Melamin ist ein weisses Pulver, das normalerweise zur Produktion von Kunstharzen oder als Zusatz in Düngemitteln verwendet wird. Ein einziges Molekül von relativ geringer Molekularmasse trägt sechs Stickstoffatome. Genau diese Eigenschaft machten sich die Milchpanscher in China zunutze, um eine hohe Qualität von mit Wasser verdünnter Milch vorzutäuschen. Als Garant für die Milchqualität gilt nämlich deren Proteingehalt, welcher standardmässig über den Stickstoff-Anteil der Milch gemessen wird. Fügt man der Milch Melamin bei, so steigt der Stickstoff- Anteil und damit auch die vermeintlich daran abgelesene Qualität der Milch. Kommt die Chemikalie in hoher Konzentration in Verbindung mit Cyanursäure, welche als Desinfektionsmittel verwendet wird, so bildet sie unlösliche Kristalle, die in Form von Nierensteinen tödlich wirken können. In China starben seit September 2008 sechs Babys an den Folgen dieser Reaktion. Der in chinesischer Milch gefundene Melamingehalt überschritt den nach europäischer Gesetzgebung zulässigen Höchstwert von 2.5 ppm (parts per million) in Lebensmitteln um mehr als das 1000-fache.

Analyseergebnis in einer halben Minute

Der Skandal in China und die plötzliche Nachfrage nach raschen zuverlässigen Analysemethoden zur Detektion von Melamin riefen weltweit Analytiker auf den Plan, darunter auch Renato Zenobis Gruppe am Laboratorium für Organische Chemie der ETH Zürich. Zenobi ist bekannt als Innovator auf dem Gebiet der Massenspektrometrie (MS), so hat er unter anderem kürzlich eine neue Methode zur Bestimmung von Pestizidrückständen in Lebensmitteln vorgestellt (siehe www.ethlife.ethz.ch). Die MS ist ein Standardverfahren in der analytischen Chemie, bei der geladene Moleküle eines Probegemisches anhand ihres Molekulargewichts bestimmt werden. In der aktuellen Ausgabe der Wissenschaftspublikation «Chemical Communications» beschreibt Zenobi eine neue, auf MS basierende Methode, um den Melamingehalt in Milch rasch und zuverlässig zu bestimmen.

Dazu nutzte er die sogenannte Extractive Electrospray Ionisation (EESI), ein Verfahren, das der Chemiker im Januar 2007 erstmals vorgestellt hatte. Bei der EESI wird das Probegemisch in Form eines Aerosols oder einer feinen Dispersion in einen konventionellen Electrospray eingeleitet (siehe Bild). Die Probe wird dabei von den geladenen, in der Electrospray-Quelle erzeugten Tröpfchen extrahiert und gleichzeitig ionisiert. Die gebildeten Ionen werden anschliessend mit dem Massenspektrometer gemessen. Im Fall der Milch muss die Probe mittels Ultraschall zuerst noch fein zerstäubt werden, so dass diese vom Electrospray in den MS mitgerissen wird.

«Mit der durch Ultraschall unterstützten EESI-MS können wir Milch direkt, ohne vorgelagerte Aufarbeitungs-Schritte analysieren. Die Methode ist schnell, sehr genau und es braucht dazu nicht mehr als einen Tropfen Milch», erläutert Zenobi die Vorteile. Mittels Standard-Analysemethoden benötigte ein Analytiker bislang zwischen zwanzig und sechzig Minuten zum Bestimmen des Melamingehalts in einer Milchprobe. Zenobi braucht dazu noch 30 Sekunden. In der aktuellen Publikation wird die Analyse von Milch, Milchpulver und Weizengluten beschrieben, grundsätzlich kann laut Zenobi mittels EESI-MS jedoch der Melamingehalt in jedem beliebigen Nahrungsmittel bestimmt werden. Die Detektionslimite liegt bei 500 ppb (parts per billion) – das ist fünfmal unter dem Grenzwert, der in den USA und in der EU in Lebensmitteln erlaubt ist.

Tragbare EESI-MS für Vor-Ort-Analysen

In derselben Ausgabe von «Chemical Communications» wurde eine vergleichbare Analysemethode für Melamin von R. Graham Cooks – einem Kollegen Zenobis – von der Purdue University, USA, publiziert. Cooks zerstäubt und ionisiert seine Milchprobe jedoch durch den Beschuss mit einem geladenen Gas (low-temperature-plasma; LTP). «Beide Methoden sind genau, schnell und robust. Unsere Ergebnisse sind praktisch identisch; dass diese nun im selben Magazin erscheinen, ist ein witziger Zufall. Ich wusste nämlich bis vor kurzem nichts von Grahams Melaminprojekt», freut sich Zenobi. Ob sich eine der Methoden schliesslich durchsetzen wird und wenn ja, welche, darüber mag der Chemiker heute nicht spekulieren. Beide Methoden können grundsätzlich von jedem Labor, das mit einem Electrospray-MS ausgestattet ist, ohne bedeutenden Mehraufwand angewendet werden. Trotzdem ist Zenobi nicht sehr zuversichtlich, dass die Methoden sofort Einzug in die Labors der Lebensmittelprüfer finden wird: «Etablierte Verfahren halten sich meist sehr lange – Neuerungen haben da einen schweren Stand.»

Momentan arbeitet seine Gruppe daran, die Methode für eine Nutzung im Feld weiterzuentwickeln. Den Wissenschaftlern schwebt ein tragbares Gerät vor, mit dem der Melamin-Gehalt direkt bei der Milchverarbeitung, zum Beispiel beim Abfüllen, gemessen werden könnte. «Die verkürzte Analysezeit ist das Eine. Doch am meisten Zeit und damit auch Geld geht bei der gesamten Logistik rund um die Probenahme verloren», erklärt Zenobi den wesentlichen Vorteil eines solchen Analysegeräts. Noch liegen ihm keine direkten Anfragen aus China zur Verwertung der Technologie vor. Handliche Analysegeräte, basierend auf der EESI-MS-Technologie, könnten aber vielleicht einst dazu beitragen, einen Lebensmittel-Skandal wie derjenige in China frühzeitig zu verhindern.

Referenz:

Zhu L, Gamez G, Chen H, Chingin K, Zenobi R. Rapid detection of melamine in untreated milk and wheat gluten by ultrasound-assisted extractive electrospray ionization mass spectrometry (EESI-MS). Chem. Commun. 2009; Advanced online publication doi:10.1039/b818541g
Huang G, Ouyang Z, Cooks RG.High-throughput trace melamine analysis in complex mixtures. Chem. Commun. doi:10.1039/b818059h