DLG e.V. - Instrumentellem Riechen auf der Spur

Instrumentellem Riechen auf der Spur

Geruchsanalyse

aus: DLG-Lebensmittel 4/2019, S. 10ff.

Aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung und Automatisierung nimmt die Zahl der eingesetzten instrumentellen analytischen Verfahren langsam, aber stetig zu. Ein Einblick in den aktuellen Stand der technischen Entwicklungen und die Möglich­keiten der instrumentellen Geruchsanalyse.

Beim „instrumentellen Riechen“ handelt es sich nicht um ein Riechen wie mit dem menschlichen Geruchsorgan, sondern vielmehr um die digitale Registrierung von aus dem Produkt freigesetzten flüchtigen organischen Verbindungen, den VOCs, mittels instrumenteller Analytik.

Multisensorkonzept: Metallorganische oder Polymersensoren

Bereits vor 30 Jahren wurden hierfür Kombinationen von metallorganischen oder Polymersensoren genutzt. Die metallorganischen Sensoren (MOX) verfügen beispielsweise über eine Metalloxidschicht, an der Sauerstoff gebunden wird. Gelangen VOCs an die Oberfläche, kommt es zur Oxidation, wodurch Elektronen freigesetzt werden, die als elektrisches Signal registriert werden. Zumeist werden Kombinationen aus mehreren Metalloxidsensoren oder Sensoren, die auf anderen physikalischen Prinzipien wie Ab- oder Adsorption oder Ionisation basieren, eingesetzt, um die Selektivität und damit die Aussagekraft der Messung zu erhöhen (Multisen­sorkonzept). Diese anfangs als elektronische Nasen bezeichneten Systeme scheiterten jedoch oftmals an der geringen Langzeitstabilität, so dass sie sich nicht auf dem Markt durchsetzen konnten.

Gaschromatographische Systeme

Um den Informationsgewinn zu verbessern, ist oftmals eine Trennung der VOCs notwendig, was dann auch den qualitativen sowie quantitativen Nachweis einzelner VOCs (sog. Markersubstanzen) erlaubt. Hierzu können gaschromatographische Systeme (GC) zum Einsatz kommen. Diese bestehen aus einem Injektor zur Probenaufgabe, einer chromatographischen Trennsäule zur Separation der einzelnen Substanzen und einem Detektor. Zur besseren Reproduzierbarkeit und zur Automatisierung sind die Systeme in der Regel mit einem automatischen Probengeber (Autosampler) ausgestattet. Eine zusätzliche Aufkonzentrierung der Substan­zen ist durch eine vorgeschaltete Adsorbereinheit (z. B. SPME, ITEX, vorgeschaltete Tenax Trap) möglich, um die Nachweisgrenzen zu reduzieren. Die Identifikation der Substanzen in dem erhaltenen Chromatogramm erfolgt durch einen Vergleich mit Referenzsubstanzen oder einen Datenbankvergleich der aus den Retentionszeiten berechneten Retentionsindices.

Zur eindeutigen Zuordnung der Substanzen werden in dem „HERACLES NEO“ von Alpha MOS, der auf dem ultraschnellen Prinzip der Flash Chromatographie basiert, zwei parallel geschaltete GC-Säulen mit unterschiedlichen Polaritäten (hydro­phob/hydrophil) verwendet (vgl. Abb. 1). Die Detektion erfolgt hierbei mit einem Flammenionisationsdetektor (FID). Die Software Arochem Base ermöglicht es anschließend, bedarfsgerecht das jeweilige Molekül mit den dazugehörigen, aus der Humansensorik bekannten Geruchsattributen bzw. -deskriptoren zu verbinden. Die Datenbank umfasst mehr als 99.000 Komponenten mit über 2.000 sensorischen Attributen und Deskriptoren.

Systeme auf Basis von Massenspektrometrie

Eine deutlich niedrigere Nachweisgrenze kann durch den Einsatz eines Ionenmobilitäts-Spektrometers (IMS) anstatt eines FID als Detektor erreicht werden. Der Einsatz der Kombination von GC mit IMS (GCxIMS) sowie auch von GC mit Massenspektrometern (GCxMS) hat sich im Bereich der Lebensmittelsensorik seit 2016 bemerkenswerterweise mehr als verdoppelt. IMS werden seit mehreren Jahrzehnten weltweit erfolgreich im Bereich der Sicherheitstechnik an Flughäfen zum selektiven und sensitiven Nachweis von Sprengstoffen eingesetzt. Das Potenzial der Technik konnte nun mit dem „FlavourSpec“ der GAS-Gesellschaft für analytische Sensorsysteme GmbH auch für den Bereich der VOC-Messungen im Gasraum über festen und flüssigen Proben werden. IMS bestehen im Wesentlichen aus einem Ionisierungs- und einem Driftraum. Die gasförmigen Analyten gelangen von der chromatographischen Säule gasförmig in den Ionisierungsraum und werden dort in einem zweistufigen Prozess mittels einer radioaktiven Strahlungsquelle (Die Aktivität der Strahlungsquelle liegt unterhalb der gesetzlichen Freigrenze) bei Atmosphärendruck ionisiert. Durch ein sich periodisch öffnendes Gitter gelangen die Ionen in den Driftraum und strömen dort entlang eines elektrischen Feldes gegen die Strömungsrichtung des Driftgases in Richtung einer als Detektor verwendeten Faradayplatte. Durch die Zusammenstöße mit dem Driftgas erreichen die verschiedenen Ionen unterschiedliche mittlere Driftgeschwindigkeiten und erlauben dadurch ergänzend zum Nachweis über den Retentionsindex eine zusätzliche Identifizierung über die spezifische Driftzeit, welche durch die Masse und Struktur bestimmt wird. Mit Hilfe der Software VOCal ist zudem eine Quantifizierung einzelner Substanzen möglich (vgl. Abb. 2). Alternativ kann das IMS der GAS mbH als Detektormodul an ein hochauflösendes (HR) GC Bench-Top System gekoppelt werden (HR-GCxIMS). Aufgrund der programmgesteuerten Temperierung der gaschromatographischen Säule erlaubt dies eine weitere Optimierung in Bezug auf die Selektion der Substanzen. Erfolgreich eingesetzt wurde diese Technik beispielsweise im Kontext von Food Fraud-Projekten zur Klassifizierung von Olivenölen unterschiedlicher Güte, bei der Authentifizierung von Honigen oder bei der Qualitätskontrolle von Palmöl. Die Auswertung der dreidimensionalen Datensätze erfolgt auch hier zusätzlich analog zu den bereits genannten statistischen Verfahren.

Fazit und Ausblick

Die bisherigen Verfahren erlauben die Identifikation der Analyten jeweils anhand von Datenbankvergleichen von Retentionsindices oder durch eine parallele Messung von Referenzsubstanzen. Einen eindeutigeren Nachweis können massenspektrometrische Verfahren ermöglichen, die als Ionenquelle die „Soft Ionisation“-Technik nutzen und die damit einzelne Substanzen ohne eine zeitaufwendige chromatographische Vortrennung in komplexen Matrizes selektiv zu detektieren vermögen. Da das Masse-zu-Ladungs-Verhältnis der gebildeten Ionen gemessen wird, können die Substanzen direkt identifiziert werden. Abhängig von der Fragestellung kommen als Massenanalysatoren u. a. sowohl die Quadrupol-MS als auch die hochauflösende Time-of-Flight MS in Frage. Die Ionisation stellt dabei die Schlüsselkomponente dar.

Abschließend ist festzustellen, dass die Wahl des geeigneten Systems von der Fragestellung abhängig ist. Allen hier vorgestellten Systemen ist gemein, dass die Aufgabenstellung klar formuliert und die Systeme mit Hilfe von repräsentativen Proben für die zu lösende Frage trainiert werden müssen. Dabei ist eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Anwender und dem Technologieentwickler unabdingbar. Nur dann kann die instrumentelle Analytik in Kombination mit geeigneten statistischen Auswerteverfahren wertvolle Unterstützung zu den human-sensorischen Geruchsanalysen leisten und humansensorische Panelisten in ihrem häufig bestehenden Workload unterstützen.

Sie wollen unser Fachmagazin DLG-Lebensmittel abonnieren?

Werden Sie DLG-Mitglied und profitieren Sie von weiteren Vorteilen.