PAK in Tee

von Dr. Frank Steiner, Dr. Markus Martin, Holger Franz

Dr. Frank Steiner, Dr. Markus M. Martin und Lebensmittel-Chem. Holger Franz, Dionex Corporation, Germering, Deutschland Mit Ultraschneller HPLC und Fluores- zenzdetektion in den unteren Spurenbereich

Normalerweise bringt man Belastungen durch Polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) mit der erdölverarbeitenden Industrie oder Verbrennungsprozessen von Kohle, Heizöl oder Kraftstoffen in Verbindung. Eine Umweltkatastrophe, wie sie sich derzeit im Golf von Mexiko abspielt, ist ein bedrückendes Beispiel für eine unvorstellbare Verseuchung der Biosphäre u. a. mit diesen Schadstoffen. Abseits dieser schlagzeilenträchtigen Ursachen lauern PAK aber leider auch in Lebensmitteln, wo man sie so gar nicht vermuten würde. Viele Pflanzen, auch Nutzpflanzen, reichern Kohlenwasserstoffe in ihren lipophilen Kompartimenten an. Tee gilt nach Wasser als das am häufigsten konsumierte Getränk weltweit.

Dank ihrer gesundheitsfördernden Wirkungen haben verschiedene Teesorten den Ruf, weit mehr als nur ein Genussmittel zu sein. Sie enthalten Antioxidantien und andere pharmakologisch aktive Inhaltsstoffe, von denen angenommen wird, dass sie dem körperlichen Wohlbefinden Gutes tun. Teeblätter reichern jedoch ebenfalls Schadstoffe wie PAK aus der Umgebung an. Unterschiede in den Teesorten äußern sich dabei auch in der Dauer der Exposition gegenüber Umweltschadstoffen: Während Grüner Tee nach dem Welken und Rollen direkt getrocknet wird, erfahren Oolongund Schwarztee noch durch die Oxidation bei hoher Luftfeuchte eine geschmackliche Veredelung. Trocknungsprozesse über fossilen Brennstoffen fördern die Anreicherung der Schadstoffe während der einzelnen Verarbeitungsschritte [1], so dass sich der Teegenuss schnell als ein Gesundheitsrisiko entpuppen kann. Um dieser Gefahr vorzubeugen, ist ein empfindliches und robustes Bestimmungsverfahren für PAK zur verlässlichen Risikobewertung unentbehrlich. Die Lebensmittelkontrolle steht vor einer echten Herausforderung, denn die PAK-Analytik muss präzise sein und im unteren ppb-Bereich durchgeführt werden. Sowohl GC als auch HPLC kommen zur Analyse in Frage, von denen beide Verfahren Vor- und Nachteile haben. Mit spezialisierten PAK-Säulen ist die HPLC- der Trennproblematik gut gewachsen, die Quantifizierung in den vorliegenden Konzentrationsbereichen erfordert aber bestimmte, hochempfindliche Detektionsarten wie die Fluoreszenzdetektion, wobei während der Trennung zur optimalen Detektion noch Anregungs- und Emissionswellenlängen umgeschaltet werden müssen. Galten klassische flüssigchromatographische Methoden zur Analyse komplexerer Gemische als langsam, lassen moderne ultrahochauflösende HPLC oder UHPLC-Methoden dieses Image verblassen, da Analysenzeiten von weit unter 10 Minuten auch für anspruchsvolle Aufgabenstellungen erreicht werden. Bei der PAKAnalytik gab es bisher jedoch zwei wesentliche Hürden: Zum einem fehlten die UHPLCfähigen Trennsäulen mit der geeigneten Selektivität für PAK, zum anderen konnten die Umschaltzeiten der Fluoreszenzdetektoren (FLD) mit den schnellen Trennungen nicht Schritt halten. Eine korrekte Integration kurz aufeinanderfolgender und scharfer Peaks war bei FLD in der Vergangenheit aufgrund zu langsamer Schaltvorgänge schlicht unmöglich, denn de facto stellt ein solcher Wechsel der Detektionsbedingungen bei herkömmlichen Fluoreszenzdetektoren eine zeitliche Summation der Umstellung von Anregungsund Emissionswellenlänge, der Empfindlichkeit und einer ge gebenen Detektorresponsezeit dar. Diese Probleme sind heute vollständig gelöst, wie das vorliegende Methodenbeispiel zeigt, durchgeführt mit dem neuen UHPLC Dionex UltiMate 3000 System, ausgestattet mit dem FLD-3100 Detektor und einer Nucleodur C18 PAH Trennsäule der Fa. MACHEREY- NAGEL GmbH & Co. KG. Mit einem Systemdruck von bis zu 620 bar und einer FLD-Datenrate von bis zu 100 Hz kann diese Säule mit einer hohen Lineargeschwindigkeit betrieben werden, so dass die Trennung von 16 PAK der EPA-Norm in ca. 3 Minuten bei optimaler Detektion gelingt [2]. Abbildung 1 zeigt, wie diese Detektor- Umschaltungen in einer Rekordzeit von deutlich unter einer Sekunde realisiert werden.

Bei dem FLD-3400RS-Gerät ist in dieser Zeit sogar zusätzlich noch eine Umschaltung des Filters auf der Emissionsseite möglich, was einer weiteren Optimierung des Spurendetektionsvermögens dient. Abbildung 2 zeigt die Trennung von 17 fluoreszenzaktiven PAK in fünfeinhalb Minuten, bei der besonders die exzellente Auflösung der wegen ihres Schädigungspotenzials sehr kritischen 4- und 5?Kern- Spezies auffällt. Mit solch potenten Analysenverfahren gerüstet ist die Spurenanalytik von PAK mit hohem Analysendurchsatz auch in Teeproben leicht und zuverlässig zu bewerkstelligen. Zur Probenvorbereitung ist eine Feststoffextraktion erforderlich. Hierfür kann die in der Literatur als sehr leistungsfähig beschriebene Accelerated Solvent Extraction (ASE beschleunigte Lösemittelextraktion) verwendet werden [3], die schnell, zuverlässig und vollautomatisch Extrakte von Festproben herstellen kann. Im vorliegenden Fall wurde eine Fest-Flüssig- Extraktion (LSE) zur Probenvorbereitung angewendet, die im Vergleich zur ASE allerdings nicht quantitativ sein kann, was einen Unterbefund bei der Gehaltsbestimmung nach sich ziehen könnte. Ein direkter Methodenvergleich ist für spätere Studien geplant. Abbildung 3 zeigt die Analyse mittels LSE gewonnener Proben von Teesorten unterschiedlicher Herkunft und Herstellungsverfahren.

Allen Teeproben gemeinsam ist das Fehlen zweikerniger Aromaten, es finden sich bevorzugt höherkondensierte Verbindungen. Hier sind vor allem Phenanthren, Fluoranthen und Pyren zu nennen, die in jeder Probe in teils beachtlicher Menge von über 10 ?g/L gefunden wurden. Auffällig ist der bemerkenswert hohe Gehalt an den höchstkondensierten Vertretern der EPA-PAK in einer Probe Schwarzen Tees aus St. Petersburg. Der hier beobachtete, vergleichsweise geringe Gehalt an PAK in Grünem Tee sollte dabei nicht verallgemeinert werden, da der Schadstoffgehalt maßgeblich durch die Qualität der Verarbeitungsschritte der Teepflanze bestimmt wird und weniger mit der Teesorte selbst in Verbindung steht. Ein hochwertig oxidierter Schwarztee kann so durchaus weniger PAK enthalten als ein unfermentierter Grüner Tee. Wie die Beispiele eindrucksvoll belegen, ist unter Verwendung eines UHPLC-Systems der neuesten Generation eine schnelle und hochempfindliche Bestimmung von PAK im ?g/L-Bereich möglich. Die kurze Analysendauer, die hohe Selektivität und Empfindlichkeit, aber auch die weniger aufwändige Quantifizierung empfehlen dieses Verfahren als überlegene Alternative zur heute oft eingesetzten Gaschromatographie mit Massenspektrometrie (GC-MS) [4], [5]. Passionierten Teetrinkern sei abschließend zur Beruhigung gesagt, dass die Extraktionsbedingungen des Teebrühens meist milder sind als die der hier angewandten LSE, so dass die PAK-Belastung im Teegetränk durchaus niedriger ausfallen kann. Dennoch zeigt die vorgestellte Applikation deutlich die Notwendigkeit einer umfassenden und empfindlichen Kontrollanalytik auf.