Glycoalkaloid-Analytik von Kartoffelprodukten Kartoffeltagung Detmold,

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1 Glycoalkaloid-Analytik von Kartoffelprodukten Kartoffeltagung Detmold, Dr. Martin Lotz LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\1

2 Bestandteile der Kartoffel 19% 2% 2% 1% 1% Wasser Stärke Protein Fasern Lösliche Kohlenhydrate Fett 75%... und Glycoalkaloide von 2 ppm des Kartoffelgewichts in Speisekartoffeln bis 1. ppm und mehr des Kartoffelgewichts in Stärkekartoffeln LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\2

3 Kartoffelprodukte Kartoffelprotein Kartoffelfasern Kartoffelflocken Kartoffeln Speisekartoffeln Pommes Frites-Kartoffeln Verarbeitungskartoffeln Stärkekartoffeln LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\3

4 Kartoffelprotein Qualitätskriterien für Kartoffelproteine helle Farbe neutraler Geschmack zusätzliche Anforderungen für Lebensmittelanwendungen und Heimtiere (Petfood) hoher Proteingehalt geringer Gehalt an Glycoalkaloiden (GA) Im Rahmen der Zulassung von Kartoffelprotein als neuartiges Lebensmittel hat die EU u.a. als Grenzwert den Gehalt an Glycoalkaloiden auf maximal 15 ppm festgelegt. LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\4

5 GA-Analytik und Entwicklung neuer Kartoffelproteine Damit ist deutlich, das die Entwicklung neuer Kartoffelproteine nicht ohne eine effiziente Glycoalkaloidanalytik (GA-Analytik) möglich ist. Diese Methode muss folgende Bedingungen erfüllen preiswert schnell einfach hohe Wiederfindungsrate niedrige Nachweisgrenze LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\5

6 Eigenschaften der Glycoalkaloide Die Glycoalkaloide der Kartoffel sind α-solanin α-chaconin β-chaconin Sie kommen in Kartoffeln etwa im Verhältnis 35:6:5 vor Zusammensetzung aus dem Alkaloidgrundkörper Solanidin und dem unterschiedlichen Glycosidresten Solanidin LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\6

7 Toxizität der Glycoalkaloide Akute Vergiftungssymptome sind Brennen und Kratzen im Hals Magenbeschwerden, Darmentzündungen, Gliederschmerzen, Übelkeit, Brechreiz und Durchfall möglich In schlimmen Fällen Auflösung der roten Blutkörperchen, Störungen der Kreislauf- und Atemtätigkeit sowie Schädigungen des zentralen Nervensystems möglich [LEL Schwäbisch Gmünd ( Pestizide Eigenschaften, verursacht Sättigungsgefühl [Beckstrom- Sternberg, Duke 1997] Toxische Dosis beim Menschen: ca. 5 mg/kg Körpergewicht [Haase, 28] LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\7

8 Probleme der Glycoalkaloid-Analytik häufig komplexe Proben - daher aufwendige Probenaufbereitung Starkes Störungsrauschen auf der HPLC-Säule schlechte Lösungskinetik geringe Auswahl von geeigneten Lösungsmitteln für die Proben LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\8

9 Probe Beschreibung der Methode Festphasenextraktion SPE z.b. Kartoffelprotein + Extraktionslösung (1 L Wasser + 5 ml Essigsäure (99 % - %) + 6,5 g Na 2 SO 3 ) Homogenisierung, RT, 2 min HPLC-Säule Zentrifugieren, 4. g, 3 min Festphasenextraktion SPE HPLC [Veröffentlicht in: Alt et. al., Eng. Life Sci. 25, 5 (6), S ] LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\9

10 Leistungsfähigkeit der vorgestellten GA-Analytik Nachweisgrenze Probenmenge Laufzeit HPLC Standzeit Säule gesamte Analysendauer Leistungsfähigkeit Wiederfindungsrate 2 ppm 1 Gramm 25 Minuten, in Routine verkürzbar > 3 Analysen 8 Minuten inklusive Probenaufbereitung 24 Proben in 24 h 86 % bis 93 % im Solanin/Chaconin-Gemisch Mittlerer Fehler 1,8 ±,9 % bei Einzelinjektion bzw. < 6,5 % zwischen verschiedenen Kalibrierungen LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\1

11 GA in Kartoffelproteinen - Laborvergleich Lebensmittelqualität Futtermittelqualität je Peak ca. 5 ppm je Peak ca. 85 ppm Emsland-Stärke Labor 1 je Peak ca. 85 ppm je Peak ca. 2 ppm Labor 2 je Peak ca. 275 ppm je Peak ca. 5 ppm LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\11

12 GA in Kartoffelfasern Kartoffelfasern können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Der Hauptunterschied liegt in der Abtrennung des Kartoffelfruchtwassers. Mit Hilfe der GA-Analytik konnte gezeigt werden, dass die Auswaschung der Fasern mit Kartoffelfruchtwasser oder Prozesswasser zu Fasern mit einem GA-Gehalt von 3 bis 45 ppm führt die intensive Entfernung von Kartoffelfruchtwasser im Herstellprozess führt zu GA-armen Kartoffelfasern mit < bis 12 ppm Gesamtglycoalkaloiden (TGA) Beispiel für Kartoffelfasern mit sehr geringem GA- Gehalt: α-solanin: 29 ppm α-chaconin: 24 ppm LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\12

13 GA in Kartoffelflocken Kartoffelflocken sind dehydratisierte Kartoffeln, die auf Walzen getrocknet werden. Kartoffelgranulat wird im Flugschicht- und Wirbelschichttrockner getrocknet. Da die Kartoffeln geschält werden, sollten die Gesamtglycoalkaloid-Gehalte (TGA) geringer ausfallen. Andererseits entsteht durch die Dehydatisierung eine unvermeidliche Konzentrierung etwa um den Faktor 4 bis 5. Wir konnten zeigen, dass die dehydratisierten Kartoffelprodukte GA- Gehalte haben, die in der Größenordnung der ursprünglichen Kartoffeln liegen. Eine mögliche Erklärung wäre, dass sich die Effekte der Schälung und der Konzentrierung im Wesentlichen aufheben. α-solanin: 66 ppm α-chaconin: 67 ppm LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\13

14 Glycoalkaloide in Kartoffeln - Übersicht Von allen untersuchten Proben ist die ganze Kartoffel die anspruchvollste Probenmatrix. Als sicherste Probenvorbereitung hat sich die Trocknung der Proben vor der Untersuchung erwiesen. Nassproben zeigten sich nach unserer Erfahrung als problematisch. LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\14

15 Glycoalkaloide in Kartoffeln Speisesorte Solanin Chaconin Gesamt 11 ppm 17 ppm 28 ppm Stärkesorte Solanin 263 ppm Chaconin 363 ppm Gesamt 626 ppm Verarbeitungssorte Solanin 37 ppm Chaconin 68 ppm Gesamt 15 ppm LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\15

16 Glycoalkaloide in Speisekartoffeln GA [ppm] Standortvergleich 26 12/26 Standort 1 12/26 Standort 2 Speise 1 Speise 2 Speise 3 Speise 4 Speise 5 Speise 6 Speise 7 Speise 8 Der GA-Gehalt von Speisekartoffeln liegt i.a. unter ppm Standorte variieren wenig Lagerstabilität scheint abhängig vom Vegetationsjahr Sie erscheint im schwierigen Jahr 26 besser als in 27 Sortenunterschiede sind erkennbar Lagerstabilität 26/7 Lagerstabilität 27/ /26 Standort 1 6/27 Standort /27 M 3/28 M GA [ppm] 15 GA [ppm] Speise 1 Speise 2 Speise 3 Speise 4 Speise 5 Speise 6 Speise 7 Speise 8 Speise 1 Speise 2 Speise 3 Speise 4 Speise 5 Speise 6 Speise 7 Speise 8 LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\16

17 Glycoalkaloide in Pommes Frites-Kartoffeln GA [ppm] Standortvergleich 26 12/26 Standort 1 12/26 Standort 2 Pommes Frites 1 Pommes Frites 2 Pommes Frites 3 Der GA-Gehalt von Pommes Frites- Kartoffeln liegt i.a. unter ppm Standorte variieren wenig Lagerstabilität scheint abhängig vom Vegetationsjahr Sie erscheint ausgeglichener als bei Speisekartoffeln Sortenunterschiede sind erkennbar Lagerstabilität 26/7 Lagerstabilität 27/ /26 Standort 1 6/27 Standort /27 M 3/28 M GA [ppm] 15 GA [ppm] Pommes Frites 1 Pommes Frites 2 Pommes Frites 3 Pommes Frites 1 Pommes Frites 2 Pommes Frites 3 LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\17

18 Glycoalkaloide in Verarbeitungskartoffeln 25 2 Standortvergleich 26 12/26 Standort 1 12/26 Standort 2 Der GA-Gehalt von Verarbeitungskartoffeln liegt i.a. unter 15 ppm Standorte variieren deutlicher GA [ppm] 15 5 GA-Gehalt variiert mit Vegetationsjahr Lagerstabilität scheint abhängig vom Vegetationsjahr Verarbeitung 1 Verarbeitung 2 Verarbeitung 3 Verarbeitung 4 Verarbeitung 5 Sortenunterschiede sind erkennbar Lagerstabilität 26/7 Lagerstabilität 27/ /26 Standort 1 6/27 Standort /27 M 3/28 M GA [ppm] 15 GA [ppm] Verarbeitung 1 Verarbeitung 2 Verarbeitung 3 Verarbeitung 4 Verarbeitung 5 Verarbeitung 1 Verarbeitung 2 Verarbeitung 3 Verarbeitung 4 Verarbeitung 5 LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\18

19 Glycoalkaloide in Stärkekartoffeln GA[ppm] Standortvergleich 26 12/26 Standort 1 12/26 Standort 2 Stärke 1 Stärke 2 Stärke 3 Stärke 4 Lagerstabilität 26/7 Der GA-Gehalt von Stärkekartoffeln schwankt von 2 bis 8 ppm Standorte variieren eher sortenspezifisch GA-Gehalt variiert erheblich mit Vegetationsjahr Lagerstabilität scheint abhängig vom Vegetationsjahr Sie erscheint auf hohem Niveau in 27 besser als im schwierigen Jahr 26 Lagerstabilität 27/ /26 Standort 1 6/27 Standort /27 M 3/28 M GA [ppm] GA [ppm] Stärke 1 Stärke 2 Stärke 3 Stärke 4 Stärke 1 Stärke 2 Stärke 3 Stärke 4 LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\19

20 Zusammenfassung 1 Standard der GA-Analytik ist heute Extraktion der Probe Festphasenextraktion zur Vorreinigung des Analyts HPLC mit NH 2 -Säule, Vorsäule und UV-Detektor mehrere Hundert Analysen pro Säule möglich 2 Minuten HPLC-Analysenzeit Nachweisgrenze von 5 µg/ml jeweils für Solanin und Chaconin entsprechend 2 ppm in der Probe Anwendbar auf Kartoffeln, Kartoffelfasern, Kartoffelprotein, Kartoffelflocken und -granulat Einsetzbar für Prozess- und Produktentwicklung, Prozesskontrolle und Qualitätskontrolle LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\2

21 Es konnte gezeigt werden dass: Zusammenfassung 2 Kartoffelprotein nach der klassischen Koagulation zwischen 6 ppm und 3. ppm GA enthält Kartoffelprotein mit GA-Gehalten von < 5 ppm bis max. 15 ppm hergestellt werden kann GA auch in Fasern und Flocken/Granulat zuverlässig messbar sind Glycoalkaloide in Kartoffeln große Unterschiede aufweisen Speisekartoffeln haben Gehalte < 15 ppm, meist < ppm, sind lagerstabil, Stabilität variiert aber mit Vegetationsjahren Pommes Frites-Sorten gleichen den Speisesorten Verarbeitungssorten haben GA-Gehalte von < 15 ppm, jedoch ist die Lagerstabilität nicht so gut Stärkesorten haben hohe GA-Gehalte, die sortenspezifisch bis Faktor 3 und mehr variieren, Schwankungen bzgl. Standort und Anbaujahr erscheinen ebenfalls v.a. sortenspezifisch LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\21

22 An dem Projekt haben mitgewirkt: Institut für Technische Chemie, Universität Hannover Prof. Dr. Thomas Scheper Dr. habil. Cornelia Kasper Dr. Veronika Alt Emsland-Stärke Daniela Bongartz Rainer Stroeve Vielen Dank auch an das BMBF für die freundliche finanzielle Unterstützung. LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\22

23 Vielen Dank! LOTZ_GA-Analytik Kartoffelprodukte\23