„Klassische“ nasschemische Methoden• Relative Dichte, Mostgewicht (°Oechsle)• Extrakt (Trockensubstanz)• Reduzierende Zucker• Alkohol• Titrierbare Gesamtsäure• Flüchtige Säure• Organische Säuren• Schweflige Säure (SO2)• Asche (Mineralstoffe)Moderne Weinanalytik• Schnellmethoden• Chromatographie• Spektroskopie• Stabilisotopenanalytik

WeinanalytikWalter Weiss

Lehrstuhl für Allgemeine Lebensmitteltechnologie

• Prinzip: Teststäbchen („Dip-Stick“), basierend auf enzymatischer oder chemischerMessmethodik (Farbreaktion). Anschliessende Messung des an dem Teststäbchen reflektierten Lichtes mit Hilfe eines Remissionsphotometers

• Bestimmung der Konzentration bestimmter Weininhaltsstoffe anhand der Inten-sitätsunterschiede zwischen emittiertem und reflektiertem Licht

• Vorteile: Schnell (15 sek - 5 min); niedrige Analysen- und Anschaffungskosten;ideal für vor-Ort-Analysen, insbesondere für Kellereitechniker und Oenologen zurschnellen Ermittlung wichtiger Parameter

• Testkits (gebrauchsfertige Reagenzien) z.B. für pH-Wert, Gesamtsäure, Wein-,Äpfel-, Milch- und Ascorbinsäure, schweflige Säure, Gesamtzucker, Glucose u.a.

• Messgenauigkeit: +/- 10 Prozent

• Einsatzbereich: Rohstoffuntersuchung, Prozesskontrolle, Produktkontrolle, Einhaltung von Grenzwerten,Reinigung und Desinfektion etc.

• Zu beachten: - Messtemperatur ca. 20°C - Entgasen bei Gesamtsäurebestimmung - exakte Verdünnungen!- Rotweine ggf. entfärben

Schnellmethoden: Reflectoquant-System

Schnellmethoden: Reflectoquant-System

Reflektometrische Schnellbestimmung von L-Ascorbinsäure

Reflektometer mit Teststäbchen

- Ähnlich der Photometrie, jedoch wird kein Licht durch die Probe geleitet, sondern die reflektierte Strahlung gemessen

- Teststäbchen mit Reaktionszonen

- Spezialpapier mit Chemikalien, Nachweisreagenzien, Enzymen, Pufferstubstanzen, etc.

- Reduzierung von Molybdatophosphorsäure (gelb) durch anwesende Ascorbinsäure

Entstehung von Phosphormolybdänblau (blau)

Vollautomatisierte enzymatische Messgeräte

Wein- und Mostanalysen auf Basis von ∆-pH-Messungen

Prinzip: Die Umsetzung von Enzymen und Substraten ist mit pH-Änderungen ver-bunden, wobei die Produktion oder Verbrauch von H+ für die Konzentration des zu bestimmenden Analyten in der Probe typisch ist ->Messung der pH-Werte mittels Kapillarglaselektroden vor und nach der enzymatischen Umsetzung. Aus der pH-Wert-Differenz wird die Substratkonzentration ermittelt.• Keine Probenvorbereitung, d.h. direkte Analyse von naturtrüben oder stark ge-

färbten flüssigen Proben wie z.B. Moste oder Frucht- und Gemüsesäfte; Schweb-stoffe bis 0,3 mm Durchmesser stören dabei die Messung nicht

• Sehr schnell: Messdauer 70 - 300 Sekunden, je nach Parameter

Gaschromatographie in der Weinanalytik

• Bestimmung von AlkoholenEthylester (25%) Alkohole (30%)

Lactone (4%)

Schwefelverb. (10%)

Terpene(10%) Säuren (12%)

Phenole(10%)

Ethylester (25%) Alkohole (30%)

Lactone (4%)

Schwefelverb. (10%)

Terpene(10%) Säuren (12%)

Phenole(10%)

• Aromastoffanalytik

Polydimethylsiloxan

Diphenyl-Dimethylpolysiloxan

PolyethylenglykolQuerschnitt Kapillare

- Ethanol, Methanol- Fuselöle (Isobutyl- / Isoamylalkohol)

- Identifizierung / Quantifizierung- Olfaktometrie

Geruchsstoffe in Scheurebe

Isolierung und Anreicherung von Aromastoffen

• Simultane Destillation-Extraktion (SDE)

- Extraktionsmittel: n-Pentan / Diethylether- Dauer: 2h

• Flüssig-Flüssig-Extraktion (LLE)

- Kutscher-Steudel-Extraktor- Extraktionsmittel: n-Pentan / Diethylether- Dauer: 24h

Isolierung und Anreicherung von Aromastoffen

• Vakuum Headspace-Techniken (VHS)

- Wasserbad (moderate Temperatur)- Vakuum 1-10mbar- Kühlfallen (Wasser-Eis, N2 flüssig)- Vereinigung der Destillate- Dauer: 3h

• Festphasen(mikro)-Extraktion (SPE)

• Hochdruckextraktion mit überkritischem CO2

• Solvent Assisted Flavour Evaporation (SAFE)

Untersuchungsmaterial

Beispiele GC-basierter Weinanalytik

GC Aromaprofile von Weintrauben

Riesling

Morio-Muskat

GC-Olfaktometrie (GC-O)

Riesling

Chemometrische Analysen

Silvaner

Müller-Thurgau

„Aromagramm“

süß-muffig

blumig

Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC)

• Brechungsindexdetektor (RI, Refractive Index)

• Leitfähigkeitsdetektor• UV-Detektor• Massenspektrometer• Photodiodenzeile (Diode

Array Detector, DAD)

• Isokratische Elution- konstante Polaritat- einfacher Aufbau- hohe Reproduzierbarkeit

• Gradientenelution- hohe Auflösung- hohe Empfindlichkeit

Mobile Phase Detektortypen für HPLC

Beispiele HPLC-basierter Weinanalytik

Weinsäure

Äpfelsäure

Fructose Bernsteinsäure

Glucose

Milchsäure

GlycerolEthanol

Chardonnay- Direktinjektion des Weins

in HPLC-Anlage

- RI-Detektor

- Analytik von organischen Säuren und Zuckern

DAD 360nm

DAD 320nm

Tempranillo

- Analytik von Flavonoiden (z.B. Anthocyanen), Phenolsäuren

Fourier-Transformations Infrarot (FTIR) - Spektroskopie

Prinzip der FTIR-Messung• IR-Spektrometer messen die Durchlässigkeit

einer Probe für Infrarot (IR)-Strahlung

• Ältere IR-Geräte: Polychromatisches Licht einerIR-Lampe wird mittels Prisma oder Gitter zunächst in einzelne Wellenlängen zerlegt (Monochromator); diese passieren zeitlich nacheinander die Probe

• FTIR-Technik: Polychromatische IR-Strahlungwird auf zwei ungleich langen Wegen durch dieProbe zum Detektor geführt; hierbei entsteht einInterferogramm (Wellenmuster), welches die ge-samte Information des IR-Spektrums enthält

• Dieses wird anschliessend über das mathemati-sche Verfahren der Fourier-Transformation ausdem Interferogramm berechnet

• Die Auswertung von NIR-Spektren erfordert we-gen der starken Überlagerung komplexe Rechen-algorithmen auf der Grundlage statistischer Ver-fahren. Für die Auswertung muss deshalb eine relativ große Zahl von Referenzstandards zur Verfügung stehen

Beispiele FTIR-Spektroskopie-basierter Weinanalytik

Interpretation des IR-Spektrums• IR-Strahlung versetzt chemische Bindungen in defi-

nierte Schwingungen. Lage und Intensität der Ab-sorptionsbanden liefern wichtige Informationen

• Ist die Probe ein Substanzgemisch (z.B. Most oder Wein), so enthält das resultierende IR-Spektrum diequalitative und quantitative Überlagerung aller vor-handenen Einzelkomponente

• Informationen über das Vorhandensein einzelnerStoffe bzw. deren Konzentration lassen sich daher nur indirekt, d.h. mittels entsprechender Kalibrationund statistischer Methoden gewinnen

Ablauf einer FTIR-Messung bei Wein oder Most• Probe durch Zentrifugation oder Filtration klären• Probe (ca. 30 ml) in die Messzelle geben und IR-

Spektrum aufnehmen (Zeitdauer ca. 2 min)

Grenzen der Methode• Substanzen < 0.1 g/L können nicht mehr bestimmt werden kein Ersatz für HPLC• Produktspezifische Kalibration nötig, d.h. jedes Produkt (Traubenmost, Wein etc.)

benötigt eine eigene Kalibrierung / Referenzstandards

Beispiele FTIR-Spektroskopie-basierter Weinanalytik

Vorteile• Umfassende Qualitätsanalyse von Most- und Weininhaltsstoffen; z.B. zur

Überwachung während der Gärung oder beim biologischen SäureabbauInformationen über die Beschaffenheit bzw. Veränderungen des Produkts

• Simultane Analyse von mehr als einem Dutzend unterschiedlicher Inhalts-stoffe/Parameter (z.B. Alkohol, Dichte, Extrakt, Glycerol, Gesamtphenol,Zucker, Gesamtsäure, Wein-, Äpfel- und Citronensäure, Gesamt-SO2)

• Erstellung eines „Fingerabdrucks“ zur Identitätskontrolle• Umweltschonend (kein Anfall toxischer Chemikalien)• Niedrige Verbrauchs- und Unterhaltskosten • Praxistauglichkeit • Kurze Analysenzeit (2-3 min)• Hoher Probendurchsatz • Minimale Probenvorbereitung• Einfache Bedienung

Nachteile• Relativ hohe Investitionskosten• Bestimmungsgrenze: ca. 0.1 g/L • Keine Mineralstoffe messbar• Indirekte Methode, produktabhängige Kalibrierung erforderlich

Fälle von unzulässigen Verfahren / Angaben

Jahre Herkunft Festgestellte Manipulationen

1996-1997 Rumänien Süßung von Weinen mit Rübenzucker 1995 Griechenland Süßung von Likörweinen mit Rübenzucker 1998 Portugal Wässerung und Anreicherung 1999 Bayern Unzulässige Anreicherung eines Kabinettweins 2002/03 Kosovo Süßung mit Fremdzucker 2000-2002 Bulgarien Wasserzusatz, Unzulässig hohe Anreicherungen,

Süßungen mit intelligenten Zuckermischungen Glycerinzusatz

2000-2005 Italien Wasserzusatz, unzulässige Anreicherung mit Rübenzucker, falsche Herkunfts-/ Jahrgangsangaben

2003 Österreich Wasserzusatz bzw. falsche Jahrgangsangabe bei Grünem Veltliner

2005/2006 Moldawien, Wasserzusatz, Süßung mit Rübenzucker, Georgien unzulässige Anreicherung mit Rübenzucker

Quelle: Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit

Authentizität von Wein

Authentizität von Wein bestimmt durch

- Rebsorte- Herstellung / Produktionsverfahren- Herkunft- Jahrgang- Qualitätsstufe- etc.

Parameter für die chemische Authentizitätsprüfung von Wein

- Wasser- Alkohol- Zucker- Säuren

Grenzen klassischer nass-chemischer Analyseverfahren

Bestimmung von Isotopenverhältnissen mittels Stabilisotopenanalytik

Stabilisotopenanalytik

Isotop Häufigkeit [%] Halbwertszeit

1H 99.985 stabil2H 0.015 stabil3H 12.33a7H 2.4x10-23s

15O 122s16O 99.76 stabil17O 0.04 stabil18O 0.20 stabil26O 40ns

11C 20.4min12C 99.90 stabil13C 1.10 stabil22C 6.1ms

2H-Kernresonanzspektroskopie (2H-NMR)

Site-specific Natural Isotope Fractionation Nuclear Magnetic Resonance(SNIF-NMR)

2H-Kernresonanzspektrum für Ethanol

Nachweis einer Zuckerzugabe

Nachweis von Fremdzucker mittels 2H-NMR

- Spezifische Verteilung des Deuteriums (D) aus dem Zucker und Wasser des Traubenmostes auf die entsprechenden Positionen des Ethanolmoleküls durch die Hefe

CH3-CDH-OHCDH2-CH2-OH(D/H)1 = (D in der Methylgruppe)

(D/H)2 = (D in der Methylengruppe)

- (D/H)1 kennzeichnet vor allem die Pflanzenart (Alkoholrohstoff)

• (D/H)1 EtOH aus Rübenzucker <

(D/H)1 EtOH aus Wein <

(D/H)1 EtOH aus Rohrzucker

- (D/H)2 kennzeichnet vor allem klimatische Verhältnisse (Anbauort, Art des Regenwassers bzw. Gärwassers)

• Mischungen aus Rüben- und Rohrzucker durch δ13C-Werte feststellbar (C3, C4-Pflanzen)

2H-Kernresonanzspektrum für Ethanol

Nachweis von Fremdzucker mittels 2H-NMR

Quelle: Landwirtschaftliches Zentralamt Direktion für Weinqualifikation, Ungarn

Massenspektrometrische Isotopenverhältnisanalyse

Isotope-Ratio Mass Spectrometry (IRMS)

CO2-Messung- Überführung der Probe in einfache Gase (H2, N2, CO, CO2) durch Pyrolyse

- Gaschromatographie

GC

PyrolyseProbe

Nachweis eines Wasserzusatzes

Nachweis eines Wasserzusatzes in Wein durch IRMS

- Relativ zum Regen- und Grundwasser Anreicherung „schwerer“ Isotope (z.B. 18O, 2H) in Weintrauben durch Verdunstungsvorgänge

- Zusatz von Leitungswasser zu Wein bedingt eine Erniedrigung des ursprünglichen relativ hohen Gehaltes an „schweren“ Isotopen

- Bestimmung des Isotopenverhältnisses von Sauerstoff in Wasser durch geographische Herkunft [Wasser in hoch gelegenen und vom Meer weit entfernten Gebieten besitzt weniger schwere Sauerstoff- (und Wasserstoff-) Isotope]

(D/H)1

- (V)SMOW = Vienna Standard Mean Ocean Water (Internationale Atomenergie Organisation)

Zusammenfassung Stabilisotopenanalytik

- (D/H)1 Alkohol Art des Rohstoffs, Zuckers

- (D/H)2 Alkohol Herkunft, Jahrgang, Wasser

- 18O/16O Wasser Herkunft, Jahrgang, Wasser

- 2H/1H Wasser Herkunft, Jahrgang, Wasser

- 13C/12C Zucker Rohstoff

Vergleich zu Datenbanken authentischer Weine nötig!

- Amtliche EU-Weindatenbank

- Untersuchung von ca. 1500 Proben aus Weinanbaugebieten

- Jährlich 200 Proben aus Deutschland mittels 2H-NMR und 18O-IRMS