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Zehntausende einzigartiger Moleküle in Bieren weltweit nachgewiesen

Wissenschaftler aus Deutschland haben modernste komplementäre Massenspektrometrie-Methoden verwendet, um die chemische Komplexität in Bier aus der ganzen Welt zu quantifizieren. In 467 kommerziellen Bieren fanden sie mindestens 7.700 verschiedene chemische Formeln, was Zehntausende einzigartiger Moleküle bedeutet. Biere, die aus Gerste plus Weizen, Reis oder Mais gebraut werden, enthalten Moleküle, die das Ursprungskorn zuverlässig identifizieren. Die Analyse dauert nur 10 Minuten, um Tausende von Metaboliten pro Bier zu erkennen, was sie zu einer leistungsstarken neuen Methode der Qualitätskontrolle macht.

Die Tradition des Bierbrauens reicht bis mindestens 7000 v. Der Kodex des babylonischen Königs Hammurabi (Herrschaft 1792 bis 1750 v. Chr.), dessen Gesetze 108 bis 111 den Bierverkauf regeln, zeigt, dass man seit Jahrtausenden die Qualität des Bieres durch Gesetze garantieren wollte. So erlaubt beispielsweise das bayerische Reinheitsgebot von 1516, das oft als ältestes noch funktionsfähiges – mit Modifikationen – Lebensmittelgesetz gilt, nur noch Gerste, Wasser und Hopfen als Zutaten für das Bierbrauen (mit Beschlagnahme der Fässer als eine Strafe für Verstöße).

In einer aktuellen Studie in Frontiers in Chemistry wird die Bierwissenschaft auf eine neue Ebene gehoben. Wissenschaftler aus Deutschland nutzen modernste Analysemethoden, um die metabolische Komplexität – Zehntausende verschiedener Moleküle – kommerzieller Biere aus aller Welt aufzudecken.

Riesige chemische Komplexität

„Bier ist ein Beispiel für enorme chemische Komplexität. Und dank der jüngsten Fortschritte in der analytischen Chemie, die in ihrer Stärke mit der fortschreitenden Revolution bei der immer höher auflösenden Videoanzeigetechnologie vergleichbar sind, können wir diese Komplexität in noch nie dagewesenen Details aufdecken. Heutzutage ist es einfach, kleine Abweichungen in der Chemie während des Lebensmittelherstellungsprozesses nachzuvollziehen, um die Qualität sicherzustellen oder versteckte Verfälschungen aufzudecken“, sagt der korrespondierende Autor Prof. Philippe Schmitt-Kopplin, Leiter der Comprehensive Foodomics Platform an der TU München und der Analytischen Forschungseinheit BioGeoChemie am Helmholtz-Zentrum München.

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Um die gesamte Palette der Metaboliten in 467 Bieren zu sehen, die in den USA, Lateinamerika, Europa, Afrika und Ostasien gebraut werden. Dazu gehören Lagerbiere, Craft- und Abteibiere, obergärige Biere und Geuzes, die aus Gerste als einziger Stärkequelle für die Gärung gebraut werden, oder Gerste plus Weizen, Reis und Mais (Mais).

Die Methoden haben komplementäre Stärken. DI-FTICR-MS zeigte direkt die chemische Vielfalt aller Biere und prognostizierte chemische Formeln für die Metabolit-Ionen in ihnen. Die Autoren verwendeten dann UPLC-ToF-MS an einer Untermenge von 100 Bieren, um die Ergebnisse mit Auflösung der möglichen Isomere zu analysieren. UPLC-ToF-MS nutzt die Chromatographie, um zunächst Ionen gleicher Masse und die Fragmentierung der Massenionen in Tochterionen zu trennen, wodurch die genaue Molekülstruktur vorhergesagt werden kann.

Die Autoren setzten diese Metaboliten in Beziehung zum „chemischen Raum“, wobei jeder durch eine einzige Reaktion mit einem oder mehreren anderen verbunden ist, beispielsweise durch die Addition einer Methoxy-, Hydroxyl-, Sulfat- oder Zuckergruppe an das molekulare Rückgrat oder die Veränderung einer ungesättigte Bindung innerhalb einer gesättigten Bindung. Dies führte zu einer Rekonstruktion eines Metabolitennetzwerks, das zum Endprodukt führte, das aus fast hundert Schritten besteht, ausgehend von Molekülen aus den ursprünglichen Körnern, synthetisiert aus der Aminosäure Tryptophan. Daraus abgeleitet sind Sekundärmetaboliten, die für jedes Korn einzigartig sind.

Leistungsstarke Methode zur Qualitätskontrolle

„Unsere Massenspektrometrie-Methode, die nur 10 Minuten pro Probe benötigt, sollte für die Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie sehr leistungsfähig sein und die Grundlage für neue molekulare Marker und nicht zielgerichtete Metabolitenprofile schaffen, die in der Lebensmittelkontrolle benötigt werden“, sagt Schmitt-Kopplin.

Die Autoren fanden etwa 7.700 Ionen mit einzigartigen Massen und Formeln, darunter Lipide, Peptide, Nukleotide, Phenole, organische Säuren, Phosphate und Kohlenhydrate, von denen etwa 80% noch nicht in chemischen Datenbanken beschrieben sind. Da jede Formel in einigen Fällen bis zu 25 verschiedene molekulare Strukturen abdecken kann, führt dies zu Zehntausenden einzigartiger Metaboliten.

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„Hier offenbaren wir eine enorme chemische Vielfalt in Bieren mit Zehntausenden einzigartiger Moleküle. Wir zeigen, dass diese Vielfalt ihren Ursprung in der Vielfalt der Rohstoffe, Verarbeitung und Fermentation hat. Die molekulare Komplexität wird dann durch die sogenannte „Maillard-Reaktion“ zwischen Aminosäuren und Zucker verstärkt, die auch Brot, Steak und geröstetem Marshmallow ihren „gerösteten“ Geschmack verleiht. Dieses komplexe Reaktionsnetzwerk ist angesichts seiner Bedeutung für die Lebensmittelqualität, den Geschmack und auch die Entwicklung neuer bioaktiver Moleküle, die für die Gesundheit wichtig sind, ein spannender Schwerpunkt unserer Forschung“, fasste Erstautor Stefan Pieczonka, Doktorand an der Technischen Universität der Technischen Universität, zusammen von München.

Bezug
Pieczonka SA, Paravicini S, Rychlik M, Schmitt-Kopplin P. Dem deutschen Reinheitsgebot auf der Spur: Unterscheidung der Stoffwechseleigenschaften von Weizen, Mais und Reis im Bier. Front-Chemo. 2021;0. Tschüss:10.3389 / fchem.2021.715372

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Verena Holland

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