Lebensmittelchemie: Lebenswichtig für Grundbetrieb und Einsatz

Wegen der Besonderheiten der Aufgaben der Bundeswehr sieht das Lebensmittel- und Futtermittelgesetzbuch vor, dass die Bundeswehr in ihrem Bereich diesen Schutz selbst gewährleisten muss. Dies erfordert auch eine hochmoderne, qualitätsgesicherte Analytik. Dabei ist die Untersuchung und Beurteilung von Proben auf allen Stufen, von der Anlieferung der Rohware bis zur Abgabe von Mahlzeiten erforderlich. Dies schließt auch die Bestimmung von Radionukliden in Wasser- und Lebensmittelproben ein. Im Rahmen von ökochemischen Untersuchungen wird in Umweltproben auf gesundheitlich relevante Stoffe, z. B. auf Schwermetalle und Toxine, geprüft. Der staatlich geprüfte Lebensmittelchemiker ist der akademische Spezialist hierfür; unterstützt wird er dabei von ebenfalls staatlich geprüften chemisch- technischen Assistenten. Die lebensmittelchemischen Sachverständigen der Bundeswehr sind als „Wehrpharmazeuten“ approbierte Apotheker. Für eine umfassende Bewertung der Proben arbeiten sie stets sehr eng mit den Sachverständigen der Veterinärmedizin zusammen, die im Schwerpunkt für die mikrobiologische Untersuchung und Beurteilung zuständig sind. Im Folgenden werden Einzelaspekte aus Routine- und Entwicklungsaktivitäten der Abteilung skizziert.

Ein Tag in der Abteilung III

06:30 Uhr – Proben nehmen!

Der Probenahmetrupp bereitet die Entnahme von Planproben in einer der ca. 230 Verpflegungs- und Betreuungseinrichtungen in Bayern und Baden-Württemberg vor. Jährlich werden gemeinsam mit der Abteilung II unangekündigt ca. 600 Planproben zur amtlichen Lebensmittel­untersuchung entnommen. Anlassbezogen werden Proben auch bei Warnmeldungen aus dem Europäischen Schnellwarnsystem (Rapid Alert System for Feed and Food, RASFF) gezogen. Grundlage für unsere Untersuchungstätigkeit sind neben einschlägigen Dienstvorschriften beispielsweise auch das Lebensmittel- und Futtermittelgesetzbuch (LFGB) und die Allgemeine Verwaltungsvorschrift Rahmenüberwachung (AVV RÜb). Bei der risikoorientierten Probenahme werden die lebensmittelchemischen und lebensmittelhygienischen Risiken nach einem vorgegebenen Schema bewertet, das die Häufigkeit der Beprobung bestimmter Warengruppen vorgibt.

Werden im Rahmen unserer Untersuchungen schwerwiegende Mängel bei Lebensmitteln fest­gestellt, werden das Bundesamt für Infrastruktur, Umweltschutz und Dienstleistungen der Bundeswehr (BAIUDBw) und die Überwachungsstelle für öffentlich-rechtliche Aufgaben des Sanitätsdienstes der Bundeswehr Süd (ÜbwStÖffRechtlAufgSanDstBw Süd) sowie das Kdo SanDstBw informiert.

08:00 Uhr – EPA vom Verpflegungsamt!

Es handelt sich um Lebensmittelproben des Einsatzvorrates, die dringend untersucht werden müssen. Heute werden aus Tagesfertigungen repräsentative Packungen von Fertiggerichten der EPa in der Probenannahme registriert. „Werden die in den Lieferbedingungen formulierten Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen während der Produktion eingehalten?“ Es obliegt uns als Fachexperten, dies zu beantworten. Denn wir sind für das Verpflegungsamt der Bundeswehr bei der Beschaffung von Einsatzverpflegung aufgrund unserer Expertise für die Kontrolle der Qualität und Sicherheit von Lebensmitteln zuständig.

08:30 Uhr – Teamwork 

Die Prüfleiter sind kurz zusammengekommen. Man stimmt sich ab, übernimmt Aufgaben, wie beispielsweise das Erstellen von Prüfberichten und Gutachten, das Betreuen von Praktikanten oder von Terminsachen. Auf der Tagesordnung stehen unter anderem die Besprechung und Bewertung der Ergebnisse aus einem Ringversuch, mit dem die Qualität der Prüfergebnisse nach DIN EN ISO/IEC 17025 zu sichern und auch im Vergleich mit anderen Laboren nachzuweisen ist. Jährlich nimmt die Abteilung III an ca. 100 derartigen Untersuchungen teil, um ihre Kompetenz unter Beweis zu stellen. Bei Abweichungen ist es dann Aufgabe der Prüfleiter, Fehler zu identifizieren, zu analysieren und letztlich Korrekturmaßnahmen einzuleiten.

08:55 Uhr – Einsatzproben sind da!

Der Leitende Apotheker der EU-geführten European Training Mission Mali (EUTM MLI) überbringt Einsatzproben, die er während seines Einsatzes entnommen hat. Dieses Mal sind auch Nüsse vom lokalen Markt dabei, die von den Soldaten im Einsatz gerne gegessen werden. Sie sollen auf mögliche Schimmelpilzgifte (Mykotoxine) untersucht werden. Zur Untersuchung werden im Labor der Rückstands-/Toxinanalytik EU-übliche Referenzverfahren angewendet.

Untersuchungen, die infolge ihrer Komplexität nicht im Einsatz erfolgen können, werden durch die akkreditierten Labore der ZInstSanBw ­(reach-back capability) erbracht. Aus Fürsorgegründen sind in Deutschland geltende Bestimmungen zum Gesundheitsschutz auch bei Auslandseinsätzen zu beachten. Wenn einsatzbedingt nach Lage und Auftrag von diesem Grundsatz abgewichen werden muss, stützen sich der Leitende Sanitätsoffizier und der Kontingentführer im Einsatz auf die Beratung ihrer Sachverständigen vor Ort. Genau an dieser Stelle sind unsere Untersuchungen gefragt, als entscheidende Grundlage dieser Beratung. Denn eins gilt immer: eine Gefährdung der Gesundheit von Bundeswehrangehörigen darf bei allen Abweichungen nicht zu erwarten sein.

10:00 Uhr – Sensorik: Experten mit analytischem Geschmack!

Auf den Tischen des Sensoriklabors werden Lebensmittelproben präsentiert. Neben Planproben sind auch schon die Einsatzproben und die Proben aus dem Verpflegungsamt vorbereitet. Diese Mischung erwartet das interdisziplinäre Team aus SanOffzApotheker und SanOffzVeterinär zur sensorischen Begutachtung. Dabei wird jede Probe mit allen Sinnen wahrgenommen: betrachtet, gerochen, getastet und verkostet. Sind Fehler wahrnehmbar? Sämtliche Produkteigenschaften und die gewonnenen Eindrücke werden möglichst objektiv und reproduzierbar beschrieben. Hierfür unterziehen sich die Prüfleiter regelmäßigen Trainings, da die Kenntnis von relevanten Geschmacksarten, Aromen und der Terminologie die Grundvoraussetzung einer qualifizierten Sensorik sind. Gerüche werden beispielsweise als „ätherisch, blumig, faulig, kampferartig, moschusartig, schweißig oder stechend“ beschrieben. Die Ergebnisse der sensorischen Prüfung können bereits Hinweise auf Mängel geben, die dann analytisch weiter zu verfolgen sind. Deshalb legen die Prüfleiter an dieser Stelle die Parameter zur weiteren lebensmittelchemischen Untersuchung in den spezialisierten Teileinheiten fest. Die Prüfleiter der Lebensmitteluntersuchung sind die „Lotsen der Probe“ mit dem Überblick über die Fähigkeiten unserer „Spezialanalytiker“. So sind wir in der Lage, bestimmte Kontaminationen gezielt aufzuspüren.

Seit 13:00 Uhr – Zwischen Administration, Labor, Bewerbungsgesprächen und Sport

Jeder Prüfleiter schließt die Untersuchung mit der Bewertung der Probe und gegebenenfalls Prüfberichten und Gutachten ab.

Aber unsere Prüfleiter erfüllen noch weitere Aufgaben. Sie erarbeiten für übergeordnete Dienststellen Stellungnahmen zur Auswirkung beispielsweise einer neuen Rechtsvorschrift, Berichte zu Belastungssituationen bis zu Begründungen für Neubeschaffungen von analytischen Geräten. Sie beteiligen sich an internen Auditierungen und arbeiten in Fachgremien mit. Auch übernehmen die Prüfleiter Querschnittsaufgaben wie beispielsweise Stellungnahmen zu Konzepten. Die Aufgaben eines Sanitätsoffiziers sind vielseitig und herausfordernd!      
S. Strebe

Unterstützung für die Lebensmittelsicherheit im Einsatz

Probleme in einem Einsatzlabor: Die HPLC baut keinen Druck auf, das LTM Modul des Gaschromatographen muss gewechselt werden. Nun heißt es schnelle Unterstützung, damit die dringend notwendigen Analysen durchgeführt werden können. Hilfe finden die Soldatinnen und Soldaten in den lebensmittel- und ökochemischen Einsatzlaboren bei der Laborgruppe Zentrale Methodenentwicklung/Novel Food (ZMN).

Das Team um die Laborgruppenleiterin ist mit zusammen mehr als 2100 Einsatztagen kompetenter und erfahrener Ansprechpartner für sämtliche fachlichen Fragestellungen bei analytischen Problemen sowie materiell für die Instandhaltung und den Austausch von Analysengeräten und die Versorgung mit speziellem Laborverbrauchsmaterial verantwortlich.

Hier werden Analysengeräte gewartet und einsatzbereit gehalten. Eine ständige Umlaufreserve garantiert einen kurzfristigen Austausch defekter oder zur Wartung anstehender Analysengeräte aus dem Einsatz. Dringend benötigtes Zubehör kann innerhalb weniger Tage in das Einsatzlabor versendet werden, sodass Ausfallzeiten minimiert werden. Gleichzeitig findet eine ständige Weiterentwicklung vorhandener Methoden statt, um in den Einsatzländern neu auftretende Fragestellungen zur gesundheitlichen Beurteilung von Lebensmitteln, Wasser und Umweltbedingungen zügig bearbeiten zu können. Dadurch kann sichergestellt werden, dass alle sich im Einsatz befindlichen Geräte und Methoden stets dem aktuellen Stand der Technik entsprechen und so das Labor nach nationalen fachlichen Standards geführt werden kann.

Ebenso werden die mobilen lebensmittel- und ökochemischen Containerlabore von der Laborgruppe bewirtschaftet. Diese bestehen aus einem als vollwertiges Labor ausgestattetem 20 Fuß ISO-Container mit vorgelagertem Einheitszelt Typ II. Sie sind jederzeit innerhalb von fünf Tagen weltweit verlegefähig. Nach dem Transport in die Einsatzregion kann das Labor binnen weiteren 24 Stunden durch das zugehörige Personal in Betrieb genommen werden, sodass eine schnelle Einsatzbereitschaft gewährleistet werden kann. Diese Fähigkeiten werden regelmäßig im Rahmen von Übungen unter Beweis gestellt und so in Übung gehalten. Lageabhängig gehören diese Laborcontainer zu den modular aufgebauten, verlegbaren Sanitätseinrichtungen und gewährleisten die Untersuchung von Trinkwasser, Lebensmittel und ökochemischen Proben nach den auch im Einsatz gültigen Vorschriften und Regelungen.

Im Rahmen der fortlaufenden Weiterentwicklung wurde von einem SanFw CTA der Laborgruppe eine mobile Untersuchungsausstattung entworfen, die, mit den wichtigsten Elementen zur schnellen Vor-Ort-Analytik bestückt, leichter zu transportieren und noch schneller einsatzbereit ist. Dieses „Lab in a Box“ eignet sich speziell für kurzfristige, kleinere, landgestützte Einsätze, in denen kein (Container-) Labor ausgebracht ist sowie für Übungen.

Zur Qualifizierung des Containerpersonals werden mehrmals jährlich vierwöchige Einweisungslehrgänge am ZInstSanBw München durchgeführt. Hierbei werden sowohl in theoretischen, als auch praktischen Unterrichtseinheiten Kenntnisse in der instrumentellen Analytik, in Rechtsgrundlagen, aber auch über die Organisationsstruktur und Logistik der modularen Sanitätseinrichtungen vermittelt. In komprimierter, aber gleichwohl übersichtlicher Form wird dabei die Grundlage für den Umgang und den Einsatz des Laborcontainers geschaffen. Zur weiteren Vertiefung dienen Auffrischungslehrgänge in denen die Aktualisierung der Kenntnisse zu Methoden und Analysengeräten im Vordergrund steht (Abb. 1). Dadurch kann die Kompetenz des Containerpersonals erhalten werden.
M. Mertens, N. Herkert

Schutz vor Sabotage-Giften in Lebensmitteln und Trinkwasser

Neben bewaffneten Angriffen auf die Soldaten der Bundeswehr sind auch Anschläge auf die Lebensmittel- und Trinkwasserversorgung mit chemischen Giften und Toxinen möglich. Die Laborgruppe Chemie der Gifte/ Kampfstoffanalytik ist als Außenstelle des Institutes in besonders ausgerüsteten Laborräumen in Munster untergebracht. Hier werden akkreditierte Verfahren zur toxikologischen Untersuchung von Lebensmitteln und Trinkwasser entwickelt und Proben aus dem Einsatz und inländischen Standorten untersucht. Bei Verdacht auf terroristische Anschläge im Inland unterstützt die Laborgruppe auch die anderen Sicherheitsbehörden und den Zivilschutz. Weiterhin unterstützt die Laborgruppe die zivile Trinkwasser­überwachung bei der Erkennung von chemischen Altlasten aus den Weltkriegen. Dies betrifft insbesondere auch den Standort Munster, an welchem mit großen Mengen an chemischen Kampfstoffen umgegangen wurde. Diese sind bis heute nicht vollständig beseitigt.

Zur Beurteilung möglicher Gefahren werden physikalisch-chemische und biochemische Untersuchungsmethoden entwickelt, die in Munster und dem mobilen Laborcontainer Lebensmittelchemie im Einsatz durchgeführt werden können. Die Laborgruppe ist mit modernsten Geräten wie Gaschromatographen mit Massenspektrometer, Hochleistungsflüssigchroma­tographen, Infrarotspektrometer und UV/VIS-­Photometer zur Identifizierung und Quantifizierung der toxischen Verbindungen und ihrer Abbauprodukte ausgestattet. Diese Geräte finden sich regelmäßig auch in den mobilen Laborcontainern, so dass auch im Einsatz Spuren von Giften frühzeitig erkannt werden können.

Zur schnellen Erkennung der Gefahren „vor Ort“ wurden von der Laborgruppe Schnelltests für Wasser entwickelte, die in den Einsätzen bereitgehalten und bei Lehrgängen geschult werden. So kann auch außerhalb des Laborcontainers eine mögliche Vergiftung/Kontamination von Trinkwasser erkannt werden. Diese in Munster entwickelten Schnelltests stellen eine Erweiterung der Fähigkeiten des lebensmittelchemischen Labors im Einsatz dar, welche auch von anderen NATO-Partnern in Anspruch genommen wird.
M. Weber

Zukunftstechnologien: Gut gerüstet und attraktiv für die Zukunft

Flug in die Zukunft – mit hochauflösender Massenspektrometrie zu mehr Lebensmittel­sicherheit:

Die vollumfängliche Untersuchung von Lebensmitteln auf alle potentiell für die menschliche Gesundheit relevanten Stoffe kann schon wegen der Vielzahl der möglichen Analyten nicht allein durch gezielte Untersuchung auf bestimmte Stoffe (target analysis) geleistet werden. Im Sinne eines risikobasierten Ansatzes ist die Ergänzung durch Screening-Methoden erforderlich. Ein Werkzeug dafür bietet die Massenspektrometrie (MS) und im Besonderen die Verwendung von time-of-flight-Massenspek­trometern (TOF). Diese ermöglichen einerseits durch eine hohe Massengenauigkeit und –auflösung eine sichere Identifizierung kleiner Moleküle, wie Rückstände und Kontaminanten, und andererseits die Erweiterung des analysierbaren Massenbereichs auf große Moleküle wie Proteine, denen ein Großteil der Lebensmittelallergene zuzuordnen ist.

Die Vorgehensweise bei der Identifizierung kleiner Moleküle soll anhand der Prüfung auf Rückstände des Antibiotikums Chloramphenicol (CAP) in Lebensmitteln erläutert werden. Dessen Anwendung in der Tiermast ist seit 1994 verboten, weil es bei bestimmten Personen eine tödliche Blutbildungsstörung auslösen kann. Durch Bestimmung der akkuraten Masse mit hoher Auflösung können die, aufgrund der natürlichen Isotopenverteilung der Elemente Kohlenstoff und Chlor möglichen, isotopologen CAP-Moleküle voneinander unterschieden werden. Das im Massenspektrum registrierte Isotopenmuster (Abb. 2) schränkt die Anzahl der möglichen Summenformeln nach Maßgabe der Messgenauigkeit auf einige wenige Verbindungen ein.

Durch Anwendung der Tandemmassenspektrometrie, d.h. Messung der Produktionen aus der Fragmentierung des Analyten mittels Kopplung eines Quadrupol- mit einem TOF-Analysator (q-TOF), lässt sich die Auswahl weiter eingrenzen. Auf diese Weise ist eine sichere Identifizierung mittels Datenbanksuche (targeted un­knowns analysis) möglich. Hierzu stehen Datenbanken mit hochaufgelösten Spektren zu Pestizidwirkstoffen und deren Metaboliten sowie zu forensisch und toxikologisch relevanten Sub­stanzen mit insgesamt ca. 10 000 Datensätzen zur Verfügung. Darüber hinaus ermöglicht die q-TOF-Technologie auch die Detektion nicht vordefinierter Stoffe (non target analysis). Ein bedeutender Vorteil liegt darin, dass die Datensätze auch retrospektiv nach neuen Fragestellungen ausgewertet werden können. Aus diesem Grund kommt die q-TOF-MS auch in den Laboren der Antidopingagenturen zum Einsatz.

Die dargestellte Untersuchung von Lebensmitteln mittels q-TOF erfordert die vorherige Trennung der in einer Probe enthaltenen Stoffe mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC). Die Ionisierung der Analyten erfolgt durch Versprühen in der Ionenquelle des online gekoppelten Massenspektrometers. Die TOF-MS kann aber auch offline eingesetzt werden. Die Ionisierung erfolgt dabei durch Beschuss der in eine spezielle Matrix eingebetteten Probe mit einem Laser (Matrix Asissted Laser Desorption/Ionisation). Am ZInstSanBw München wird aktuell eine Methode zur direkten Identifizierung von Pestizidrückständen in pflanzlichen Lebensmittelproben nach Vortrennung und Immobilisierung auf modifizierten Kieselgeldünnschichtplatten (High Performance Thin Layer Chromatography) entwickelt. Es konnte in Voruntersuchungen gezeigt werden, dass auf diesen Platten eine Abtrennung störender Matrixbestandteile und eine Fokussierung der relevanten Analyten in einer Zielzone möglich ist und die so immobilisierten Probenextrakte ausreichend stabil für den Versand aus den weltweiten Einsatzgebieten der Bundeswehr sind. Neben der Targetanalyse soll dieser Ansatz zukünftig so weiterentwickelt werden, dass mittels wirkungsbezogener Analytik auf den Platten bioaktive Zonen detektiert (Bioautography) und nachfolgend mittels MALDI-TOF MS die für die Wirkung ursächlichen Stoffe identifiziert werden.

Die MALDI-TOF MS eignet sich aber in besonderem Maße für die Untersuchung von Proteinen und Peptiden. Soll eine Probe auf Allergene geprüft werden, müssen zuerst die darin enthaltenen Proteine extrahiert werden. Nach enzymatischer Spaltung der extrahierten Proteine erhält man kleine Peptidfragmente, welche nach Festphasenextraktion (Solid Phase Extraction) analysiert werden können.

Bei der Analyse wird zuerst ein „Peptide Mass Fingerprint“ (PMF)-Spektrum erstellt, welches die Massen aller in der Untersuchungslösung befindlichen Peptide zeigt. Befinden sich in diesem Spektrum Marker-Peptide von Allergenen, so erfolgt ein zielgerichtetes Fragmentierungsexperiment dieser Peptide im MALDI-TOF/TOF-Modus („de-novo Sequenzierung“). Im PMF-Spektrum einer Probe wurde beispielsweise die Masse eines Markerpeptids für Soja detektiert. Um diese Zuordnung zu bestätigen ist es erforderlich, ein zugehöriges Fragmentspek­trum (Abb. 3) zu erzeugen, welches Informationen über die genaue Aminosäuresequenz liefert.

Bei der Fragmentierung zerbricht das Peptid an verschiedenen Stellen und die Fragmente liefern verschiedene Signale, die zusammen ein Frag­mentspektrum ergeben. Das intakte Peptid hat im Vergleich zu seinen Fragmenten die größte Masse (y 11) und begrenzt das Spektrum in Richtung höherer Massen. Wird vom intakten Peptid bei der Fragmentierung eine Aminosäure abgespalten (y n-1), entsteht ein Bruchstück, dessen Masse um genau die Masse dieser Aminosäure verringert ist. Basierend auf den verschiedenen Massen der Aminosäuren können Fragmentspektren sogenannte Ionenserien mit der genauen Aminosäuresequenzfolge aufweisen (y 1, y 2, y 3, …y n). Die Benennung der Ionenserie (z. B. a, b, y, z) ist davon abhängig an welcher Stelle das Molekül zerbricht und an welchem Bruchstück die Ladung verbleibt. In Abbildung 3 sind die a- und y-Ionenserien im Fragmentspektrum und die zu den Signalabständen korrelierenden Aminosäuren im Einbuchstabencode annotiert. Die Sequenz des untersuchten Peptids kann durch die de-novo Sequenzierung mit „QFPFPRPPHQK“ angegeben werden. Durch Datenbankanalyse kann die Identifizierung des sequenzierten Peptids bestätigt werden. In diesem Fall wurde es eindeutig als Fragment der a-Kette des b-Conglycinins aus Soja identifiziert (Stelle in der Proteinsequenz: 152 bis 162). Somit ist der Nachweis erbracht, dass Soja und somit ein Lebensmittelallergen in der Probe enthalten ist.
H. Lippke, C. Schmidt

 

Datum: 12.06.2017