Bei der Untersuchung von Lebensmitteln werden neben den vier Hauptkomponenten Lipide, Kohlenhydrate, Proteine und Wasser auch häufig Minorkomponenten, wie Vitamine, Mineralstoffe, Spurenelemente etc. qualitativ und quantitativ bestimmt. Soll bei einem zusammengesetzten Lebensmittel ein tierischer oder pflanzlicher Bestandteil eindeutig identifiziert werden, ist man auf typische Markersubstanzen, wie z. B. charakteristische Primär- oder Sekundärstoffwechselprodukte, wie Fettsäuren, Alkaloide etc. angewiesen. Je näher die Lebensmittelbestandteile miteinander verwandt sind, desto schwieriger wird es, charakteristische Markersubstanzen zu definieren. Vorraussetzung für eine Identifizierung und Quantifizierung des entsprechenden Lebensmittelbestandteiles ist darüber hinaus das Vorhandensein der Markersubstanz in konstanter, definierter Menge. Da jedoch fast alle Lebensmittelbestandteile Stoffwechselprodukte sind, können sie natürlichen Schwankungen, beispielsweise hervorgerufen durch standortbedingte oder klimatische Einflüsse, unterliegen.

Ein Lebensmittelbestandteil, der für jeden Organismus individuell ist und vor allem in konstanten Mengen im Zellkern jeder Zelle vorliegt ist die DNA. Auch bei stark verwandten Organismen ist es häufig möglich Unterschiede in den DNA-Sequenzen der Organismen zu identifizieren. Da die DNA in sehr geringen Mengen im Organismus vorliegt, ist es für die meisten DNA-basierten Analysemethoden allerdings notwendig, die DNA vor der Detektion zu vervielfältigen ohne die Sequenz dabei zu verändern. Dies kann mit Hilfe der Polymerasekettenreaktion (PCR) erfolgen (Abb. 1). Da die Reaktionskinetik dieser enzymatischen Amplifikation einer mathematischen Formel unterliegt, bietet die PCR neben der abschließenden qualitativen Detektion der DNA auch die Möglichkeit quantitative Aussagen über die DNA-Ausgangsmenge zu machen.

Wurde anfangs lediglich auf die klassische Endpunkts-PCR zur qualitativen Detektion von Lebensmittelbestandteilen zurückgegriffen, halten mittlerweile auch Weiterentwicklungen, wie z. B. die quantitative real-time PCR, die PCR-RFLP (restriction fragment length polymorphism) oder die LAMP (loop mediated isothermal amplification) Einzug im Bereich moderner Lebensmittelanalytik.

DNA-Isolierung

Eine Vorraussetzung für eine verlässliche DNA-basierte Analysenmethode ist der Einsatz einer DNA-Extraktionsmethode, die es ermöglicht DNA (i) in ausreichender Menge, (ii) in hoher Reinheit und (iii) möglichst intakt und somit amplifizierbar aus der komplexen Matrix des Lebensmittels zu isolieren.

Standardmethoden zur DNA-Isolierung nutzen hierzu zwei Eigenschaften der DNA. Zum einen ist es möglich DNA z. B. mit Hilfe des Detergenzes Cetyltriammoniumbromid (CTBA) reversibel zu präzipitieren und somit Begleitstoffe abzutrennen. Zum zweiten kann DNA unter Hochsalzbedingungen an Silikamaterialien gebunden und - nach Waschen mit verschiedenen salzhaltigen Puffern - unter Niedrigsalzbedingungen wieder eluiert werden. Gängige Methoden vereinen die CTAB-Fällung mit einer anschließenden Reinigung über Silika-Säulchen. In Abhängigkeit von der Lebensmittelmatrix geht der DNA-Isolierung ein mechanischer und/oder chemischer Aufschluss der Zellen voraus.

Die Polymerasekettenreaktion und ihre Einsatzmöglichkeiten am Beispiel Marzipan

Die „klassischen" Amplifikations-Methoden nutzen in der Regel thermostabile Polymerasen. Die Verwendung dieser thermophilen Enzyme ist nötig, um die drei Temperaturschritte der PCR mittels Thermocycler automatisch ablaufen zulassen.

Zu Beginn der Entwicklung von PCR-Methoden zur Differenzierung von pflanzlichen (oder tierischen) Lebensmittelbestandteilen steht grundsätzlich die Identifikation geeigneter DNA-Sequenzen, die für die Entwicklung von Primern geeignet sind. Üblicherweise wird zunächst eine Datenbankrecherche nach geeigneten Sequenzen durchgeführt. Die Spezifität und die Sensitivität dieser qualitativen Methode beruhen auf selektiv bindenden Primer-Paaren, durch die sowohl der amplifizierte Sequenzabschnitt als auch die Länge des Amplifikats definiert werden. Schwierig ist die Entwicklung spezifischer Nachweise, wenn eine nahe genetische Verwandtschaft zwischen den Arten besteht und nur wenige Sequenzen zur Verfügung stehen. Die Anwendung der PCR hat in den letzten Jahren auf dem Gebiet der Lebensmittelanalytik sehr an Bedeutung gewonnen. Beispielsweise werden mittels PCR gentechnisch veränderte Organismen in Lebensmitteln nachgewiesen. Am Institut für Lebensmittelchemie der Universität Hamburg werden seit einigen Jahren qualitative und quantitative PCR-Methoden zur Qualitätsbeurteilung von Lebensmitteln bearbeitet. U.a. wurden Methoden entwickelt, die zur Reinheitskontrolle von Marzipanrohmassen (MRM) auf der Ebene der Rohwaren, der Halbfertig- oder der Endprodukte geeignet sind. Die Fragestellung gründet auf der Tatsache, dass bei der Herstellung von Marzipanrohmassen nur süße Mandeln verwendet werden dürfen, ein Zusatz von geringen Mengen Bittermandeln ist lediglich für die Geschmacksgebung zulässig. Die bewusste Verwendung von anderen pflanzlichen Produkten ist nicht zulässig. Bei der Persipanrohmassenherstellung dagegen dürfen sowohl entbitterte Aprikosen- und Pfirsichkerne aber auch entbitterte bittere Mandeln eingesetzt werden. Stellt ein Betrieb zum Beispiel neben MRM auch Persipanrohmassen her, kann es zu einem ungewollten Eintrag von Aprikosenkernen kommen. Solche Verunreinigungen liegen in der Regel in geringen Konzentrationen vor und Aprikose und Pfirsich sind zudem nahe mit der Mandel verwandt (alle Gattung Prunus). Hieraus entstehen besondere Ansprüche an die Spezifität und Sensitivität der analytischen Methode.