Flüchtige Verderbsmarker bei MAP-Hähnchen

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FORUM WISSENSCHAFT
Flüchtige Verderbsmarker
bei MAP-Hähnchen
Echtzeit-Detektion mit Protonentauschreaktions-Massenspektrometrie
Einleitung
Fleisch bietet aufgrund seiner chemischen
Zusammensetzung einen sehr guten Nährboden für Mikroorganismen und ist daher
sehr leicht verderblich. Unter aeroben Bedingungen verdirbt Hähnchenfleisch überwiegend durch Pseudomonaden [1, 2]. Im Vergleich dazu ist die Mikroflora von Schutzgas
verpacktem (MAP; modified atmosphere
pack­
aged) Hähnchenfleisch hauptsächlich
durch Brochothrix thermosphacta und
Milchsäurebakterien wie Lactobacillus oder
Carnobacterium charakterisiert [3, 4, 5].
Während des Verderbs von Fleisch werden
flüchtige organische Verbindungen (VOCs;
volatile organic compounds) gebildet und
freigesetzt; viele davon sind geruchsaktiv
und geben dem Verbraucher ein erstes Zeichen, dass das Fleisch nicht mehr verzehrbar
ist. In den letzten Jahren wurde intensiv angestrebt, diese VOCs im Hinblick auf ihre
Verwendung als mögliche Verderbsindikatoren zu identifizieren und darauf basierend
intelligente Verpackungen wie Frischeindikatoren (FFI; food freshness indicators) zu entwickeln. Trotz einiger bestehender Patente
zu FFIs ist die Verwendung auf dem Markt
Abbildung 1:
2,3-Butandion
(Diacetyl) im
Kopfraum von
mit C. divergens beimpftem
MAP-verpacktem
Hähnchenfleisch.
46 VERPACKUNGS-RUNDSCHAU
stark begrenzt. Das Funktionsprinzip der
meisten FFIs beruht auf einer pH-Reaktion
[6, 7, 8, 9]. Somit ist die Anwesenheit von
sauren oder basischen VOCs eine Voraussetzung für die meisten FFIs.
Gaschromatographie mit Massenspektrometrie (GC-MS) ist derzeit die gängigste Methode für die Analyse von VOCs im
Kopfraum von Fleisch [1, 10, 11]. Jedoch erlaubt diese Technik durch die aufwendige
Probenvorbereitung nur diskontinuierliche
offline Analysen. Eine alternative Technik
bietet die Protonentauschreaktion-Massenspektrometrie (PTR-MS). PTR-MS basiert auf
einer chemischen Ionisation, wobei protoniertes Wasser (Hydronium) als Reagenz­
ionen für die Protonentauschreaktion mit
VOCs im Probengas eingesetzt wird. Diese
Ionisierungsart ist durch die niedrige Reaktions­
energie sehr sanft, sodass in der
Regel das Mutter-Ion als Reaktionsprodukt
entsteht, mit geringer Fragmentierung. PTRMS ermöglicht somit eine schnelle und
quantitative Detektion von etlichen VOCs
in der Gasphase bei geringer Nachweisgrenze im unteren pptv-Bereich und über
einen breiten Dynamikbereich. Mit dieser
Autor
Corinna Franke ,
Jonathan Beauchamp2
1
TU München, Lehrstuhl für
Lebensmittelverpackungstechnik,
[email protected]
2
Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Freising
[email protected]
1
Technik ist eine Probenvorbereitung, wie
eine Extraktion und anschließende Vorkonzentrierung, nicht notwendig und ermöglicht dadurch die Online-Analysen von VOCs
[12, 13]. PTR-MS wurde bereits für diverse
Lebensmittelverderbsuntersuchungen angewandt und zeigte vielversprechende Ergebnisse [14, 15, 16, 17].
Untersuchungen
Um die Bildung und Freisetzung von VOCs
während des Verderbs von Fleisch zu untersuchen, wurden für jeden Versuch drei
Stücke frische Hähnchenbrust mit typischen
Fleisch verderbenden Mikroorganismen beimpft (106 KBE/cm2; B. thermosphacta und
C. divergens) und unter Schutzgasatmosphäre (30 % CO2, 70 % O2) verpackt. Die
Änderungen der VOCs wurden bei 4 °C
über einen Versuchszeitraum von 7 Tagen
online mittels PTR-MS überwacht und anschließend mit mikrobiellen Keimzahlen verglichen. Der Versuch wurde in einer Dreifachbestimmung durchgeführt.
B. thermosphacta und C. divergens
konnten sich ab dem ersten Tag der Experimente gegen die Ausgangsflora durchsetzen. Die bei 4 °C messbaren charakteristischen VOCs (ca. 20) wurden im Kopfraum
der Fleischproben während des Verderbs
durch PTR-MS detektiert. Bei den mit B.
thermosphacta und C. divergens beimpften
12/2015
Quelle: Fraunhofer IVV
Proben wurde ein Anstieg von diversen
flüchtigen Verbindungen festgestellt, u.a.
von 3-Hydroxy-2-butanon, 2,3-Butandion,
Essigsäure, 3-Methyl-1-butanol sowie 3Methylbutanal. Abbildung 1 zeigt einen
typischen Trend, der für VOCs im Fleischkopfraum beobachtet wurde. Einige VOCs
konnten in allen Proben detektiert werden,
während andere nur in einzelnen Proben
nachgewiesen wurden. Die Konzentrationsverläufe vieler VOCs wiesen Ähnlichkeiten
mit der bekannten Wachstumskurve von Mikroorganismen (Anlaufphase, exponentielle
Phase, etc.) auf, Kurvenverläufe anderer
VOCs hingegen zeigten unterschiedliches
Verhalten, beispielsweise einen sofortigen
Anstieg (siehe Abbildung 2). Die Bildung
und Freisetzung von VOCs hängt von vielen
Faktoren ab, vorwiegend von der Fleischzusammensetzung (Nährstoffe), der Ausgangsflora, dem Wachstumsverhalten der
Mikroorganismen, der Temperatur und vom
pH-Wert des Fleisches.
Schlussfolgerung
Diese Studie zeigte erfolgreich, dass PTR-MS
eine geeignete Technik ist, um VOCs während der Lagerung von MAP-Hähnchen in
Echtzeit zu detektieren. Die kontinuierlichen
Messungen erlauben eine Visualisierung des
Verderbsprozesses und geben Hinweise auf
VOCs als mögliche Verderbsmarker. Des
Weiteren ist es möglich, mit dieser Technik
Optimierungspotenziale für Lagerbedingungen zu finden, was zu einer Erhöhung der
Lebensmittelqualität und der Gewährleistung der Verbrauchersicherheit führt. In zukünftigen Experimenten werden der Einfluss
auf die Bildung der VOCs bei höheren Temperaturen und Temperaturänderungen wie
Kühlkettenunterbrechung untersucht sowie
die Bildung von VOCs bei verderbendem
Fleisch. Basierend auf der Tatsache, dass nur
sehr wenige bei MAP-Hähnchen gebildete
flüchtige Stoffe in der Lage sind, eine pHÄnderung in eine saure oder basische Richtung hervorzurufen und die meisten FFIs pHaktiv sind, könnten wesentliche Änderungen
der gegenwärtigen Strategien für Verderbsmarker notwendig sein.
Danksagung
Diese Studie wurde im Rahmen des IGF-Vorhabens 17803 N der Industrievereinigung
12/2015
Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr. Horst-Christian
Langowski, Fraunhofer IVV.
Dr. Maria Wagenstaller,
Wissenschaftliche
Mitarbeiterin,
Fraunhofer IVV.
Abbildung 2:
2-Propanon (Aceton) im Kopfraum von mit B.
thermosphacta
beimpftem
MAP-verpacktem
Hähnchenfleisch.
für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e. V. (IVLV) über eine AiF Förderung
der Industriellen Gemeinschaftsforschung
(IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie gefördert. Die Ergebnisse
dieser Studie wurden teilweise bereits auf
dem 27th IAPRI Symposium on Packaging
in Valencia, Spanien (8.-11. Juni 2015),
präsentiert.
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Abstract
Meat spoilage is characterised by the
generation and release of volatile organic
compounds (VOCs), many of which are
odorous and elicit a disagreeable odour
associated with spoiled meat. Considerable effort has been made in the past to
identify these VOCs as possible indicators
of meat spoilage. Gas chromatography
with mass spectrometry (GC-MS) is
commonly used for detecting VOCs in the
headspace of meat, but despite its sensitivity it allows only intermittent measure-
ments due to sample workup required
prior to the analysis. We explored the
possibility of using proton transfer
reaction-mass spectrometry (PTR-MS) as a
novel tool for real-time monitoring of
VOCs in the headspace of meat.
Keywords: PTR-MS, food freshness
indicator (FFI), chicken, modified
atmosphere packaging (MAP)
Schlagworte: PTR-MS, Frischeindikator
(FFI), Hähnchen, Schutzgasverpackung
(MAP)
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