Worldwide China

Zuckeranalytik per HPLC

Von Zucker und Wasser: Grüne Zuckeranalytik für Jedermann

| Autor / Redakteur: Jan Wendrich, Mareike Margraf, Juliane Böttcher, Kate Monks* / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Mit polymerbasierten Eurokat-Säulen können Zucker mit einer einfachen isokratischen Methode getrennt und dabei Wasser als Eluent verwendet werden.
Bildergalerie: 4 Bilder
Abb. 1: Mit polymerbasierten Eurokat-Säulen können Zucker mit einer einfachen isokratischen Methode getrennt und dabei Wasser als Eluent verwendet werden. (Bild: ©fotobieshutterb - stock.adobe.com)

Die Analytik von Zuckern reicht von der einfachen Bestimmung per Farbreaktion bis hin zur komplexen Quantifizierung mittels Massenspektrometrie. Wie die Zuckeranalytik per Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) gleichermaßen einfach wie „grün“ möglich ist, beschreibt diese Applikation.

Zucker ist aus unser aller Leben nicht wegzudenken. Nicht immer offensichtlich, macht er viele Lebensmittel süßer und gefälliger – mit den allseits bekannten „Nebenwirkungen“ wie Karies oder Gewichtszunahme. Auch bei Zivilisationskrankheiten wie Typ-2-Diabetes wird der übermäßige Verzehr von Mono- und Disacchariden immer wieder als Risikofaktor diskutiert. Doch wie immer in der Chemie und erst recht in der Analytik gilt es zu differenzieren. Wie viel und welche Zucker, in welcher Probe vorhanden sind – das herauszufinden ist Aufgabe der Zuckeranalytik.

Zur Geschichte der Zuckeranalytik

Die Geschichte der Zuckeranalytik geht zurück auf Hermann Christian von Fehling, der 1848 zum ersten Mal die quantitative Nachweisreaktion für Zucker in Harn veröffentlichte. Die „Fehling-Probe“ beruht auf der Reduktion von Cu2+-Ionen durch die Aldehydgruppe der vorhandenen (reduzierenden) Zucker zu dem unlöslichen Cu2O. Bei der Reaktion kommt es zu einem quantifizierbaren Farbumschlag durch den Niederschlag des rotbraunen Cu2O aus der ursprünglich blauen Lösung. Nicht nur beschränkte sich diese Methodik ausschließlich auf die Bestimmung reduzierender Zucker, sie war darüber hinaus auch nicht sehr zuverlässig und vor allem nicht „green“.

Im Laufe der Jahre wurden viele andere Methodiken zur Bestimmung von Zuckern entwickelt. Diese reichen von einfachen Bestimmungen per Farbreaktion bis hin zur komplexen Quantifizierung mittels Massenspektrometrie. Eine Methodik, die schon seit Jahrzehnten verwendet wird aber immer noch aktuell ist, stellt die Analytik mittels Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) dar.

Zuckeranalytik per Flüssigkeitschromatographie

Bei der HPLC handelt es sich um eine Chromatographiemethode, bei der im ersten Schritt die Trennung des Stoffgemisches durchgeführt wird und im zweiten Schritt die Detektion der getrennten Stoffe erfolgt. Aufgrund der chemischen Eigenschaften von Zuckern gibt es einige Voraussetzungen, denen das System für diesen Einsatzbereich dabei genügen muss:

  • Zucker sind hochpolar: Unpolare Reversed Phase (RP) -Säulen wie C18, die in einem Großteil aller HPLC-Methoden verwendet werden, können aufgrund fehlender Wechselwirkung mit diesen polaren Stoffen nicht benutzt werden. Stattdessen greift man zurück auf HILIC-Säulen oder polymerbasierte Ionenausschluss/Ligandenaustauschsäulen (z.B. Eurokat). Da bei HILIC in der Regel mit einem hohen Anteil an Acetonitril gearbeitet wird, kann hier auch die Löslichkeit der Zucker zum Problem werden. Einschränkungen bei Injektionsvolumen und Konzentration sind die Folge. Daher fällt die Wahl in der Zuckeranalytik häufig auf die polymerbasierten Ionenausschluss/Ligandenaustauschsäulen, bei denen Wasser als Eluent benutzt wird. Das ist nicht nur umweltfreundlich, sondern hat auch den Vorteil, dass man die wasserlöslichen Zucker einfach injizieren kann.
  • Zucker haben keinen Chromophor: Die in der HPLC recht gängige UV/VIS-Detektion kann für Kohlenhydrate nicht ohne weiteres angewendet werden, da Zucker über keine Chromophore verfügen. Daher muss die Detektion entweder über die Änderung des Brechungsindex des Eluats, eine Lichtstreuung der im Eluat enthaltenen Substanzen oder die elektrochemischen Eigenschaften von Kohlenhydraten erfolgen. Die Verwendung eines RI-Detektors (Refractive Index oder Brechnungsindex) stellt hierbei die einfachste und kostengünstigste Möglichkeit dar, die bereits seit Jahrzehnten etabliert ist. Der einfache technische Aufbau erfordert keinen hohen Schulungs- und Wartungsaufwand und es ist keine weitere komplexe Peripherie wie für andere Techniken notwendig. Hingegen ist der technische Aufbau eines ebenfalls für die Detektion von Substanzen ohne Chromophor geeigneten ELSD (Evaporative Light Scattering Detector) deutlich komplexer und erfordert für den Betrieb die Bereitstellung von Stickstoff oder ölfreier Druckluft. Dafür bestechen ELSDs mit ihrer hohen Empfindlichkeit und der Möglichkeit, Gradientenanalysen durchführen zu können. Die Anschaffungskosten und Betriebskosten für einen ELSD sind ebenfalls deutlich höher als für einen RI-Detektor. Die Entwicklung von neuen Säulenmaterialien in den vergangenen Jahren hat zu einer neuen Trennmöglichkeit für Zucker geführt. Bei der HPAEC-PAD (High Performance Anion Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detection) können Kohlenhydrate bei sehr hohem pH-Wert sehr effizient getrennt werden. Die elektrochemische Detektion ermöglicht hier den Nachweis bereits kleinster Substanzmengen.

Ergänzendes zum Thema
 
Vor- und Nachteile der RI-Detektion

Im Folgenden soll auf eine äußerst einfache und grüne Applikation für die Zuckeranalyse mittels HPLC eingegangen werden. Die Applikation macht sich die zuvor erwähnte hohe Polarität von Zuckern zu Nutze. Die Trennung erfolgt auf einer der bereits erwähnten polymerbasierten Eurokat-Säulen. Diese Säulen sind nicht nur äußerst langlebig und daher ressourcenschonend, sondern sie ermöglichen auch die Verwendung einer einfachen isokratischen Methode, bei der Wasser als Eluent verwendet wird. Die Detektion der Zucker erfolgt per Differentialrefraktometrie.

Ergänzendes zum Thema
 
Welche Vorteile haben polymerbasierte Ionenauschluss/Ligandenaustauschsäulen (Eurokat)?

Alles in Allem ist die Methode kinderleicht, sehr robust und ressourcenschonend und kann zu Recht als ein gutes Beispiel für grüne Analytik bezeichnet werden. Die Methode ist für die Lebensmittelindustrie besonders geeignet, da die Menge, der dort zu quantifizierenden Analyten normalerweise nicht limitierend ist.

Aufgrund der zuvor genannten Eigenschaften der verwendeten RI-Detektoren ist die Methode leicht skalierbar und kann auch bei der präparativen HPLC verwendet werden.

6. Praxistag HPLC am 6. Juni 2019 Sie können Tipps und Tricks für die Nutzung Ihrer (U)HPLC-Anlage gebrauchen? Dann kommen Sie am 6. Juni 2019 zum 6. Praxistag HPLC nach Köln (nutzen Sie den Aktionscode „HPLC19_LP“ und sparen Sie 70 Euro gegenüber dem Normalpreis, exklusiv für LP-Leser). Das Programm umfasst unter anderem die Themen Probenvorbereitung, richtige Säulenauswahl und Quantifizierungsstrategien. Details zum Ablauf des Praxistages finden Sie hier.

Inhalt des Artikels:

Kommentare werden geladen....

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45737965 / Lebensmittelanalytik)