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Laboratorium für Stabilisotopenanalytik
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Stabilisotopenanalytik zur Herkunfts- und Authentizitätskontrolle

von

Lebensmitteln, Getränken, Aromen, Futtermitteln, Holz und Synthesechemikalien, sowie forensischen und archäologischen Proben

(Foto: Symrise GmbH & Co.KG, mit freundlicher Genehmigung Verlag Wiley-VCH, Weinheim)

Herkunft und Authentizität unserer Lebensmittel bestimmen deren Qualität und Preis; der Verbraucher verlangt mit Recht, dass diese einander entsprechen. Die Bestimmung der Verhältnisse der stabilen Isotope der Biomasse, des Wassers oder der Mineralstoffe aus Lebensmitteln kann sicherstellen, dass er nicht frisch gepressten Fruchtsaft aus Fruchtsaftkonzentrat, Bordeauxwein aus Rumänien, Parmesankäse aus bayerischer Milch, Ökoeier von Batteriehennen oder deutsches Rindfleisch aus Argentinien einkauft.

Wie kann man solche Etikettenschwindel erkennen?

Alle organischen Substanzen, damit auch unsere Lebensmittel, bestehen aus den Biolementen H, C, N, O und S. Diese kommen überall als Gemische stabiler Isotope vor. Deren Verhältnisse sind abhängig von jenen der örtlichen Primärstoffe, geologischen und klimatischen Verhältnissen und von anthropogenen Einflüssen am Ort der Entstehung. Umgekehrt kann man aus gemessenen Isotopenverhältnissen von Lebensmitteln (s.o.) auf den Ort und die Umstände von deren Herkunft und Herstellung schliessen. Da die einzelnen Elemente verschieden auf die jeweiligen Einflüsse reagieren, liefern ihre Isotopenverhältnisse mehr oder weniger unabhängige, aber sich ergänzende Informationen.

Mit freundlicher Genehmigung: dmz 21 18-23 (2003)

Isotopenverhältnise werden relativ zu internationalen Standards in der δ-Wert-Skala ausgedrückt, z.B. für die Kohlenstoff-Isotope: (Standard V-PDB = Vienna Pee-Dee-Belemnit)

δ13C[‰]V-PDB=		(13C/12C)PROBE	-1		*1000
		———————
		(13C/12C)V-PDB

δ¹³C-Werte ([‰]_V-PDB) von Biomasse - Photosynthesetyp der Pflanzen

Der Kohlenstoff-Isotopeneffekt auf die Primärreaktion der CO₂-Assimilation ist für den δ¹³C-Wert der Biomasse verantwortlich. Bei den sog. C₃-Pflanzen, den meisten unserer einheimischen Pflanzen, liegt der δ¹³C-Wert zwischen -30 und -25‰, bei den C₄-Pflanzen (Mais, Zuckerrohr, Hirse) zwischen -14 und -11‰, bei den CAM (crassulacean acid metabolism)-Pflanzen (Ananas, Vanille) zwischen -21 und -18‰. Auf dieser Basis lässt sich der Anteil an C₄-Material in pflanzlicher Biomasse bzw. im Futter von Tieren berechnen. Der jeweilig angegebene Bereich ist u.a. durch klimatische und pflanzenanatomische Besonderheiten bedingt und beinhaltet entsprechende Informationen. Tierische Produkte spiegeln die Nahrung der Tiere mit einem Trophiestufeneffekt von ca. +1.5 ‰ wieder.

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δ¹⁵N-Werte ([‰]_AIR) von Biomasse - Stickstoffquellen

Primäres N-Reservoir für organisch gebundenen Stickstoff ist der Luftstickstoff mit δ¹⁵N = 0‰. Er ist unmittelbare N-Quelle bei der Stickstoffassimilation durch Leguminosen (Verwendung bei der Gründüngung) und für technisch gewonnenes Ammoniak und Nitrat (Verwendung bei mineralischer Düngung). Nitrifikation, Denitrifikation und Ammoniak-Verdunstung führen zur ¹⁵N-Anreicherung in den nicht umgesetzten Anteilen der entsprechenden Ausgangsstoffe. Organische Dünger und im Boden gebundener Stickstoff sind ebenfalls generell an ¹⁵N relativ angereichert; dies ist u.a. die Ursache dafür, dass Produkte aus ökologischem Anbau meist einen höheren δ¹⁵N-Wert als konventionell produzierte haben. Der Trophiestufeneffekt für tierische Produkte ist ~+2 ‰ pro Stufe.

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δ²H- und δ¹⁸O-Werte ([‰]_V-SMOW) von Biomasse - Klima und Wasserkreislauf

Wasser ist wesentlicher Bestandteil der meisten Lebensmittel; außerdem ist es Ausgangsstoff für organisch gebundenen Wasserstoff und Sauerstoff. Aufgrund des höheren Dampfdrucks der "leichten" Wassermoleküle (¹H¹H¹⁶O) reichern sich diese im Dampf an, während die "schweren" Wassermoleküle (¹H²H¹⁶O, ¹H¹H¹⁸O) im Kondensat angereichert werden. Niederschläge und Grundwasser sind infolgedessen um so leichter, je weiter entfernt vom Ozean (Kontinentaleffekt) und je höher (Höheneffekt) sie auftreten. Darüber hinaus bestimmen das lokale Klima und pflanzenanatomische Faktoren über die Wasserverdunstung der Pflanzen die H- und die O-Isotopencharakteristik des Blattwassers und damit letztlich der pflanzlichen Biomasse. Bei tierischer Biomasse sind die δ¹⁸O-Werte von Wasser durch die des Trinkwassers, der Nahrung und des Oxidationswassers beeinflusst. Die δ²H-Werte der Hauptfraktionen aus pflanzlichen und tierischen Gewebe (Kohlenhydrate, Proteine, Fette) unterscheiden sich untereinander charakteristisch auf Grund metabolischer H-Isotopenfraktionierungen.

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δ³⁴S-([‰]_V-CDT) und δ⁸⁷Sr-Werte von Biomasse - lokale geologische Besonderheiten

δ³⁴S-([‰]_V-CDT) und δ⁸⁷Sr-Werte von Biomasse gehen auf die Isotopencharakteristika der lokalen primären Quellen zurück. Im Falle von Schwefel kommen, außer Boden-SO₄^2-, in der Nähe des Meeres SO₄^2- aus Meeresaerosol (sea spray) und in der Nähe von Industrieanlagen und Autobahnen SO₂ aus Verbrennungsprozessen hinzu. Die Zuordnung erfordert also ein entsprechendes Kataster bzw. Vergleichswerte. Ähnliches gilt auch für ⁸⁷Sr und für Isotope von (anthropogen eingebrachten) Schwermetallen (Pb u.a.). Strontium ist der wichtigste Indikator für die geographische Herkunftszuordnung.

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