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Massenspektrometrie

PTR-MS hilft beim Aroma-Design und der Lebensmittelsicherheit

| Autor/ Redakteur: Philipp Sulzer*, Simone Jürschik**, Lukas Märk*, Tilmann D. Märk* / Dr. Ilka Ottleben

Die Protonen-Tausch-Reaktion-Massenspektrometrie (PTR-MS) ist mittlerweile eine etablierte Technologie in der Lebensmittelanalytik. Ein neues Einlasssystem verbessert nun ihren Einsatz zur Analyse der Geschmacks- und Aromaentfaltung.

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Abb. 1:Schematische Darstellung eines PTR-TOF-8000-Instruments mit Ionenquelle zur Erzeugung von wahlweise H3O+, NO+ und O2+, Drift-Röhre in der der Protonentausch bzw. Ladungstausch stattfindet und TOF-Massenspektrometer (v.l.) (Bild: Ionicon)
Abb. 1:Schematische Darstellung eines PTR-TOF-8000-Instruments mit Ionenquelle zur Erzeugung von wahlweise H3O+, NO+ und O2+, Drift-Röhre in der der Protonentausch bzw. Ladungstausch stattfindet und TOF-Massenspektrometer (v.l.) (Bild: Ionicon)

Bei der Protonen-Tausch-Reaktion (PTR) handelt es sich um ein hocheffizientes und fragmentationsarmes Ionisierungsverfahren (mittels Protonentausch von H3O+ zum Spurengasmolekül), das ursprünglich von Wissenschaftlern am Institut für Ionenphysik der Universität Innsbruck entwickelt wurde [1]. Das PTR-MS-Prinzip wurde vom 1998 gegründeten Spin-Off-Unternehmen Ionicon Analytik kommerzialisiert und von diesem Zeitpunkt an, in Form eines kontinuierlich wachsenden Produktportfolios weltweit vertrieben. Die technische Umsetzung sowie grundlegende Prinzipien wurden seither stetig weiterentwickelt und verbessert.

Als Beispiele können das Vordringen in den ppqv-Bereich (parts-per-quadrillion) [2], das Umschalten der Primärionen von H3O+ auf NO+ und O2+ [2] und die Einführung von Flugzeitmassenspektrometern (time-of-flight; TOF) [3] genannt werden. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung eines aktuellen, auf TOF-Massenspektrometrie basierenden Instruments (PTR-TOF 8000).

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Ein Gerät, das bei einer typischen Reaktionszeit von unter 100 ms und sehr hoher Sensitivität ein breites Spektrum an Stoffen in Echtzeit quantifizieren kann, ist nicht nur für Atmosphärenchemiker und Umweltphysiker, sondern ganz besonders auch für Lebensmittelanalytiker interessant [4-6].

Erste PTR-MS-Studien befassten sich mit der VOC-Emission von unterschiedlichsten Nahrungsmitteln, von Knoblauch und Früchten bis hin zu Kaffee, Käse, Joghurt, Pudding, Soja und Babynahrung. Besondere Beachtung fanden jeweils Applikationen, bei denen hohe Zeitauflösung eine große Rolle spielt, also insbesondere zeitabhängige Vorgänge wie das Rösten und Aufbrühen von Kaffee, sowie die Geschmacks- und Aromaentfaltung im Nasen- und Rachenraum während des Essens. Aber auch kontinuierlich zu beobachtende Langzeitstudien wie der Verderb von Fleisch oder der Qualitätsverlust durch Oxidation von z.B. Olivenöl konnten mittels PTR-MS durchgeführt werden.

Aroma-Design per PTR-MS

Neben klassischem Fingerprinting auf der einen und der genauen Analyse der im Lebensmittel enthaltenen Substanzen auf der anderen Seite, stieß auch die Verknüpfung zwischen menschlichem Geschmacksempfinden und objektiven Messdaten immer wieder auf großes Interesse. Nachdem z.B. eine erstaunlich gute Korrelation zwischen PTR-MS-Daten und der Geschmacksbewertung professioneller Tester bei Mozzarella-Käse erzielt werden konnte, wagte sich der internationale Konzern Nestlé an einen Algorithmus, der PTR-MS-Daten von verschiedenen Espresso-Sorten in „menschliche Wahrnehmungen“ wie bitter, blumig, säuerlich, etc. übersetzen kann. Lindinger et al. [7] zeigten dann eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen der Geschmacks-Bewertung von Kaffeetestern und dem Ergebnis dieses Algorithmus.

Die neue „Nase“

Um die Forschung in der Lebensmittelanalytik bestmöglich zu unterstützen entwickelte Ionicon kürzlich ein speziell für Nasen- und Rachenraummessungen abgestimmtes Einlasssystem: „Nosespace Air Sampling Extension“ (NASE). Der Proband atmet während der Messung in zwei Einwegröhrchen.

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