DE10339014A1 - Ionenmobilitätsspektrometrische Analyse von Lebensmitteln - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Einrichtungen und Verfahren zur Feststellung des Zustandes eines Lebensmittels. Erfindungsgemäß werden gasförmige oder aerosolförmige stoffliche Emissionen eines Lebensmittels mittels Ionenmobilitätsspektrometrie detektiert und analysiert. Die Erfindung kann Anwendung finden z. B. zur Diagnose von Produktionsproblemen oder Alterungsprozessen oder zur Suche nach neuen volatilen Lebensmittelinhaltsstoffen.
Description
- Hintergrund der Erfindung
- Anwendungsgebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft neuartige Einrichtungen und Verfahren zur Analyse des Zustandes eines Lebensmittels, insbesondere zur Detektion eines Produktionsproblems oder Produktfehlers oder zur Detektion von bekannten oder unbekannten Inhaltsstoffen eines Lebensmittels. Dabei werden Limitierungen herkömmlicher Lebensmitteldiagnostika, wie z.B. Massenspektrometrie, HPLC oder Gaschromatographie überwunden.
- Charakteristik des bekannten Standes der Technik
- Mit großem volkswirtschaftlichen Aufwand wird die Detektion einzelner Schadstoffe in Lebensmitteln durchgeführt, ohne daß immer ein volkswirtschaftlicher Nutzen in Form der angestrebten hocheffizienten Früherkennung erbracht wird. Eine wichtige Ursache der Probleme bei der Früherkennung vieler tierischer Lebensmittelprobleme ist die außerordentlich komplexe Biochemie des tierischen Organismus und der hohe apparative Aufwand zur Messung von einzelnen Markern, die charakteristisch für bestimmte Probleme sind. Daher bleiben viele wichtige Probleme oft lange unerkannt. Wenn sie schließlich zu späteren Zeiten entdeckt werden, führen sie i.a. zu ungleich höheren Kosten der Lösung, sofern eine wirksame Lösung dann überhaupt noch möglich ist. Ein Beispiel für ein jahrelang unerkanntes Lebensmittelproblem ist BSE. Es wäre daher wünschenswert, eine alternative Methode der Früherkennung zur Verfügung zu haben, die relativ viele Problemmarker gleichzeitig erfassen und bewerten kann.
- Tabelle 1. Beispiele für mögliche chemische Emissionen zur Diagnose von Lebensmittelproblemen.
- Es sind Verfahren zur Lebensmitteldetektion und Lebensmittelkontrolle bekannt (siehe Tabelle 1), in denen Gase oder Aerosole detektiert werden, die vom Lebensmittel emittiert werden, z.B. können Vinylester, Vinyllactone, Ester, Aldehyde, Ketone, Säuren, Lactone und Norisoprenoide detektiert und zur Qualitätskontrolle verwendet werden. Neben der menschlichen Nase (siehe z.B. Bohaychuk & Greer, 2003; Schifferstein & Miciiaut, 2002) ist die Methode der Wahl oft Gaschromatographie (GC; siehe z.B. Jordan et al., 2003; Valim et al., 2003), Massenspektrometrie (MS), GC-MS (siehe z.B. Aubert et al., 2003; Qian & Reineccius, 2003; Jordan et al., 2003), oder Proton-Transfer-Reaktions-Massenspektrometrie (PTR-MS; siehe z.B. Boscaini et al., 2003). Alle vier technische Methoden sind sehr teuer. Außerdem nimmt GC bei Konzentrationen unter 1 ppbv typischerweise mehr als 30 Minuten in Anspruch. Die relativ schnelle MS und PTR-MS lassen ohne aufwendige Zusatzgeräte (z.B. virtuelle Impaktoren) aufgrund des komplizierten Probeneinlasses typischerweise nur die Erfassung eines winzigen Bruchteils der ursprünglichen Emissionen des Lebensmittels zu. Es gibt Versuche mit chemischen Sensoren, sogenannten elektronischen Nasen (beruhen z.B. auf der Änderung des Widerstands von mit Antikörpern bestückten Folien oder Änderung der Resonanzfrequenz von mit Antikörpern bestückten Transducern), die jedoch relativ unempfindlich sind. Noch unempfindlicher ist die z.B. zur Kaffeanalyse verwendete Infrarotspektroskopie (Lyman et al., 2003) und die GC-FID (siehe z.B. Aubert et al., 2003). Für die simultane Früherkennung vor dem vollen Ausbruch einer Vielzahl von Lebensmittelproblemen ist jedoch eine kostengünstigere Technologie mit erheblich besserer Sensitivität wünschenswert.
- Insbesondere können herkömmliche Methoden und Geräte zur Diagnostik von Lebensmitteln, wie z.B. Massenspektrometrie, HPLC und GC nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand Geruchssubstanzen auf dem Niveau von einigen 1000 Molekülen detektieren. Bekannt sind ultrasensitive Ionenmobilitätsspektrometer (IMS), welche jedoch für die Diagnostik von Lebensmitteln bisher keine Bedeutung haben. Bezüglich des Designs von Ionenmobilitätsspektrometern und ihrer extrem hohen Sensitivität siehe Nölting, B. (2003) Methods in Modern Biophysics. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York Tokyo.
- Ziel der Erfindung
- Das Ziel der Erfindung ist die Erweiterung der Möglichkeiten moderner Geräte und Verfahren zur Feststellung des Zustandes von Lebensmitteln und zur Entdeckung von neuen Inhaltsstoffen mittels der ultrasensitiven Detektion und Analyse von Substanzen, die vom Lebensmittel in die Gasphase oder Aerosolphase übertreten.
- Literatur
-
- Bohaychuk VM, Greer GG (2003) Bacteriology and storage life of moisture-enhanced pork. J Food Prot 66: 293-299
- Boscaini E, van Ruth S, Biasioli F, Gasperi F, Mark TD (2003) Gas chromatography-olfactometry (GC-O) and proton transfer reaction-mass spectrometry (PTR-MS) analysis of the flavor profile of grana padano, parmigiano reggiano, and grana trentino cheeses. J Agric Food Chem 51: 1782–1790
- Jordan MJ, Margaria CA, Shaw PE, Goodner KL (2003) Volatile components and aroma active compounds in aqueous essence and fresh pink guava fruit puree (Psidium guajava L.) by GC-MS and multidimensional GC/GC-O. J Agric Food Chem. 2003 51: 1421-6
- Kumazawa K, Masuda H (2003) Identification of odor-active 3-mercapto-3-methylbutyl acetate in volatile fraction of roasted coffee brew isolated by steam distillation under reduced pressure. J Agric Food Chem 51: 3079-3082
- Lyman DJ, Benck R, Dell S, Merle S, Murray-Wijelath J (2003) FTIR-ATR analysis of brewed coffee: effect of roasting conditions. J Agric Food Chem 51: 3268-3272
- Nölting B (2003) Methods in Modern Biophysics, Springer, Berlin∙Heidelberg∙New York∙Tokyo, 268 Seiten
- Qian M, Reineccius GA (2003) Quantification of aroma compounds in Parmigiano Reggiano cheese by a dynamic headspace gas chromatography-mass spectrometry technique and calculation of odor activity value. J Dairy Sci. 86: 770-776
- Schifferstein HN, Miciiaut AM (2002) Effects of appropriate and inappropriate odors on product evaluations. Percept Mot Skills. 95: 1199-1214
- Valim MF, Rouseff RL, Lin J (2003) Gas chromatographic-olfactometric characterization of aroma compounds in two types of cashew apple nectar. J Agric Food Chem. 51: 1010-1015
- Detaillierte Beschreibung der Erfindung
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bestimmte Detektionen von Lebensmittelproblemen und von Lebensmittelinhaltsstoffen zu ermöglichen, ohne an die Einschränkungen von herkömmlich verwendeten Mitteln gebunden zu sein. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Verwendung von Ionenmobilitätsspektrometrie gelöst, wobei chemische Stoffe detektiert und analysiert werden, die vom Lebensmittel in die Gasphase oder Aerosolphase abgegeben werden. Diese im Folgenden "stoffliche Emissionen" genannten Stoffe sind z.B. Säuren, Aldehyde, Sulfide, Kohlenwasserstoffe, Pheromone, Hormone, Lipide, Peptide, Proteine. Die Lebensmittel enthalten z.B. Fleisch, Fisch, Käse, Obst, Getreide. Anhand des Vorkommens oder Nichtvorkommens der stofflichen Emissionen wird z.B. auf den Lebensmittelzustand der Person geschlossen. Dieser Schluß wird z.B. aus dem Vorkommen oder Nichtvorkommen problemspezifischer Markerstoffe oder z.B. aus Veränderungen der Konzentration einer Vielzahl von Stoffen getroffen. Der Schluß kann z.B. eine Diagnose oder eine Risikoeinschätzung oder eine Wahrscheinlichkeit einer Diagnose sein. Die Methoden und Einrichtungen können auch z.B. Anwendung zur Erforschung neuer Lebensmittelinhaltstoffe finden.
- 1. Ausführungsbeispiel
- Der Probeneinlaß eines IMS-Schnüffeldetektors ist wenige Zentimeter über der Produktionslinie eines Schlachthauses montiert, während die im Schnüffeldetektor integrierte Pumpe ca. 10 ml/min Luft ansaugt und diese zur Probeneinlaßmembran des Schnüffeldetektors führt. Ein Ionenmobilitätsspektrum wird gemessen und im IMS-Schnüffeldetektor ausgewertet oder zu einem Computer transferiert, welcher das Spektrum auf das Vorhandensein von erwünschten Inhaltsstoffen und unerwünschten bakteriellen Stoffwechselprodukten und Lebensmittelveränderungen analysiert. Aufgrund der ultrasensitiven Detektion können Produktionsprobleme relativ preiswert erkannt werden, bevor sie die zulässigen Grenzwerte überschreiten.
- Ein Beispiel einer Anordnung der Meßtechnik ist in
1 skizziert: Ein Schlauch (1 ) ist auf den Probeneinlaß (2 ) eines IMS-Schnüffeldetektors gesteckt. Auf das vom Detektor abgewandte Ende des Schlauches ist ein auswechselbar Grobfilter (3 ) montiert, welcher grobe Partikel abhält. Das Schlauchende mit Grobfilter (3 ) endet in unmittelbarer Nähe eines Förderbandes (4 ), auf dem die zu untersuchenden Nahrungsmittel vorbeilaufen. Der IMS-Schnüffeldetektor enthält einen Prekonzentrator oder Vorfilter (5 ), eine Probeneinlaßpumpe (6 ), eine schnelle Gaschromatographie (7 ), einen Auslaß für das Driftgas (8 ), eine Batterie (9 ), den Driftkanal (10 ) des IMS, eine thermische Isolation und Temperaturkontrolle (11 ), einen Einlaß für das Driftgas (12 ), einen Handgriff (13 ), eine Anzeige (14 ) oder anstelle dessen eine Schnittstelle zu einem PC. Die Spektrenanalyse erfolgt beispielsweise mittels neuronaler Netzwerkanalyse (2 ): Die Spektren (Strom (15 ) am Kollektor des IMS als Funktion der Driftzeit (16 )) werden mittels eines neuronalen Netzes analysiert, welches aus Eingabeschicht (17 ), verborgener Schicht (18 ), gewichteten Verbindungen (19 ,20 ), einer Vorliebe (21 ) und den Ausgabeknoten (22 ,23 ,24 ), besteht. Signale an den Ausgabeknoten (22 ,23 ,24 ) entsprechen beispielsweise verdorbenem Fleisch bzw. schadstoffbelastetem Fleisch bzw. ordnungsgemäßem Zustand des Fleisches. - Die Vorteile der IMS-Detektion von chemischen Lebensmittelemissionen sind beispielsweise:
- • Es wird eine Vielzahl von biochemischen Parametern simultan erfaßt und ausgewertet, d.h. Indikatoren für eine Vielzahl von Lebensmittelproblemen können simultan erfaßt werden.
- • Durch die spezielle Form der Probennahme, die hauptsächlich Geruchsmoleküle erfaßt, gibt es keine allzugroße Überlappung mit anderen Methoden (z.B. herkömmliche GC oder HPLC), so daß zu erwarten ist, daß bestimmte Lebensmittelprobleme besser diagnostiziert werden können, als mit herkömmlichen Methoden.
- • IMS-Detektion ist ultrasensitiv. Das theoretische Limit der Methode (ca. 1000 Moleküle) ist viele Größenordnungen besser, als beispielsweise bei herkömmlicher GC, GC/MS oder HPLC. Daher können Stoffe nachgewiesen werden, deren Vorkommen im tierischen Organismus bisher unbekannt ist. Es ist damit zu rechnen, daß neue problemtypische Emissionen entdeckt werden. Dadurch besteht ein erhebliches Potential für die Grundlagenforschung zur Entdeckung neuer in Verderbmechanismen involvierter Substanzen.
- • Die Messung ist sekundenschnell und das Meßergebnis kann nach Entwicklung einer geeigneten Auswertesoftware innerhalb von Sekunden vorliegen.
- 2. Ausführungsbeispiel
- Ein IMS-Schnüffeldetektor löst Alarm aus, wenn bei der Kafferöstung ein Produktionsfehler droht. Dadurch kann der Röstprozeß rechtzeitig fehlerfrei geregelt werden.
Claims (2)
- Detektionseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß – ein Stoff oder Stoffgemisch, der bzw. das von einem Lebensmittel in die Gasphase oder Aerosolphase abgegeben wird, mittels eines Ionenmobilitätsspektrometers detektiert wird, – aus dem Resultat der Detektion auf den Zustand des Lebensmittels oder einen bekannten oder bisher unbekannten Inhaltsstoff geschlossen wird.
- Detektionsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß – ein Stoff oder Stoffgemisch, der bzw. das von einem Lebensmittel in die Gasphase oder Aerosolphase abgegeben wird, mittels Ionenmobilitätsspektrometetrie detektiert wird, – aus dem Resultat der Detektion auf Zustand des Lebensmittels oder einen bekannten oder bisher unbekannten Inhaltsstoff geschlossen wird.
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