Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Qualitätssicherung und Analytik: Ausgabe 05/2017, 09.05.2017

Vanillin – natürlich oder synthetisch?

Teure Rohstoffe wie beispielsweise echtes Vanillin gehört zu den am häufigsten gefälschten Lebensmittelzusatzstoffen. Um Fälschung vom Original unterscheiden zu können, nehmen GCMS und IRMS den Fingerabdruck von Vanillin.

Autor: Balázs Horváth, David Psomiadis, Bernd Bodiselitsch

Bilder: Shimadzu Schweiz GmbH

Vanillin ist einer der beliebtesten Aromastoffe der Welt. Traditionell lässt es sich durch das Mazerieren von Vanilleschoten (Vanilla planifolia und andere Species) herstellen. Allerdings deckt die weltweite natürliche Vanilleproduktion lediglich etwa 1 Prozent des Bedarfs der globalen Lebensmittelindustrie ab. Daher stellen Produzenten 99 Prozent des verwendeten Vanillinaromas entweder synthetisch (petrochemischer Ursprung) oder biotechnologisch (zum Beispiel aus Ferulasäure, Eugenol, et cetera) her.

Der Preisunterschied zwischen natürlichem und synthetischem Vanillin beträgt ungefähr das 100-fache. Daher ist es kein Wunder, dass natürliches Vanillin einer der meist gefälschten Lebensmittelzusatzstoffe der Welt ist. Wie können Verbraucher vor Falschdeklarationen geschützt werden? Natürliches Vanillin und der synthetische Nachbau sind chemisch identisch. Jedoch hinterlassen die Ausgangssubstanzen und der Herstellungsprozess Spuren in der Isotopenverteilung des fertigen Produkts. Somit können Fachleute den «Isotopen-Fingerabdruck» zur Unterscheidung heranziehen.

Kopplung von GCMS und IRMS enthüllen komponentenspezifische Isotopensignatur.

Ein herkömmlicher Elementaranalysator, gekoppelt mit einem hochauflösenden Sektorfeld-Massenspektrometer (Isotope Ratio Mass Spectrometer, IRMS) kann mit sehr hoher Genauigkeit die Isotopensignatur von Reinmaterialien bestimmen. Allerdings befindet sich die Zielsubstanz Vanillin in einem komplexen Vanilleextrakt in einem Konzentrationsbereich von 2 bis 300 μg pro 0,1 ml. Daher müssen zuerst die Substanzen voneinander getrennt werden.

Anschliessend können Laboranten die Isotopenverhältnisse der Zielsubstanz und bei Bedarf auch der Begleitkomponenten (Component Specific Isotope Analysis, CSIA) einzeln bestimmen. Dazu wird ein GCMS mit einem IRMS gekoppelt. Das Unternehmen Imprint Analytics aus dem österreichischen Neutal verwendet weltweit als erstes ein Shimadzu GCMS (GCMS-QP2010 Ultra) für diese Kopplung.

Für die Bestimmung des 13C/12C Verhältnisses in Vanillin kam die CSIA-Technik zum ersten Mal kommerziell zur Anwendung. Allerdings kann mittels der 13C-Analyse alleine nicht zwischen dem synthetischen (petrochemisch) oder dem biosynthetischen (zum Beispiel Ferulasäure, Eugenol) Ursprung des Vanillins unterschieden werden. Darüber hinaus lässt sich die 13C-Signatur durch angereicherte Ausgangssubstanzen manipulieren und ein natürliches Produkt vortäuschen.

Bestimmung der Verhältnisse der Wasserstoffisotope.

Aus diesem Grund müssen noch weitere Merkmale zur Differenzierung herangezogen werden. Dazu bietet sich als Lösung die zusätzliche Bestimmung der Verhältnisse der Wasserstoffisotope an. Bis zum heutigen Zeitpunkt sind aber nur wenige Daten darüber veröffentlicht worden. Imprint Analytics hat in den letzten Jahren eine umfangreiche Datenbank aufgebaut, mittels der sich die Herkunft und Authentizität verschiedener Vanillin-proben feststellen lässt. Welche Methode wendet Imprint Analytics nun an, um zu verifizieren, ob das Vanillin in Extrakten oder Fertigprodukten einen natürlichen, naturidenten oder synthetischen Ursprung hat?

Materialien und Methoden.

Das Vanillin lässt sich aus der Essenz (beziehungsweise aus dem Fertigprodukt) extrahieren. Das Lösemittel ist 2-Methoxy-2-Methylpropane (MTBE). Die Probe wird in ein 200-μl-Insert in eine 2-ml-Flasche überführt und auf dem Trayholder des Autosamplers (Shimadzu, AOC-5000) gestellt. Es müssen zwei separate Analysen durchgeführt werden, da die Kohlenstoff- und die Wasserstoffisotopensignatur separat zu erfassen sind. Die Proben werden mit einer 10-μl-Spritze in den Optic-4 Multimode Inlet (GL Sciences, Tokyo, Japan) kalt (35 °C) injiziert. Das Lösungsmittel wird einige Sekunden lang bei hohem Split abgeblasen. Anschliessend wird der Injektor im Splitless-Modus auf 285 °C erhitzt und die Probe so vollständig auf die Trennsäule überführt. Die Trennung erfolgt auf einer ZB-5MSi Säule (60 m x 0,25 mm 1,4 μm, Phenomenex, Torrance, USA). Die Analyse wird mit folgenden Parametern durchgeführt:

  • Temperaturprogramm: 35 °C (1 min)
  • Aufheizrate: 20 °C min-1 bis 300 °C
  • Druckprogramm: He Carrier: 300 kPa
  • Flow Control: Linear Velocity, APC1 (Druck nach dem Detector Switching Device, DSD): 100 kPa
  • Splitless-Zeit: 0,7 min.

Am Ende der Trennsäule befindet sich das Detector Switch Device. Dieses erlaubt die vollständige Abtrennung des Lösungsmittels sowie weiterer störender Begleitsubstanzen. Das Vanillin und andere Analyten mit ähnlicher Retentionszeit werden in einer inertisierten Kapillare weitergeleitet und über ein T-Stück in zwei Richtungen gesplittet. Ein Teil des Eluats wird zur Identifikation der Einzelsubstanzen zum Shimadzu GCMS-QP2010 Ultra geführt, der andere Teil des Eluats wird im Oxidationsofen (Hekatech, Wegberg, Deutschland) zu H2O und CO2 oxidiert. Eine Nafion-Membran entfernt das entstandene Wasser und leitet CO2 in das IRMS (Nu Instruments, Wrexham, UK). Hier wird das Isotopenverhältnis des Kohlenstoffs (13C/12C) bestimmt (siehe Abb. 1).

Die Wasserstoffisotopenbestimmung läuft ähnlich ab, jedoch ist dazu mehr Material nötig. Injektionsvolumen und Abblasezeit im Optic-4 Multimode Inlet müssen daher erhöht werden. Ausserdem wird nach Aufteilung des Eluats am T-Stück das Vanillin anstatt in einen Oxidationsofen in einen Pyrolyseofen geführt. Hier wird das Vanillin zu H2 (beziehungsweise CO) reduziert. Der Wasserstoff wird in das IRMS geleitet und das 2H/1H Isotopenverhältnis bestimmt. Um eine hohe Messge-nauigkeit zu gewährleisten, werden die gemessenen Werte in zwei Schritten normalisiert: jede Messung anhand eines eigenen reinen Referenzgases und jede Messreihe anhand eines Referenzmaterials (im Fall von Wasserstoff zwei Referenzmaterialien) mit bekannter Isotopenzusammensetzung. Der Normalisierungsprozess lässt sich durch Standardproben überprüfen. Zur Steigerung der Messgenauigkeit führen Fachleute ausserdem mehrere Wiederholungen für beide Elemente durch. Die erhobenen Werte werden dann mit der Referenzdatenbank verglichen (siehe Abb. 2).

Dadurch lässt sich feststellen, ob das Vanillin natürlichen, naturidenten oder synthetischen Ursprungs ist. Die Zusammensetzung der Isotope ist nicht nur zur Authentizitätsprüfung einsetzbar, sondern bietet auch Informationen über die geografische Herkunft des natürlichen Vanillins. So lässt sich zum Beispiel feststellen, ob die deklarierte Bourbon-Vanille auch tatsächlich aus Madagaskar stammt.

Ein Blick in die Zukunft.

Mit der oben beschriebenen Technik und Methodik sind nach heutigem Wissensstand alle derzeitigen Vanillinquellen identifizierbar. Jedoch gibt es immer neue Wege, Vanillin künstlich herzustellen. Daher ist es nicht ausgeschlossen, dass zukünftig diese Methode vor neuen Herausforderungen steht. Um auch dann adäquate Aussagen zur Authentizität von Vanillin treffen zu können, wird es notwendig sein, die Sauerstoffisotope zu berücksichtigen. Dadurch wäre eine dritte Messung erforderlich, wobei der Sauerstoff von Vanillin in einem Platinofen zu Kohlenmonoxid (CO) umgewandelt wird.

Neben Vanillin gibt es eine Vielzahl an Aromastoffen, bei denen es oft zu Verfälschungen kommt, zum Beispiel Bittermandel (Bezaldehyd) oder Zimt (Zimtaldehyd), um nur einige zu nennen. Imprint Analytics plant auf diesem Gebiet weitere Entwicklungen vorzunehmen, um auch diese Fälschungen entlarven zu können.


Weitere Informationen:
Shimadzu Schweiz GmbH
www.shimadzu.ch



Bild: Fotolia


Abb. 1: Messung des Isotopenverhältnisses von Kohlenstoff aus Vanillin. Schematische Darstellung. Die Probe wird kalt injiziert und das Lösungsmittel im PTV abgeblasen (Vent). Nach der Trennsäule befindet sich der Detector Switching Devise (DSD); dort werden die Begleitstoffe abgetrennt. Nach dem DSD wird der Gasstrom gesplittet: Der kleinere Teil kommt in das Quadrupol-Massenspektrometer, wo die Substanzen identifiziert werden; der grössere Teil wird im Oxidationsofen verbrannt. Nach Entfernung des Wassers gelangt das CO2 in das IRMS, wo das Isotopenverhältnis gemessen wird.


Abb. 2: Darstellung der Isotopensignaturen für Vanillearomen. Die einzelnen Wertebereiche zeigen die möglichen Isotopensignaturen aus natürlicher, biotechnologisch oder synthetisch hergestellter Vanille (Daten produziert von Imprint Analytics)