Isotopenanalyse Schnellerer Nachweis von gefälschten Lebensmitteln

Der Handel mit gefälschten Lebensmitteln ist ein Millionengeschäft. Produktfälschungen aufzudecken war bislang aufwendig und teuer. Die BAM entwickelt eine schnellere und deutlich kostengünstigere Methode.

Mit Wein, Käse oder anderen Lebensmitteln aus geschützten Ursprungsregionen lassen sich besonders hohe Gewinnmargen erzielen. Sie stehen daher bei Produktfälschern hoch im Kurs: Oft werden sie mit minderwertigen Bestandteilen gestreckt oder die verkaufsfördernde Herkunft ist nur vorgetäuscht. Verbraucherinnen und Verbraucher können sich vor dem Betrug kaum schützen, denn die Unterschiede sind mit bloßem Auge nicht zu erkennen – und in vielen Fällen womöglich auch nicht sicher zu erschmecken.

Um die Authentizität von Produkten zu überprüfen, verwenden Lebensmittelchemikerinnen und -chemiker meist die Massenspektrometrie. Jedoch dauern die Untersuchungen bis zu zwei Wochen und die Laborgeräte kosten mehrere Millionen Euro. Carlos Abad Andrade, Chemiker an der BAM, hat nach einem Verfahren gesucht, das die Analysen beschleunigt und zugleich kostengünstiger macht. Seine Idee war es, mit Lichtwellen Isotopen-Fingerabdrücke von Lebensmitteln zu nehmen, um die Herkunft eines Produkts eindeutig zu klären. Denn die Verteilung der Isotope bestimmter chemischer Elemente wie Sauerstoff, Wasserstoff oder Stickstoff ist für jede Region auf der Erde charakteristisch und einzigartig.

Inspiriert durch die Astrophysik

Abad hat sich auf der Suche nach einer geeigneten Analysemethode von der Astrophysik inspirieren lassen: Mittels hochauflösender optischer Spektrometrie lässt sich das Alter ferner Himmelskörper bestimmen. In vier Jahren intensiver Forschung hat der gebürtige Venezolaner das Verfahren für die Lebensmittelanalyse adaptiert. „Jedes chemische Element enthält Atome mit unterschiedlichen Massen – die Isotope“, erklärt Abad. Die Isotopenanalyse ist sehr präzise – obwohl Astrophysiker keine Möglichkeit haben, auf den Sternen Materialproben zu nehmen. Stattdessen nutzen sie das Licht, das die fernen Sonnen ausstrahlen. Die Wellen durchqueren zunächst in deren Atmosphäre Wolken von Isotopengemischen. Die Isotope wiederum absorbieren einen Teil der Lichtenergie: Je schwerer sie sind, desto mehr nehmen sie davon auf. Erreicht das restliche Licht die Erde, spaltet man es in seine Spektralfarben auf und kann so feststellen, aus welchen Isotopen sich der Stern zusammensetzt. „Das ist wie ein Fingerabdruck“, erläutert Abad. „Er ist charakteristisch für jeden Stern und lässt Rückschlüsse auf sein Alter zu.“

Analyse bei 2.500 Grad Celsius

Für die Lebensmittelanalyse lässt sich etwa das Verhältnis nutzen, in dem bestimmte Bor-Isotope auf der Erde vorkommen und sich entsprechend in pflanzlichem und tierischem Gewebe ablagern. Zu 80 Prozent entfallen die Isotope auf Bor-11, zu 20 Prozent auf Bor-10. Dieses Verhältnis ist an jedem Ort auf dem Globus gleich – fast. „Es gibt von Region zu Region winzige, aber charakteristische Unterschiede, die wir genau kennen“, so Abad. „Wenn ich in einer Probe die Verteilung der Bor-Isotope bestimme, erhalte ich einen Fingerabdruck des Produkts und kann sagen, woher es stammt.“ Denkbar sind auch ganz andere Anwendungen: Mit der Methode lassen sich auch die Quellen von Umweltschadstoffen, etwa von Pestiziden oder Industrieabfällen, bestimmen. Ein langfristiges Ziel ist, die Herkunft von chemischen Kampfstoffen zu ermitteln.

Carlos Abad arbeitet mit einem Analysegerät, das etwa doppelt so groß ist wie eine Mikrowelle. „Es ist der Prototyp eines neuen Spektrometers, das die Firma Analytik Jena zur Marktreife bringen will. Wir nutzen es an der BAM in einer Kooperation mit dem Unternehmen und mit dem Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS).“ Das Spektrometer besitzt einen kleinen Ofen, der Temperaturen von bis zu 2.500 Grad Celsius erzeugen kann. Nach dem Aufheizen des Ofens strömen Gase in die Brennkammer. Sie reagieren mit den Inhaltsstoffen der Probe. Abad erzeugt so bestimmte chemische Verbindungen von Elementen, deren Spektraleigenschaften er genau kennt, und lässt sie anschließend von einer Lichtquelle bestrahlen. Wie in der Nähe der Sterne absorbieren die Isotopenverbindungen einen Teil des Lichts. Das verbleibende Spektrum fängt ein hochauflösender Detektor auf: „Bisher war es technisch nicht möglich, so detaillierte Spektren aufzunehmen. Und das in einem sehr großen Wellenlängenbereich von Ultraviolett bis Infrarot“, so Abad.

Ein praxistaugliches Verfahren

Um die großen Datenmengen, die das Spektrometer erzeugt, zu analysieren, setzt der BAM-Forscher eine intelligente Software ein. Vergleichsmessungen mit einem Massenspektrometer, dem traditionellen Arbeitsgerät der Lebensmittelanalytik, zeigen, dass die erzielten Ergebnisse zuverlässig sind. Die hochauflösende optische Spektrometrie wird demnächst praxistauglich sein und ist dann auf andere Anwendungsfelder übertragbar. Bald werden Herkunftsanalysen von Lebensmitteln nicht mehr Wochen dauern, sondern nur noch wenige Stunden. Deutlich kostengünstiger sind sie in Zukunft auch. Und vielleicht schrecken sie Fälscher ab und helfen so, den authentischen Geschmack von hochwertigen Nahrungsmitteln zu bewahren.