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Stabilisotopenanalyse

Authentizitätsanalyse im Lebensmittel- und Veterinärinstitut Oldenburg (LVI Oldenburg)


Echtes Lebensmittel oder Verbrauchertäuschung? Das Lebensmittel- und Veterinärinstitut Oldenburg prüft Lebensmittel schon seit dem Jahr 2002 auf ihre Echtheit. Das bedeutet, es werden mit einem speziellen chemischen Verfahren, der Stabilisotopenanalyse, Messungen durchgeführt, die Rückschlüsse erlauben auf:

  • den geografischen Ursprung eines Lebensmittels
  • die botanische Herkunft pflanzlichen Materials
  • die Art der Erzeugung (biologisch oder konventionell)
  • chemische Veränderungen bei der Bearbeitung oder Erzeugung von Lebensmitteln, die mit klassischen Methoden nicht nachweisbar sind

Die Stabilisotopenanalyse ist neben anderen ein weiteres wertvolles Instrument für die Bekämpfung des Lebensmittelbetrugs (Food Fraud, Food Adulteration).

Das LVI Oldenburg besitzt folgende Anlagen:

  • eine Anlage zur Messung der stabilen Isotope der Elemente
    - Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel
    - oder alternativ Wasserstoff und Sauerstoff in festen Messpräparaten
  • eine Anlage zur Messung
    - der stabilen Isotope des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in Wasser
    - oder alternativ der stabilen Isotope des Kohlenstoffs in verdampfbaren Stoffen
  • eine Anlage zur Messung der stabilen Isotope des Kohlenstoffs wasserlöslicher Verbindungen

Damit kann das LVI Oldenburg ein großes Spektrum der möglichen Einsatzgebiete der Stabilisotopenanalyse abdecken und hat sich im Laufe der Jahre – insbesondere durch die Mitarbeit in wissenschaftlichen Gremien und durch das Ermöglichen von Diplomarbeiten für Lebensmittelchemikerinnen und Lebensmittelchemiker in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Lebensmittelchemie in Halle – ein gutes Instrumentarium erarbeitet.

 Isotope

Pflanzen und Tiere bestehen überwiegend aus den Elementen Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N) sowie zu geringen Teilen aus Schwefel (S). Diese Elemente gibt es in verschiedenen stabilen und nicht stabilen (radioaktiven) Formen, genannt Isotope. Die Isotope eines Elements haben unterschiedliche Atomgewichte. Die schwereren Isotope kommen eher selten vor. Die leichten sind wesentlich (um mehrere 10er-Potenzen) häufiger anzutreffen.

Das Verhältnis der stabilen Isotope eines Elements untereinander ist relativ konstant. Die sehr geringen Schwankungen dieser Verhältnisse gestatten unter bestimmten Bedingungen Aussagen über regionale Herkunft, die Pflanzenfamilie, Düngung und Fütterung.

 Stabilisotopenanalyse: Was wird gemessen?

Wasserstoff und Sauerstoff

Wasser besteht aus den Elementen Wasserstoff und Sauerstoff. Die Elemente enthalten über ihr Isotopenverhältnis einen Hinweis auf ihre regionale Herkunft:

Wasser, das schwerere Isotope enthält, verdampft um einen winzigen Prozentsatz schwerer und regnet dafür leichter aus Wolken ab. Das führt aufgrund der unterschiedlichen mittleren Jahrestemperatur zu einem Süd-Nord-Gefälle. Nach Norden nimmt der Anteil von Wasser mit schwereren Isotopen ab.

Gleichzeitig findet man ein Gefälle in der Hauptwindrichtung, in der sich die Regenwolken bewegen. Das ist für die Nordhalbkugel der Erde von West nach Ost. Zum Osten wird der Anteil schwerer Isotope stetig geringer.

Die unterschiedlichen Verdunstungsraten bebauter und forst- oder landwirtschaftlich genutzter Flächen sowie die Form der Landschaft (Berge oder Täler) und die unterschiedliche Höhe über Normal-Null beeinflussen ebenfalls die Anteile der Isotope untereinander.


Kohlenstoff

Der Anteil der Isotope des Kohlenstoffs wird überwiegend durch spezifische Stoffwechselvorgänge in den Pflanzen beeinflusst. Das Klima und die Zusammensetzung der Luft wirken sich in geringem Maße ebenfalls aus. So kann Rohrzucker (aus Zuckerrohr, das vor allem in Tropen und Subtropen wächst – zum Beispiel in Brasilien und Indien) leicht von Rübenzucker (aus Zuckerrüben, die in klimatisch gemäßigten Zonen wachsen – zum Beispiel in Russland, Frankreich, Deutschland) unterschieden werden.
Es gibt zum Teil deutliche Unterschiede zwischen Aromen, die direkt aus Pflanzen gewonnen wurden und solchen, die chemisch oder mikrobiologisch synthetisiert wurden.


Stickstoff

Der Stickstoffwert wird durch die Art der landwirtschaftlichen Nutzung beeinflusst. Insbesondere die Kreislaufwirtschaft, die in der biologischen Wirtschaftsweise gefordert ist, führt zu einem höheren Isotopenverhältnis von Stickstoff.


Schwefel

Das Isotopenverhältnis des Schwefels hängt unter anderem von den geologischen Eigenschaften des Bodens ab. Die Nähe zum Meer kann sich ebenfalls auf die Schwefelisotopenverhältnisse auswirken.



Eine Messung der geringen Unterschiede der Isotopenverhältnisse, ist aufgrund der Weiterentwicklung der Analysetechnik genau und mit vertretbarem Aufwand möglich. Dabei ist wichtig, dass von den unterschiedlichen Regionen und Rohstoffen Vergleichsmaterialien zur Verfügung stehen. Allerdings können unter Umständen auch ohne Vergleichsmaterialien im Ausschlussverfahren (Falsifikation) verwertbare Informationen gewonnen werden.

Zur Vermeidung von Analysefehlern ist es notwendig, dass bei Probenahme, Transport, Lagerung und Bearbeitung im Labor alles vermieden wird, was zu einer Veränderung der Isotopenverhältnisse führen kann – zum Beispiel Verdunstungsvorgänge oder mikrobiologischer Verderb der Untersuchungsobjekte.

Die Messung wird mit Hilfe eines spezialisierten Massenspektrometers durchgeführt. Es bestimmt die Konzentrationsverhältnisse der stabilen Isotope des zu analysierenden Elements. Dazu muss der zu untersuchende Stoff in Gase (H2, N2, CO, CO2, SO2) umgewandelt werden. Sichere Aussagen sind häufig nur möglich, wenn die Isotopenverhältnisse mehrerer Elemente oder die Isotopenverhältnisse eines Elementes in verschiedenen Teilen eines Lebensmittels (zum Beispiel Fett und Protein) gemessen werden. Das erhöht den Messaufwand inklusive Probenaufarbeitung erheblich. Ein besonderer Vorteil ist, dass verschiedene Stoffe, beispielsweise einer Pflanze, jeweils bezogen auf ein Isotop definierte Unterschiede der Isotopenverhältnisse untereinander aufweisen. Dadurch wird es schwerer, bei gefälschten Lebensmitteln nachträglich die Anteile der verschiedenen Isotope wieder richtig einzustellen.

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