Zuckeranalyse mittels Chromatographie – Mit welchen Verfahren sie gelingt

Eine Zuckeranalyse ist in vielen Bereichen von entscheidender Bedeutung. Im allgemeinen Sprachgebrauch ist mit Zucker hauptsächlich das süßende Handelsprodukt Saccharose gemeint. Aus wissenschaftlicher Sicht sind sind Zucker jedoch eine Klasse organischer Verbindungen, die auch als Kohlenhydrate bezeichnet werden. Ein klassisches Anwendungsgebiet ist die Lebensmittelanalytik – beispielsweise bei Obst, verarbeiteten Lebensmitteln und vor allem bei der diätischen Lebensmitteln. Darüber hinaus ist die Zuckeranalyse aber auch in der Medizin, zum Beispiel bei der Therapie von Diabetespatienten, im Einsatz.

In der Zuckeranalytik werden häufig chromatographische Analysemethoden eingesetzt, wie beispielsweise die Dünnschichtchromatographie (DC), Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) und Gaschromatographie (GC). Diese Trennverfahren kommen insbesondere dann zum Einsatz, wenn Gemische mehrerer Zuckerarten voneinander zu trennen sind. Wir stellen die Zuckeranalyse mittels der einzelnen Chromatographie-Verfahren kurz vor und zeigen Vor- und Nachteile auf.

Herausforderungen der Zuckeranalyse

Was macht die Zuckeranalyse so anspruchsvoll? Die sensorischen und strukturellen Eigenschaften von Lebensmitteln, wie z.B. Geruch, Geschmack, Form, Zartheit, unterscheiden sich je nach Kohlenhydrat. Einfachzucker (Monosaccharide) bilden die Grundbausteine, aus denen alle komplexeren Kohlenhydrate (Zweifachzucker, Vielfachzucker) aufgebaut sind. Zu den Einfachzuckern zählen beispielsweise Glucose, Fructose und Saccharose. Bei Polysaccharide handelt es sich um Vielfachzucker. Vertreter sind beispielsweise Glycogen, Stärke (Amylose und Amylopektin), Chitin, Callose und Zellulose.

Die Hauptschwierigkeit bei der quantitativen Bestimmung von Zucker liegt in den variablen isomeren Formen, in denen er vorliegen kann. Es gibt zwei Enantiomere: D-Glucose und L-Glucose. Bei D-Glukose handelt es sich um Traubenzucker. Dies ist die einzige Zuckerart, die in der Natur vorkommt. Bei L-Glucose handelt es sich um synthetische Formen.

Monosaccharide unterscheiden sich zusätzlich durch eine unterschiedlich orientierte Hydroxylgruppe. So kann die Analyse von Glukose die Trennung von sechs verschiedenen Glucoseisomeren umfassen. Diese wiederum erfordern hochselektive und hochentwickelte Trennverfahren.

Für die Analyse von Polysacchariden in Lebensmitteln ist die genaue Verteilung der Isomere dagegen nicht unbedingt erforderlich. Häufig tragen zu viele Informationen dann eher zu Fehlinterpretationen bei. Bei der Bestimmt von Mehrfachzuckern bietet sich insbesondere die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (englisch: high performance liquid chromatography, HPLC) an. Sie trennt Zucker mit einer begrenzten Auflösung, Selektivität und Empfindlichkeit.

Zuckeranalyse mittels Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC)

Die HPLC wird häufig eingesetzt, wenn einzelne Bestandteile einer Mischung (in diesem Fall unterschiedliche Zucker) aufgetrennt und somit identifizieren werden sollen. Bei diesem Verfahren wird das flüssige Lösungsmittel durch eine Säule geleitet, die mit einem Adsorbensmaterial, wie Siliciumdioxid, gefüllt ist. Sobald das Lösungsmittel durch die Säule läuft, interagieren die verschiedene Komponenten in unterschiedlichen Geschwindigkeiten mit dem Lösungsmittel. Dies führt wiederum zu unterschiedlichen Flussraten und somit zur Trennung der einzelnen Bestandteile bzw. Zuckerarten.

Die Methode wurde bereits vielfach zur Analyse von underivatisiertem Zucker eingesetzt. Dabei werden graphitisierte Kohlenstoffsäulen verwendet, um Mono- oder Disaccharide und Maltosezucker abzutrennen. Die HPLC wird in der Lebensmittelanalytik beispielsweise eingesetzt, um Saccharide in Pflanzen und Fermentationsmedien zu identifizieren.

Sogar Spurenmengen von Zuckern können durch die Umkehrphasen-HPLC quantifiziert werden. Das Verfahren wird häufig auch in Kombination mit der Elektrospray-Ionisierung (ESI) angewandt. Denn dadurch lassen sich Größe, Sequenz und Verzweigungsstrukturen von nahen verwandten Zuckern charakterisieren.

Ein Wissenschaftler führt die Zuckeranalyse mithilfe eines Gaschromatographen durch.

Zuckeranalyse mittels Gaschromatographie

Die Gaschromatographie wird dann zur quantitativen Bestimmung von Stoffen herangezogen, wenn die zu analysierende Verbindung ohne Zersetzung verdampft werden kann. Die Gaschromatographie bestimmt auch die Reinheit einer Verbindung. Sie trennt außerdem Gemische auf und identifiziert Verbindungen. Die Gaschromatographie kommt insbesondere bei der Zuckerbestimmung in Umweltproben zum Einsatz.

In einer Studie wurden die Fragmentierungs- und Retentionszeiten von fünfzig Zuckern bestimmt. Einschließlich Monosacchariden, Zuckeralkoholen, Anhydrozuckern, Di- und Trisacchariden. Die Analyse wurde an Aerosolpartikeln, Boden- und Sedimentproben durchgeführt. Mithilfe der Gaschromatographie gelang es, verschiedene Umweltzucker nachzuweisen. Dazu zählen beispielsweise Glucose, Fructose, Inosit, Mannitol, Sorbitol, Levoglucosan, Saccharose und Mykosen.

Zuckeranalyse mittels Ionenchromatographie

Ionenchromatographie kann mithilfe einer Ionenaustauschersäule Ionen und polare Moleküle in Abhängigkeit ihrer Affinität trennen. In einer Studie wurde die Ionenchromatographie eingesetzt, um das Vorhandensein von fünf Monosacchariden, darunter Arabinose, Glucose, Fructose, Xylose, Ribose und Disaccharide (Saccharose und Lactose), aus Rohzuckerproben zu bestimmen.

Die Analyse wurde an der CarboPac PA 10-Säule durchgeführt und eine Gradientenelution aus Natriumhydroxid und Wasser wurde als mobile Phase verwendet. Zum Nachweis der Mono- und Disaccharide wurden mit einer Arbeitselektrode aus Gold nachgewiesen. Dieses Verfahren könnte eine Nachweisgrenze von weniger als 0,5 um / ml erreichen.

Wie Sie sehen können, bietet die Chromatographie vielfältige Techniken, um Zucker richtig zu analysieren.

Sekundärquellen: Suksom, W., Wannachai, W., Boonchiangma, S. et al. Chromatographia (2015) 78: 873; Analysis of sugars in environmental samples by gas chromatography–mass spectrometry. Journal of Chromatography A. Volume 1141, Issue 2, 9 February 2007, Pages 271-278; Role of chromatography in the analysis of sugars, carboxylic acids and amino acids in food. Journal of Chromatography A. Volume 891, Issue 1, 1 September 2000, Pages 1-32.

Quelle: news-medical.net, LCI Köln