Analyse von wärmeinduzierten Abbauprodukten in Speiseölen

Schnelle und einfache Detektion von Abbauprodukten in Olivenöl mit einem Benchtop MALDI-TOF Massenspektrometer von Shimadzu

  • Abb. 1: MALDI-8020, lineares Benchtop-Massenspektrometer.Abb. 1: MALDI-8020, lineares Benchtop-Massenspektrometer.
  • Abb. 1: MALDI-8020, lineares Benchtop-Massenspektrometer.
  • Abb. 2: Massenspektrum des analysierten Olivenöls erhitzt bzw. behandelt (oben) und unbehandelt (unten).
  • Abb. 3: Massenspektrum der polaren Fraktion des behandelten Olivenöls.
  • Abb. 4: Ergebnis einer multivariaten Analyse von Speiseölen (Olivenöl A [blau], Olivenöl B [rot], Olivenöl C [orange], Leinsamenöl [hellblau], Sonnenblumenöl [grün], Traubenkernöl [gelb]).
  • Tabelle: Ermittelte Verbindungen im erhitzten Olivenöl.

Sie enthalten mehrere Vitamine, diverse Fettsäuren und Eiweiße, sie sind Geschmacks- und Aromaträger, und sie geben manchen Gerichten erst den richtigen Kick: die Speiseöle. Sie unterstützen eine bewusste Ernährung, sind nährstoffreich und haben eine gesundheitsfördernde Wirkung. Einige eignen sich nur für die kalte Küche, andere sind hitzebeständig und werden zum Braten, Frittieren und Backen eingesetzt.

Während des Kochens von Fetten bzw. Ölen spalten sich die bevorzugt mehrfach ungesättigten Fettsäuren zu kürzerkettigen Verbindungen. Dabei entstehen erwünschte aromaaktive Bestandteile, die zu einem Wohlgeschmack im Endprodukt führen. Leider entwickeln sich durch den Abbau der Fettsäuren beim Erhitzen ebenfalls unerwünschte Substanzen, die einen unappetitlichen, häufig bitteren Geschmack im Lebensmittel hinterlassen.
Um eine einfache und schnelle Analytik zum Nachweis von wärmeinduzierten Abbauprodukten in Speiseölen zu bewerkstelligen, kam im folgenden Beispiel das MALDI-8020, ein lineares Benchtop MALDI-TOF Massenspektrometer von Shimadzu zum Einsatz.

Analysemethode und Untersuchung der Speiseöle
Für diesen Versuch wurde ein handelsübliches Olivenöl ausgewählt und zur Probenvorbereitung acht Stunden bei 180 °C erhitzt, um die zu analysierenden Abbauprodukte zu erhalten. Zu deren bestmöglicher Ermittlung wurde für den direkten Vergleich eine unbehandelte Probe des Öls bereitgestellt. Anschließend wurden die erhitzte sowie die unbehandelte Olivenöl-Probe mit einer Lösung aus 90 % Hexan und 10 % Diethylether zu einer Konzentration von 1 mg/ml verdünnt.
Als MALDI-Matrix findet in diesem Experiment 2,5-Dihydroxybenzoesäure (DHB) Verwendung. Die DHB-Matrix wird in der MALDI-Analytik häufig für Lipide eingesetzt und hier in Methanol gelöst (10 mg/ml). Natriumiodid gelöst in Tetrahydrofuran (1 mg/ml) dient hier zur Unterstützung der positiven Ionisierung.

Proben-, Matrix- und die Natriumiodid-Lösung wurden im gleichen Verhältnis zusammengeführt und auf das MALDI-Probentarget appliziert und letztlich im MALDI-Massenspektrometer analysiert.
Darüber hinaus durchliefen die wärmebehandelten Öl-Proben mit Hilfe von Silika-Gel (Partikelgröße: 42 -105 μm) eine Fraktionierung durch Größenausschluss-Chromatographie. Hierbei wird die Anzahl an nachweisbaren Abbauprodukten durch die reduzierte Komplexität jeder einzelnen Fraktion noch einmal deutlich erhöht. Bei der Auftrennung wurden die nicht-polaren Fraktionen mit 90 % Hexan/10 %ige Diethylether-Lösung, und die polaren mit 100 %iger Diethylether-Lösung eluiert. Die Ergebnisse wurden auf dem MALDI-8020 erzielt.

Ergebnis und Fazit
Der Vergleich zwischen den erhitzten und den unbehandelten Öl-Proben anhand der aufgenommenen Massenspektren der nicht-fraktionierten Proben ist in Abbildung 2 dargestellt. Innerhalb beider Massenspektren können die Natrium-Addukt-Moleküle um m/z 900 (m/z 881, 905, 907, etc.) detektiert werden. Diese Moleküle entstehen durch die Triacylglyceride (TAG). Zusätzlich ließen sich die m/z-Werte 923 und 939 in der wärmebehandelten Probe identifizieren. Beide Massen bilden sich aufgrund der Oxidation an den TAG-Verbindungen.
Abbildung 3 zeigt das Massenspektrum der polaren Fraktionen des erhitzten Olivenöls. Die identifizierten Komponenten der Hauptsignale sind in Tabelle 1 aufgelistet. Mithilfe des Massenspektrums des behandelten Öls und der zusätzlichen TAG-Oxide lässt sich schließen, dass die nachgewiesenen Fraktionen der m/z-Werte 783, 797 und 823 durch die ß-Spaltung der Glyceride resultieren. Die m/z-Werte im Bereich von 1.800 in diesem Massenspektrum deuten auf oxidierte dimerisierte TAG-Verbindungen hin.
Weiterhin lassen sich Strukturen der hauptsächlichen Abbauprodukte ableiten. Wie zu erwarten, ermöglicht die einfache Fraktionierung die zusätzliche Detektion mehrerer wärmeinduzierter Abbauprodukte des Speiseöls. Tabelle 1 zeigt die so ermittelten Signale bzw. Bestandteile der unterschiedlich gebildeten Fettsäuren bzw. der Komponenten, bei denen an verschiedenen Positionen eine Oxidation stattgefunden hat. Das MALDI-8020 bietet somit eine simple und mit wenigen Minuten Messzeit pro Probe auch eine sehr schnelle Analytik, um Abbauprodukte in wärmebehandelten Speiseölen zu erkennen.

Ausblick
Die durchgeführte Untersuchung der Speiseöle konzentriert sich auf eine Stoffklasse, die Triacylglyceride. Die MALDI-Massenspektrometrie als universelle Messmethode bietet darüber hinaus vielfältige Möglichkeiten, unterschiedlichste Fragestellungen im Lebensmittelbereich zu beantworten, bspw. bei der Identifizierung oder der Kontrolle von Kohlenhydraten oder Proteinen.
Multivariate Datenanalysen ermöglichen zusätzlich die Gruppierung verschiedener Analyten. Im Falle der untersuchten Speiseöle lassen sich die diversen Produkte bspw. durch die gefundenen verschiedenen Typen an pflanzlichen Ölen gruppieren. Abbildung 4 zeigt hierzu exemplarisch eine Analyse verschiedener Speiseöle, die mit einem MALDI-8020 untersucht und mit der Software-Option Emstat-Solution von Shimadzu multivariat ausgewertet wurden.
 

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