Fehlgerüche in Lebensmitteln und Verpackungsmaterialien

Spurenanalytik mit GC, MS und Nase

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  • Abb. 1: Die Destillation im Hochvakuum [10] erlaubt die schonende Abtrennung flüchtiger Geruchsstoffe zusammen mit dem Lösungsmittel von nicht-flüchtigen Komponenten wie z.B. Fetten. Neben der Lösungsmittelextraktion gibt es viele weitere Methoden um Aromastoffe zu extrahieren [1] © Fraunhofer IVV.
  • Abb. 2: Schematische Darstellung eines zweidimensionalen Gaschromatographiesystems mit Massenspektrometer und Sniffing-Ports © Fraunhofer IVV.
Helene M. Loos1, Andrea Büttner1, 2
 
Bei Lebensmitteln und Verpackungen treten immer wieder Fehlgerüche auf. Zugrundeliegende Ursachen können mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie / Olfaktometrie aufgeklärt werden. Auf Grund dieser Ergebnisse können Verpackungsmaterialien optimiert bzw. Lebensmittelrezepturen und Verarbeitungsprozesse verbessert werden.
 
Aromastoffe – Indikatoren für die Qualität eines Lebensmittels
 
Der Gesamtgeschmackseindruck eines Lebensmittels wird durch Aroma- und Geschmacksstoffe sowie durch andere chemosensorisch wirksame Substanzen hervorgerufen. Aromastoffe können einerseits originär als solche in der Rohware vorhanden sein, andererseits während der Verarbeitung, Lagerung oder des Verzehrs aus anderen Inhaltsstoffen entstehen. Die zugrundeliegenden Reaktionen sind komplex und resultieren in einer Vielzahl an flüchtigen Verbindungen mit hoher struktureller Vielfalt. So führt zum Beispiel die Oxidation von Fettsäuren zur Bildung von flüchtigen Carbonylverbindungen, reduzierende Zucker und Aminoverbindungen reagieren im Rahmen der nichtenzymatischen Bräunung nebst anderem zu Furanonen, Pyrrolen und Thiolen, geruchlose Aminosäurekonjugate oder andere Vorläufer setzen bei enzymatischer Spaltung geruchsaktive Substanzen frei und Aminosäuren werden von Mikroorganismen zu geruchsaktiven Verbindungen verstoffwechselt [1]. Welche dieser (bio)chemischen Vorgänge in welchem Ausmaß stattfinden, hängt sowohl vom gewählten lebensmitteltechnologischen Verfahren als auch von der eingesetzten Rohware ab. Die Aromastoffzusammensetzung kann deshalb Hinweise darauf geben, welche Verarbeitungsschritte ein Lebensmittel erfahren hat. Solche Rückschlüsse können subjektiv anhand des z.B. röstigen oder fermentierten Geruchseindrucks erfolgen, den der Konsument wahrnimmt und mit bekannten Lebensmitteln assoziiert; dies kann aber auch anhand genauer qualitativer und quantitativer Informationen über die Aromastoffzusammensetzung erfolgen, mit deren Hilfe sich Lebensmittel in unverarbeitete, fermentierte, trocken erhitzte und nass erhitzte Lebensmittel clustern lassen [2].

Ein weiteres Beispiel ist die Unterscheidung vollreifer Ananasfrüchte von grünreifen Nacherntestadien anhand der Enantiomerenreinheit von γ-Lactonen [3].

 
Der Geruch eines Lebensmittels erlaubt es demnach dem Konsumenten aufgrund seiner Erfahrung bzw. seiner Geruchsempfindung zu erkennen und zu entscheiden, um welches Lebensmittel es sich handelt, in welcher Qualität es vorliegt, und ob es zum Verzehr geeignet ist.
 
Wechselwirkung zwischen Lebensmitteln und Verpackungsmaterialien
 
Als Lebensmittelverpackungen kommen verschiedenste Materialien wie Karton und Kunststoff, Metall, Glas oder Verbundwerkstoffe zum Einsatz. Sie stehen direkt mit dem Lebensmittel in Kontakt und müssen Anforderungskriterien erfüllen, welche in den Verordnungen (EG) Nr. 1935/2004 und (EU) Nr. 10/2011 festgelegt sind. Diese Verordnungen besagen unter anderem, dass die organoleptischen Eigenschaften des verpackten Lebensmittels nicht beeinträchtigt werden dürfen. Eine wichtige Aufgabe von Verpackungen ist zum Beispiel die Vermeidung von Fehlaromen durch Fettoxidation. Um Fettoxidation zu vermeiden, werden Verpackungen mit Stickstoff und Kohlendioxid beaufschlagt, es werden Barrierematerialien eingesetzt, die die Permeation von Sauerstoff in die Packung reduzieren, und es werden lichtundurchlässige Verpackungsmaterialien genutzt, um Photooxidation zu vermeiden.
 
Unerwünschte Effekte durch Verpackungen hingegen können ebenfalls auftreten [4,5]. Hierzu zählen zum einen die Migration oder Permeation von Geruchsstoffen aus der Verpackung bzw. der Umwelt in das Lebensmittel, wodurch ein sensorischer Fehleindruck entstehen kann (z. B. durch den Übergang von Geruchsstoffen aus Karton [6]). Je nach Matrix genügen kleinste Mengen hochpotenter Aromastoffe [7], um einen Fehlgeruch zu verursachen, und mögliche Quellen sind nicht nur das Verpackungsmaterial an sich, sondern auch Additive, Pigmente, Harze, Klebstoffe und unbeabsichtigt eingebrachte Stoffe (non-intentionally added substances).
 
Zum anderen kann es zur Absorption oder Permeation von Aromastoffen aus dem Lebensmittel durch die Verpackung kommen (flavour scalping). Dies kann nicht nur zu einer allgemeinen Abschwächung des Aromas führen, sondern infolge unterschiedlicher physikalisch-chemischer Eigenschaften einzelner Aromastoffe und damit einhergehender unterschiedlicher Absorptionsraten ebenfalls zur Entwicklung eines sensorischen Fehleindrucks. Aus diesem Grund sollten auch Verpackungsanwendungen wie das Sous-Vide-Garen auf das Ausmaß möglicher selektiver Aromaverluste hin überprüft werden.
Ein weiterer unerwünschter Aromaeffekt kann als Folge der Ansammlung von Aromen in der Verpackung auftreten. So ist für vakuumverpacktes Fleisch berichtet worden, dass in manchen Fällen nach Öffnen der Packung ein käsig-buttriger Geruch wahrnehmbar ist [8, 9], der zur Ablehnung des Produkts durch den Verbraucher führen kann.
 
Wechselwirkungen zwischen Lebensmitteln und ihren Verpackungen können somit in vielfältiger Weise Einfluss auf das Aroma des Lebensmittels nehmen. Nicht zu vergessen ist in diesem Kontext, dass die im bzw. am Lebensmittel ablaufenden biochemischen und mikrobiologischen Prozesse von den Umgebungsbedingungen abhängen. Aromaveränderungen können daher auch z. B. durch die umgebende Atmosphäre oder Lagertemperatur bedingt sein. Sollen geeignete Maßnahmen und Strategien gefunden werden, um unerwünschte Aromaeffekte durch Verpackungsmaterialien zu vermeiden, ist es notwendig, die zugrundeliegenden Ursachen aufzuklären. Geeignete Methoden hierzu werden im Folgenden dargestellt.
 
Ursachenforschung mittels Gaschromatographie-Olfaktometrie
 
Um zu verstehen, wie ein verpackungsbedingter Fehlgeruch entsteht, ist es zunächst notwendig, den Geruch und die Geruchsstoffzusammensetzung des Lebensmittels und der Verpackungsmaterialien bzw. derer Komponenten zu charakterisieren. Dies erfolgt sowohl durch sensorisch-deskriptive als auch durch instrumentell-analytische Methoden. Meist unerlässlich für die Aufklärung fehlgeruchsverursachender Substanzen ist nach Extraktion der Aromastoffe aus dem Lebensmittel bzw. aus dem Verpackungsmaterial (Abb. 1) die Verwendung eines gaschromatographisch-massenspektrometrischen Systems in Koppelung mit Olfaktometrie (GC-MS/O). Dabei wird ein Teil des Trägergasstroms zu einem Sniffing-Port geleitet und dort abgerochen. Dieses „Abriechen“ erfolgt durch geschulte Personen, die verschiedene Geruchsqualitäten erkennen und beschreiben können. Durch schrittweises Verdünnen des analysierten Extrakts werden die geruchsaktiven Regionen mit dem potentiell höchsten Beitrag zum Gesamtaroma des Extrakts bestimmt. Unter Verwendung eines zweidimensionalen Systems ist es dann möglich, den geruchlich relevanten Bereich unter Verwendung einer Kühlfalle „auszuschneiden“ und auf einer zweiten Kapillarsäule anderer Polarität erneut von geruchlosen flüchtigen Substanzen abzutrennen (Abb. 2). Dadurch kann im Gegensatz zu einem reinen gaschromatographisch-massenspektrometrischen Ansatz eine zielgerichtete Analyse aromabestimmender Komponenten erfolgen, was mit einer höheren Sensitivität einhergeht. Die GC-MS/O erlaubt es zudem, Spurenkomponenten zu detektieren, die geruchlich hochpotent, mittels Massenspektrum jedoch nur nach vorheriger Aufkonzentrierung und entsprechender Aufreinigung detektierbar sind.
 
Die Identifizierung und bestenfalls auch Quantifizierung und psychophysisch-geruchliche Charakterisierung der relevanten Geruchsstoffe liefern ausreichend Informationen, um die Entstehung eines Fehlaromas im Lebensmittel bzw. eines Fehlgeruchs im Verpackungsmaterial nachzuvollziehen. Basierend darauf können Strategien entwickelt werden, um unerwünschte Aromaeffekte bei der Verpackung von Lebensmitteln zu vermeiden bzw. ihnen gezielt entgegenzusteuern.
 
Zugehörigkeit
1Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung, Abteilung Analytische Sensorik, Freising
2Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Department Chemie und Pharmazie, Erlangen
 
Kontakt
Dr. Helene Loos
Abteilung Analytische Sensorik 
Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV
Freising
helene.loos@ivv.fraunhofer.de
 
Mehr zu Lebensmittelanalytik: http://www.git-labor.de/category/tags/lebensmittelanalytik
 
Schadstoffe in Lebensmittelverpackungen: https://de.sott.net/article/23545-Lebensmittelverpackungen-sind-voller-Schadstoffe-die-ins-Essen-und-Trinken-ubergehen
 

Literatur
[1] Belitz H-D, Grosch W, Schieberle P (2008) Lehrbuch der Lebensmittelchemie. Springer, Berlin
[2] Dunkel A, Steinhaus M, Kotthoff M, Nowak B, Krautwurst D, Schieberle P, Hofmann T (2014) Nature’s chemical signatures in human olfaction: A foodborne perspective for future biotechnology. Angew Chem Int Edit 53:7124-7143. doi 10.1002/anie.201309508
[3] Steingass CB, Langen J, Carle R, Schmarr H-G (2015) Authentication of pineapple (Ananas comosus L. Merr.) fruit maturity stages by quantitative analysis of gamma- and delta-lactones using headspace solid-phase microextraction and chirospecific gas chromatography-selected ion monitoring mass spectrometry (HS-SPME-GC-SIM-MS). Food Chem 168:496-503. doi 10.1016/j.foodchem.2014.07.071
[4] Sajilata MG, Savitha K, Singhal RS, Kanetkar VR (2007) Scalping of flavors in packaged foods. Compr Rev Food Sci Food Saf 6:17-35. doi 10.1111/j.1541-4337.2007.00014.x
[5] Nielsen T, Jägerstad M (1994) Flavour scalping by food packaging. Trends Food Sci Tech 5:353-356. doi 10.1016/0924-2244(94)90212-7
[6] Czerny M, Buettner A (2009) Odor-active compounds in cardboard. J Agric Food Chem 57:9979-9984. doi 10.1021/jf901435n
[7] Strube A, Guth H, Buettner A (2009) Identification of a medicinal off-flavour in mineral water. Water Res 43:5216-5224. doi 10.1016/j.watres.2009.08.026
[8] Hammer A, Loos H, Beauchamp B, Buettner A (in press) Confinement odor: Identifizierung von Geruchsstoffen in vakuumverpacktem Rindfleisch. Verpack Rundsch
[9] Sutherland JP, Gibbs PA, Patterson JT, Murray JG (1976) Biochemical changes in vacuum packaged beef occurring during storage at 0–2°C. Int J Food Sci Tech 11:171-180. doi 10.1111/j.1365-2621.1976.tb00713.x
[10] Engel W, Bahr W, Schieberle P (1999) Solvent assisted flavour evaporation - a new and versatile technique for the careful and direct isolation of aroma compounds from complex food matrices. Eur Food Res Technol 209:237-241. doi 10.1007/s002170050486
 

 

 

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