Charakterisierung von Fetten
und Ölen mittels NMR Spektroskopie

DIEHL, B. W.-K., RANDEL, G.
Spectral Service GmbH, Köln

Fette und Öle (Lipide) sind das klassische Beispiel für eine Multi-Komponenten-Analyse. Als zentrale Substanzgruppe spielen Lipide eine entscheidende Rolle im Bereich der Nahrungsmittel, der Biochemie, der Pharmazie und der Technischen Chemie. Man denke nur an die Vielfalt an Emulgatoren. Es existieren diverse Methodensammlungen mit Anleitungen zur Analytik dieser großen Substanzgruppe, beispielsweise die offiziellen Methoden der DGF (Deutsche Gesellschaft für Fettforschung) und der AOAC (American Oil Chemist society). Der Vorteil solcher Sammlungen ist eine weltweit vergleichbare Anwendung von verschiedenen Analysenverfahren. Der Nachteil ist, dass innovative Neuentwicklungen nur schwer Zugang finden. Technische und wissenschaftliche Sichtweisen in der Fettchemie haben sich in den letzten Jahrzehnten stark verändert, leider nicht die offiziellen Methoden. Die Problematik soll am Beispiel der Analytischen Parameter von Speiseölen dokumentiert werden.

Die klassischen Schlüsselparameter wie Jodzahl, Säurezahl, Verseifungszahl und Peroxidzahl werden durch vier verschiedene Titrationen bestimmt. Die Erfassung von Phospholipiden, Mono- und Diglyceriden erfolgt mittels Flüssigchromatographie (HPLC). Die Charakterisierung der Fettsäuren und der Sterole erfordert ein gaschromatographisches Verfahren. Bedarf es noch näher der dreidimensionalen Aufklärung der Regioselektivität, das heißt in welcher der drei möglichem Positionen des Glycerins die Fettsäuren sitzen, so sind vor der GC-Analyse weitere komplexe enzymatische Reaktionen nötig. Zur Erfassung der wichtigsten Parameter eines Pflanzenöls benötigt man somit bis zu 10 verschiedene analytische Methoden, die nicht alle zuverlässige Ergebnisse erbringen und zudem einen hohen Zeitaufwand benötigen. Wäre es nicht schön, eine einzige Methode zu haben, die alle in Tab. 1 aufgelisteten Schlüsselparameter innerhalb einer Stunde erfasst, inklusive der Probenvorbereitung und der Datenauswertung? Sportlich gesehen eine Art Analytik-Zehnkämpfer?



Tab. 1: Liste der Parameter für akkurate Lipidanalytik


Die Kombination von Hochfeld-NMR-Spektroskopie mit der Verwendung neuer, hochsensitiver cryo-Messköpfe stellt einen Meilenstein in der Entwicklung einheitlicher Methoden in der Lipidanalytik dar. Am Beispiel einer ¹HNMR- Analyse an einem 600 MHz-cryo-Spektrometers eines Speiseöls soll die Anwendung gezeigt werden (siehe Abb. 1). Die Interpretation der Spektren basiert auf einer reinen Kombinatorik; die Erzeugung der Schlüsseldaten ist Dreisatzrechnung. Es werden noch nicht einmal Referenzsubstanzen benötigt, da die Natur der ¹H-NMR-Spektroskopie quasi eine interne Kalibrierung ermöglicht.


Abb. 1: Chemische Struktur eines Pflanzenöles im ¹H-NMR-Spektrum (600 MHz).


Jedes Triglyceridmolekül besteht aus einem Glycerin-Grundkörper mit Fettsäureestern. Je nach Lage der Wasserstoffatome gibt es eine unterschiedliche chemische Verschiebung. Wir haben in einem Triglyceridmolekül also immer ein CH- und vier CH₂-Protonen des Gycerins, dazu sechs CH₂ dieser Signale verhalten-Protonen der veresterten Fettsäure in - und auch sechs in -Position, und immer neun Protonen der endständigen Methylgruppen. Die Verhältnisse der Integralfläche sich streng ganzzahlig, also 1:2:6:6:9. Selbst in Mischungen aus verschiedenen Fettsäuretypen bleibt dieses Verhältnis für alle pflanzlichen und tierischen Fette erhalten. Komplexe Mischungen von Fettsäuren sind ja nicht die Ausnahme, sondern die Regel in der Natur. Der größere Teil der Fettsäuren ist einfach oder mehrfach ungesättigt.

Wir sehen also im NMR-Spektrum auch Signale, die durch die Doppelbindungen erzeugt werden. Das wären Protonen, die direkt an den Doppelbindungen sitzen.

Alle natürlich vorkommenden cis-homokonjugierten Doppelbindungen erscheinen als Signalgruppe bei δ = 5,35 ppm, die benachbarten allylischen Methylengruppen als Gruppe bei δ = 2,0 ppm. Daraus lässt sich direkt der prozentuale Anteil der ungesättigten Fettsäuren bestimmen, somit die Jodzahl. Mehrfach ungesättigte Fettsäuren zeigen Methylengruppen zwischen zwei Doppelbindungen, doppelt allylische Signale erscheinen bei δ = 2,8 ppm. Dabei werden Linol von Linolensäure unterschieden.

In gleichem Maße werden Signale von Peroxiden, Mono- und Diglyceriden, Sterolen etc. an verschiedenen Stellen im Spektrum erfasst und können direkt umgerechnet werden. Als Beispiel ist hier das ¹H-NMR-Spektrum von Rapsöl mit den entsprechenden Schlüsselparametern dargestellt (siehe Abb. 2 und Tab. 2). Die Messzeit zur Erfassung dieser Daten beträgt 4 bis 8 Minuten, pro Stunde können also bis zu 10 Proben untersucht werden, das sind über 200 am Tag und auch unter Berücksichtigung von Wartungszeiten bis zu 70.000 pro Jahr an einem Instrument. Die Möglichkeit, diese große Anzahl Untersuchungen mit exzellenter Genauigkeit durchzuführen, wiegt den zugegebenermaßen hohen Gerätepreis von über 1 Mio. Euro deutlich auf. Ein erstes Spektrometer ist bereits auch seitens der Untersuchungsamtes in Karlsruhe im Einsatz.



Abb. 2: Detaillierte Kennzeichnung der chemischen Parameter eines Pflanzenöles im ¹H-NMR-Spekrum.




Tab. 2: ¹H-NMR – Datenauswertung für die Schlüsselparameter der Lipidanalytik



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