Einsatzmöglichkeiten der Massenspektrometrie bei der Überwachung von Lebensmitteln und Bedarfsgegenständen. I

  • Published on
    08-Aug-2016

  • View
    213

  • Download
    1

Embed Size (px)

Transcript

<ul><li><p>Fresenius Z. Anal. Chem. 297, 341- 356 (1979 [~0nius Zeilsl~lri[l fiir </p><p>9 by Springer-Verlag 1979 </p><p>EinsatzmOglichkeiten der Massenspektrometrie bei der [3berwachung von Lebensmitteln und Bedarfsgegenst~inden. I </p><p>Peter Binnemann 1 und Dieter Jahr 2 </p><p>1 Landesuntersuchungsamt f/Jr das Gesundheitswesen Nordbayern, Fachbereich Chemie, Henkestr. 9-11, D-8520 Erlangen </p><p>2 Landesuntersuchungsamt ffir das Gesundheitswesen Siidbayern, Fachbereich Chemie, Lothstr. 21, D-8000 M~inchen 40 </p><p>Application of Mass Spectrometry in the Control of Food and Consumer Articles. I </p><p>Summary. A review is given on the numerous possibi- lities of applying mass spectrometry in the control of food and consumer articles. After a short presentation of the necessary equipment, the investigation of lipids, carbohydrates, amino acids and flavours is discussed. Subsequently, food additives are dealt with. </p><p>In a further part the mass spectral analysis of the most important contaminants and hazardous pollu- tants in food will be reviewed and the investigation of consumer articles will be outlined. </p><p>Zusammenfassung. Es wird ein fSberblick fiber die Vielzahl der Anwendungsm6glichkeiten massenspek- trometrischer Analysenverfahren im Bereich der f2ber- wachung von Lebensmitteln und Bedarfsgegenst~inden gegeben. Nach einer kurzen Darstellung der erforderli- chen Ger~iteausstattung wird auf die Untersuchung der wichtigen Lebensmittelbestandteile Fette, Kohlenhy- drate, Aminosiuren und Aromastoffe eingegangen. Anschliel3end werden die Zusatzstoffe behandelt. </p><p>In einem weiteren Teil werden massenspektrometri- sche Bestimmungen der wichtigsten Verunreinigungen und Schadstoffe in Lebensmitteln sowie die Untersu- chung yon Bedarfsgegenstinden dargestellt werden. </p><p>Key words: Untersuchung von Lebensmitteln, Bedarfs- gegenstinden; Massenspektrometrie; Uberblick. </p><p>1. Einleitung </p><p>Die Massenspektrometrie ist heute ein unentbehrliches Hilfsmittel in der lebensmittelehemischen Forschung. </p><p>Allein auf dem Aromasektor wurden durch Anwen- dung der Massenspektrometrie innerhalb weniger Jah- re mehr Erkenntnisse gewonnen als vorher in Jahrzehn- ten. </p><p>Im Bereich der fJberwachung von Lebensmitteln und Bedarfsgegenst~inden wurde diese analytische Me- thode wegen der erheblichen Kosten und des hohen Bedienungsaufwandes bisher nur in geringem Umfang angewandt. In jfingster Zeit kommen jedoch zuneh- mend Ger~ite auf den Markt, die sich durch Preisgfin- stigkeit, kompakte Bauweise und Bedienungsfreund- lichkeit auszeichnen. Bei dieser neuen Ger~itegenera- tion werden Bedienungsfunktionen und Ger~iteopti- mierung weitgehend durch Mikroprozessoren vom Gerit selbst fibernommen. Die Massenspektrometrie eignet sich deshalb heute - besonders in Kopplung mit einem Gas-Chromatographen - ffir den routinem~ii3i- gen Einsatz bei der Oberwachung von Lebensmitteln und Bedarfsgegenstfinden. Sie bietet als Vorteile her- vorragendes ldentifizierungsverm6gen, hohe Nach- weisempfindlichkeit, insbesondere aber Nachweissi- cherheit in der Spurenanalytik und bei der Untersu- chung komplizierter Gemische. In Verbindung mit der Gas-Chromatographie ist das Massenspektrometer der Detektor mit der h6chsten Spezifitiit und nach dem Elektroneneinfangdetektor jener mit der gr613ten Emp- findlichkeit. </p><p>Dutch nachfolgende Zusammenstellung fiber An- wendungsm6glichkeiten der Massenspektrometrie bei der fJberwachung von Lebensmitteln und Bedarfsge- genst~inden sollen die Vorzfige dieser Methode heraus- gestellt und zum Einsatz dieser Analysentechnik ermu- tigt werden. Dem Anf~inger soll ein Uberblick fiber die Einsatzm6glichkeiten der Massenspektrometrie ver- schafft und dem Fortgeschrittenen Anregungen auf noch nicht bearbeiteten Sachgebieten gegeben werden. </p><p>0O 16-1152/79/0279/03 41 / $ 03.20 </p></li><li><p>342 Fresenius Z. Anal. Chem., Band 297 (1979) </p><p>2. Techniken der Massenspektrometrie und erforderliche Ger/iteausstattung </p><p>Das Prinzip eines Massenspektrometers beruht auf der Ionisierung und Fragmentierung von Molekfilen und anschliel3ender Trennung und Messung der entstande- nen Ionen. Die Trennung der Ionen nach ihrer Masse erfolgt bei den heute im Handel befindlichen Ger~iten mittels magnetischer und elektrischer Felder oder mit- tels hochfrequenter Wechselspannungen. </p><p>Bisher waren Sektormagnetfeldinstrumente mit ein- facher Fokussierung am meisten verbreitet. Bei diesem Ger~itetyp werden erzeugte Ionen lediglich dutch ein magnetisches Feld getrennt und fokussiert. Diese Trenntechnik ist sehr aufwendig und erfordert einen bis zu mehrere Zentner schweren Magneten, so dab derar- tige Ger/ite sehr schwer sind und erheblichen Platz beanspruchen. </p><p>Seit wenigen Jahren haben sich Quadrupol-Mas- senspektrometer in steigendem MaBe durchgesetzt. Die Trennung der Ionen erfolgt bei diesen Gerfiten nicht durch ein statisches magnetisches Feld, sondern dutch hochfrequente Wechselspannungen in einem Stabsy- stem [1]. Nut Ionen mit begrenzter Schwingungsampli- rude, die nicht anf die parallel geffihrten St/ibe oder das umgebende GeNiuse prallen, erreichen den Ionenauf- ffinger und werden registriert. Ein solches Stabsystem beansprucht wenig Platz und erm6glicht eine kompakte und damit preisgfinstige Bauweise. Quadrupol-Mas- senspektrometer gestatten zudem einen rascheren Mas- sendurchlauf und lassen sich wesentlich leichter mit elektronischen Rechnern zur Ger~itesteuerung und Ver- arbeitung anfallender Daten ausrfisten. Schwierigkei- ten durch Diskriminierung h6herer Massen und sog. ~&gt;GeisterpeaksO ffenen Kopp- lung&gt;&gt;. Bei dieser Kopplungsart steht das Ende der Capillarsfmle nicht unter Vakuum, so dab keine Verfiil- schung der Retentionszeiten erfolgt. Zudem ist ein S/iulenwechsel leicht m6glich [14-16]. </p><p>Der Einsatz der Capillar-Gas-Chromatographie ist unerl/il31ich ffir die Untersuchung von Vielstoffgemi- schen wie Aromen oder Wasserverunreinigungen. Bei solchen Analysenaufgaben ist eine elektronische Da- tenverarbeitungsanlage im on line-Betrieb yon groBem Nutzen, da eine groBe Zahl yon auszuwertenden Mel3- daten anf'~illt. Auf einfache und schnelle Weise ist hiermit die Speicherung, Untergrundsubtraktion, Nor- mierung und der Vergleich yon Massenspektren m6g- l ich [10, 17-19]. </p><p>Neben dem Einlal3 fiber einen Gas-Chromatogra- phen sollte ein Massenspektrometer auch mit einem Direktverdampfungssystem zur Vermessung reiner Substanzen ausgertistet sein. In der Regel wird bier eine </p></li><li><p>P. Binnemann und D. Jahr: Massenspektrometrie bei der ()berwachung von Lebensmitteln 343 </p><p>Schubstange zur Einbringung fester Substanzen genfi- gen. Lediglich bei h/iufigeren Untersuchungen von Gasen oder Flfissigkeiten ist ein spezielles Verdamp- fungssystem fiir fltichtige Stoffe erforderlich. </p><p>Seit kurzem ist auch die Kopplung Hochdruckflfis- sigkeits-Chromatograph und Massenspektrometer technisch gel6st [20- 23]. Die gegenwfirtig angewandte Methodik ist allerdings verbesserungsffihig, so dab ein Abwarten empfehlenswert ist. Im fibrigen ist es fast immer m6glich, die interessierenden Fraktionen zu sammeln und ebenso wie die yon einer Dtinnschicht- Platte eluierten Substanzen im Direktverdampfungssy- stem massenspektrometrisch zu untersuchen [24, 25]. Bei hfiufigem Einsatz der Hochdruckflfissigkeits-Chro- matographie kann jedoch kfinftig die Kopplung mit dem Massenspektrometer als hochspezifischem Detek- tot erheblich an Bedeutung gewinnen. </p><p>In der Spurenanalytik bereits heute unentbehrlich ist eine Zusatzausrfistung zur Mehrfachionendetektion bzw. Massenfragmentographie [26-29]. Dabei wird das Massenspektrometer auf mehrere, ffir nachzuwei- sende Substanzen charakteristische Ionen eingestellt. W~hrend eines GC-Durchlaufs erfolgt somit nur An- zeige, wenn die gesuchten Ionen und damit die gesuch- ten Substanzen auftreten. Diese Methode steigert die Empfindlichkeit des Massenspektrometers in den Piko- grammbereich (10-1 z g) und gew~ihrleistet hohe Spezi- fit~it. </p><p>Die auch heute noch gebr/iuchlichste Art der Ioni- sierung ist die ElektronenstoBionisation. Hierbei wer- den die Molekfile durch energiereiche Elektronen ioni- siert. Diese Ionisierungsart ist nicht sehr schonend und ffihrt nicht selten zu v611iger Fragmentierung empfind- licher Substanzen und zu einem Verlust des ftir die Auswertung wichtigen Molekfilions. Seit einigen Jah- ren ist eine wesentlich schonendere Art der Ionisie- rung, die sog. Chemische Ionisation als Zusatzausstat- tung erhfiltlich [30]. Dabei wird zunfichst mittels Elek- tronenstol3ionisation ein Hilfsgas, wie z.B. Methan, ionisiert. Die Ionen dieses Hilfsgases ionisieren dann auf indirektem Weg in sehr schonender Weise die zu untersuchende Substanz. Diese Ionisierungsart ist ffir besondere Problemstellungen sehr ntitzlich, kann aber einer sp~iteren Ausbaustufe des Massenspektrometers vorbehalten bleiben. </p><p>h~ufig deren Aufdeckung durch Anwendung der mo- dernen instrumentellen Analytik. Ein wichtiges Hilfs- mittel zur Untersuchung der Zusammensetzung yon Lebensmitteln ist die Gas-Chromatographie in Kopp- lung mit dem spezifischen Detektor Massenspektro- meter. Am Beispiel einiger wichtiger Lebensmittelbe- standteile soll nachfolgend der Wert und die Einsatz- m6glichkeit dieser Untersuchungsmethode dargestellt werden. </p><p>3.1. Fette </p><p>Die Gas-Chromatographie fand ihre erste breite An- wendung in der Lebensmittelfiberwachung bei der Auftrennung von Fettsfiuren in Form der Methylester. Durch Vergleich mit Referenzsubstanzen war damit h/iufig eine Aussage fiber die Zusammensetzung und Identit/it von Fetten m6glich [31 - 34]. Insbesondere in Verbindung mit der Capillar-Gas-Chromatographie [35-37] hat diese Methode auch heute noch ihre Berechtigung, so z. B. zur Charakterisierung yon unver- mischten Fetten und Olen. </p><p>Immer h/iufiger kommen jedoch komplizierte Fett- gemische und durch chemische Eingriffe modifizierte Fette auf den Markt, die eine tiefer gehende Analytik erfordern. Neben der Untersuchung bestimmter Trigly- cerid-Fraktionen oder der Doppelbindungsisomerie bei unges/ittigten Fettsfiuren sind insbesondere die Nebenbestandteile der Fette, wie verzweigte Fettsfiu- ren, Sterine, aliphatische Alkohole und Triterpenalko- hole ffir die Charakterisierung von Fetten bedeutsam. </p><p>Die Beschaffung entsprechender authentischer Sub- stanzen ist schwierig und z.T. auch nicht m6glich. Zudem treten immer wieder Unsicherheiten bei der allein gas-chromatographischen Identifizierung auf. </p><p>Der Einsatz eines Massenspektrometers in Kopp- lung mit einem Gas-Chromatographen ist deshalb bei einer tiefer gehenden Fettanalytik von gr613tem Nut- zen. Gute Zusammenstellungen fiber Massenspektro- metrie von Lipiden wurden bereits fr~iher publiziert [38-41], doch werden nichtglyceridische Substanzen nur zum Teil erfal3t. Neben diesen l~bersichtsartikeln gibt es eine Ffille yon detaillierten Publikationen einzel- ner Lipidklassen, von denen die wesentlichsten nachfol- gend angegeben werden sollen. </p><p>3. Untersuchung auf Zusammensetzung und VerHilschung von Lebensmitteln </p><p>Das Hauptinteresse des Lebensmittelchemikers galt seit jeher der Feststellung der normalen Zusammenset- zung von Lebensmitteln und deren Verffilschung. Blie- ben in frtiheren Jahren manche Verffilschungen unent- deckt oder waren nicht beweisbar, so gelingt heute </p><p>3.1.1. Geradkettige Fetts/iuren </p><p>Das massenspektrometrische Verhalten von Fetts~iu- ren, besonders der Methylester, wurde schon sehr bald intensiv untersucht, so dab es heute zahlreiche Ver6f- fentlichungen fiber Massenspektren von Methylestern gesfittigter [42-46], einfach ungesfittigter [42, 45- 49] zweifach ungesfittigter [42, 45 - 50] und dreifach unge- s/ittigter [42, 45, 46, 48, 49] Fetts/iuren gibt. Die Methylester der Fetts/iuren eignen sich dabei sowohl </p></li><li><p>344 Fresenius Z. Anal. Chem., Band 297 (1979) </p><p>fgr die Gas-Chromatographie als auch fiir die Massen- spektrometrie und k6nnen leicht durch Veresterung nach vorheriger Verseifung oder dutch Umesterung von Fetten erhalten werden [32, 33, 51]. </p><p>Es wird aber auch die GC-MS-Untersuchung ande- rer Derivate beschrieben, wie etwa der tert.- Butyldimethylsilylester, die zum Nachweis yon Fetten mittels Massenfragmentographie eingesetzt werden [52]. </p><p>3.1.2. Verzweigte Fetts~iuren </p><p>Neben den geradkettigen Fettsfiuren enthalten vor allem tierische Fette geringe Anteile an ein- und mehrfach verzweigten Fetts/iuren [53-56]. Insbeson- dere die mehrfach verzweigten Fettsfiuren eignen sich zur Identifizierung tierischer Fette und dartiber hinaus auch zum Nachweis schon geringer Zumischungen von Fremdfetten [53, 57]. Die Is olierung und gas-chromato- graphische Trennung yon verzweigtkettigen Fettsfiuren ist bereits eingehend beschrieben [56]. Eine massen- spektrometrische Absicherung der gas-chromatogra- phischen Ergebnisse ist unumg/inglich, zumal die Mas- senspektrometrie eine ausgezeichnete Methode zur Un- terscheidung aliphatischer Strukturisomerer ist, wie aus zahlreichen Untersuchungen hervorgeht [47, 58- 67]. </p><p>3.1.3. Doppelbindungsisomerie bei ungesMtigten Fetts/iuren </p><p>Ungesfittigte Fetts~iuren liegen in Fetten z.T. als Gemi- sche yon Doppelbindungsisomeren vor [53, 68]. Dutch Bestimmung einzelner Isomerer lassen sich Verffil- schungen nachweisen, wie z. B. Fisch61e in Pflanzenfet- ten. Fisch61e, aber auch andere tierische Fette enthalten neben der C 18 : l(9)-Sfiure (9-Octadecens~iure) 1 erheb- liche Anteile an C 18:1 (11)-S~iure, wogegen in pflanz- lichen Fetten die C 18 : 1 (11)-Sfiure kaum vorhanden ist [36]. Die Bestimmung der Position der Doppelbindung ist aber besonders wichtig beim Nachweis yon Eruca- sfiure [C 22:1(13)] in Gegenwart yon Fisch61en. Fisch- 61e enthalten die Doppelbindungsisomeren C22:1(15) und C22: 1(11), deren biologische Wirkung unseres Wissens noch nicht abgeklfirt ist. Im Falle einer Bean- standung wegen tiberh6hten Gehaltes an Erucas/iure mug deshalb u.E. bei m6glicher Anwesenheit derarti- get Isomerer - wie das z. B. bei Margarine der Fall sein kann - die Lage der Doppelbindung in Position 13 erwiesen sein. </p><p>Eine exakte Zuordnung der Doppelbindungsposi- tion ist abet auch bei der quantitativen Bestimmung essentieller Fetts/iuren erforderlich. So entstehen z.B. bei der Hfirtung von Fetten aus Linols~iure eine Reihe </p><p>\ /OsO~ I I Sitylierung ~ ! I /C=C ~ ~--C--C-- . --C--4-- C - </p><p>I I I ' I OH OH OTMS OTMS </p><p>Abb. 1. Bestimmung der Position der Doppelbindung bei ungesfittig- ten Fetts~iuren </p><p>geometrischer und Doppelbindungsisomerer [69]. Es wird jedoch nur jenen cis-Polyen-Fettsfiuren essentiel- ler Charakter beigemessen, welche die Doppelbindung in Position n-6 oder n-9 (n = C-Zahl), yon der CH3- Gruppe aus gerechnet, haben [70-72]. </p><p>Bei gas-chromatographischer Trennung von Dop- pelbindungsisomeren mug selbst auf Capillars~iulen mit l~lberlagerungen gerechnet werden [36, 68]. Ande- rerseits ist die direkte massenspektrometrische Bestim- mung nur in den Positionen 1 - 5 m6glich, nicht jedoch bei weiterer Entfernung vonder Carboxylgruppe [45, 46, 73, 74]. Doch gelingt eine exakte massenspektrome- trische Zuordnung nach Hydroxylierung an der Dop- pelbindung mittels O...</p></li></ul>

Recommended

View more >