Trendbericht Lebensmittelchemie 2023

Hören, sehen, riechen, schmecken, fühlen – mit unseren Sinnen nehmen wir Informationen über unsere Umwelt auf. So können wir die Qualität von Lebensmitteln einschätzen, aber auch – teils ohne es zu merken – mit unseren Mitmenschen kommunizieren. Gerade die Forschung zur chemischen Kommunikation beim Menschen erlebt nach Jahrzehnten einen erneuten Aufschwung in der Aroma- und Geruchsforschung, einem Teilbereich der Lebensmittelchemie.

Botenstoffe üben in der Natur auf vielfältige Weise ihre Funktionen aus: Über die Luft übertragen ermöglichen sie Interaktionen zwischen Lebewesen, zum Beispiel zwischen Pflanzen und Tieren sowie zwischen Artgenossen. Auch wir Menschen geben Substanzen an unsere Umwelt ab: über den Atem, die Haut, über Sekrete und Ausscheidungen. Der Frage, ob und wie diese Substanzen das Miteinander von Menschen beeinflussen, ging man erstmals verstärkt in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts nach, im Zuge des aufkeimenden Interesses an chemischer Kommunikation bei Wirbeltieren. Dabei stellte sich unter anderem heraus, dass der menschliche Brustgeruch Neugeborenen dabei hilft, die Brust zu finden und Milch aufzunehmen, und dass Körpergerüche Informationen über Geschlecht und Identität einer Person in sich tragen.¹⁾

Durch neuere Forschungen gilt es mittlerweile als gesichert, dass Körpergerüche auch weitere Informationen transportieren können (Abbildung oben). Während die Wirkungen von Chemokommunikation auf unser Verhalten mehr und mehr erforscht werden, ist das Wissen um die chemischen Substanzen, welche die Informationen vermitteln, noch äußerst begrenzt.

Chemische Kommunikation von Emotionen

Im Jahr 2000 veröffentlichten Chen und Haviland erste Hinweise darauf, dass sich Achselgerüche dem emotionalen Zustand einer Person zuordnen lassen.²⁾ Wie nachfolgende Studien zeigten, beeinflussen Achselgerüche emotionsspezifisch die Verhaltensweisen anderer Personen und auch von Tieren.

Klassischerweise werden in solchen Studien Achselschweißproben mit Textilien wie Stillpads und T-Shirts gewonnen und anschließend in einem experimentellen Aufbau angewendet (Abbildung rechts). So zeigten Meister und Pause beispielsweise, dass in Anwesenheit von Angstschweißproben Frauen in einem Computerspiel risikobereiter waren.³⁾ Diese und andere Untersuchungen weckten das Interesse an einer Charakterisierung der flüchtigen Substanzen in den Schweißproben, die diese Effekte bedingen. So analysierten Smeets et al. die Gasphase von Schweißproben, die mehreren Probanden in unterschiedlichen emotionalen Situationen entnommen worden waren: bei Furcht, bei Freude und in einer neutralen Situation.⁴⁾

Für die Analyse wurde Stir Bar Sorptive Extraction gefolgt von Thermodesorption und GC×GC-ToF-MS eingesetzt. In den Proben aus Furchtsituationen fanden die Forscher:innen verstärkt Aldehyde and Ketone (3-Penten-2-on, Hexanal, 2-Heptenal, 1-Octen-3-ol, Octanal, 2,4-Heptadienal, 2-Octenal, Nonanal, 2-Hexylfuran, Octadienal, γ-Heptyllacton, Decanal, Nonadienal, 2-Methyldecanal, Decadienal und 3-Tridecanon). In Proben aus neutralen Situationen waren hingegen verstärkt Ester und cyclische Strukturen vorhanden (Essigsäureethylester, 4-Methyl-1,3-dioxolan, Essigsäurepropylester, 1-Ethoxy-2-propanol, Essigsäurebutylester, 3-Methyl-2-cyclopenten-1-on und 1,6-Dioxacyclododecan-7,12-dion). Bei den Proben aus der freudigen Situation ergab sich ein Überlapp in der Klassifizierung sowohl mit den neutralen als auch mit den Furchtproben.

Die Extraktion erfolgte jedoch während zwei Stunden bei 60 °C, was die Bildung von Oxidationsprodukten beispielsweise aus Talgbestandteilen begünstigt. Außerdem identifizierten die Forscher:innen die Substanzen nur vorläufig über die NIST-Datenbank. Generell bedarf es in dem Forschungsgebiet der weiteren Entwicklung standardisierter und leistungsstarker Methoden, wie Veröffentlichungen aus den letzten Monaten zeigen.^5,6) Gerade polare und weniger flüchtige Substanzen sind schwierig zu detektieren, wenn textile Materialien zur Probenahme verwendet werden und anschließend aus dem Kopfraum extrahiert wird.

Bei der Entwicklung analytischer Verfahren zur Detektion von Schweißgeruchsstoffen ist zudem die strukturelle Vielfalt der Substanzen in Achselschweiß zu beachten sowie die Variabilität der Zusammensetzung zwischen Individuen. Die Aufklärung der chemischen Grundlagen von Achselgeruch erfolgte vor knapp 20 Jahren, vorwiegend getrieben aus unternehmerischem Interesse von Aromaherstellern, aus der Kosmetik- und Konsumgüterindustrie. Zum Achselgeruch tragen geruchsaktive Säuren, Thiole und Steroide bei, die durch bakterielle Aktivität aus geruchlosen Vorläuferverbindungen freigesetzt werden. Der Achselgeruch hängt demnach nicht nur davon ab, welche Vorläuferverbindungen in welchen Mengen von Schweißdrüsen abgesondert werden, sondern auch davon, wie sich das Achselmikrobiom zusammensetzt.

Eine weitere Herausforderung bei der Analytik von Schweißproben ist, dass die geruchsaktiven Substanzen teils sehr gering konzentriert sind. Gerade stark riechende Substanzen sind oftmals nur in Spuren vorhanden, sodass es für deren Detektion spezifische Methoden aus der Aromaanalytik bräuchte. Da nach wie vor unklar ist, ob geruchsaktive oder geruchlose Substanzen die emotionsspezifische Qualität von Achselschweiß vermitteln, sind mehrere, komplementäre Methoden nötig, um Schweißproben umfassend zu untersuchen. In Hinblick darauf ist die Studienlage zu veränderten Körpergerüchen beim Erleben von sozialem Stress ein interessantes Beispiel.

Chemische Kommunikation von Stress

Sozialer Stress lässt sich standardisiert durch den Trier Social Stress Test hervorrufen: Personen nehmen dabei an einem vermeintlichen Bewerbungsverfahren teil. Um flüchtige Substanzen zu untersuchen, die in einer solchen Stresssituation aus dem Achselbereich und von den Händen abgegeben werden, griff man zu nichttextilbasierten Methoden: Tsukuda et al. verwendeten ein Adsorbens mit anschließender Thermodesorption-GC-MS,⁷⁾ und Vautz et al. analysierten flüchtige Substanzen aus dem Achselbereich mit GC-IMS.⁸⁾ Erstere berichten von 1,2-Ethandiol, Acetophenon, Heptadecan, Adipinsäuredimethylester, Benzylalkohol und Benzothiazol als mögliche Stressmarker; letztere von Pentadecan, 4,6-Dimethyldodecan, Dodecanal, 1-Dodecanol, Hexadecan und Tetradecanal.

Tsukuda et al. analysierten auch flüchtige Substanzen von der Hand, detektierten jedoch keine Stressmarker. Im Gegensatz dazu fanden Katsuyama et al. mit Olfaktometrie heraus, dass sozialer Stress zu einer erhöhten Emission von Allylmercaptan und Dimethyltrisulfid von der Hand führt.⁹⁾ Dies zeigt einerseits die widersprüchliche und dünne Studienlage und andererseits, wie bedeutsam die Olfaktometrie ist, um geruchsaktive Spurenkomponenten zu detektieren.

Die meisten bisher veröffentlichten Studien sind explorativ und deskriptiv; es fehlen Hypothesen zu den physiologischen Grundlagen, die zu einer veränderten Zusammensetzung der Körperemissionen bei bestimmten psychologischen Zuständen führen. In künftigen Arbeiten sollten entsprechende Hypothesen aufgestellt werden, um sie durch gerichtete Analysen überprüfen zu können.

Aromaanalytik und Chemokommunikation

Der Geruchssinn des Menschen spielt in drei Bereichen eine wichtige Rolle: bei der Nahrungsaufnahme, beim Vermeiden von Gefahren generell und bei der sozialen Kommunikation.¹⁰⁾ Da das Aroma von Lebensmitteln für deren Akzeptanz wichtig ist, sind in den letzten Jahrzehnten fortgeschrittene Analysemethoden entstanden, welche die Nachahmung und Herstellung vieler verschiedener Aromen erlauben. Viele der Aromastoffe in Lebensmitteln sowie deren Bildungswege sind mittlerweile bekannt.¹¹⁾

Auch weiß man mehr und mehr über die molekularen Prozesse der Geruchswahrnehmung: Erst kürzlich wurde erstmals die Struktur eines humanen Geruchsrezeptors mit einem seiner Liganden veröffentlicht.¹²⁾ Vor wenigen Monaten wurde auch gezeigt, dass kompetitive Effekte in Zusammenhang mit Biotransformationsprozessen im Riechepithel die Geruchswahrnehmung des Menschen beeinflussen.¹³⁾

Aromaanalytische Methoden können viel zur Aufklärung von Körpergerüchen beitragen. Letztlich müssen wir die geruchsaktiven Substanzen verstehen, die zu Geruchssignaturen des menschlichen Körpers beitragen, und ihre Bildungswege. Dabei sollten nicht nur Achselgerüche weiter untersucht werden, sondern auch andere körperliche Gerüche.

Allerdings genügt es nicht, sich allein auf geruchsaktive Substanzen zu fokussieren. Ein Grund hierfür ist, dass chemokommunikative Prozesse nicht notwendigerweise mit Geruchswahrnehmung verbunden sein müssen; möglicherweise sind auch nicht geruchsaktive Substanzen relevant. Ein weiterer Grund hierfür ergibt sich in Hinblick auf mögliche Anwendungsgebiete der Messung menschlicher Emissionen, in denen Selektivität und Sensitivität der Detektionsverfahren oft eingeschränkt sind. In diesen Fällen ist ein Verständnis der generellen Zusammensetzung von unterschiedlichen körperlichen Substraten notwendig, um Zielsubstanzen für die maschinelle Detektion zu definieren, die mit dem Auftreten geruchsaktiver Substanzen oder bestimmten physiologischen Zuständen korrelieren.

In künftigen Studien sollte auch einer weiteren Frage nachgegangen werden: nämlich ob Menschen auch weniger flüchtige Substanzen mit Aerosolen oder Partikeln inhalieren und chemosensorisch detektieren können. Auch besteht Forschungsbedarf zur Frage, wie Menschen Körpergerüche und -emissionen detektieren und wahrnehmen. Viele der Substanzen in Körpergerüchen sind auch in Lebensmittelaromen enthalten, und mancher Aromastoff aus Lebensmitteln kann den Körpergeruch beeinflussen – eine genauere Untersuchung der Wahrnehmungsprozesse von körper- und lebensmittelbezogenen Aromastoffen wäre daher interessant.

Ein Spezialfall in diesem Kontext ist Muttermilch: Einerseits ist sie Körpersekret, andererseits Nahrungsmittel. Neugeborene können den Muttermilchgeruch ihrer Mutter erkennen; Aromastoffe aus der mütterlichen Ernährung finden sich in der Muttermilch wieder.¹⁴⁾ Dies wurde kürzlich für das blumig riechende Linalool nachgewiesen.¹⁵⁾ Auch das scharf schmeckende Piperin geht von der Nahrung in die Muttermilch über (Abbildung oben).¹⁶⁾

Anwendungsgebiete

Die Forschung zur chemischen Kommunikation beim Menschen lässt uns allgemein die chemischen Grundlagen von Körpergerüchen verstehen und ermöglicht die Entwicklung von Techniken und Produkten, die Körpergerüche kontrollieren. Die Kenntnis der Funktion von Körpergerüchen in der sozialen Kommunikation macht weitere Anwendungsideen denkbar. Körpergerüche könnten in der Psychotherapie eingesetzt werden oder in der künstlerischen Gestaltung von Ausstellungen.

Gerade in Hinblick auf die Rolle, die der Geruchssinn in Freund- und Partnerschaften sowie in Familien spielt, könnten Partner- und Familienservices von Erkenntnissen profitieren, beispielsweise indem sich Ursachen für (gegebenenfalls unbewusstes) ablehnendes Verhalten in sozialen Beziehungssystemen besser verstehen lassen.^17,18)

Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Medizin: Viele Erkrankungen gehen mit einer Veränderung der Körperemissionen und des -geruchs einher. Diese Veränderungen und ihre physiologischen Grundlagen sowie die Interaktionen mit Mikrobiom, Ernährung und genetischer Veranlagung der Personen zu verstehen, hilft dabei, Monitoring- und Detektionssysteme zur Früherkennung oder therapeutischen Begleitung von Krankheiten zu entwickeln. Hierbei wird es wichtig sein, theoretische Konzepte zur molekularen Kommunikation weiterzuentwickeln, um sie beispielsweise in technische Chemokommunikationssysteme zu übertragen.¹⁹⁾

Drei Fragen an die Autorin: Helene Loos

Was hat Sie bei Ihrer Forschung an Geruchsstoffen am meisten überrascht?

Überraschend war vor allem zu Beginn meiner Forschung die Bandbreite der Wahrnehmungsphänomene. Es hat mich fasziniert, wie unterschiedlich die Geruchswahrnehmung bei verschiedenen Menschen sein kann und wie sehr die Geruchswahrnehmung durch die Konzentrationen der Geruchsstoffe oder die Zusammensetzung der Matrix (beispielsweise bei Lebensmitteln) beeinflusst werden kann.

Welche Entwicklung der letzten Jahre hat Ihre Forschung besonders beeinflusst?

Die verstärkte Anwendung fortgeschrittener Datenanalysemethoden, aber auch die Entwicklungen in instrumenteller Analytik und Sensorik. Abgesehen davon richtet sich durch neue Entwicklungen immer mehr auch der Blick auf den Menschen und seine Reaktionen, die durchaus verschieden sein können.

Was möchten Sie gerne herausfinden?

Es ist mir ein besonderes Anliegen, die molekularen Grundlagen der Chemokommunikation beim Menschen aufzuklären. Wir kommunizieren durch Sprache, Gesten, Mimik – dabei wird die Rolle des Geruchssinns in der zwischenmenschlichen Kommunikation gerne außer Acht gelassen.

Helene M. Loos ist Wissenschaftlerin am Lehrstuhl für Aroma- und Geruchsforschung der Universität Erlangen-Nürnberg und am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Freising. Ihre Forschungsgruppe charakterisiert geruchsaktive Substanzen aus biologischen Materialien und untersucht den Einfluss von Geruchsstoffen auf den Menschen. Im letzten Jahr erhielt sie dafür den Werner-Baltes-Preis der Lebensmittelchemischen Gesellschaft. helene.loos@fau.de

• ¹ R. L. Doty, Chem. Senses 1981, 6(4), 351 – 376
• ² D. Chen, J. Haviland-Jones, Percept. Motor Skill. 2000, 91, 771 – 781
• ³ L. Meister, B. Pause, Biol. Psychol. 2021, 162, 108114
• ⁴ M. A. M. Smeets, E. A. E. Rosing, D. M. Jacobs et al., Metabolites 2020, 10, 84
• ⁵ T. Alves Soares, D. Owsienko, T. Haertl, H. M. Loos, Anal. Chim. Acta 2023, 1252, 341067
• ⁶ M. Ripszam, T. Bruderer, D. Biagini et al., Talanta 2023, 257, 124333
• ⁷ M. Tsukuda, Y. Nishiyama, S. Kawai, Y. Okumura, J. Breath Res. 2019, 036003
• ⁸ W. Vautz, L. Seifert, M. Mohammadi , I. A. G. Klinkenberg, S. Liedtke, Anal. Bioanal. Chem. 2020, 412, 223 – 232
• ⁹ M. Katsuyama, T. Narita, M. Nakashima et al., Plos One 2022, 17(6), e0270457
• ¹⁰ R. J. Stevenson, Chem. Senses 2010, 35, 3 – 20
• ¹¹ A. Dunkel, M. Steinhaus, M. Kotthoff et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53(28), 7124 – 7143
• ¹² C. B. BillesbØlle, C. A. de March, W. J. C. van der Velden et al., Nature 2023, 615, 742 – 749
• ¹³ A. Robert-Hazotte, P. Faure, F. Ménétrier et al., J. Agr. Food Chem. 2022, 70, 27, 8385 – 8394
• ¹⁴ H. M. Loos, D. Reger, B. Schaal, Physiol. Behav. 2019, 199, 88 – 99
• ¹⁵ M. W. Debong, K. N’Diaye, D. Owsienko et al., Molecular Nutrition and Food Research 2021, 2100507
• ¹⁶ K. N´Diaye, M. Debong, J. Behr et al., Mol. Nutr. Food Res. 2021, 2100508
• ¹⁷ I. Ravreby, K. Snitz, N. Sobel, Science Adv. 2022, 8(25), eabn0154
• ¹⁸ B. Schaal, T. K. Saxton, H. M. Loos, R. Soussignan, K. Durand, Philos. T. Roy. Soc. B 2020, 375, 20190261
• ¹⁹ S. Lotter, L. Brand, V. Jamali et al., IEEE Nanotechnology Magazine 2023

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