„Stabile Isotope - Fingerabdrücke zur Prüfung der Echtheit von Wein, Bier, Spirituosen und Fruchtsaft“

Andreas Roßmann und Norbert Christoph

Abbildung 1:
  • Ist im Glas eine Rotwein-Spätlese 2007?
  • Ist das Pils nach dem Reinheitsgebot gebraut?
  • Kommt das Schwarzwälder Kirschwasser aus dem Schwarzwald?
  • Ist der Orangensaft tatsächlich zu 100 % aus Orangen hergestellt?
  • Einleitung

    Wein, Bier, Spirituosen (z.B. Korn, Schwarzwälder Kirschwasser, Rum, Tequila) und Fruchtsäfte sind Lebensmittel, die aus hochwertigen Rohstoffen mit meist definierter geographischer Herkunft und Qualität hergestellt werden. In nationalen als auch internationalen rechtlichen Vorschriften sind für diese Lebensmittel zahlreiche Vorgaben im Hinblick auf die Bezeichnungen, die Zusammensetzung und Herstellungsverfahren, aber auch Verbote für bestimmte Behandlungen oder Zusätze festgelegt. Da Getränke als Hauptbestandteile Wasser, Zucker und/oder Alkohol enthalten, bestand auch schon immer ein wirtschaftlicher Anreiz, diese mit Wasser aus der Wasserleitung zu strecken, mit preiswerterem Fremdzucker oder -alkohol zu verbessern oder mit falschen Angaben z.B. der Herkunft oder der Qualität zu werben. Eine Überprüfung der Echtheit (Authentizität), z.B. der Frage ob ein Wein tatsächlich nur aus Trauben hergestellt worden ist, und ob alle Angaben auf dem Etikett, wie Herkunft, Jahrgang, Rebsorte oder Qualitätsstufe zutreffend sind, ist mit einigem Aufwand verbunden, da:

    Methoden der Stabilisotopenanalytik bei Getränken

    Bei Getränken sind die Gehalte der in äußerst geringer Menge vorkommenden schweren stabilen Isotope der Bioelemente Wasserstoff (Deuterium (D) oder 2H), Kohlenstoff (13C) und Sauerstoff (18O) bzw. die Mengenverhältnisse (Isotopenverhältnisse) des schweren zum leichten Isotop in den Inhaltsstoffen Wasser, Zucker, Alkohol und Säuren wie ein Fingerabdruck der Rohstoffe und der geographischen Herkunft. In der 18. Ausgabe der aktuellen Wochenschau wurde bereits über stabile Isotope, Isotopeneffekte sowie die Methode der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS) zur Herkunftsbestimmung von Spargel berichtet (1). Bei zucker- und alkoholhaltigen Getränken kann zusätzlich die 2H Kernresonanzspektroskopie (2H-NMR) eingesetzt werden.

    ElementIsotopenverhältnisInhaltsstoffeMethode
    H(D/H)1
    (D/H)2
    Alkohol Zucker nach Vergärung2H-NMR
    C13C/12C
    d13C
    Zucker
    Alkohol
    Säure
    Glycerin
    13C-IRMS nach Verbrennung als CO2
    O18O/16O
    d18O
    Wasser18O-IRMS von CO2 nach Equilibrierung
    Tabelle 1: "Multi-Element- und Multi-Komponenten-Stabilisotopenanalytik" zur Prüfung der Echtheit von Getränken

    Diese Verhältnisse der stabilen Isotope sind nicht einfach veränderbar. Wenn man zur Prüfung der Echtheit nicht nur ein stabiles Isotop, sondern Stabilisotopenwerte mehrerer Elemente in verschiedenen Inhaltsstoffen heranzieht, spricht man von der "Multi-Element- und Multi-Komponenten-Isotopenanalytik" (s. Tabelle 1). Durch Korrelationen sowie multivariate statistische Berechungen mehrerer Isotope können noch genauere Aussagen zur Authentizität wie z.B. zur Herkunft, dem Erntejahr, aber auch zu möglichen Manipulationen gemacht werden.

    2H-Kernresonanzspektroskopie - einzige Methode zum Rübenzucker-Nachweis

    Die 2H-NMR (auch "SNIF-NMR® Methode") ist die einzige analytische Methode zum Nachweis von Saccharose aus Zuckerrüben sowie zur Prüfung der Echtheit von Zucker und Alkohol in Getränken. Benötigt wird ein hochauflösendes Kernresonanzspektrometer (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) mit einem Messkopf zur Registrierung von Deuterium. Die SNIF-NMR® Weinanalytik wird seit 15 Jahren in den Mitgliedstaaten der EU in wenigen spezialisierten Labors der Weinüberwachung durchgeführt; in Deutschland sind dies das Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit in Würzburg, das Landesuntersuchungsamt Rheinland-Pfalz in Speyer und das Bundesinstitut für Risikobewertung Berlin. Abbildung 2 zeigt die aufwendigen Analysenschritte der SNIF-NMR Analytik

    Abbildung 2: SNIF®-NMR Analytik

    Abbildung 3:Deuterium (2H)-Kernresonanzspektrum von Ethanol mit den Signalen des deuterierten Ethanols und des Referenzstandards Tetramethylharnstoff (TMU)
    • Während der alkoholischen Gärung verteilt die Hefe das Deuterium aus dem Zucker und Wasser des Traubenmostes spezifisch auf die beiden Kohlenstoffpositionen des Ethanolmoleküls, welche mit 2H-NMR bestimmt werden können.
    • Der Gehalt an Deuterium in der Methylgruppe [(D/H)1-Wert] des Alkohols ist typisch für den Alkoholrohstoff (vergorenen Zucker), der in der Methylengruppe [(D/H)2-Wert] typisch für den Deuteriumgehalt des Gärwassers (s. Abb. 3).
    • Alkohol aus Rübenzucker hat deutlich niedrigere, der aus Rohrzucker deutlich höhere Deuteriumgehalte als Alkohol aus Zucker von Trauben.
    • Je nach Herkunft der Saccharose, wird der ursprüngliche (D/H)1-Wert des Weinalkohols erniedrigt bzw. erhöht und der Zusatz kann somit nachgewiesen werden. Durch zusätzliche Bestimmung des d13C-Wertes können auch Mischungen von Rüben- und Rohrzucker erkannt werden (siehe Abb. 4).
    Abbildung 4: Prinzip des Nachweises von Fremdzucker am Beispiel Wein.

    Nachweis eines Wasserzusatzes

    Zum Nachweis eines Wasserzusatzes bei Wein oder Fruchtsaft muss das Sauerstoff-Isotopenverhältnis des Wassers bestimmt werden. Die Messung des schweren Sauerstoffs im Wasser erfolgt indirekt durch die Isotopenbestimmung (Massen 46 und 44) in einem CO2 Referenzgas, welches zuvor mit der zu untersuchenden wässrigen Probe equilibriert wurde, d.h. in dem der Sauerstoff des Wassers mit dem des CO2 in ein Isotopengleichgewicht gebracht wurde (Equilibrierung-IRMS).

    Datenbanken sind unerlässlich

    Abbildung 5 zeigt ein Beispiel der 18O- und (D/H)1-Isotopenmuster von Wasser bzw. Alkohol aus authentischen, verdächtigen sowie eindeutig verfälschten (gewässert, gezuckert, gewässert und gezuckert) Weinproben einer bestimmten Herkunft. Da alle Stabilisotopenverhältnisse durch physikalische, klimatisch-meteorologische und geographische Parameter stark beeinflusst werden, müssen für Prüfungen der Echtheit und Herkunft repräsentative Vergleichsdaten authentischer Produkte verfügbar sein. Solche Vergleichsdaten werden sowohl in amtlichen als auch in internen Datenbanken regelmäßig erfasst, z.B.:

    Abbildung 5: 18O- und (D/H)1-Isotopenmuster von Wasser und Alkohol authentischer, verdächtiger sowie eindeutig verfälschter (gewässert, gezuckert, gewässert und gezuckert) Weine einer speziellen geographischen Herkunft.

    Möglichkeiten und Grenzen der Stabilisotopenanalytik bei Getränken

    "In vino veritas?"

    Das Stabilisotopenmuster eines Weines hängt von seiner Herkunft und dem Jahrgang ab, da es sehr stark durch geographische und klimatische Faktoren beeinflusst wird. Bei Weinen aus der EU können mit Hilfe der Daten in der EU-Weindatenbank Aussagen gemacht werden, ob die Angaben der geographischen Herkunft und des Jahrgangs auf dem Weinetikett stimmen und ob etwa in unzulässiger Weise Fremdwasser oder Zucker zugesetzt wurde. Ein Wasserzusatz ist grundsätzlich verboten, in südlichen Ländern der EU und in Deutschland bei Prädikatsweinen (Kabinett, Spätlese) ist zudem eine Erhöhung des Alkoholgehaltes durch Zusatz mit Saccharose, ebenso eine Süßung mit Saccharose verboten. Alleine die Tatsache, dass hier Kontrollen erfolgten und Verfälschungen nachgewiesen werden können, bewirkte bereits eine Abschreckung und einen Rückgang solcher Manipulationen. Dennoch werden immer wieder nicht nur einzelne Verfälschungen, sondern, wie Weinskandale der letzten 2 Jahre zeigten, auch systematische Manipulationen im größeren Ausmaß festgestellt.

    Bier - nach Reinheitsgebot gebraut?

    Über den d18O-Wert des Wassers im Bier kann auch dessen geographische Herkunft und somit auch der Standort der Brauerei und damit die Herkunft bzw. die Echtheit der Marke (des Herstellers) eines Bieres überprüft werden. So ist der d18O-Wert des Brauwassers bei Bier aus dem Allgäu negativer als bei Bier aus Norddeutschland. Wird das Bier nicht nur mit Gerstenmalz, sondern entgegen dem Reinheitsgebot z.B. unter Zusatz von Mais hergestellt, so erkennt man dies über die deutlich erhöhten (D/H)1-und d13C-Werte des Alkohols aus Mais. Verstöße gegen das Reinheitsgebot sind in Deutschland bislang äußerst selten festgestellt worden.

    Fruchtsaft - 100 % Saft? Aus Konzentrat oder Direktsaft?

    Über den d18O-Wert des Wassers kann nachgewiesen werden, ob es sich um einen, aus der Frucht gepressten und abgefüllten Direktsaft mit fruchteigenem Wasser oder um einen Fruchtsaft aus Fruchtsaftkonzentrat, hergestellt durch Rückverdünnung des Konzentrates mit Leitungswasser handelt. Direktsäfte sind teurer als Säfte aus Konzentrat, daher muss die Herstellungsart gekennzeichnet sein. Bei Fruchtsäften lässt sich durch Stabilisotopenanalytik auch prüfen, ob die Angabe "100% Fruchtsaft" tatsächlich zutrifft, d. h. ob alle Inhaltsstoffe wie Zucker, Säuren und Aromastoffe fruchteigen oder unzulässigerweise aus anderen Quellen zugefügt worden sind. Über die Multielement-Isotopenanalyse können auch geographische Herkunftsangaben wie "aus einheimischen Früchten", "aus brasilianischen Orangen" oder "aus Ananas von der Elfenbeinküste" überprüft werden. Aufgrund sehr strenger Eigenkontrollen der Industrie sind Verfälschungen vor allem in den auf dem deutschen Markt angebotenen Fruchtsäften seltener festzustellen.

    Spirituosen - Edle Brände?

    Im Falle von Spirituosen kann mittels Stabilisotopenanalytik des Alkohols festgestellt werden, ob die angegebenen Rohstoffe des Alkohols (z.B. Getreide für Kornbranntwein, Agave für Tequila, Kirschen für Kirschwasser) wie gesetzlich vorgeschrieben, tatsächlich zu 100 % zur Herstellung des Alkohols eingesetzt wurden, oder ob mit preisgünstigeren Ausgangsstoffen und Destillaten (z.B. aus Rüben- oder Rohrzuckermelasse) verschnitten wurde. Derartige Verfälschungen konnten bereits nachgewiesen werden, vor allem immer wieder Verschnitte von Destillaten aus Früchten mit einfachem Neutralalkohol; solche Produkte dürfen nicht als "Kirschwasser" oder "Kirschbrand" sondern nur als "Spirituose" bezeichnet werden. Bei geographischen Angaben wie "Schwarzwälder Kirschwasser" kann über das Muster der stabilen Isotope auch geprüft werden, ob die Kirschen tatsächlich aus dem Schwarzwald oder aus anderen Gebieten, z. B. aus Italien oder Südosteuropa stammten.

    Zusammenfassung

    Eine Prüfung der Einhaltung der Qualitätsstandards und lebensmittelrechtlichen Vorschriften, vor allem aber der Echtheit ("Authentizität") ist eine wichtige Aufgabe in der Qualitätskontrolle von Untersuchungslabors in der amtlichen Überwachung und der Industrie. Nur mittels Stabilisotopenanalytik können Verfälschungen wie Wasser- oder Zuckerzusatz oder falsche Herkunftsangaben nachgewiesen werden.

    Schlauer Fuchs

    Machen Sie mit bei der Aktion Schlauer Fuchs, und beantworten Sie die folgende Frage:

    Welche Rohstoffe dürfen nach dem Reinheitsgebot ausschließlich zur Bierherstellung verwendet werden?

    Schicken Sie Ihre Antwort an: schlauerfuchs@gdch.de
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    Kontakt

    Dr. Norbert Christoph
    Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit
    Luitpoldstrasse 1
    97082 Würzburg
    E-Mail: norbert.christoph@lgl.bayern.de

    Literaturhinweise

    [1] "Den Fälschern auf der Spur - Stabilisotopenanalytik zum Nachweis der Herkunft von Spargel. A. Schellenberg und C. Schlicht. Woche 18
    [2] Fruchtsaftdatenbank der LChG-Arbeitsgruppe Stabilisotopenanalytik http://www.agstabilisotopen.org/
    [3] "Stabilisotopenanalytik: Herkunft und Authentizität von Lebensmitteln". Hanns-Ludwig Schmidt, Andreas Roßmann, Detlef Stöckigt, Norbert Christoph, Chemie in unserer Zeit 39 (2005) S. 90-99
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