Aroma- und Geruchsanalytik

Na dann, Prost!

Bier und Brezel – die perfekte Mahlzeit, nicht nur für Freunde des Münchner Oktoberfests. Was aber, wenn’s partout nicht schmecken will? Der US-amerikanische Aromaexperte Dr. Ray Marsili hat sich auf die Spur von schalem oder schimmeligem Geschmack gemacht. Sein wichtigstes Fahndungsinstrument: die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE).
Von Guido Deußing

 

Bier enthält zahlreiche geruchsaktive Verbindungen in geringsten Konzentrationen. Der Versuch, alle mithilfe einer einzigen Analysentechnik zu erfassen, stellt eine große Herausforderung dar. Bei der Bestimmung von Fehlaromen aus einem amerikanischen Lagerbier, das unter divergenten Bedingungen gelagert wurde und alterte, setzte der Aromaexperte Dr. Ray Marsili auf die Stir Bar Sorptive Extraction (SBSE) mit dem patentierten GERSTEL-Twister. Die Bierproben wurden für die Dauer von zwölf Wochen jeweils bei 0 °C (Vergleichsprobe) sowie bei 30 °C gelagert, um durch Vergleichsmessung Veränderungen im Geschmacksprofil aufzeigen zu können. Bei einer dritten in diesem Zusammenhang von Ray Marsili untersuchten Probe habe es sich um das bei 0 °C gelagerte Bier gehandelt, jedoch sei es vor der Analyse acht Stunden lang in einer klaren Flasche dem Sonnenlicht ausgesetzt worden.

Geniale Kombination

Die Analyse der Proben unter Einsatz der Thermodesorptions-Gaschromatographie mit Time-of-Flight-Massenspektrometrie (GC-TOF-MS) erbrachte laut Dr. Marsili folgendes Ergebnis: „Der Wärme ausgesetztes Bier enthielt höhere Gehalte olfaktorisch beziehungsweise gustatorisch wirksamer Verbindungen wie E,E-2,4-Dodecadienal, Furfural, Furylhydroxymethylketon, Furfurylethylether, beta-Damascenon, Ethylphenylacetat und Ethyl-3-Pyridincarboxylat.“ In der Bierprobe, die dem Licht ausgesetzt war, ließen sich nach Angabe des Wissenschaftlers Dimethyldisulfid, Dimethyltrisulfid und Phenylacetaldehyd nachweisen.

Im Zuge eines weiteren Experiments untersuchte Ray Marsili ein Weißbier belgischer Art ebenfalls unter Einsatz der SBSE, allerdings bediente er sich eines anderen Versuchsdesigns: Die Proben wurden zeitgleich sowohl mittels PDMS- als auch mittels Ethylenglycol-Silicon-Twister (EG-Silicon-Twister) extrahiert, wobei der PDMS-Twister, seiner Natur nach ein Rührfisch, die Probe durchmischt und der EG-Silicon-Twister, mit einem Clip an der Innenseite des Vials befestigt (Twicester-Technologie), unbewegt in die gerührte Probe eintaucht: „Während sich der PDMS-Twister für den Ultraspurennachweis unpolarer Verbindungen einsetzen lässt“, erklärt der Wissenschaftler, „eignet sich der EG-Silicon-Twister bestens für die Analyse bestimmter polarer Komponenten wie Phenolen und Carbonsäuren, zu denen wichtige Aroma- und Duftstoffe zählen.“

Das Resultat dieser Untersuchung sei laut Ray Marsili in allen Punkten überzeugend gewesen: Die Kombination von PDMS- und EG-Silicon-Twister habe sich im Vergleich mit anderen Vorgehensweisen als effektiv, empfindlich und sicher herausgestellt. Bei der Bestimmung (polarer) Carbonsäuren im Bier wies der Wissenschaftler mittels der sogenannten Multi-Stir Bar Sorptive Extraction (mSBSE) u. a. folgende aromaaktive Verbindungen nach: Hexan-, Octan-, Decan- und Dodecansowie 2-Methyl-2-Pentensäure; hinzu kamen Linalool, Phenylethylalkohol, alpha-Terpineol, 2-Phenylethylacetat, o-Thymol, p-Vinylguaiacol, 2-Phenylethylhexanoat, 2-Phenylethyloctanoat und 2-Phenylethyldecanoat.

Als wertvoll erwiesen habe sich im Anschluss der gaschromatographischen Bestimmung – verwendet wurde ein GC 7890 von Agilent Technologies – die Detektion der Analyten mittels Flugzeit-Massenspektrometer (Leco Pegasus TOFMS-System). Bei der Auswertung der Signale arbeitete Ray Marsili mit einer hochwertigen Deconvolution-Software. Die thermische Desorption der GERSTEL-Twister erfolgte automatisiert unter Einsatz eines MultiPurposeSamplers (GERSTEL-MPS) und einer ThermalDesorptionUnit (GERSTEL-TDU).

Kleiner Snack, große analytische Herausforderung

Bei einem Imbiss, der zum Bier gereicht wird, kommt es selten auf den Nährwert an; schmecken muss er, basta! Das Geschmacksempfinden leidet indes, handelt es sich bei dem gereichten Snack um eine Laugenbrezel, deren dominante Geschmacksnote muffig-schimmlig ist. Ursächlich für einen solchen Geschmackseindruck sein können Trihaloanisole, Geosmin, 2-Methylisoborneol sowie 2-Isopropyl-3-Methoxypyrazin, die nicht selten einem mikrobiellen Stoffwechsel entstammen, der an ungünstiger Stelle während Herstellung oder Lagerung stattgefunden hat.

Die Detektion genannter Verbindungen ist aufgrund niedriger Geruchsschwellen auch für erfahrene Anwender nicht ganz ohne; die Geruchsschwelle von 2,4,6-Trichloranisol etwa liegt zwischen 0,15 und 2,0 Nanogramm pro Liter (ng/L) in wässriger Lösung, die von Geosmin zwischen einem und zehn ng/L. Soll der Nachweis sicher und hinreichend sensitiv gelingen, ist eine Detektion im Konzentrationsbereich von wenigen ng/L notwendig. „Die SBSE mit PDMS-Twistern hat sich bereits vielfach bei der Untersuchung vergleichbarer Kontaminationen in Lebensmitteln bewährt“, sagt Dr. Ray Marsili [3].

Um eine Brezel mit dem PDMS-Twister extrahieren zu können, muss die Probe zunächst in eine analysierbare Form überführt werden. Dazu gab Ray Marsili jeweils 20 Gramm einer beanstandeten und einer makellosen Brezel in 100 mL 15-prozentiges Ethanol und durchmischte alles drei Minuten lang mit einem elektrischen Handmixer. Die Proben wurden zentrifugiert, aus dem Überstand wurden 20 mL entnommen und für die Dauer von zwei Stunden mit dem PDMS-Twister extrahiert. Diesem Schritt schloss sich die Thermodesorptionsanalyse unter Einsatz des GERSTEL-TDU mit darauffolgender GC/MS-Bestimmung der im PDMS des Twisters angereicherten Analyten an.

Der Vergleich der generierten Chromatogramme machte den Sachverhalt deutlich. Ray Marsili: „In den unbeanstandeten Kontrollproben wiesen wir 10 ng/L Geosmin nach, in den beanstandeten Brezeln lag der Wert bei 350 bis 400 ng/L.“ Im Zuge der weiteren Recherchen wurde das Prozesswasser der Bäckerei als Quelle für die Geosmin-Kontamination ausfindig gemacht. Eingespeist wurde das Prozesswasser vom lokal ansässigen kommunalen Wasserversorger, der seinen Wasserbedarf aus dem Oberflächengewässer eines angrenzenden Sees deckt. Allerdings hätten schwere Regenfälle bei gleichzeitig sommerlichen Außentemperaturen das Aufblühen von Algen im See beflügelt, die letzten Endes als Quelle für das Geosmin identifiziert wurden. Ein Aktivkohlefiltersystem wurde installiert und damit das Problem des Fehlgeschmacks beseitigt.

Wenn Kellner ins Schwitzen geraten

Schlechte Gerüche bilden sich an den unterschiedlichsten Stellen – auch am menschlichen Körper. Wenn zum Beispiel ein Kellner unzählige Male mit großen Biertabletts oder zahllosen Maßkrügen in den Händen von Gast zu Gast durch die Wirtschaft eilt, grenzt das nicht selten an Leistungssport, deutlich sichtbar am feuchten Fleck unter der Achsel. Mag auch manche Kneipe Heimstatt für begeisterte Fußballfreunde sein: Nicht die sportliche Höchstleistung steht in der Wirtschaft im Fokus, sondern der gepflegte Genuss. Appetitlich soll es zugehen; Schweißschwaden sind dabei eher abträglich.

Verantwortlich für den schlechten Unterarmgeruch sind, wie Ray Marsili ausführt, unter anderem kurzkettige flüchtige Fettsäuren (VFA) sowie 3-Methyl-2-Hexansäure. Wie der Wissenschaftler aus dem Nähkästchen plaudert, hätten sich Bekleidungshersteller das Ziel gesteckt, den Schweißgeruch durch Modifikation der Textilien positiv zu beeinflussen. Hierfür sei es jedoch zunächst einmal wichtig, in der Achselhöhle anzutreffende Aromakomponenten zu bestimmen. An dieser Stelle kommt die SBSE unter Einsatz des PDMS- und des EG-Silicon-Twisters ins Spiel. Ray Marsili: „Mithilfe des PDMS-Twisters am Boden des Vials und des EGSilicon-Twisters an der Vial-Wandung waren wir in der Lage, aus verschwitzten T-Shirts die Schweißrückstände zu extrahieren und sie der Thermodesorptions-GC/MS zuzuführen.“

 

Schematische Darstellung der Twicester-Technologie, basierend auf der Multi-Stir Bar Sorptive Extraction (mSBSE). Bis zu drei Twister lassen sich im Headspace der Probe (A) mittels eines magnetischen Clips befestigen und in die Probenlösung tauchen (B), während ein weiterer, im vorliegenden Fall ein PDMS-Twister die Probe durchmischt. Im Anschluss daran werden die Twister der Probe und dem Vial entnommen, trocken getupft und in ein Thermodesorptionsröhrchen überführt (C). Anschließend (D) erfolgt automatisiert die simultane thermische Desorption der angereicherten Analyten von beiden Twistern in der ThermalDesorptionUnit (TDU). Dem schließt sich die GC/MS-Bestimmung an.

Die Ausbeute sei beträchtlich gewesen, wie der Wissenschaftler berichtet. Es fanden sich Essigsäure, Propansäure, Isobutansäure, 3-Methylbutansäure, 2-Methylbutansäure, Pentansäure, Hexansäure, 3-Methyl-2-Hexensäure, Oktansäure und Nonansäure in ppb-Konzentrationen (μg/L). Zudem habe man einige Pyrazine und 2-Nonenal detektiert. Letztgenannte Verbindung, die mit einem „unangenehmen fettigen und grasartigen Geruch daherkommt, steht in engem Zusammenhang mit altersbedingten Veränderungen des Körpergeruchs.

Literatur

[1] Ray Marsili, Versatile New Stir Bar Sorptive Extraction Techniques for Flavor, Fragrance, and Odor Analysis, GERSTEL Solutions worldwide SBSE Special, 3rd Stir Bar Sorptive Extraction Technical Meeting, January 26-27, 2015 Paris
[2] www.gerstel.de/de/Twicester_Multi-SBSE.htm (14.11.2015)
[3] www.laborpraxis.vogel.de/labortechnik/articles/294922/ (14.11.2015)
[4] Ray Marsili, Flavor, Fragrance, and Odor Analysis, CRC Press Inc (2012)

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