Wissenschaft & Forschung

Prof.Dr.

Verbraucher verbinden oft einen bestimmten Geruch oder Geschmack mit Lebensmittelqualität. Zudem wünschen sie sich oft traditionelle oder regionale Produkte. Bei der Lebensmittelsicherheit ging es bis vor ein paar Jahren vor allem um Rückstände, heute stehen die food-borne toxicants im Fokus der Aufmerksamkeit.
<h2>Aromaforschung</h2>Geruch und Geschmack sind die wichtigsten Qualitätskriterien, anhand derer Verbraucher entscheiden, ob sie ein Lebensmittel kaufen oder nicht. In zwei Umfragen wurden diese organoleptischen Eigenschaften am häufigsten genannt (Abbildungen 1 und 2).<figure><img src="https://media.graphcms.com/2AaqWLBvQC2RgjGjotzQ"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Umfrage der Washington State University zu Kaufkriterien für Lebensmittel.</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/dHSWnzCTtWLorQH5blZQ"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Umfrage der International Food Information Council Foundation zum Einfluss auf die Kaufentscheidung der Verbraucher bei Lebensmitteln.1)</figcaption></figure>
Studien zu aroma- und geschmacksaktiven Lebensmittelinhaltsstoffen sind nur mit einer Kombination aus sensorischen und analytisch-instrumentellen Methoden machbar. In den letzten Jahrzehnten hat sich das Konzept der molekularen Sensorik2) durchgesetzt, um flüchtige, geruchsaktive Verbindungen, die eventuell als Spurenkomponenten vorliegen, von der Menge der Verbindungen zu unterscheiden, die ebenfalls flüchtig sind, aber in den vorliegenden Konzentrationen geruchlos. Diese auch als Sensomics bezeichnete Vorgehensweise besteht aus:<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>der Identifizierung der Schlüsselaromastoffe durch die Aromaextraktverdünnungsanalyse (Aeva). Die Methode basiert auf der Gaschromatographie-Olfaktometrie (GC-O) in Verbindung mit der Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS).<list-item>der Quantifizierung der wichtigsten Aromastoffe durch Stabilisotopenverdünnungsassays (Sivas),</list-item><list-item>der Berechnung der Aromawerte (AW; Quotient aus Konzentration und dem jeweiligen Geruchsschwellenwert) und</list-item><list-item>der Simulation des Lebensmittelaromas durch eine Mischung der identifizierten Verbindungen mit AW ≥ 1 in den natürlich vorliegenden Konzentrationen.</list-item>Durch diese Technik wurde mit nur ungefähr 230 aus mehr als 10 000 bekannten flüchtigen Verbindungen das Aroma von mehr als 220 Lebensmitteln charakterisiert.3)Die Zusammensetzung der aromaaktiven Verbindungen eines Lebensmittels ist jedoch oft nur die Ausgangsbasis für weitere Forschung. So werden beispielsweise in Zusammenarbeit mit Verfahrensingenieuren und Lebensmitteltechnologen die Aromaveränderungen während der Lebensmittelherstellung Schritt für Schritt nachvollzogen. Dies soll den Herstellern zeigen, welche Prozessstufen sie optimieren können, um ein bevorzugtes Aroma zu erreichen, oder wann unerwünschte Geruchseindrücke (Off-Flavors) entstehen. Dabei sind nicht nur die entstehenden Substanzen oder deren Intermediate im Interesse der Forschung, sondern bereits deren Ausgangsverbindungen, die Prekursoren, aus denen letztlich die Aromastoffe entstehen.Auch die Zusammenarbeit mit Mikrobiologen wird wichtiger werden, um den Einfluss von Mikroorganismen auf das Lebensmittelaroma zu untersuchen.Eine weitere Herausforderung wird der Wunsch des Verbrauchers nach All-natural-Aromakompositionen, also Aromen aus natürlichen Quellen. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, müssen neue Quellen gefunden und optimiert werden, die diese Geruchsstoffe bereits enthalten oder diese während der Lebensmittelherstellung generieren.<h2>Sicherheit: Giftstoffe aus Lebensmitteln</h2>In den letzten zehn Jahren waren die food-borne toxicants4,5) ein weit verbreitetes Thema in den Medien und somit auch bei den Verbrauchern. Hierbei handelt es sich um Verbindungen, die sich während der Herstellung aus solchen Stoffen bilden, die natürlich in Lebensmitteln vorkommen. Besonders, dass diese Verbindungen nicht nur in industriell hergestellten Produkten zu finden sind, sondern auch im Haushalt bei der Lebensmittelzubereitung entstehen, förderte das Interesse der Verbraucher an diesem Thema. Zudem begannen sie, ihre eigenen Verzehrgewohnheiten zu überdenken. In einer Umfrage aus dem Jahr 2016 rangierten diese food-borne toxicants (in der Umfrage als Karzinogene oder als krebsauslösende Chemikalien bezeichnet; von 15 % der Befragten genannt) als wichtigstes Kriterium für Lebensmittelsicherheit auf Platz zwei, hinter Krankheiten, die von Mikroorganismen ausgelöst werden (29 %) (Abbildung 3).<figure><img src="https://media.graphcms.com/3VaG9jk1Syu4WTyZNUQ7"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Umfrage der International Food Information Council Foundation zur Lebensmittelsicherheit.1) GMOs: genetisch modifizierte Organismen.</figcaption></figure>
Das wahrscheinlich berühmteste food-borne toxicant ist Acrylamid.6,7) Die Substanz kommt in zahlreichen erhitzten Lebensmitteln vor, besonders in kartoffel- und getreidebasierten Produkten,8,9) da diese reich an dem wichtigsten Prekursor, freiem Asparagin, sind. Mottram und Mitarbeiter10) waren die Ersten, die über freies Asparagin als Prekursor berichteten, gefolgt von Zyzak und Kollegen.11) Etwas später wurde der komplette Bildungsweg von der freien Aminosäure über das Intermediat 3-Aminopropionamid zu Acrylamid durch Isotopenmarkierungsversuche mit [13C15N2]-Asparagin aufgeklärt (Abbildung 4, S. 364). Diese Reaktionskaskade war sowohl in Modellsystemen als auch in Lebensmitteln nachweisbar.12,13)<figure><img src="https://media.graphcms.com/MC4TFnNeTfelIclkXHSf"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Stabilisotopenmarkierte Studien klärten den Bildungsweg von Acrylamid.12) b: 13C-Markierung; N in Rot: 15N-Markierung; Asn: freies Asparagin, 3-APA: 3-Aminopropionamid, AA: Acrylamid.</figcaption></figure>
In den darauffolgenden Jahren wurden viele andere Verbindungen mit toxikologischer Relevanz identifiziert, die während der Lebensmittelherstellung thermisch entstehen. Hierzu zählen Acrolein, Crotonaldehyd, Furan, Glycidamid, Glycidylfettsäureester, 2- und 3-Monochlorpropandiolfettsäureester (2- und 3-MCPD-Ester) sowie Styrol. Die meisten dieser Verbindungen sind von der International Agency for Research on Cancer (IARC) klassifiziert, die Substanzen nach ihrer Kanzerogenität für den Menschen einteilt (<a href="http://monographis.iarc.fr/ENG/Classification/" target="_blank">http://monographis.iarc.fr/ENG/Classification/</a>).Damit solche Verbindungen zukünftig weniger in Lebensmitteln vorkommen, sind selektive, sensitive, verlässliche und schnelle Methoden notwendig, die sie identifizieren und exakt quantifizieren. Zudem sind die jeweiligen Bildungswege und der Einfluss der verschiedenen Herstellungsparameter aufzuklären. Nur dann können den Herstellern Minimierungsstrategien an die Hand gegeben werden.Minimierungsstrategien können eine leicht veränderte Rezeptur sein, modifizierte Herstellungsparameter oder auf einer Kombination aus beiden beruhen. Auch Züchtungen neuer Varietäten (zum Beispiel von Kartoffeln oder Getreide), die Rohstoffe mit geringen Prekursorgehalten liefern, sind eine Möglichkeit.<h2>Forschung an Aromastoffen und giftigen Substanzen kombiniert</h2>In der Vergangenheit beschäftigten sich Arbeitsgruppen entweder mit der Analytik von Geruchs- und Geschmacksstoffen oder mit toxikologisch bedenklichen Substanzen. Eine Vereinigung beider Aspekte war bisher selten.Lebensmittel sollen aber sowohl geringe Konzentrationen an food-borne toxicants aufweisen als auch den Erwartungen an Geruch, Geschmack, Farbe und Textur entsprechen. Daher nimmt sich seit einigen Jahren die Arbeitsgruppe um Michael Granvogl am Lehrstuhl für Lebensmittelchemie der TU München in Freising-Weihenstephan der Aufgabe an, beide Aspekte zu kombinieren. Dort werden auch andere unerwünschte Substanzen in Nahrungsmitteln analysiert, beispielsweise Verbindungen, die Fehlgerüche in Lebensmitteln bei Herstellung oder Lagerung verursachen.<h2>Beispiel Rapsöl</h2>Unerwünschte Verbindungen müssen nicht unbedingt toxikologisch bedenklich sein. Sie können auch die Ursache sensorischer Defizite sein, die dazu führen, dass Verbraucher ein Lebensmittel ablehnen. Ein aktuelles Beispiel ist natives Rapsöl mit einem stichig-modrigen Fehlaroma. Ein AiF-FEI-Forschungsprojekt an der TU München mit dem Max-Rubner-Institut in Detmold hat dieses Fehlaroma aufgeklärt.Für den Verbraucher ist das charakteristische saatige und nussige Aroma des nativen Rapsöls ein wichtiges Qualitätsmerkmal. In der Studie14) wurden mit molekularer Sensorik die Schlüsselaromastoffe des Öls charakterisiert.Nach der schonenden Isolierung der flüchtigen Verbindungen durch Hochvakuumdestillation mit Solvent-Assisted-Flavor-Evaporation(Safe)-Technik15) wurde durch GC-O zwischen flüchtigen, nicht aromaaktiven und flüchtigen, aromaaktiven Verbindungen unterschieden. Bei dieser Technik dient die menschliche Nase als zweiter Detektor, die über einen Sniffing-port den jeweiligen Aromastoffen die sensorische Qualität zuordnet. Dazu wird zunächst das Aromadestillat nach Hochvakuumdestillation an Vigreux-Kolonnen konzentriert und anschließend analysiert. Dieses Destillat wird stufenweise eins plus eins mit Lösungsmittel verdünnt, und jede der Verdünnungsstufen wird erneut über GC-O sensorisch bewertet. Dieses Screening endet mit den Flavor-Dilution-(FD)-Faktoren, welche die letzte Verdünnungsstufe angeben, bei denen die menschliche Nase die einzelnen Aromastoffe noch wahrgenommen hat. Je höher der FD-Faktor, desto wichtiger sollte im Normalfall die jeweilige Verbindung für das Gesamtaroma des Lebensmittels sein. Diese Methode wird als Aromaextraktverdünnungsanalyse bezeichnet.Zunächst wurde zum Vergleich ein natives, sensorisch einwandfreies Rapsöl analysiert, nach der Identifizierung wurden 23 Aromastoffe quantifiziert. Da es sich bei Geruchsstoffen um teils leicht flüchtige und auch labile Verbindungen handeln kann, dienen dazu stabilisotopenmarkierte Substanzen als interne Standards (Stabilisotopenverdünnungsanalyse). Hierzu werden in den Verbindungen, die oft nicht kommerziell zu erwerben sind, Wasserstoffatome durch Deuteriumatome oder Kohlenstoff-12- durch Kohlenstoff-13-Isotope ersetzt.Die Konzentration allein reicht aber nicht für eine Aussage, ob eine einzelne Verbindung zum Gesamtaroma beiträgt. Hierzu sind zunächst die jeweiligen Geruchsschwellenwerte zu bestimmen, um diese dann mit den Konzentrationen ins Verhältnis zu setzen (Aromawertberechnung, AW: Konzentration geteilt durch den Schwellenwert). Ist der Quotient ≥ 1, trägt die Substanz zum Gesamtaroma bei, da sie in Mengen oberhalb ihrer Geruchsschwelle vorliegt.Im Rapsöl wiesen elf Verbindungen Konzentrationen oberhalb ihrer Schwellen in Öl und somit einen AW ≥ 1 auf. Dabei zeigte 2-Isopropyl-3-methoxypyrazin den höchsten AW (330), gefolgt von Dimethyltrisulfid (AW = 37), Buttersäure und Dimethylsulfid (jeweils AW = 7), 2-Isobutyl-3-methoxypyrazin (AW = 5), Octanal (AW = 3), 2-sec-Butyl-3-methoxypyrazin (AW = 3), Hexanal, 3-Methylbutanal, (E,E)-2,4-Nonadienal und Sotolon (alle AW = 2).Ein Simulationsexperiment validierte die analytischen Daten. Dabei wurden die Aromastoffe mit AW ≥ 1 in ihren natürlich vorkommenden Konzentrationen zu einer geruchsfreien Ölmatrix dotiert. Das Rekombinat zeigte ein Aromaprofil, das gut mit dem des nativen Originalrapsöls übereinstimmt.Die molekulare Sensorik wurde dann auf die sensorisch beanstandete Probe angewandt. Das schlechte Rapsöl enthielt keine neuen Verbindungen, allerdings wiesen 16 Aromastoffe eine um mindestens Faktor 5 erhöhte Konzentration auf, teilweise sogar um einen Faktor bis zu 10 000. Durch Zugabe dieser Verbindungen zum sensorisch einwandfreien Rapsöl in Mengen, die der Differenz zwischen gutem und schlechtem Rapsöl entsprachen, ließ sich aus dem guten Rapsöl ein Öl nachstellen, das den identischen sensorischen Defekt aufwies wie die Originalprobe mit Fehlaroma.16)Anschließend wurden sieben weitere native kaltgepresste Rapsöle mit dem gleichen sensorischen Defekt und fünf weitere mit den gewünschten sensorischen Eigenschaften analysiert. Die Daten fasst eine Heatmap zusammen (Abbildung 5). Alle Off-Flavor-Öle (OF.1 bis OF.7) zeigen bei den Konzentrationen der charakterisierten Verbindungen ein ähnliches Muster wie das erste Off-Flavor-Öl (OF). Die sensorisch guten Öle wiederum ergeben ebenfalls ein einheitliches Muster (positive control, PC und PC.1 bis PC.5). Zudem ist die Ähnlichkeit des Musters der Saat (OFS), aus der OF hergestellt wurde, und von OF gut zu erkennen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/TDmmJkmdTEiozohrBNQe"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Heatmap der 17 Aromastoffe, die in sechs Ölen mit gewünschten sensorischen Eigenschaften (PC, PC.1-PC.5) und in acht Off-Flavor-Ölen (OF, OF.1-OF.7) bestimmt wurden. OFS: Rapssaat, aus der OF hergestellt wurde. Skala rechts: Farbcode für die Konzentration (µg·kg–1).</figcaption></figure>
Fast alle Verbindungen, deren Konzentration im schlechten Öl angestiegen war, waren durch einen mikrobiellen Bildungsweg zu erklären. Somit erhielten die Hersteller klare Empfehlungen, wie sie das Fehlaroma vermeiden können. Demnach ist es besonders wichtig, bereits auf eine qualitativ hochwertige Saat für die Ölherstellung zu achten. Der Hersteller muss zudem auf gute Lagerbedingungen der Rohware Wert legen.<h2>Beispiel Kartoffelchips</h2>Eine andere Studie befasste sich mit der Kombination aus erwünschten aromaaktiven und unerwünschten toxikologisch bedenklichen Substanzen.17) Hierbei wurden unter anderem Kartoffelchips untersucht. Das Ziel war, die sensorische Qualität auf dem Niveau zu halten, das der Verbraucher kennt und erwartet. Parallel sollte der Gehalt an Acrylamid sinken.In dieser Studie wurden mit molekularer Sensorik die Schlüsselaromastoffe von Kartoffelchips analysiert. Anschließend wurden Chips in verschiedenen Frittiermedien hergestellt und die Schlüsselaromastoffe parallel zum Acrylamid quantifiziert. Das Ziel war, den Einfluss verschiedener Fette und Öle auf die Bildung dieser Verbindungen zu bestimmen (Tabelle).<table-wrap>

<label>Table 1</label><h2>Konzentrationen der Schlüsselaromastoffe und Acrylamid, die beim Frittieren von Kartoffeln für Chips in verschiedenen Fetten und Ölen entstehen. ( a Mittelwert aus Dreifachbestimmung.)</h2><img src="https://media.graphcms.com/6AR632xCRrGZiWVEjIu3">

</table-wrap>Das Sensorikpanel, das ist eine Gruppe sensorisch geschulter Personen, stellte Unterschiede im Aromaprofil von Chips fest, die in Distelöl und Kokosfett sowie in Kokosfett und Rapsöl hergestellt wurden (Triangeltest). Besonders die Geruchsbeschreibung „frittiert“ bewerteten die Tester unterschiedlich.Das sensorische Ergebnis war auf molekularer Ebene zu belegen. Die Schlüsselaromastoffe von Kartoffelchips, die den gewünschten frittierten Aromaeindruck bewirken, sind die beiden 2,4-Decadienalisomere. Die quantitativen Daten belegen große Unterschiede in den jeweiligen Konzentrationen. So enthielten in Kokosfett frittierte Chips 347 µg·kg–1 (E,E)-2,4-Decadienal und in Distelöl hergestellte bis zu 3900 µg·kg–1 (Tabelle). Die sensorischen Ergebnisse bestätigen somit die der instrumentellen Analytik. Die Erklärung liefert die Fettsäurezusammensetzung in den Frittiermedien: Distelöl enthält 75 % Linolsäure, den Prekursor für 2,4-Decadienal, Kokosfett unter 1 % und Rapsöl zirka 20 %.Auch die Bildung von Acrylamid hängt vom Frittiermedium ab. Erfreulicherweise zeigten die Chips, die mit Distelöl hergestellt wurden und das beste sensorische Profil aufwiesen, die niedrigste Acrylamidkonzentration (160 µg·kg–1; Tabelle). Auch Chips aus Kokosfett und solche aus einem Frittierfett aus dem Supermarkt enthielten wenig Acrylamid, allerdings waren auch die Mengen der erwünschten 2,4-Decadienale deutlich geringer als in Distelöl-Chips. Die Konzentrationen der ebenfalls erwünschten Pyrazine und der Strecker-Aldehyde, die allerdings nicht aus den Fetten gebildet werden, blieben nahezu unverändert.Somit konnte den Herstellern eine Möglichkeit gezeigt werden, wie sie sensorisch hochwertige Kartoffelchips mit niedriger Acrylamid-Konzentration produzieren können, ohne Prozessparameter verändern zu müssen.Michael Granvogl, Jahrgang 1974, studierte Lebensmittelchemie an der TU München. Dort promovierte und habilitierte er sich auch in dem Fach. Ab 2009 war er Akademischer Rat, und seit dem Jahr 2015 ist er Akademischer Oberrat in Lehre und Wissenschaft am Lehrstuhl für Lebensmittelchemie. Seit diesem Jahr führt er den Titel Privatdozent. Von 2010 bis 2016 war er Vorsitzender des Regionalverbands Bayern der GDCh-Fachgruppe Lebensmittelchemische Gesellschaft (LChG). Gerade ist er in die Leadership Rotation der Food Safety Subdivision der Agricultural and Food Chemistry Division der American Chemical Society (ACS) aufgenommen worden, deren Leitung er im Jahr 2018 übernehmen wird.<div><img src="https://media.graphcms.com/YiSufTEqTyGFXjrjDVTV">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 International Food Information Council Foundation: Food decision 2016, Food &amp; health survey; <a href="https://www.foodinsight.org/sites/default/files/2016-Food-and-Health-Survey-Report_%20FINAL_0.pdf" target="_blank">www.foodinsight.org/sites/default/files/2016-Food-and-Health-Survey-Report_%20FINAL_0.pdf</a> (2. November 2016)</li><li>
2 P. Schieberle, T. Hofmann, Chemical and Functional Properties of Food Components Series. Food Flavors. Chemical, Sensory and Technological Properties (Hrsg. H. Jelen), CRC Press: Boca Raton, FL, 2012; S. 413–438.</li><li>
3 A. Dunkel, M. Steinhaus, M. Kotthoff et al,. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 7124–7143.</li><li>
4 T. Wenzl, D. W. Lachenmeier, V. Gökmen, Anal. Bioanal. Chem. 2007, 389, 119–137.</li><li>
5 R. H. Stadler, Chemical Contaminants and Residues in Food [Hrsg. D. Schrenk], Woodhead Publishing: Cambridge, UK, 2012; S. 201–232.</li><li>
6 M. Friedman, J. Agric. Food Chem. 2003, 51, 4504–4526.</li><li>
7 M. Friedman, C. E. Levin, J. Agric. Food Chem. 2008, 56, 6113–6140.</li><li>
8 E. Tareke, E. Rydberg, P. Karlsson, S. Eriksson, M. Törnqvist, Chem. Res. Toxicol. 2000, 13, 517–522.</li><li>
9 E. Tareke, E. Rydberg, P. Karlsson, S. Eriksson, M. Törnqvist, J. Agric. Food Chem. 2002, 50, 4998–5006.</li><li>
10 D. S. Mottram, B. L. Wedzicha, A. T. Dodson, Nature 2002, 419, 448–449.</li><li>
11 D. V. Zyzak, R. A. Sanders, M. Stojanovic, et al., J. Agric. Food Chem. 2003, 51, 4782–4787.</li><li>
12 M. Granvogl, P. Schieberle, J. Agric. Food Chem. 2006, 54, 5933–5938.</li><li>
13 M. Granvogl, P. Schieberle, Eur. Food Res. Technol. 2007, 225, 857–863.</li><li>
14 K. Matheis, M. Granvogl, Eur. Food Res. Technol. 2016, 242, 1565–1575.</li><li>
15 W. Engel, W. Bahr, P. Schieberle, Eur. Food Res. Technol. 1999, 207, 237–241.</li><li>
16 K. Matheis, M. Granvogl, J. Agric. Food Chem. 2016, 64, 8168–8178.</li><li>
17 A. Thürer, M. Granvogl, J. Agric. Food Chem. 2016, 64, 9107–9115</li></ul>

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