbrauchte Volumen an Maßlösung kann schließlich in die Stickstoffmenge der Probe umgerechnet werden.

Dumas als Alternative

Eine Verbesserung hinsichtlich des Arbeitsschutzes und der Analysenzeit sollte die Dumas-Methode bringen. Diese Verbrennungsmethode wurde schon 1848 von dem französischen Chemiker Jean Dumas entwickelt. Hierbei wird das Probenmaterial bei hohen Temperaturen verbrannt und die entstehenden Verbrennungsgase analysiert. Kleine Einwaagen von festen oder flüssigen Proben werden durch die Verbrennung bei hohen Temperaturen und in Anwesenheit von Katalysatoren in ihre Oxide überführt. Die anfallenden Stickoxide (NOx) werden mittels Kupfer zu elementarem Stickstoff reduziert und die Nebenprodukte Wasser und Kohlendioxid vollständig abgetrennt. Der übrigbleibende Stickstoff wird mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor analysiert. Zwar kommt die Dumas-Methode im Gegensatz zu Kjeldahl ohne kochende Säure aus, dafür fallen nicht unerhebliche Mengen an Kupfer (Reduktionsmittel) und Katalysator an. Zudem werden viele kostenintensive Reinstgase für die Analyse benötigt.

Protein- statt Stickstoffgehalt

Eine alternative Methode der Stickstoffbestimmung soll die Nachteile von Kjeldahl und Dumas umgehen und schnelle, einfache und sichere Ergebnisse bringen. In dem Gerät „i-Tag Sprint“ von CEM erfolgt die Protein-/Eiweiß-Analyse direkt mittels einer speziellen Lösung und wird nicht durch Lebensmittelzusätze verfälscht. Die Verwendung von gefährlichen und umweltschädlichen Chemikalien entfällt somit. Die i-Tag-Lösung enthält Moleküle, die spezifisch an Aminogruppen binden. So markiert sie gezielt die Proteine einer Probe, während andere Stickstoffquellen ignoriert werden.

Zu Beginn der Analyse wird die Probe (Milch, Joghurt, Fleisch, Wurst, Mehl, Fertiggerichte etc.) in einen Becher eingewogen und in das Sprint-Gerät gestellt. Dieses gibt nun eine definierte Menge an i-Tag-Lösung zu der Probe und der eingebaute Homogenisierer durchmischt die Probenmischung. Während dieses Prozesses bindet die i-Tag-Lösung an den charakteristischen Molekülstellen der Proteine. Tagging (engl. Markieren) bedeutet das selektive Binden des Farbstoffes an den Aminosäuren des Eiweißes in der Probe. Diese Farbreaktion ist schon seit über 30 Jahren bekannt und ist offiziell anerkannt durch die American Association for Clinical Chemistry (AACC) und die Association of Official Analytical Chemists (AOAC).

Die unverbrauchte i-Tag-Lösung wird über ein Filtersystem aus der Probe entnommen und anhand ihrer charakteristischen Färbung im Sprint analysiert. Zeitgleich wird der Homogenisierer automatisch gereinigt und somit eine Kontamination mit der nächsten Probe verhindert. Nach typischerweise zwei bis drei Minuten ist die Analyse abgeschlossen. Als Abfall fallen lediglich etwas Reinigungswasser, einige Milliliter der nichttoxischen i-Tag-Lösung und der Probenbecher mit der eingewogenen Probe sowie dem Filtriervorsatz an.

Nach der Analyse gibt der Sprint den Proteingehalt am Bildschirm und bei Bedarf am eingebauten Drucker aus. Nun ist das Gerät bereit für die nächste Proteinbestimmung. Bei hohem Probendurchsatz können mehrere Sprint-Geräte miteinander gekoppelt werden.

Vergleich mit Kjeldahl

Als Ersatz für die Kjeldahl-Standardmethode sind vergleichbare Ergebnisse eine zwingende Voraussetzung. Studien an zertifizierten Referenzmaterialien zeigen, dass die i-Tag-Sprint-Methode diese Anforderung erfüllt. Darüber hinaus ist eine deutliche Verbesserung der Präzisionsdaten mit i-Tag Sprint zu beobachten. Die Tabellen 1 bis 4 zeigen beispielhaft Messergebnisse von Lebensmittelproben des Sprint-Systems im Vergleich zur Kjeldahl-Methode (s. Bildergalerie).

* Ulf Sengutta, CEM GmbH, 47475 Kamp-Lintfort

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