Post on 22-Jan-2021
transcript
Methodenvergleich zur Herkunftsanalyse
von Lebensmitteln am Beispiel "Steirisches
Kürbiskernöl" und Aufbereitung des
Themas für den Chemieunterricht
Diplomarbeit
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. Michael LUKAS
am Institut für Chemie
zur Erlangung des Grades
„Magister der Naturwissenschaften“
(magister rerum naturalium)
der Karl-Franzens-Universität Graz
Begutachtung: Diplomchemiker Dr. Albrecht Leis
Ko-Betreuung: Mag. Dr. Helga Voglhuber
Graz, 2016
meinen Söhnen Simon, Niklas und Julian
gewidmet
Danksagung
Ich bedanke mich bei Herrn Dipl.-Chem. Dr. Albrecht Leis, der mich in
die Stabilisotopenanalytik eingeweiht hat, für die Betreuung der
vorliegenden Arbeit, die Unterstützung bei den Messungen und für
alles, was ich bei ihm lernen durfte.
Mein besonderer Dank gilt auch meiner Ko-Betreuerin, Frau Mag. Dr.
Helga Voglhuber, die mich im Lehramtsstudium inspiriert hat und mir
als Chemiedidaktikerin immer ein großes Vorbild sein wird.
Weiters bedanke ich mich bei Herrn Mag. Walter Schön für die tolle
Zusammenarbeit bei der Beschaffung und Aufarbeitung der
Bodenproben, bei Herrn Univ.-Prof. DI Dr. Hansjörg Weber für die
Aufnahme und Auswertung der NMR-Spektren, bei Herrn DI Norbert
Kienzel für die Bestimmung der Seltenen Erden und bei
Frau DI Ulrike Kleb für die Hilfe bei der statistischen Auswertung der
Daten.
Bedanken möchte ich mich auch bei Frau Ing. Sabine Lindbichler, bei
Frau Ing. Barbara Zirngast und bei Frau Ing. Alexandra Geisinger-
Hasinger für das tolle Arbeitsklima im Labor.
Nicht zuletzt gilt mein besonderer Dank meiner Familie, die mich beim
Lehramtsstudium im zweiten Bildungsweg unterstützt und die damit
verbundene berufliche Neuausrichtung tapfer mitgetragen hat.
1
Inhaltsverzeichnis
Abstract ............................................................................................................... 5
Kurzzusammenfassung ......................................................................................... 5
Abkürzungen ..................................................................................................... 6
Präambel ............................................................................................................. 8
Eidesstattliche Erklärung ....................................................................................... 8
Einleitung ............................................................................................................ 9
Hintergrund ...................................................................................................... 9
Allgemeine Einleitung für den fachdidaktischen Teil ........................................... 10
Vermarktung von Steirischem Kürbiskernöl ....................................................... 11
Stand der Technik ........................................................................................... 13
1. Kernmagnetische Resonanzspektroskopie ...................................................... 14
1.1 Theorie der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie (NMR) .................. 14
1.2 Anwendung der NMR auf das Fettsäureprofil der Kürbiskernöle ................. 17
1.3 Ergebnisse ............................................................................................. 20
2. Stabilisotopenanalytik ................................................................................... 24
2.1 Theorie der Stabilisotopenanalytik ........................................................... 24
2.1.1 Auswahl der Elemente ...................................................................... 27
2.1.2 Grundlagen für die Isotopenfraktionierung ......................................... 27
Fraktionierung beim Element Kohlenstoff ....................................................... 29
2.1.3 Messung von Isotopenverhältnissen mit Massenspektrometrie ................ 30
2.1.3 Auswertung der Stabilisotopenmessung, Delta-Notation, Standards..... 31
2.2 Durchführung ........................................................................................ 33
2.3 Ergebnisse ............................................................................................. 34
3. Bestimmung der Seltenen Erden mit ICP-MS .................................................. 36
3.1 Häufigkeit der Seltenen Erden in der Erdkruste ........................................ 36
3.2 Einheitliche chemische Eigenschaften der Seltenen Erden ............................ 37
3.3 Anwendung der Seltenen Erden im gegenständlichen Projekt ................... 37
3.4 Ergebnisse der Spurenelementanalytik ........................................................ 38
Direkter Vergleich zwischen Bodenprobe und Kürbiskernen vom selben Feld .... 39
Europium-Anomalie ...................................................................................... 40
Vergleich zweier Bodenproben desselben Betriebs mit dem Öl ........................ 40
2
Vergleich der beiden Druckstufen für die Gewinnung der Bodenlösung ............ 41
Vergleich zwischen Kernen und daraus erhaltenem Öl .................................... 43
4. Statistische Aufarbeitung der Daten ............................................................... 45
4.1 Überblick über die statistischen Methoden ............................................... 45
4.1.1 Univariate und multivariate statistische Methoden .............................. 46
4.1.2 Supervised-learning – Methoden ....................................................... 48
4.1.3 Unsupervised-learning – Methoden ................................................... 48
4.2 Auswertung der Daten ............................................................................ 49
4.2.1 Darstellung der standardisierten Daten .............................................. 49
4.2.2 Lineare Diskriminanzanalyse ............................................................. 54
4.2.3 Korrelationen zwischen Bodenlösung und Kürbiskernöl ....................... 56
5. Zusammenfassung Teil 1 .............................................................................. 60
6. Bezug der Thematik zu den aktuellen Lehrplänen für AHS und HTL ................. 61
Blick auf die Lehrpläne der AHS-Oberstufe ........................................................ 62
HTL – Lehrplan ............................................................................................... 63
7. Anknüpfungspunkte in den aktuellen Schulbüchern ........................................ 65
Bücher für den AHS-Bereich ............................................................................. 65
Chemie im Kontext, Veritas-Verlag (Vormayr & Vormayr) ................................ 65
Chemie 1 und 2 von Neufingerl, Verlag Jugend & Volk (Neufingerl, 2012a,
2012b) ........................................................................................................ 66
Rundum Chemie 1 und 2, E-Dorner-Verlag (Dvorak, Schmut & Schmut, 2006,
2007) .......................................................................................................... 67
Elemente (Magyar et al., 2011a) und Moleküle (Magyar, Liebhart, & Jelinek,
2011b), öbv-Verlag....................................................................................... 68
Bücher für die HTL ............................................................................................. 69
Naturwissenschaften I/II ("Naturwissenschaften I/II"; 2014) und
Naturwissenschaften III/IV ("Naturwissenschaften III/IV", 2013), Trauner Verlag
................................................................................................................... 69
Naturwissenschaften für HTL 2 und 4, hpt-Verlag (Fertl, Matzner, & Jungwirth,
2014; Jungwirth, 2013) ................................................................................ 70
NaWi @ HTL, Veritas-Verlag (Schweitzer & Hoke, 2013) ................................. 70
Zusammenfassung des Schulbuchvergleichs ...................................................... 71
8. Fachdidaktische Literatur zum Thema Stabilisotopenanalytik ........................... 72
Didaktische Analyse der Artikel ......................................................................... 75
3
9. Material für Unterrichtseinheiten zum Thema „stabile Isotope“ ........................ 76
Unterrichtsmaterial und Lernziele ..................................................................... 76
9.1 Präsentation zum Thema Forensische Chemie und Isotopenanalytik .......... 78
9.2 Arbeitsblätter ......................................................................................... 90
9.3 Experimente .......................................................................................... 91
9.3.1 Exp. 1: Bestimmung der Zuckerart in verschiedenen Sirupsorten ............ 91
9.3.2 Exp.2: Einfrieren von schwerem Wasser (D2O) ...................................... 93
9.3.3 Exp.3: Schauversuch zum Thema Isotopenfraktionierung ....................... 93
10. Zusammenfassung Teil 2 ........................................................................... 95
Literaturverzeichnis ............................................................................................ 96
Anhang 1 ..........................................................................................................101
Abbildungsverzeichnis .....................................................................................101
Tabellenverzeichnis ........................................................................................103
Anhang 2 – Programm für die statistische Auswertung ........................................104
Anhang 3 – Handzettel für die Präsentation zur Begegnungs- und Neugierphase
(Kopiervorlage) .................................................................................................108
Anhang 4 – Arbeitsblätter zur Erarbeitungsphase, Theoretischer Teil (Kopiervorlagen)
........................................................................................................................113
Anhang 5 – Aufgabenstellungen zu den Laborübungen (Kopiervorlagen) ..............133
Exp.1: Bestimmung der Zuckerart in Sirup über den 13C-Gehalt ....................134
Allgemeines ................................................................................................134
Materialien ..................................................................................................134
Durchführung..............................................................................................135
Diskussion und Interpretation ......................................................................136
Exp.2: „Schwere“ und „leichte“ Eiswürfel ................................................137
Allgemeines ................................................................................................137
Materialien ..................................................................................................137
Durchführung..............................................................................................137
Diskussion und Interpretation ......................................................................137
Exp.3: Modell zur Isotopenfraktionierung ................................................139
Allgemeines ................................................................................................139
Materialien (Fraktionierungsmodell) ..............................................................139
Durchführung..............................................................................................139
4
Diskussion und Interpretation ......................................................................140
5
Abstract
Comparison of methods to determine the geographical origin in the case of
„Styrian pumpkinseed oil“ and ways to approach the topic in lesson
Connecting a product to a geographical region can help in augmenting a product’s value in
leading to creation of a protected brand. EU awards the term „protected geographical
indication“ (PGI) to products of well defined geographical origin, e.g. agricultural products,
and/or distinct processing. The concomitant raise of value, nevertheless, gives rise to forgery
in terms of the product’s origin. Therefore, chemical analytical methods have been established
to prove the origin of wine but, hitherto, no established set of chemical analytical methods is
known for pumpkinseed oil. During this diploma thesis, three different analytical methods were
investigated for their suitability to distinguish between Styrian samples and samples from
outside the PGI-area. As a result, a combination of methods for reliable proof of geographical
indication is suggested and verified by statistical methods.
A second part of the thesis attempts to suggest methods for introducing the field of forensic
chemistry to students from 15 to 19 years. One of the methods of part 1, i.e. stable isotope
analysis, helped to investigate a pipe bomb murder in Austria in the 1990s. The teacher’s
material, designed in part 2, should provide an introduction to the astonishing amount of
information that can be gained from determination of isotope ratios.
Kurzzusammenfassung
Die Verbindung eines Produktes mit einem geographischen Gebiet bringt oft eine
Wertsteigerung desselben durch die Schaffung einer neuen Marke mit sich. Die EU schützt
solche Erzeugnisse durch die Verleihung des Attributs „geschützte geographische Angabe“
(g.g.A), das vor allem für landwirtschaftliche Produkte einer bestimmten Region und/oder einer
speziellen Verarbeitungsweise vergeben wird. Die damit verbundene Wertsteigerung führt
jedoch häufig zu falschen Angaben über die Herkunft solcher Produkte. Aus diesem Grund
wurden beispielsweise für Wein chemisch analytische Methoden entwickelt, die eine
Überprüfung der geographischen Herkunft ermöglichen, während bei Kürbiskernöl bis dato
noch kein erprobtes Verfahren für die Herkunftsanalyse existiert. Im Rahmen dieser
Diplomarbeit werden drei unterschiedliche Analysemethoden auf ihr Vermögen, zur
Unterscheidung von Kürbiskernöl innerhalb und außerhalb des g.g.A.-Gebietes beizutragen,
evaluiert. Letztendlich erweist sich eine Methodenkombination als verlässlich und
aussagekräftig, was durch spezielle statistische Methoden belegt und verifiziert wird.
Ein zweiter Abschnitt dieser Diplomarbeit beschäftigt sich damit, Schülerinnen und Schülern
der Sekundarstufe II das Gebiet der forensischen Chemie näher zu bringen. Die Stabilisotopen-
analytik, die eine der untersuchten Methoden aus Abschnitt 1 ist, half mit, einen
Rohrbombenanschlag in Österreich aufzuklären. Die gestalteten Arbeitsmaterialien aus
Abschnitt 2 sollen Einblick in die Vielfalt an Information geben, die aus der Bestimmung von
Isotopenverhältnissen gewonnen werden kann.
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Abkürzungen
AHS Allgemeinbildende Höhere Schulen
ANIP Austrian Network for Isotopes in Precipitation
BHS Berufsbildende Höhere Schulen
CAM Crassulaceen-Säurestoffwechsel (bei Pflanzen)
CIUZ Chemie in unserer Zeit (Fachzeitschrift)
CRDS Cavity Ring-Down Spectrometry
CSI Spurensicherung (Crime Scene Investigation)
D Deuterium (2H)
DA Diplomarbeit
eBod digitale Bodenkarte für Österreich
GC Gaschromatographie
GC-MS Gaschromatographie mit massenselektiver Detektion
g.g.A. geschützte geographische Angabe
GISP Greenland Ice Sheet Precipitation (Isotopenstandard für 1H, 18O)
GMWL Global Meteoric Waterline
GNIP Global Network for Isotopes in Precipitation
HPLC Hochleistungsflüssigkeitschromatographie
HREE schwere Seltene Erden (heavy rare earth elements, Gd - Lu)
HLW Höhere Lehranstalt für Wirtschaftliche Berufe
HTL Höhere Technische Lehranstalt
IAEA Internationale Atomenergiebehörde
ICP-MS Massenspetrometrie mit indukiv gekoppeltem Plasma
7
IR Infrarot (Spektroskopie)
IRMS Isotopenverhältnis Massenspektrometrie
LDA Lineare Diskriminanzanalyse
LREE leichte Seltene Erden (light rare earth elements, La - Eu)
MS Massenspektrometrie
NMR Kernmagnetische Resonanzspektroskopie
PCA Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis)
PGI Protected Geographical Indication (g.g.A.)
PLS Partielle Kleinste Quadrate Regression (Partial Least Squares Regression)
SLAP Standard Light Antarctic Precipitation (Isotopenstandard für 1H, 18O)
SNIF-NMR Quantitative positionelle kernmagnetische Resonanzmessung
STMK Steiermark
TMS Tetramethylsilan
TMSH Trimethylsulfoniumhydroxid
UV-VIS Spektroskopie mit Wellen des ultravioletten und sichtbaren Lichtes
VPDB Vienna PeeDee Belemnite (Isotopenstandard für 13C und 18O)
VSMOW Vienna Standard Mean Ocean Water (Isotopenstandard für 1H, 18O)
VWA Vorwissenschaftliche Arbeit
8
Präambel
Die vorliegende Arbeit gliedert sich in einen naturwissenschaftlichen Teil, in dem die
im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Analysenmethoden und die daraus
gewonnenen Resultate beschrieben werden, und einen chemiedidaktischen Teil, der
sich damit beschäftigt, diese Thematik im Unterricht einzubauen.
Die praktischen Arbeiten zum Teil 1 entstanden während meiner beruflichen Tätigkeit
an der JOANNEUM RESEARCH ForschungsgmbH, wo ich in der Arbeitsgruppe von
Dipl. Chem. Dr. Albrecht Leis mit der Bearbeitung eines Exzellenzprojektes zum
Geographischen Herkunftsnachweis pflanzlicher Lebensmittel mit dem Kurztitel
„FoodOriginCheck“ betraut wurde. Im Zuge meines berufsbegleitenden
Lehramtsstudiums machte ich mir bereits beim Seminar „Spezielle Fachdidaktik
(Analyse von didaktischer Literatur)“ bei Frau Mag. Dr. Helga Voglhuber erstmals
Gedanken über die Behandlung des Themas Lebensmittelherkunftsbestimmung und
insbesondere der Messung stabiler Isotope im Chemieunterricht.
Eidesstattliche Erklärung
Ich erkläre an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst, andere
als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel nicht benutzt und die von den benutzten
Quellen wörtlich und inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht
habe.
Graz, am
Unterschrift
9
Einleitung
Inhalt von Teil 1 und Ziel der praktischen Arbeit war es, ein Set von analytisch
chemischen Methoden zu definieren, welches mit möglichst hoher Trefferquote eine
Unterscheidung zwischen Kürbiskernölen aus dem definierten Anbaugebiet der Marke
„Steirisches Kürbiskernöl g.g.A.“ (g.g.A. steht für geschützte geographische Angabe)
und Kürbiskernölen außerhalb des g.g.A.-Gebietes zulässt. Zu Beginn der Arbeit
wurden drei Messmethoden festgelegt, die im Rahmen des Projektes durchführbar
waren und für sinnvoll befunden wurden. Es war allerdings nicht klar, welche Methode
bzw. welche Methodenkombination besonders aufschlussreich sein würde, zumal dies
erst nach statistischer Auswertung der erhaltenen Daten aus g.g.A.-Ölen und Ölen
außerhalb des g.g.A.-Gebietes erhoben werden konnte.
Teil 2 befasst sich mit Möglichkeiten, das Thema Lebensmittelauthentizität und die
bearbeiteten Prüfmethoden in den Chemieunterricht einfließen zu lassen. Lebensmittel
an sich, und auch die Theorie die hinter den Messmethoden steht, sind im Lehrplan
enthalten. Vor allem der Bereich der Stabilisotopenanalytik lässt sich anhand von
Anwendungen im Bereich der Kriminalistik sehr gut veranschaulichen. Zur
Veranschaulichung der Theorie wird eine Versuchsanordnung zur
Isotopenfraktionierung vorgeschlagen, die das Prinzip hinter der Herkunftsanalyse von
Wasser verdeutlichen soll.
Hintergrund
Neben der Art des Anbaus und der Gewinnung stellt für die Konsumenten die Herkunft
von Lebensmitteln einen sehr wichtigen Aspekt für die Kaufentscheidung dar (Korunka,
2010). Initiativen wie „www.dakommichher.at“ (Delikatessa GmbH) machen neben der
Präsenz im Internet mit Plakatwerbung auf regionale Produkte aufmerksam. Neben
der Qualität heimischer Produkte geht es hier natürlich auch um die Einsparung von
Treibhausgasemissionen durch geringere Transportwege. Zudem kann mit einer
gesicherten geographischen Herkunft eine Wertsteigerung eines Produktes verbunden
sein, so dass Fälschungen einen wirtschaftlichen Schaden für die Hersteller und die
Marke an sich bedeuten (Korunka, 2010; Stöckigt, Schmidt, Roßmann, & Christoph,
2005).
10
In Bezug auf das in der vorliegenden Arbeit behandelte Kürbiskernöl kam im Juni 2012
Wind in die Debatte der Herkunftsbestimmung, nachdem die Zeitschrift „Konsument“
einen Test durchführte und im Zuge dessen einen Versuch unternahm, die gesicherte
Herkunft aus dem g.g.A.-Gebiet zu beziffern. Das frappierende Ergebnis war, dass nur
37% der Öle (11 von 30) laut Testergebnis aus Österreich stammen (KONSUMENT,
2012). Die Messmethodik belief sich auf den Nachweis von Pestizidrückständen durch
Präparate, die in Österreich nicht zugelassen sind und den Nachweis der Seltenen
Erden, der von der Montanuniversität Leoben vorangetrieben wurde und auf den
später noch detailliert in Abschnitt 3.3 eingegangen werden wird (Joebstl, Bandoniene,
Meisel, & Chatzistathis, 2010). Ein steirischer Lebensmittelgroßhändler unterstützt die
Methode der Montanuniversität und spricht in einem Artikel im Wirtschaftsblatt von
einer Patentanmeldung (Kolb, 2010). Zusätzlich wurde auch eine Verkostung der Öle
durch Laien durchgeführt (KONSUMENT, 2012). Auf diesen Test reagierte die Kleine
Zeitung mit einem zweiseitigen Bericht (Engele & Haase, 2012). Die Messmethode
wurde darin auch öffentlich angezweifelt (Wieser, 2012), so dass sich JOANNEUM
RESEARCH zum Ziel setzte, einem Methodenmix auszuarbeiten, der verlässlichere
Ergebnisse liefern sollte. Ein Exzellenzprojekt mit der Kurzbezeichnung
„FoodOriginCheck“ wurde eingereicht und genehmigt (Lukas et al., 2013).
Allgemeine Einleitung für den fachdidaktischen Teil
Die Motivation für den fachdidaktischen Teil 2 entstand dadurch, dass das Thema
Herkunftsanalyse von Lebensmitteln in der Regel auf großes Interesse in der
Gesellschaft stößt. Nachdem Lebensmittel in den Lehrplänen für Chemie vertreten sind
und die Grundlagen für die Messmethoden ebenso im Unterricht behandelt werden,
scheint es durchaus sinnvoll, hier etwas in die Tiefe zu gehen. Zu diesem Zweck
wurden Unterrichtseinheiten konzipiert, die mit Hilfe von forensischen Anwendungen
Neugier auf die Stabilisotopenanalytik machen sollen. Da das Thema im Unterricht neu
ist, existiert kaum Material zur Veranschaulichung der Isotopenfraktionierung. In
Verbindung mit anschaulichem Bildmaterial wurde ein Schauexperiment erarbeitet,
welches das Phänomen der Isotopenfraktionierung bei der Verdunstung von Wasser
veranschaulicht, jenem Phänomen, das die Herkunftsbestimmung von Wasser erst
ermöglicht.
11
Weiters eignet sich das Thema hervorragend, um fächerübergreifenden Unterricht zu
betreiben. Die statistische Auswertung der Messergebnisse lässt Verbindungen zur
Mathematik zu. Die Analyse von Spurenelementen im Boden greift in den
Geographiebereich hinein. Auch der Begriff der Messung per se wird hinterfragt, da
die Herangehensweise hier und z.B. auch im Bereich „Metabolomics“ eine spezielle ist,
bei der zu Beginn nicht genau feststeht, welche Messwerte sich später als relevant
erweisen werden.
Die beiden Teile der vorliegenden Arbeit werden zwar getrennt behandelt, sind aber
eigentlich nicht trennbar. Teil 1 wird aus der Sicht des Forschers verfasst, Teil 2 aus
der Sicht des Chemiedidaktikers, der versucht seine Erfahrung einem breiten Publikum
zugänglich zu machen.
Vermarktung von Steirischem Kürbiskernöl
Die Vermarktung geschieht zu einem wesentlichen Teil über die Gemeinschaft
Steirisches Kürbiskernöl g.g.A., die 1998 gegründet wurde und ihren Sitz in Leibnitz
hat. Über 2.000 heimische Produzenten und etwa 30 Ölmühlen haben sich im Jahr
1998 im Erzeugerring „Steirisches Kürbiskernöl g.g.A.“ zusammen geschlossen, der in
weiterer Folge zur „Gemeinschaft Steirisches Kürbiskernöl g.g.A.“ umbenannt wurde,
um die Regionalität und die Qualität des Steirischen Kürbiskernöls zu schützen (Reif,
2012). Mit dem Herkunftsschutz wurden Ausgangsprodukt, Herstellung und
Vermarktung spezifiziert, so dass jeder einzelne Schritt bis hin zum Produkt in der
Flasche nachvollziehbar ist. Die Steiermark ist nicht umsonst stolz auf „ihr“ „Steirisches
Kürbiskernöl g.g.A.“, zumal es österreichweit auch nur 15 geschützte
Herkunftsbezeichnungen gibt (Gemeinschaft Steirisches Kürbiskernöl g.g.A.).
Die Gemeinschaft agiert in enger Zusammenarbeit mit der Landwirtschaftskammer und
erfüllt primär folgende Funktionen:
• Überwachung und Sicherstellung des Kontrollsystems
• Öffentlichkeitsarbeit
• Marketingaktivitäten zur Steigerung der Bekanntheit der Marke
• Verkaufsförderung (Internetportal, Verkostungen)
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• Erstellung von Werbemittel (Rezeptbroschüre, Etiketten, Hoftafeln, uvm.)
• Kernöllogistik (Verpackungs- und Versandkartons)
Das Marketing geschieht einerseits aktivitätsorientiert (marktgerichtete Aktivitäten,
Konzepte, Preismanagement und Werbeaktivitäten) und auch beziehungsorientiert
(Aufbau, Erhalt und Stärkung von Kundenbeziehungen).
Die Gemeinschaft leistet sehr viel Öffentlichkeitsarbeit und positioniert neben der
medialen Präsenz das Produkt in vielen Veranstaltungen:
Steirische Landesprämierung, Championat in Gleichenberg, GaultMillau in Wien,
Agraria in Wels, Erntedankfest in Wien, Anbandeln in Linz, GAST in Salzburg ...
Auch die Erstellung von Werbemitteln liegt bei der Gemeinschaft (Rezeptbroschüren,
Flaschenanhänger / Flaschenetiketten, Prämierungsplaketten, Flyer, Tragtaschen,
Fahnen, Hoftafeln etc., sowie letztendlich auch die Logistik des Produktes:
• Herstellung von Verpackungskartons (verschiedene Größen)
• Herstellung von Versandkartons (verschiedene Größen)
• spezielle Kartonagen für den Transport mit Versicherungsoption
• Versandpakete (Kartonage inkl. Versandkosten)
• Ab Hof- Abholung
Neben der Vermarktung, die über die Gemeinschaft gesteuert wird, gehört auch die
Qualitätssicherung und die Organisation von Laboranalysen und Überwachungen des
Anbaus zu ihrem Verantwortungsbereich (Gemeinschaft Steirisches Kürbiskernöl
g.g.A.).
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Stand der Technik
Die Methoden und Einsatzgebiete zur Bestimmung der Lebensmittelherkunft sind
mittlerweile so umfangreich, dass hier nur eine Auswahl präsentiert werden kann.
Genauere Beschreibungen der (angewandten) Methoden erfolgen in Teil 1.
Lebensmittelauthentizitätsprüfung auf professionellem Niveau wird vor allem beim
Wein schon seit 1996 durchgeführt. Die EU lässt jährlich ca. 1600 Weinproben
analysieren, wobei mit den Daten eine Datenbank befüllt wird, die jedes Jahr zu
aktualisieren ist. Vermessen werden die Ethanol-, die Wasser- und die Zuckerfraktion
der Weine. Hier geht es vor allem darum, Betrug in Form von Streckung mit Wasser,
Anreicherung/Süßen mit Fremdzucker sowie Verfälschung von Herkunfts- und
Jahresangaben zu unterbinden (Kelly, Heaton, & Hoogewerff, 2005; Otteneder, 2011).
Bei Fleischprodukten werden Verhältnisse stabiler Isotope gemessen wie 13C/12C und
15N/14N, die Rückschlüsse über das Futter zulassen, welches die Tiere im Laufe der
Aufzucht bekommen haben (Jahren & Kraft, 2008). Bei pflanzlichen Produkten wird
das Verhältnis von 15N zu 14N auch durch die Art und Herkunft der Düngemittel
verändert (Roland A. Werner & Hanns-Ludwig Schmidt, 2002).
Untersuchungen von Stärke-haltigen Lebensmittel wie Reis (IAEA, 2011) und Kartoffel
(Longobardi, Casiello, Sacco, Tedone, & Sacco, 2011) wurden ebenfalls beschrieben,
wobei auch hier mehrere Analysemethoden zum Einsatz kamen, deren Ergebnisse so
wie hier mit multivariater statistischer Analyse ausgewertet wurden. Ein Review zu
dem Thema listet neben den bereits angeführten Lebensmittelgruppen auch noch
Getreide, Milchprodukte und Tee auf (Kelly et al., 2005). Mit Tee im Speziellen
beschäftigt sich eine weitere Arbeit aus der Zeitschrift Food Science (Pilgrim, Watling,
& Grice, 2010). Bei den Pflanzenölen sind vor allem zahlreiche Arbeiten zur
Authentizitätsprüfung von Olivenöl publiziert worden (Camin et al., 2010).
Auf die Methodenvielfalt wird im nächsten Abschnitt noch genauer eingegangen. Die
meisten der publizierten Verfahren beinhalten Stabilisotopenanalytik in Verbindung mit
Multielementanalytik, wo von mehreren Spurenelementen die Konzentrationen in der
Probe bestimmt werden. Je nach Art der Probe kommen noch andere Methoden dazu
und letztendlich müssen spezielle statistische Methoden herangezogen werden, um
eruieren zu können, welche Messwerte tatsächlich aussagekräftig sind.
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Teil 1 – Methodenvergleich zur
Herkunftsanalyse
Zu Beginn von Teil 1 werden chemischen Analysemethoden vorgestellt, die im
gegenständlichen Projekt zum Einsatz kamen. Für den Herkunftsnachweis wurde eine
Bestimmung der Fettsäurezusammensetzung (Kapitel 1), Bestimmung der stabilen
Isotope 2H und 13C für die geographische Zuordnung der Öle zu Grundwasser und
Boden (Kapitel 2) und die Messung der Konzentration der Seltenen Erden für die
Zuordnung der Öle zum geologischen Untergrund (Kapitel 3) ausgewählt. Die
statistischen Verfahren, die letztendlich zu einer Festlegung einer bestimmten
Methodenkombination führten werden in Kapitel 4 beschrieben.
1. Kernmagnetische Resonanzspektroskopie
Die Kernmagnetische Resonanzspekroskopie (auch NMR für „nuclear magnetic
resonance“) ist primär eine Methode zur Strukturaufklärung in der Organischen Chemie
(Streitwieser, Heathcock, & Kosower, 1994). Diese Methode wurde hier verwendet,
um für die untersuchten Kürbiskernöle ein Fettsäureprofil zu erstellen. Grund dafür,
sich für NMR zu entscheiden war die einfache Probenvorbereitung, v.a. im Vergleich
zu GC-MS (Gaschromatographie mit massenselektiver Detektion), und der geringe
Preis für die Analysen.
1.1 Theorie der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie (NMR)
Wie bei jeder spektroskopischen Methode geht es auch bei der NMR-Methode darum,
Energieunterschiede zwischen erlaubten Zuständen in einem System zu messen. Dies
geschieht durch Absorption elektromagnetischer Strahlung einer bestimmten Frequenz
nach der Gleichung
Formel 1
ΔE = h ∙ ν .
H … Plancksches Wirkungsquantum (6,626∙10-34 Js), ν … Frequenz der absorbierten Strahlung
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Bei der NMR werden Energieunterschiede durch ein äußeres Magnetfeld erzeugt, in
dem sich die Probe befindet. Jene Atome der Probe, die einen Kernspin aufweisen,
können daher unterschiedliche Energieniveaus einnehmen. Für die Organische Chemie
sind hier vor allem die Atome 1H, 13C, 19F und 31P interessant. Diese Kerne verhalten
sich so, als würden sie sich um die eigene Achse drehen und erzeugen aufgrund der
sich bewegenden positiven elektrischen Ladung ein magnetisches Moment
(Streitwieser et al., 1994).
Dieses magnetische Moment von Atomkernen mit Kernspin kann sich nun in einem
angelegten magnetischen Feld mit diesem oder gegen dieses ausrichten. Für 1H
ergeben sich in Quantenzahlen ausgedrückt die Zustände +½ (= α) und -½ (= β).
Analog zu einer Kompassnadel neigen die meisten Atomkerne dazu, sich mit ihrem
magnetischen Moment mit dem äußeren, angelegten Magnetfeld auszurichten (α-
Spin), da sie bei entgegengesetzter Ausrichtung einen höheren Energiezustand
einnehmen (β-Spin). Die Differenz der Besetzung der beiden Energiezustände lässt
sich nach der Boltzmann-Verteilung berechnen:
Formel 2
N𝛼
N𝛽 = eE/RT
R ... Gaskonstante, T ... absolute Temperatur, ΔE ... Energieunterschied in J/mol, Nα, Nß ... Stoffmenge
der Teilchen mit α- bzw. ß-Spin
Durch Absorption eines Lichtquants mit der richtigen Frequenz kann ein Atom mit α-
Spin in den β-Spin übergehen, ein Phänomen, das auch als „Spinumkehr“ bezeichnet
wird.
Die für eine Spinumkehr notwendige Frequenz ist von folgenden Größen abhängig:
Formel 3
= 𝛾∙𝐻2𝜋
Hierbei ist H die magnetische Feldstärke (in Tesla, 1T = 104 Gauss) im Bereich des
Kerns und γ die gyromagnetische Konstante, die für 1H 2,6753∙108 rad s-1∙T-1 beträgt.
Somit steht der Energieunterschied in einem linearen Zusammenhang zur Stärke des
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angelegten äußeren Magnetfelds (Streitwieser et al., 1994). Bei einem Magnetfeld der
Stärke 4,2276 Tesla würde der Energieunterschied zwischen α- und β-Zustand
demnach für einzelne Wasserstoffatome nur 0,072 J/mol betragen und einer
elektromagnetischen Strahlung mit einer Frequenz von 180 MHz äquivalent sein. Dies
entspricht einer Wellenlänge von 1,7 m und befindet sich im Bereich der Radiowellen
(Streitwieser et al., 1994).
In der Praxis, sowie auch hier im Bereich der Pflanzenöle, ist es jedoch so, dass nicht
einzelne, isolierte Wasserstoffatome untersucht werden, sondern Wasserstoffatome in
chemischen Verbindungen, die von einer elektrischen Ladungswolke aus Elektronen
des Moleküls umgeben sind, welche ihrerseits durch die eigene Bewegung ein
Magnetfeld induzieren, das dem angelegten Feld entgegengerichtet ist. De facto ist
dadurch das einwirkende Magnetfeld H an einem Wasserstoffatom schwächer als das
angelegte Magnetfeld:
Formel 4
H = H0 – H‘ H0 ... angelegtes Magnetfeld, H‘ ... induziertes Magnetfeld
Man spricht hier auch von einer diamagnetischen Abschirmung durch die Elektronen
im Molekül die dazu führt, dass – zurückkommend auf das obige Beispiel – das
Magnetfeld etwas stärker als 4,2276 Tesla sein muss, um bei 180 MHz in einem
Wasserstoffatom eine Spinumkehr hervorzurufen, wenn sich letzteres in einem Molekül
befindet.
Der große Nutzen der NMR-Methode für die Strukturaufklärung in der organischen
Chemie liegt nun darin, dass Protonen in unterschiedlicher elektronischer Umgebung
unterschiedlich stark abgeschirmt werden und man über ihre Resonanzabsorption
Informationen über ihre chemische Umgebung bekommt. Man spricht hier von einer
unterschiedlichen „chemischen Verschiebung“. Letztlich geht es hier um
Frequenzunterschiede bei der Resonanzabsorption, da bei einem NMR-Gerät in der
Regel das Magnetfeld konstant gehalten wird und die Frequenz der
elektromagnetischen Strahlung variiert wird (Streitwieser et al., 1994).
Da nun der Frequenzunterschied bei der Resonanzabsorption, etwa zwischen Methyl-
und Methylenprotonen, von der Frequenz des außen angelegten Magnetfeldes
17
abhängt, handelt es sich hierbei um einen geräteabhängigen Parameter. Um NMR-
Daten vergleichen zu können, die auf verschiedenen Geräten aufgezeichnet wurden,
wird – wie später auch bei der Messung von Isotopenverhältnissen beschrieben – ein
Standard herangezogen und die relativen Unterschiede zu diesem bestimmt.
Formel 5
𝛿𝑖 =𝜈𝑖−𝜈𝑇𝑀𝑆
𝜈0∙ 106 𝑝𝑝𝑚
Die chemische Verschiebung 𝛿𝑖 wird in ppm angegeben und bestimmt sich aus der
Differenz zwischen der Absorptionsfrequenz der Probe und jener des Standards
Tetramethylsilan (TMS), dividiert durch die Frequenz des Gerätes. TMS, (CH3)4Si, ist
eine Flüssigkeit mit einem sehr niedrigen Siedepunkt von 26,5 °C, in der alle 12
Wasserstoffatome chemisch äquivalent sind.
Neben der Strukturaufklärung bietet die NMR auch die Möglichkeit der Quantifizierung
durch Integration der Peakflächen. Die Fläche unter jedem NMR-Signal ist proportional
zur Anzahl der Wasserstoffatome die es verursachen (Streitwieser et al., 1994).
1.2 Anwendung der NMR auf das Fettsäureprofil der Kürbiskernöle
Die zur Zeit verbreitetste Methode zur Bestimmung von Fettsäureprofilen ist die
Gaschromatographie, mit der sich die einzelnen Fettsäuren in derivatisierter Form
auftrennen und sowohl qualitativ als auch quantitativ bestimmen lassen.
Gaschromatographische Analysen können bei universitären oder kommerziellen Labors
in Auftrag gegeben werden, sind aber – abhängig von der Anzahl der Proben mit relativ
hohen Kosten pro Analyse verbunden. Um eine klare Auftrennung zu bekommen, ist
eine Spaltung der pflanzlichen Fette in die Fettsäuren und Glycerin notwendig, sowie
eine Überführung ersterer in ihre Methylester. Die Methylester zeichnen sich generell
durch einen niedrigeren Siedepunkt aus und liefern schärfere Peaks. Obwohl
Reagenzien zur Verfügung stehen, wie z.B. TMSH (Trimethylsulfoniumhydroxid), die
beide Reaktionsschritte gleichzeitig bewältigen und einfach ins fertig abgefüllte GC-
Vial mittels Septum injiziert werden, ist diese Methode sehr aufwändig. Ein Vergleich
der beiden Methoden wird später noch angeführt (siehe Tabelle 4).
Zudem besteht eine klassische Methode in der Bestimmung des Anteils ungesättigter
Fettsäuren in der Bestimmung der Iodzahl (Addition von Iod an der Doppelbindung)
18
(Knothe & Kenar, 2004) . Hier kann jedoch nicht zwischen einfach und mehrfach
ungesättigten Fettsäuren unterschieden werden.
NMR wird hier als Methode der Wahl vorgeschlagen, weil die Probenvorbereitung
lediglich darin besteht, das Kernöl aus der Flasche mit Deuterochloroform im NMR-
Röhrchen zu verdünnen. Die H-Atome für gesättigte, einfach und mehrfach
ungesättigte Fettsäuren unterscheiden sich hinreichend in ihrer chemischen
Verschiebung und sind somit quantifizierbar. Wie am Ende von Abschnitt 1.1 bereits
angeführt, ist die Fläche unter jedem Peak des NMR-Signals proportional der Anzahl
der 1H-Atome, die bei der jeweiligen chemischen Verschiebung absorbieren. Für
Fettsäuren, die im pflanzlichen Öl großteils in Triglycerid-Form vorliegen (Murkovic &
Pfannhauser, 2000), ergeben sich durch die Acyl-Kette und den Glycerin-Rest mehrere
Kategorien von Wasserstoffatomen, die letztlich auch zur Unterscheidung und
Quantifizierung der Fettsäuren herangezogen werden können (Guillén & Ruiz, 2003).
Abbildung 1: 1H-NMR Spektren von Walnuss und Haselnussöl, Quelle: „Rapid simultaneous
deteremination by proton NMR of unsaturation and composition of acyl groups in vegetable oils“
(Guillén & Ruiz, 2003)
Abbildung 1 zeigt NMR-Spektren von Haselnuss- und Walnussöl. Neben dem Peak von
Tetramethylsilan (TMS), der per definitionem die 0,0 ppm Markierung bildet, sind
Signale der Fettsäuren zu sehen, die in 10 Gruppen unterteilt sind. Diese sind von
geringster (1) zu höchster chemischer Verschiebung (10) geordnet und in der
19
nachstehenden Tabelle 1: Zuordung der NMR-Signale aus Abbildung 1 zu den
verschiedenen Wasserstoffatomen der ProbenTabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1: Zuordung der NMR-Signale aus Abbildung 1 zu den verschiedenen Wasserstoffatomen der
Proben aus Guillén & Ruiz, 2003, bearbeitet
Signal Nr. Chemische
Verschiebung (ppm)
chemische Zuordung (fett gedruckte H-Atome)
1 0,83-0,93 endständige Methylgruppen von gesättigten
Fettsäuren, der Ölsäure und der Linolsäure -CH3
2 0,93-1,03 endständige Methylgruppe der Linolensäure -
CH3
3 1,22-1,42 innere H-Atome der Acyl-Kette -(CH2)n-
4 1,52-1,70 H-Atome am C-3 der Acyl-Kette -OOC-CH2-CH2-
5 1,94-2,14 H-Atome neben der Doppelbindung -CH2-
CH=CH-
6 2,23-2,36 H-Atome am C-2 der Acyl-Kette -OOC-CH2-CH2-
7 2,70-2,84 H-Atome zwischen 2 Doppelbindg. =HC-CH2-
CH=
8 4,10-4,32 H-Atome am C-1 und C-3 des Glycerins -
CH2OOCR
9 5,20-5,26 H-Atom am C-2 des Glycerins >CHOOCR
10 5,26-5,40 H-Atome an einer Doppelbindung -CH=CH-
Signal 1 bezieht sich somit auf Methyl-Protonen in gesättigten Fettsäuren, sowie ω-6
und ω-9 – Fettsäuren (wie Öl- und Linolsäure). Bei Linolensäure als ω-3 – Fettsäure
ergibt sich, ob der größeren Nähe zur Doppelbindung, eine höhere chemische
Verschiebung und somit Signal 2. Signal 3 gehört zu Methylen-Protonen, die sich weit
genug von Doppelbindungen der Acyl-Kette weg befinden (Position β oder γ) und
mindestens in Position γ (C-4) - von der Carboxylgruppe aus - liegen. Signal 4 bezieht
sich auf die Position β (C-3) der Carboxylgruppe und Signal 6 auf Position α (C-2).
Signal 5 liegt dazwischen und wird durch Methylen-H-Atome verursacht, die neben
einer Doppelbindung sind, Signal 7 von solchen, die zwischen 2 Doppelbindungen
liegen. Die Signale 8 und 9 resultieren von den äußeren C-Atomen (C-1 und C-3) bzw.
20
vom mittleren C-Atom des Glycerins (C-2). Signal 9 überlappt teilweise mit Signal 10,
das von den H-Atomen an der Doppelbindung herrührt (Guillén & Ruiz, 2003).
Tabelle 3 zeigt eine Auswahl von pflanzlichen Ölen aus der Publikation Guillén & Ruiz,
2003, deren Fettsäurezusammensetzung mittels NMR bestimmt wurde. Es zeigen sich
deutliche Unterschiede, was zu einem zweiten Argument für diese Methode zur
Qualitätssicherung von Kürbiskernöl führte: Über 1H-NMR würde sich auch das
„Strecken“ mit billigeren Pflanzenölen erkennen lassen, das unweigerlich zu einer
Änderung der Fettsäurezusammensetzung führen muss.
1.3 Ergebnisse
Die Berechnung der Fettsäurezusammensetzung erfolgt nun aus den integrierten NMR-
Signalen (Guillén & Ruiz, 2003):
Tabelle 2: Berechnung der prozentuellen (Mol%) Verteilung der Fettsäuren aus den NMR-
Peakflächen, Quelle: Guillén & Ruiz, 2003
Gesättigte Fettsäuren: S(%) = 100 [1-(C/2D)]
Ölsäure: O(%) = 100 [1-(C/2D) – (E/D) + [B/(A+B)]]
Linolsäure: L(%) = 100 [(E/D) – 2 [B/(A+B)]]
Linolensäure: Ln(%) = 100 [B/(A+B)]
Die Buchstaben beziehen sich auf die Abbildung 1 (A ... Signal 1, B ... Signal 2, C ... Signal 5, D ... Signal
6, E ... Signal 7 und F ... Signal 10).
Die nachstehende Tabelle 3 lässt klare Unterschiede in der Fettsäurezusammensetzung
verschiedener Pflanzenöle erkennen:
Tabelle 3: Fettsäureverteilung in unterschiedlichen Pflanzenölen, Quelle: Guillén & Ruiz, 2003,
bearbeitet
Gesättigte Säuren
(Palmitin- und Stearinsäure)
Ölsäure Linolsäure Linolensäure
Olivenöl 14,5 75,5 7,5 1 Rapsöl 6,0 63,0 20,0 9,0 Sonnenblumenöl 12,0 23,0 63,0 <0,5 Walnussöl 11,0 16,0 59,0 12,0 Kürbiskernöl 21,0 24,0 54,0 0,5
21
Zur Überprüfung der Plausibilität der NMR-Daten wurde die aus ihnen berechnete
Fettsäurezusammensetzung mit einer GC-MS – Messung verglichen. Die Signale mit
GC-MS sind der Stoffmenge proportional. Streng genommen hätte eine Kalibration
durchgeführt werden müssen, da die Fraktionierungsmuster und der daraus
resultierende Ionenstrom die scheinbare Stoffmenge und das Verhältnis der
Fettsäuremethylester (nach der Derivatisierung) beeinflussen. Was allerdings deutlich
erkennbar ist, ist die Tatsache, dass sich Linolensäure mittels GC-MS im Kürbiskernöl
kaum nachweisen ließ. Der zu hohe Anteil der Linolensäure, der sich auch nicht mit
den Daten von Guillén & Ruiz, 2003 deckt, wurde letztendlich herausgerechnet und die
Summe der gesättigten Fettsäuren, der Ölsäure und der Linolsäure gleich 100%
gesetzt (siehe Tabelle 4).
Tabelle 4: Gegenüberstellung von Fettsäureverteilungen aus dem NMR und der GC-MS für
ausgewählte Proben, eigene Daten (Lukas et al., 2013)
NMR (500 MHz) GC-MS
Probe N° Linolen-
säure
Linol-
säure
Öl-
säure
Gesättigte
Fettsäuren
Linol-
säure
Öl-
säure
Gesättigte
Fettsäuren
Ln(%) L (%) O (%) S (%) L (%) O (%) S (%)
G-4203 2,6 41,3 36,3 19,8 45,6 34,0 20,4
G-4204 2,6 42,9 34,9 19,7 42,1 35,5 22,3
G-4205 2,0 42,1 35,5 20,4 44,9 34,7 20,4
G-4206 2,4 42,7 35,2 19,7 45,9 33,8 20,3
G-4207 2,3 43,4 34,0 20,3 47,3 31,5 21,2
G-4208 1,9 43,5 33,9 20,7 42,8 36,1 21,1
G-4209 2,3 44,9 32,6 20,3 47,9 31,1 20,9
G-4210 2,0 40,9 37,1 20,0 43,3 36,3 20,4
G-4211 2,3 42,6 35,2 19,8 46,2 33,8 20,1
G-4212 2,0 43,1 34,2 20,7 45,6 32,6 21,8
G-4213 2,3 41,9 35,7 20,1 45,2 33,8 21,0
Die nachstehende Tabelle 5 listet die Fettsäurezusammensetzungen von 26
untersuchten Kürbiskernölen aus dem g.g.A.-Gebiet und 7 Ölen außerhalb des g.g.A.-
22
Gebietes (rote Schrift) auf. Aus Datenschutzgründen werden bei allen Ergebnissen nur
die Labornummern angegeben und keine Namen genannt.
Somit ergeben sich pro Probe 3 Parameter, die in der PLS-Regression (partielle kleinste
Quadrate) berücksichtigt werden. Dieser mathematischen Methode wird ein eigener
Abschnitt (Kapitel 4) gewidmet, so dass hier nicht näher darauf eingegangen werden
soll.
23
Tabelle 5: Errechnete Fettsäurezusammensetzungen aus den NMR-Daten in Molprozent.
Kürbiskernöle außerhalb des g.g.A.-Gebietes sind in roter Schrift dargestellt, eigene Daten (Lukas et
al., 2013)
Labornummer Linolsäure Ölsäure gesättigte
Fettsäuren
L (%) O (%) S (%)
G-4203 42,4 37,3 20,3
G-4204 44,0 35,8 20,2
G-4205 42,9 36,2 20,8
G-4206 43,8 36,1 20,2
G-4207 44,5 34,8 20,8
G-4208 44,4 34,6 21,1
G-4209 45,9 33,3 20,8
G-4210 41,7 37,9 20,4
G-4211 43,6 36,1 20,3
G-4212 44,0 34,9 21,1
G-4213 42,9 36,5 20,6
G-4214 47,1 31,8 21,1
G-4215 47,6 30,4 22,0
G-4216 45,1 33,4 21,6
G-4217 45,2 33,7 21,1
G-4218 44,9 34,3 20,8
G-4219 45,1 33,2 21,7
G-4220 47,0 31,5 21,5
G-4221 46,4 33,0 20,5
G-4222 42,0 37,2 20,8
G-4223 43,0 36,9 20,1
G-4224 43,6 35,5 20,9
G-4225 42,9 36,6 20,5
G-4226 44,2 35,5 20,3
G-4227 41,9 38,0 20,0
G-4228 44,3 34,4 21,3
G-4229 41,9 37,6 20,4
G-4230 51,2 28,8 20,0
G-4231 40,7 38,9 20,4
G-4232 47,3 35,2 17,5
G-4233 46,2 35,7 18,1
G-4234 42,8 38,7 18,5
G-4235 44,9 34,8 20,3
24
2. Stabilisotopenanalytik
Da die meisten chemischen Elemente mehrere Isotope, also Atome gleicher Protonen-
aber unterschiedlicher Neutronenzahl besitzen, lassen sich für diese Elemente
Isotopenverhältnisse durch massenspektroskopische Untersuchungen (MS)
bestimmen. Die Stabilisotopenanalytik ist keine neue Methode, sondern vielmehr eine,
die seit vielen Jahren - vor allem in den Erdwissenschaften und fachlich angrenzenden
Disziplinen - bestens etabliert ist. Bis zum heutigen Tag werden immer wieder neue
Anwendungen für diese Methode gefunden, so wie auch die gegenständliche Arbeit
versucht, die Stabilisotopenanalytik für die Untersuchung der geographischen Herkunft
beim Kürbiskernöl ins Spiel zu bringen (Sharp, 2007).
2.1 Theorie der Stabilisotopenanalytik
Das Verhältnis zweier Isotope eines Elementes in einer Probe lässt oft Rückschlüsse
über die Herkunft und Genese der Probe selbst zu. Die Isotopenverhältnisse von
Kohlenstoff (13C/12C) und Sauerstoff (18O/17O) in marinen Karbonaten ermöglichen
beispielsweise die Rekonstruktion der Temperaturverhältnisse, die bei der
Kalkabscheidung im Ozean herrschten. Mittels hochauflösender Massenspektroskopie
lassen sich die Isotopenverhältnisse von unterschiedlichsten Materialien so genau
bestimmen, dass die erhaltenen Messwerte Fingerprint-Charakter haben und für die
Zuordnung einer Probe zu einer bestimmten Region herangezogen werden können.
Diese Methode kommt deshalb bei einer Vielfalt von wissenschaftlichen
Fragestellungen, wie etwa bei der Untersuchung von hydrologischen Prozessen in
Grund- und Oberflächenwässern, oder bei technischen Problemstellungen, wie etwa
im Tunnelbau, zum Einsatz und ist auch für den Lebensmittelbereich interessant, wie
z.B. bei Wein (Stöckigt et al., 2005).
Wie eingangs bereits erwähnt, liegen die meisten chemischen Elemente in der Natur
in Form mehrerer Isotope, Atome gleicher Protonenzahl aber unterschiedlicher
Neutronenzahl und somit unterschiedlicher Atommasse, vor. Einige Elemente weisen
nur ein Isotop auf und werden monoisotope Elemente genannt. Als prominentes
Beispiel sei hier das Fluor (19F) genannt, das nur in einer Form, mit 9 Protonen und 10
Neutronen, in der Natur vorkommt (Sharp, 2007).
25
Völlig anders gestaltet sich das Bild beim leichtesten chemischen Element, dem
Wasserstoff. Neben dem dominanten Isotop 1H, auch Protium genannt, existieren ein
weiteres stabiles Isotop, Deuterium (2H oder D) und ein radioaktives Isotop, Tritium
(3H oder T). Ein spezifisches Isotop wird auch Nuklid genannt und kann entweder
radioaktiv oder stabil sein. Bei stabilen Isotopen wird die Wahrscheinlichkeit eines
radioaktiven Zerfalls als vernachlässigbar eingestuft, obwohl – strenggenommen –
jedes Nuklid spontan zerfallen kann (Sharp, 2007).
Beim Sauerstoff gibt es 3 stabile Isotope mit 16O, 17O, und 18O, wobei 16O und 18O die
häufigsten sind mit 99,797 bzw. 0,204%. Die durchschnittlichen Isotopenverteilungen
für Wasserstoff und Sauerstoff sind in der Tabelle 6 angegeben:
Tabelle 6: Häufigkeit der stabilen Isotope von Wasserstoff und Sauerstoff, Quelle: „Principles of
stable Isotopes in geochemistry“ (Sharp, 2007)
Häufigkeit in % in der Geosphäre
1H 99,985 16O 99,759
2H 0,015 17O 0,037
18O 0,204
Da für beide Elemente die leichteren Isotope deutlich häufiger vorkommen, ist es für
ein Wassermolekül sehr unwahrscheinlich, dass ein H2O-Teilchen 2 schwere Isotope
von Wasserstoff und Sauerstoff enthält. Tabelle 7 zeigt die natürliche Häufigkeit der 9
Isotopologe, d.h. die Kombinationen die aus den oben angeführten stabilen Isotopen
möglich sind, von Wasser in Wasserdampf nach Sharp, 2007:
Tabelle 7: Natürliche Häufigkeit der 9 Isotopologe von Wasser, geordnet nach sinkender Häufigkeit,
Quelle: „Principles of stable Isotopes in geochemistry“ (Sharp, 2007)
Isotopologe von Wasser Natürliche Häufigkeit im Wasserdampf in %
H216O 99,73098
H218O 0,199978
H217O 0,037888
HD16O 0,031460
HD18O 0,0000006
HD17O 0,0000001
D216O 0,00000002
D218O 0,00000000005
D217O 0,00000000001
26
Obwohl die Messung der Isotopenverhältnisse, auf die später noch ausführlich
eingegangen werden wird, ein sehr präzises Verfahren ist, liegen die entsprechenden
Isotopologe mit zwei oder 3 schwereren Isotopen (die letzten 5 Vertreter aus Tabelle
1) weit unter der Nachweisgrenze und sind daher für die Praxis nicht relevant. Es ist
sehr unwahrscheinlich, dass 2 schwere Isotope in einem natürlich vorkommenden
Wassermolekül zu finden sind, weshalb nur die Isotopologe H2O, HDO und H218O mit
den Molekülmassen 18, 19 und 20 Atommasseneinheiten (amu) relevant sind.
Abbildung 2: Isotopenmassenspektrometer bei JOANNEUM RESEARCH mit dem routinemäßig 18O in
Wasserproben bestimmt wird. (eigene Aufnahme)
Schweres Wasser (D2O), das im Bereich der Kernreaktortechnik und auch beim NMR
als Lösungsmittel für sehr lipophobe Verbindungen eingesetzt wird, weist mit 101,42
°C einen höheren Siedepunkt auf als H2O (100,00°C) und zeigt, dass Isotopologe
aufgrund unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften getrennt werden können. Die
Anreicherung von schwerem Wasser erfolgt durch fraktionierte Destillation, bei der mit
speziell ausgeführten Destillationskolonnen eine Trennung von H2O und D2O aufgrund
der geringfügig unterschiedlichen Siedepunkte möglich ist. Eine andere Möglichkeit ist
27
die Anreicherung über Elektrolyse, bei der die leichten Atome aufgrund kinetischer
Gegebenheiten schneller reagieren und dadurch H2O schneller elektrolysiert wird.
2.1.1 Auswahl der Elemente
Die Frage, welche Elemente für die Stabilisotopenanalytik herangezogen werden,
hängt sehr von der jeweiligen Aufgabenstellung ab. Grundsätzlich ist es bei den
leichteren Elementen so, dass der relative Massenunterschied zwischen dem schweren
und dem leichteren Isotop größer ausfällt, was zu einer stärkeren Fraktionierung führt.
Beim Wasserstoff wiegt ein Deuterium-Atom praktisch doppelt so viel wie ein Protium-
Atom. Entscheidend ist auch, welche Elemente in ausreichender Konzentration in der
Probe vorhanden sind. Für organisches Material kommen vor allem die traditionellen
Isotopensysteme der Elemente H, C, N, O, S und Cl in Betracht. Im Bereich der
Erdwissenschaften gewinnen in letzter Zeit aber auch die sogenannten
nichttraditionellen Isotope der Elemente Li, Be, B, Si, Mg, Ca, Cr und Mo an Bedeutung
(Sharp, 2007).
Beim gegenständlichen Projekt wurden - aufgrund der chemischen Zusammensetzung
von Pflanzenölen - die Isotopenverhältnisse 2H/1H und 13C/12C gemessen. Wegen der
geringen Anzahl von Sauerstoffatomen (2 pro Fettsäuremolekül) war das
Sauerstoffsignal zu niedrig, um das Isotopenverhältnis 18O/16O mit hinreichender
Genauigkeit (und geringer Standardabweichung) messen zu können.
2.1.2 Grundlagen für die Isotopenfraktionierung
Ein Isotopenverhältnis, wie das der Sauerstoffisotope 18O und 16O in einer
Wasserprobe, ist nicht in Stein gemeißelt. Es ändert sich, wenn ein Phasenübergang
auftritt, also beispielsweise wenn Wasser verdunstet oder friert. Es ändert sich auch,
wenn der Sauerstoff des Wassermoleküls sich mit dem Sauerstoff einer anderen
chemischen Verbindung austauscht, wie es etwa der Fall ist, wenn Wasser lange mit
silikatischem Gestein in Berührung bleibt. Ist über dem Wasser gasförmiges
Kohlendioxid vorhanden (CO2), so tauschen sich die O-Atome zwischen Wasser und
Kohlendioxid über das sog. Kohlensäuregleichgewicht aus.
Formel 6
CO2 + H2O ⇄ H2CO3
28
Wenn bei der Rückreaktion die Kohlensäure (H2CO3) wieder zerfällt, dann wird nicht
dafür gesorgt, dass das Sauerstoffatom aus dem Wassermolekül wieder ins Wasser
zurückkommt. Im Gleichgewicht erfolgt ein Sauerstoffaustausch zwischen H2O und CO2
und dieser soll in der folgenden Abbildung noch einmal vereinfacht veranschaulicht
werden (Abbildung 3Abbildung 3):
25°C
Abbildung 3: Austausch der Sauerstoffisotope zwischen H2O und CO2 durch das
Kohlensäuregleichgewicht, eigene Abbildung
So erfolgt in einem geschlossenen System nach einer mehrstündigen Äquilibrierung
bei 25°C durch Austausch von Sauerstoff zwischen H2O und CO2 die Einstellung eines
isotopischen Gleichgewichtes. Lag im Vorfeld ein unterschiedliches Isotopenverhältnis
R(18O/16O) zwischen Wasser und Kohlendioxid vor, so trägt jetzt das Kohlendioxid die
Isotopensignatur des Sauerstoffs aus den Wassermolekülen. Dieser Effekt wird bei der
Messung des Sauerstoffisotopenverhältnisses ausgenutzt.
Der Fraktionierungskoeffizient α berechnet sich wie folgt:
Formel 7
Der Fraktionierungskoeffizient α ist nichts anderes als der Quotient zwischen dem
Isotopenverhältnis von Sauerstoff im Kohlendioxid und dem im Wasser.
29
Das wohl wichtigste Beispiel für Isotopenfraktionierung aus Sicht der
Isotopenhydrologie ist die Fraktionierung beim Übergang von Wasser zwischen den
Aggregatszuständen fest und flüssig. Wenn wir diesen Übergang wieder als
chemisches Gleichgewicht anschreiben, dann sieht die Gleichung so aus:
Formel 8
H2O(l) ⇄ H2O(g) H2O(l) ... flüssiges Wasser, H2O(g) ... Wasserdampf
Es soll gleich vorweggenommen werden, dass beim Verdampfen von Wasser Moleküle
mit den schweren Isotopen D und 18O nicht so leicht in die Dampfphase gelangen wie
jene mit ausschließlich leichten Isotopen (1H und 16O). Die hier stattfindende
Fraktionierung gestaltet sich wie folgt:
Formel 9
Der Fraktionierungsfaktor α für 18O/16O für den Übergang von flüssigem Wasser zu
Wasserdampf ist also nichts Anderes als das Isotopenverhältnis R(18O/16O) von
Wasserdampf (H2O(g)) dividiert durch das Isotopenverhältnis R(18O/16O) von flüssigem
Wasser (H2O(l)).
Die Isotopenfraktionierung erklärt sich durch die unterschiedlichen physikalischen
Eigenschaften der Isotope von ein und demselben Element. Vor allem ist hier die
unterschiedliche Masse zwischen dem schweren und dem leichten Isotop zu nennen,
die beim Wasserstoff am deutlichsten ausfällt. Ein Deuteriumatom ist ca. doppelt so
schwer wie ein Protiumatom (1H). Je größer dieses Massenverhältnis zwischen
schwerem und leichtem Isotop ist, desto deutlicher fällt auch die Fraktionierung aus
(Sharp, 2007).
Fraktionierung beim Element Kohlenstoff
Kohlenstoff weist, im Gegensatz zu den beiden bereits genannten Elementen, ein
schwereres Isotop, 13C, auf, das mit einer deutlich höheren Häufigkeit von ungefähr
1 % auftritt. Da der 13C-Atomkern zusätzlich auch noch einen Spin aufweist, reicht
diese Häufigkeit, um 13C-NMR betreiben zu können (Streitwieser et al., 1994).
30
Die δ-Werte (siehe 2.1.3) von Gasen der Atmosphäre sind – im Gegensatz zum Wasser
– sehr einheitlich, da hier ein einheitlicher Pool vorliegt und die Durchmischung viel
stärker ist. Bei Stickstoff ist es überhaupt so, dass der atmosphärische Stickstoff mit
seiner Zusammensetzung als Standard für die Messung von 15N/14N verwendet wird.
Beim Kohlenstoff wäre es keine gute Idee gewesen, CO2 als C-Standard zu definieren,
da sich das Verhältnis 13C/12C durch die Verbrennung fossiler Treibstoffe über die
letzten 6 Jahrzehnte stark verändert hat. Wurden im Jahr 1956 noch 13C-Werte von
-6,7 δ‰ Abweichung von Standard VPDB (Vienna PeeDee Belemnite) im CO2 der
Atmosphäre gemessen, so sind es heute weniger als -8 ‰. Fossile Treibstoffe liegen
bei -23 ‰ 13CVPDB und sind deutlich abgereichert (ärmer an 13C). Somit lässt sich auch
über stabile Isotope die Auswirkung der Verbrennung von Rohölprodukten verfolgen
(Sharp, 2007).
Bei den Pflanzen, die Kohlenstoff in Form von CO2 aus der Luft aufnehmen, lässt sich
noch eine ganz andere Form von Fraktionierung aufgrund biochemischer Aspekte
beobachten. Die größere Gruppe der C3-Pflanzen, die ihren Kohlenstoff über den
Calvin-Benson-Zyklus (oder C3-Zyklus) in die Kohlenhydrate einbaut, diskriminiert
13CO2 und baut bevorzugt 12CO2 ein. Dies führt dazu, dass diese Pflanzen gegenüber
dem Luft-CO2 deutlich abgereichert sind (-33 bis -23‰). Hier findet eine biochemische
Isotopenfraktionierung durch Stoffwechselenzyme statt. Eine weitere Gruppe von
Pflanzen, die C4-Pflanzen, die CO2 über das Akzeptormolekül Ribulosebisphosphat
aufnimmt, weist jedoch einen deutlich höheren Anteil von 13C auf (-16 - -9 ‰). Zu
den C4-Pflanzen gehören Mais und Zuckerrohr, während bei den C3 Pflanzen der hier
besprochene Kürbis und die Zuckerrübe wichtige Vertreter sind. Im Experiment (Teil
2, Abschnitt 0) wird dieser Sachverhalt verwendet, um Rohrzucker von Rübenzucker
zu unterscheiden, indem 13C/12C gemessen wird.
2.1.3 Messung von Isotopenverhältnissen mit Massenspektrometrie
Isotopologe können aufgrund ihrer unterschiedlichen Molekülmasse mittels
Massenspektrometrie aufgetrennt und quantitativ erfasst werden. Voraussetzung für
den Einsatz von Stabilisotopen-Massenspektrometrie ist das Vorliegen einer
gasförmigen Probe, die ins Vakuum der Ionisierungseinheit eingebracht wird. Im Falle
von organischen Verbindungen ist es daher oft notwendig, die Probe im
Sauerstoffstrom zu verbrennen, um dann, beispielsweise bei der 13C-Bestimmung das
31
entstehende Kohlendioxid, das die 13C-Signatur der Probe trägt, nach Auftrennung in
einem Gaschromatographen, zu bestimmen. Im Fall von Kohlendioxid (18O-
Bestimmung) werden die Massen m/z = 44 (12C16O2), m/z = 45 (13C16O2 oder
12C17O16O) und m/z = 46 (12C18O16O) selektiert und detektiert, wobei m/z für Masse
(Einheit g/mol oder Dalton) pro Ladungseinheit steht. Das Verhältnis der Signale für
m/z = 46 und m/z = 44 wird gebildet und mit den Standards (siehe Abschnitt 2.1.3)
verglichen.
Abbildung 4: Schematischer Aufbau eines Massenspektrometers, Quelle: JOANNEUM RESEARCH
Im Falle des Kohlendioxids werden die drei Detektor-Cups aus Abbildung 4 so
eingestellt, dass beschleunigte CO2-Ionen mit den Massen m/z 44, 45 und 46 erfasst
werden. Sobald die CO2-Fraktion aus dem Gaschromatographen austritt beginnt die
Messung der Isotope im Massenspektrometer.
2.1.3 Auswertung der Stabilisotopenmessung, Delta-Notation,
Standards
Bei der Stabilisotopenmessung werden im Grunde Isotopenverhältnisse gemessen. Das
Isotopenverhältnis R ist definiert durch die Stoffmenge des schwereren Isotops
dividiert durch die Stoffmenge des leichteren Isotops. Beim Wasserstoff ist das
Isotopenverhältnis durch das Verhältnis zwischen Deuterium (D) und leichtem
Wasserstoff (H) definiert.
Formel 10
𝑅 = DH
(R ... Isotopenverhältnis, D ... Stoffmenge Deuterium, H ... Stoffmenge Protium)
Das Isotopenverhältnis wird aber nicht direkt bestimmt, sondern durch Vergleich mit
einem Standard berechnet:
32
Formel 11
Man spricht auch von der Delta-Notation und bezeichnet den Wert auch als Delta-Wert
(δ), der in der Einheit Promille (‰) angegeben wird. Dieser Wert ist nun
aussagekräftig, da alle Isotopenlabors die gleichen Standards verwenden, so wie sie
von der Internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) festgelegt werden.
Abbildung 5: Ampullen mit dem Standard VIENNA STANDARD MEAN OCEAN WATER (VSMOW),
Quelle: Reston Stable Isotope Laboratory
Hat die Probe im Vergleich zum Standard einen höheren Gehalt am schweren Isotop,
so bezeichnet man sie als angereichert oder auch „schwerer“. Weist die Probe einen
geringeren Gehalt am schwereren Isotop (z.B. Deuterium) auf, so wird sie als
abgereichert oder „leichter“ bezeichnet.
Neben VSMOW gibt es noch ein paar andere Standards im Wasserbereich, die hier
noch erwähnt werden sollen (Abbildung 6):
Abbildung 6: Wasserstandards aus „Principles of isotopes in geochemistry“ (Sharp, 2007)
33
Für die Untersuchung der Kürbiskernöle wurden für die Bestimmung von 2H/1H als
Referenzmaterialien NBS 22 (δ2H = -119,6 ‰) und Cellulose C3, beide von der IAEA,
sowie ein interner Cellulose-Laborstandard von Merck verwendet. Die jeweiligen Delta-
Werte beziehen sich auf VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water, IAEA).
Für die Bestimmung der 13C/12C Isotopenverhältnisse wurde mit den Standards IAEA-
CH-3 (δ13C = -24,724 ‰), IAEA-C3 (δ13C = -24,91 ‰) und dem bereits erwähnten
Cellulose-Laborstandard von Merck kalibriert. Die Delta-Werte beziehen sich auf den
Standard VPDB (Vienna PeeDee Belemnite), einem marinen Calciumcarbonat, das von
einem kreidezeitlichen Fossil aus der Peedee-Formation in South Carolina (USA)
stammt (Sharp, 2007).
2.2 Durchführung
Das Verhältnisse der stabilen Kohlenstoffisotope 13C/12C und der Wasserstoffisotope
2H/1H wurden im Laborzentrum für Isotopenhydrologie und Umweltanalytik der
JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH gemessen. In beiden Fällen kam
ein Elementanalysator (Euro EA, HEKAtech GmbH, Wegberg, Deutschland) - gekoppelt
mit einem DELTAplus XP Massenspektrometer (Thermo Finnigan) über eine variable
Open-Split-Einheit (ConFlow III, Thermo Finnigan) zum Einsatz. Es wurde jeweils eine
Menge von etwa 800 µg Probe oder Referenzmaterial 5 mal in Zinnkapseln eingewogen
und im Elementanalysator verbrannt (Lukas et al., 2013).
34
2.3 Ergebnisse
In Tabelle 8 sind die Ergebnisse aus der Isotopenanalytik aufgelistet. Es handelt sich
jeweils um Mittelwerte aus den 5 Messungen inklusive der dazugehörigen
Standardabweichung. Zur Veranschaulichung sind in Abbildung 7 die Werte aus der
Isotopenanalytik gegeneinander aufgetragen:
Abbildung 7: Darstellung der Isotopenwerte (δ13C vertikal, δ2H horizontal. Die blauen Rauten sind
die Kürbiskernöle mit steirischem Gütesiegel, die roten Quadrate sind 7 auswertige Öle. (eigene
Daten)
Die Isotopenwerte liegen für δ13CVPDB zwischen -27,72 und -29,68 und für δ2HVSMOW
zwischen -171,14 und -184,74 ‰. Die Werte der Proben G-4214 und G-4215 werden
als Ausreißer behandelt (siehe Abbildung5), da es sich hier vermutlich um Messfehler
handelt (Lukas et al., 2013).
35
Tabelle 8: Ergebnisse aus der Isotopenuntersuchungen (δ13CVPDB und δ2HVSMOW) an ausgewählten
Kürbiskernölen, eigene Daten
Labornummer δ13CVPDB
‰
Standard-
abweichung
δ2HVSMOW
‰
Standard-
abweichung
G-4203 -28,45 0,03 -173,76 0,70
G-4204 -29,06 0,12 -176,76 0,93
G-4205 -28,67 0,15 -175,83 1,21
G-4206 -28,48 0,10 -171,24 1,49
G-4207 -28,63 0,07 -179,61 1,13
G-4208 -28,04 0,14 -178,10 0,88
G-4209 -29,10 0,10 -175,05 1,75
G-4210 -28,10 0,15 -178,36 0,24
G-4211 -29,18 0,22 -174,42 1,75
G-4212 -28,49 0,28 -178,03 2,28
G-4213 -28,37 0,17 -175,41 1,33
G-4214 -29,01 0,20 -138,77 1,82
G-4215 -28,69 0,18 -143,24 1,93
G-4216 -28,05 0,24 -171,21 1,06
G-4217 -28,14 0,09 -175,17 0,57
G-4218 -28,17 0,12 -175,92 1,34
G-4219 -28,66 0,18 -173,37 1,45
G-4220 -28,54 0,12 -176,47 0,91
G-4221 -28,33 0,26 -177,32 0,92
G-4222 -28,51 0,19 -171,40 2,02
G-4223 -28,61 0,17 -171,47 1,65
G-4224 -28,85 0,21 -176,29 0,78
G-4225 -28,51 0,13 -179,67 1,22
G-4226 -27,96 0,22 -175,59 1,17
G-4227 -28,03 0,24 -176,86 1,57
G-4228 -29,20 0,27 -176,32 1,72
G-4229 -27,72 0,15 -172,62 1,91
G-4230 -28,56 0,14 -171,14 1,72
G-4231 -27,86 0,22 -175,60 3,55
G-4232 -28,76 0,22 -178,47 1,62
G-4233 -28,71 0,11 -183,47 1,29
G-4234 -29,68 0,20 -179,12 2,10
G-4235 -27,80 0,28 -179,91 0,82
36
3. Bestimmung der Seltenen Erden mit ICP-MS
Die Selten Erden umfassen die 15 Lanthanide (57La bis 71Lu) und 39Y, wobei sich der
Name daraus ergibt, dass diese Elemente als Oxide seltener Mineralien im 18. und 19.
Jahrhundert entdeckt wurden. Aufgrund ihrer Reaktivität gestaltete es sich als
schwierig, diese Elemente in reiner Form zu erhalten. Weiters ist ihre Auftrennung
aufgrund ihrer sehr ähnlichen chemischen Eigenschaften sehr schwierig (Castor &
Hedrick, 2006). Dadurch gelang es erst im 20. Jahrhundert, alle Elemente der Seltenen
Erden zu identifizieren. 61Pm konnte erst 1945 gefunden werden und 71Lu lag erst 1953
erstmals in reiner Form vor (Emsley, 2001).
3.1 Häufigkeit der Seltenen Erden in der Erdkruste
Die meisten Seltenen Erden sind nicht so selten, wie man aufgrund ihrer Bezeichnung
vermuten möchte. Cer als häufigstes Metall unter ihnen kommt in der Erdkruste
häufiger vor als Kupfer. Viele Vertreter der Seltenen Erden sind häufiger als Zinn oder
Molybdän und alle - außer Promethium, von dem es keine stabilen Isotope gibt –
kommen häufiger vor als Silber und Quecksilber (Taylor & McLennan, 1985).
Tabelle 9: Häufigkeit der Seltenen Erden in der oberen Erdkruste bzw. im Chondrit in ppm. Quelle:
„Rare Earth Elements“ in „Industrial Minerals and rocks“ (Castor & Hedrick, 2006), bearbeitet
Element Elementsymbol Ordnungszahl Häufigkeit in der
oberen Erdkruste
in ppm
Häufigkeit im
Chondrit in ppm
Yttrium Y 39 22 nicht verfügbar
Lanthanum La 57 30 0,34
Cerium Ce 58 64 0,91
Praseodymium Pr 59 7,1 0,121
Neodymium Nd 60 26 0,64
Promethium Pm 61 nicht verfügbar nicht verfügbar
Samarium Sm 62 4,5 0,195
Europium Eu 63 0,88 0,073
Gadolinium Gd 64 3,8 0,26
Terbium Tb 65 0,64 0,047
Dysprosium Dy 66 3,5 0,30
Holmium Ho 67 0,80 0,078
Erbium Er 68 2,3 0,20
Thulium Tm 69 0,33 0,032
Ytterbium Yb 70 2,2 0,22
Lutetium Lu 71 0,32 0,034
37
Generell kann gesagt werden, dass Elemente mit kleinerer Ordnungszahl häufiger in
der Erdkruste vorkommen als jene mit höherer Ordnungszahl. Die Vertreter mit
gerader Ordnungszahl treten zudem häufiger auf als jene mit ungerader, wie in Tabelle
9 klar ersichtlich ist (Castor & Hedrick, 2006).
Die Lanthanide werden in die leichten Lanthanide (light rare earth elements, LREE)
von 57La bis 63Eu und die schweren Lanthanide (heavy rare earth elements, HREE) von
64Gd bis 71Lu unterteilt. Yttrium wird trotz seiner geringeren Atommasse zu den HREE
gezählt, weil sein chemisches und physikalisches Verhalten eher in diese Gruppe passt
(Castor & Hedrick, 2006).
3.2 Einheitliche chemische Eigenschaften der Seltenen Erden
Die ähnlichen Eigenschaften der Seltenen Erden, die auch für die schwierige
Auftrennung derselben verantwortlich sind, begründen sich durch die dominierende
Oxidationszahl +3, sowie durch den Ionenradius, der durch steigende Ordnungszahl
nicht größer wird. Die Valenzschale ändert sich von Element zu Element nicht, und
weist in allen Lanthaniden die Elektronenkonfiguration 6s2 auf. Das „Auffüllen“ mit
Elektronen bei steigender Ordnungszahl involviert die inneren 4f Orbitale und bei La
und Lu auch das 5d-Orbital ([Xe]5d16s2 für La, [Xe]4f145d16s2 für Lu). Durch die
einheitliche Oxidationszahl und den einheitlichen Atomradius lassen sich Lanthanide in
Kristallgittern gut austauschen, was die weite Verbreitung in der Erdkruste und das
multiple Auftreten in ein und demselben Mineral erklärt (Castor & Hedrick, 2006).
3.3 Anwendung der Seltenen Erden im gegenständlichen Projekt
Die Häufigkeitsverteilung der Seltenen Erden lässt sich durch Massenspekrometrie -
nach Einbringen der Probe in ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP-MS) - bestimmen
und kann beispielsweise als regionaler Fingerabdruck für eine Bodenprobe dienen
(Joebstl et al., 2010). Der Vergleich der Häufigkeiten der Lanthanide erfolgt durch
logarithmische Auftragung der gemessenen Häufigkeiten in Vergleich zur
durchschnittlichen Zusammensetzung von Chondriten nach William F. McDonough,
einer Gruppe von Meteoriten deren Alter ähnlich dem der Erde ist (William F.
McDonough).
Diese Normalisierung kompensiert die zuvor angesprochenen Häufigkeitsunterschiede
zwischen Elementen mit gerad- und ungeradzahliger Ordnungszahl. Zusätzlich lässt
38
sich dadurch der Grad der die geologisch interessante Fraktionierung der Lanthanide,
also die Abweichung von der Chondritenzusammensetzung, erfassen. Man geht davon
aus, das der Chondritenstandard die ursprügliche Zusammensetzung des Erdmantels
in Bezug auf die Lanthanide aufweist (Castor & Hedrick, 2006).
Die Konzentrationen von anorganischen Komponenten im Boden, und die der Seltenen
Erden im Speziellen, werden durch den geologischen Untergrund bestimmt. Während
im Gestein der oberen Erdkruste die HREE (heavy rare earth elements: Gd, Tb, Dy,
Ho, Er, Tm, Yb und Lu) – Gruppe häufiger vorkommt, ist es bei den Böden die Gruppe
der LREE La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu (Joebstl et al., 2010).
Im gegenständlichen Projekt wurden 12 Bodenproben von Kürbisfeldern in vier
Bezirken der Steiermark genommen und nach Verschneiden mit der digitalen
Bodenkarte eBOD (Michael Wandl) stellte sich heraus, dass an den jeder
Probenahmestelle ein eigener Bodentyp vorliegt (Lukas et al., 2013).
Joebstl et al. haben in ihrer Arbeit, die sich auf ICP-MS und der Gewinnung von REE-
Patterns stützt, darauf hingewiesen, dass Seltene Erden von Pflanzen über den Dünger
und Boden aufgenommen werden und haben auch zahlreiche Arbeiten zitiert, in denen
Spurenelemente und REE-Patterns für Herkunftsnachweise unterschiedlicher
Lebensmittel herangezogen wurden (Joebstl et al., 2010).
3.4 Ergebnisse der Spurenelementanalytik
Mit der Bestimmung der Seltenen Erden mit ICP-MS wurde das Ziel verfolgt,
Spurenelementmuster in Bodenproben der Kernölfelder mit denen im Kürbiskernöl zu
vergleichen. Die jeweiligen gemessenen Konzentrationen wurden durch die
Konzentration in der durchschnittlichen Chondritenzusammensetzung nach William F.
McDonough dividiert und logarithmisch aufgetragen. Die Konzentration in den
Bodenproben wurde durch die Gewinnung der Bodenlösung durch Einsatz einer Presse
gewonnen. Durch dieses „Auspressen“ des Wassers aus der Bodenprobe wurde die
Notwendigkeit eines chemischen Aufschlusses umgangen. Die Kürbiskernöle wurden
mit HNO3 in Quarztiegeln aufgeschlossen und dann vermessen (Lukas et al., 2013).
39
Direkter Vergleich zwischen Bodenprobe und Kürbiskernen vom selben Feld
Um die Gleichmäßigkeit des Aufnehmens der Spurenelemente in die Pflanze und
letztendlich in das Kürbiskernöl zu untersuchen, wurde eine Bodenprobe mit
Kürbiskernöl (aus dem Jahr 2012) verglichen, das nur aus Kernen gepresst wurde, die
tatsächlich von diesem Feld stammen. In Abbildung 8 wurde zusätzlich ein Kürbiskernöl
von demselben Betrieb aus dem Jahr 2010 aufgetragen.
Abbildung 8: Vergleich der Seltene-Erden-Muster zwischen Kernölproben und Bodenlösung am
Beispiel G-4221, normiert auf die Chondritenzusammensetzung nach William F. McDonough. Das
Kernöl aus dem Jahr 2012 stammt von exakt demselben Feld, von dem auch die Bodenprobe
genommen wurde. Quelle: Endbericht „FoodOriginCheck“ (Lukas et al., 2013)
Hier wird erwartet, dass die Korrelation (siehe Abschnitt 4) zwischen der normierten
Zusammensetzung der Lanthanide im Boden und jener im Kürbiskernöl am höchsten
ist. Es ist auch eine Übereinstimmung zwischen dem Öl aus 2010 und jenem aus 2012
erkennbar, mit Ausnahme des Elements Europium, auf das noch eingegangen werden
wird. Im Rahmen des Projektes war es leider nicht möglich, weitere Paarungen von
Bodenproben und Kürbiskernöl zu messen, da in der Regel größere Chargen an
Kürbiskernen verpresst werden, die Kerne von mehreren Betrieben beinhalten.
40
Europium-Anomalie
Die Anreicherung des Elements Europium (63Eu) wird in der Literatur als „Europium-
Anomalie“ beschrieben (Castor & Hedrick, 2006; Joebstl et al., 2010). Ist Eu – wie in
Abbildung 8 - im Vergleich zu den restlichen Lanthaniden gegenüber der
Chondritenzusammensetzung angereichert, so spricht man von einer positiven
Europium-Anomalie, sonst von einer negativen. Europium kann neben der
Oxidationszahl +3 unter reduzierenden Bedingungen auch als Eu2+ vorliegen und so
statt Ca2+ in Mineralien eingebaut werden, wodurch seine relative Anreicherung erklärt
wird. Eine ähnliche Anomalie wird beim Element Cer (58Ce) beobachtet, wo unter
oxidierenden Bedingungen Ce4+ vorliegen kann, das weniger wasserlöslich als Ce3+ ist
(Castor & Hedrick, 2006).
Vergleich zweier Bodenproben desselben Betriebs mit dem Öl
Das Kürbiskern mit der Probennummer G 4208 stammt von einem Betrieb, dessen zwei
beprobten Felder 5 km weit auseinander auf älteren Quartärschichten des steirischen
Hügellandes liegen und auf der österreichischen Bodenkarte in zwei verschiedene
Bodentypen fallen (pseudovergleyte kalkfreie - und silikatische Lockersediment-
Braunerde, Lukas et al., 2013).
41
Abbildung 9: Vergleich zweier Bodenproben vom Betrieb G-4208 mit einem Kürbiskernöl aus dem
Jahr 2011. Zwei Felder, die zum selben Betrieb gehören und wenige Kilometer auseinander liegen
zeigen sehr unterschiedliche Verteilungen, was die Seltenen Erden betrifft. Die Werte sind normiert
auf die Chondritenzusammensetzung nach William F. McDonough. Quelle: Endbericht
„FoodOriginCheck“ (Lukas et al., 2013)
Es zeigt sich hier deutlich, ohne die statistische Korrelation zu kennen, dass sich die
beiden Bodenproben signifikant unterscheiden, vor allem was das Element Dysprosium
betrifft. Beide weisen eine positive Eu-Anomalie auf, zeigen aber im Bereich der
leichten Seltenen Erden (LREE) kaum eine erkennbare Übereinstimmung. Vergleicht
man das Muster des Kürbiskernöls mit den beiden Bodenproben, so lässt sich nicht so
einfach sagen, welche Bodenprobe sich besser mit dem Öl deckt.
Vergleich der beiden Druckstufen für die Gewinnung der Bodenlösung
Der Einsatz der Bodenlösung zu Bestimmung der Seltenen Erden machte eine weitere
Untersuchung notwendig. Zur Gewinnung der Bodenlösung mit einer Bodenpresse
wurden 2 Druckstufen verwendet (Stufe 1: 0-280 kg/cm2 und Stufe 2: 280 kg/cm2 bis
560 kg/cm2. Abbildung 10 und Abbildung 11 zeigen für die Proben G-4224 und G-4205
den Vergleich der beiden Druckstufen für die Bodenlösung und die Gegenüberstellung
mit dem Kürbiskernöl desselben Betriebes.
42
Abbildung 10: Vergleich der Seltene-Erden-Muster zwischen Kernölproben und Bodenlösung am
Standort G-4224. Die Werte sind normiert auf die Chondritenzusammensetzung nach William F.
McDonough. Quelle: Endbericht „FoodOriginCheck“ (Lukas et al., 2013)
Abbildung 11: Vergleich der Seltene-Erden-Muster zwischen Kernölproben und Bodenlösung am
Standort G-4205. Die Werte sind normiert auf die Chondritenzusammensetzung nach William F.
McDonough. Quelle: Endbericht „FoodOriginCheck“ (Lukas et al., 2013)
Die Konzentrationen sind in Druckstufe 2 geringer, zeigen aber ein in beiden Fällen
ähnliches Muster. In beiden Kernölen ist das Element Thulium im Vergleich zur
43
Bodenlösung abgereichert. Dies könnte damit zu tun haben, dass auch Thulium als
zweiwertiges Tm2+-Ion vorliegen kann und ähnlich wie Europium unter Umständen
eine Anomalie zeigt.
Vergleich zwischen Kernen und daraus erhaltenem Öl
Um eine mögliche Fraktionierung der Seltenen Erden beim Pressvorgang selbst zu
untersuchen, wurden getrocknete Kerne mit dem daraus gewonnenen Öl verglichen.
Es hat sich sehr deutlich gezeigt (siehe Abbildung 12), dass die Konzentration der
Seltenen Erden in den Kernen deutlich erhöht ist. Daraus ergibt sich eine höhere
Messgenauigkeit, die sich in der guten Übereinstimmung der 5 Messungen für die
Kürbiskerne zeigt.
Beim Kürbiskernöl, das vierfach bestimmt wurde, ist die Konzentration der Seltenen
Erden geringer und damit die Streuung höher. Immerhin handelt es sich bei
Pflanzenölen um hydrophobes Material, das hauptsächlich aus organischen
Verbindungen besteht. Dennoch zeigt sich ein ähnliches Muster der
Spurenelementverteilung zwischen den Kernen und dem daraus gepressten Öl. Um
überhaupt eine ausreichende Messgenauigkeit zu erzielen, mussten die Proben in
Quarztiegeln aufgeschlossen werden, da bei Teflongefäßen die Blindwerte zu hoch
waren (Lukas et al., 2013).
44
Abbildung 12: Vergleich der Konzentration an Seltenen Erden von Kürbiskernen (obere 5 Kurven) mit
dem daraus gepressten Kernöl (untere 4 Kurven). Die Werte sind normiert auf die
Chondritenzusammensetzung nach William F. McDonough. Quelle: Endbericht „FoodOriginCheck“
(Lukas et al., 2013)
Es liegen nun aus dem gegenständlichen Projekt Werte für die Lanthaniden-
konzentrationen aller gemessenen Kürbiskernöle vor, wobei von 12 Betrieben auch
Bodenproben genommen werden konnten. Im folgenden Abschnitt wird nun versucht,
diese Daten sinnvoll auszuwerten. Sollte die Strategie in die Richtung gehen, dass ein
Vergleich zwischen Bodenprobe und Kürbiskernöl zur Sicherung der geographischen
Herkunft herangezogen wird, so muss ein mathematisches Verfahren zur Errechnung
er Korrelation und ein Grenzwert definiert werden. Abschnitt 4 zeigt Möglichkeiten zur
Auswertung der Daten auf.
45
4. Statistische Aufarbeitung der Daten
Die Problemstellung in der gegenständlichen Arbeit weist sehr viele Parallelitäten zu
Untersuchungen im Bereich „Metabolomics“ auf, weshalb hier auf die Masterarbeit von
Frau Stadlmüller von der TU-Graz (Stadlmüller, 2011) zurückgegriffen wird. Ein
Teilgebiet der Mathematik namens „Chemometrie“ (engl. Chemometrics) scheint sich
aufgrund der Häufigkeit solcher Fragestellungen etabliert zu haben (Wold, Sjöström,
& Eriksson, 2001).
Es liegen verschiedene Datensätze vor, die mit unterschiedlichen Analyseverfahren
gewonnen wurden. Während im Bereich Metabolomics oft die Proben in die
Zugehörigkeitskategorien „kranke Patienten“ und „gesunde Patienten“ unterteilt
werden, ist es hier die Unterteilung in g.g.A.-Gebiet (26 Kernöle mit Gütesiegel) und
nicht-g.g.A.-Gebiet (7 Kernöle ohne Gütesiegel, teils ausländischer Herkunft). Es wird
versucht, die Korrelation zwischen den Datensätzen zu berechnen, um einen
numerischen Wert für die Übereinstimmung zwischen dem Kürbiskernöl und dem
Boden, auf dem die Kürbisse gewachsen sind, zu bekommen. Zudem wird versucht
Verfahren zu identifizieren, die weggelassen werden können ohne die
Gruppentrennung zu beeinträchtigen, um letztendlich die Kosten für die Analysen im
Bereich der Qualitätssicherung gering zu halten. Zunächst wird allgemein auf die
Auswahl an statistischen Verfahren eingegangen.
4.1 Überblick über die statistischen Methoden
Der Datensatz umfasst 26 Kernöle mit Gütesiegel (Steirisches Kürbiskernöl, g.g.A) und
7 Kernöle, teils ausländischer Herkunft, die kein Gütesiegel aufweisen. Für alle diese
Öle wurden folgende Parameter bestimmt:
Gehalt an gesättigten Fettsäuren, Linolsäure und Ölsäure (NMR, 3
Spalten)
Gehalt an 2H und 13C (Stabilisotopenanalytik, 2 Spalten)
Gehalt an Seltenen Erden (57La bis 71Lu ohne 61Pm, 14 Spalten)
Die gesammelten Daten sind unterteilt in die beiden Gruppen mit- und ohne
Gütesiegel. Somit entsteht eine Datenmatrix mit 33 Zeilen und 19 Spalten, rein aus
der Gesamtheit an Messwerten. Die Mathematik bezeichnet dies als multivariate
Datenmenge (Stadlmüller, 2011).
46
4.1.1 Univariate und multivariate statistische Methoden
Obwohl es sich hier um eine multivariate Datenmenge handelt macht es Sinn, sich am
Anfang jeden Parameter getrennt anzusehen, also jede Spalte für sich zu analysieren,
was univariate Datenanalyse genannt wird. Hier geht es vor allem darum, die Streuung
der Daten für jeden Parameter zu erfassen und Ausreißer zu erkennen. Lässt man
solche Ausreißer in den Daten, so werden naturgemäß Mittelwert und
Standardabweichung verfälscht. Um überhaupt die später beschriebenen Methoden
anwenden zu können, muss eine standardisierte Datenmatrix (mit n mal p Elementen)
erstellt werden, da ja alle Datenspalten unterschiedliche Zahlenbereiche aufweisen
(siehe Tabelle 10).
Tabelle 10: Isotopen- und NMR-Daten der nicht-steirischen Öle, eigene Daten
δ13CVPDB δ2HVSMOW Linolsäure
(%)
Ölsäure
(%)
gesättigte F.
(%)
G-4229 -27,72 -172,62 40,91 36,72 19,91
G-4230 -28,56 -171,14 49,95 28,14 19,47
G-4231 -27,86 -175,60 39,76 37,93 19,89
G-4232 -28,76 -178,47 46,08 34,24 17,07
G-4233 -28,71 -183,47 45,07 34,83 17,67
G-4234 -29,68 -179,12 41,79 37,81 18,02
G-4235 -27,80 -179,91 43,80 34,02 19,81
Mittelwerte und empirische Standardabweichungen dieser Datensätze wurden
gebildet:
Tabelle 11: Empirische Standardabweichung und Mittelwerte, eigene Daten
𝒔j 0,71 4,32 3,50 3,36 1,21
�̅�j -28,44 -177,19 43,91 34,81 18,83
Hierfür wird für jeden Wert der Abstand zum Mittelwert durch die Standardabweichung
dividiert. Somit wird das Problem der unterschiedlichen Zahlenwerte umgangen. Ein
Fehler in Mittelwert und Standardabweichung wirkt sich auf die Standardisierung der
Werte nach der nachfolgenden Formel aus:
47
Formel 12
𝑧ij = (𝑥ij – �̅�j) / 𝑠j i = 1, . . . , n, j = 1, . . . , p,
Daraus ergibt sich für jeden Wert 𝑥ij aus Tabelle ein standardisierter Wert 𝑧ij und
letztendlich wieder eine Matrix mit n mal p Elementen, die jetzt standardisiert ist, so
dass jeder Parameter einen ähnlichen Einfluss auf die Klassifizierung haben kann.
Tabelle 12: Standardisierte Datenmatrix mit den Isotopen- und NMR-Daten, eigene Daten
d13CVPDB d2HVSMOW Linolsäure
(%)
Ölsäure
(%)
gesättigte F.
(%)
G-4229 1,02 1,06 -0,86 0,57 0,89
G-4230 -0,17 1,40 1,73 -1,98 0,53
G-4231 0,82 0,37 -1,19 0,93 0,87
G-4232 -0,45 -0,30 0,62 -0,17 -1,46
G-4233 -0,38 -1,45 0,33 0,00 -0,96
G-4234 -1,75 -0,45 -0,60 0,89 -0,68
G-4235 0,91 -0,63 -0,03 -0,24 0,81
Liegt bei den Daten einer Spalte (also eines Messparameters) eine Normalverteilung
vor, so können Varianzanalyse, t-Test oder z-Test herangezogen werden. Wenn nicht,
eignet sich der Kruskal-Wallis-Test (Stadlmüller, 2011).
Generell empfiehlt es sich, jede Spalte in der Datenmatrix mit je einem Box-Whisker-
Plot für beide Gruppen von Daten (steirisch und nicht-steirisch) anzusehen.
Abbildung 13: Box-Whisker-Plots der 13C/12C Isotopendaten in δ‰ VPDB. Die Whisker liegen am
Maximal- und Minimalwert, eigene Daten
48
4.1.2 Supervised-learning – Methoden
Supervised-learning – Methoden werden dann angewandt, wenn – wie beim
gegenständlichen Projekt – die Daten bereits in 2 Gruppen unterteilt sind: Solche aus
dem g.g.A.-Gebiet und solche außerhalb des g.g.A.-Gebietes. Bei Metabolomics-
Studien verhält es sich ähnlich. Daten von kranken und gesunden Patienten sind
bereits in 2 Gruppen unterteilt, weil von vorne herein klar ist, ob die Patienten krank
oder gesund sind.
Diese beiden Klassen von Daten werden in der Statistik als Output-Parameter
bezeichnet, während die Messwerte die Input-Parameter sind. Die Partial-Least-
Squares – Diskriminanzanalyse ist ein solches Verfahren, das auch hier zur Anwendung
kommen kann, da eben die Unterteilung der Daten von vorne herein bekannt ist. Das
Zurückgreifen auf diesen Output-Parameter als zusätzliche Information macht diese
Methoden mitunter leistungsfähiger als, die als nächstes angesprochenen,
Unsupervised-learning – Methoden (Stadlmüller, 2011). Die hier eingesetzte Lineare
Diskriminanzanalyse (Venables & Ripley, 1999) gehört ebenfalls zu den supervised-
learning - Methoden.
4.1.3 Unsupervised-learning – Methoden
Bei diesen Methoden werden nur die Input-Daten, also die Messwerte, verwendet und
als Ergebnis eine Unterteilung der Daten in 2 Cluster erreicht, wobei die Zugehörigkeit
der einzelnen Proben zu einen der beiden Cluster von vorne herein nicht bekannt ist.
Solche Verfahren wären die sog. Hauptkomponentenanalyse oder PCA (Stadlmüller,
2011).
Im gegenständlichen Projekt sind wir bei der Supervised-learning – Methode darauf
angewiesen, dass die Zugehörigkeit zum g.g.A.-Gebiet der Proben mit Banderole
wirklich stimmt. Es darf nicht vergessen werden, dass noch keine Patentmethode
gefunden wurde, um dies mit Sicherheit zu bestimmen und diese Arbeit ein wichtiger
Schritt in diese Richtung sein soll. Daher würde es durchaus Sinn machen, eine PCA
über den Datensatz laufen zu lassen um zu sehen, ob sich nicht eine ganz andere
Unterteilung der Daten ergibt, als im Vorfeld angenommen wird.
49
4.2 Auswertung der Daten
Zur Analyse des Datenmaterials wurde die Software R (The R Foundation for Statistical
Computing, 2016) in der Version 3.2.4 eingesetzt, wobei die Zusatzpakete „MASS“ (für
die lineare Diskriminanzanalyse) und „car“ (für Scatterplots) dazu installiert wurden.
Das gesamte Script findet sich im Anhang 2.
Die Daten für das Fettsäureprofil sowie die 13C und 2H-Werte werden direkt in
standardisierter Form herangezogen. Bei den Seltenen Erden geht es in erster Linie
um die Korrelation zwischen den Werten in der Bodenlösung und jenen im
Kürbiskernöl. Diese Korrelation wird gesondert betrachtet (4.2.3).
4.2.1 Darstellung der standardisierten Daten
Nach Entfernung der beiden Ausreißer G-4214 und G-4215, die beim 2H/1H-
Isotopenverhältnis über 3 Standardabweichungen vom Mittelwert entfernt lagen, bleibt
ein Datensatz mit 31 Kürbiskernölen (24 aus dem g.g.A.-Gebiet und 7 außerhalb, für
die 5 Parameter als unabhängige Variablen zur Verfügung stehen (13C/12C, 2H/1H,
Gehalt an gesättigten Fettsäuren, Gehalt an Ölsäure, Gehalt an Linolsäure) übrig. Alle
Parameter wurden nach Formel 12 standardisiert (siehe Tabelle 12).
50
Tabelle 13: Standardisierte Daten aus den NMR- und Isotopenmessungen, eigene Daten
Probennummer g.g.A -
Gebiet
13C 1H L (%) O (%) S (%)
G-4203 1 0,09 0,72 -0,55 0,40 0,24
G-4204 1 -1,25 -0,28 0,94 -0,67 -0,08
G-4205 1 -0,39 0,03 -1,09 0,93 0,15
G-4206 1 0,02 1,56 -0,13 0,28 -0,24
G-4207 1 -0,31 -1,23 0,36 -0,59 0,84
G-4208 1 0,99 -0,72 0,00 -0,11 0,34
G-4209 1 -1,34 0,29 1,00 -1,12 0,68
G-4210 1 0,86 -0,81 -1,39 1,48 -0,19
G-4211 1 -1,51 0,50 -0,74 0,51 0,15
G-4212 1 0,00 -0,70 -0,75 0,40 0,42
G-4213 1 0,27 0,17 -0,84 0,54 0,45
G-4216 1 0,97 1,57 0,43 -0,92 0,94
G-4217 1 0,77 0,25 0,35 -0,66 0,80
G-4218 1 0,70 0,00 0,12 -0,38 0,52
G-4219 1 -0,37 0,85 0,70 -1,25 1,11
G-4220 1 -0,11 -0,18 1,55 -1,92 0,97
G-4221 1 0,35 -0,46 0,63 -0,67 0,05
G-4222 1 -0,04 1,51 -0,77 0,55 0,66
G-4223 1 -0,26 1,49 -0,44 0,52 0,01
G-4224 1 -0,79 -0,12 0,25 -0,53 0,70
G-4225 1 -0,04 -1,25 -0,25 0,17 0,16
G-4226 1 1,17 0,11 0,01 0,11 0,05
G-4227 1 1,01 -0,31 -0,59 0,65 0,01
G-4228 1 -1,56 -0,13 0,02 -0,57 0,88
G-4229 0 1,69 1,10 -0,92 1,01 -0,27
G-4230 0 -0,15 1,60 3,26 -2,72 -0,74
G-4231 0 1,39 0,11 -1,80 1,75 -0,32
G-4232 0 -0,59 -0,85 0,35 0,78 -3,28
G-4233 0 -0,48 -2,51 1,50 -0,04 -2,46
G-4234 0 -2,61 -1,06 -0,74 1,71 -2,19
G-4235 0 1,52 -1,33 -0,45 0,34 -0,33
51
Jeder Parameter wird dann für sich als Box-Whisker-Plot dargestellt, wobei jeweils die
Werte der Öle aus dem g.g.A.-Gebiet (STMK) jenen außerhalb des g.g.A.-Gebietes
(nicht STMK) gegenübergestellt wurden (Abbildung 14):
Abbildung 14: Boxplots zur Veranschaulichung der Daten für die 5 Parameter aus Isotopenanalytik
und Fettsäureprofil und Gegenüberstellung der Öle aus dem g.g.A.-Gebiet (STMK) mit jenen
außerhalb des g.g.A.-Gebietes (nicht STMK), eigene Daten, erstellt mit „R“ (The R Foundation for
Statistical Computing, 2016)
52
53
Abbildung 15: Scatterplots, bei denen alle Variablen paarweise gegeneinander aufgetragen wurden.
Rote Punkte stehen für Proben außerhalb des g.g.A.-Gebietes, grüne für Proben aus dem g.g.A.-
Gebiet, eigene Daten, erstellt mit „R“ (The R Foundation for Statistical Computing, 2016)
54
4.2.2 Lineare Diskriminanzanalyse
Für die LDA wurden 2 Modelle untersucht:
Beim Modell 1 wurden alle 5 Parameter linear eingesetzt (jede Variable für sich).
Aufgrund der Probenzahl ergeben sich folgende Wahrscheinlichkeiten für die
Gruppenzugehörigkeiten:
nicht STMK: 0,2258065; STMK: 0,7741935
Tabelle 14: Gruppierte Mittelwerte und LDA-Koeffizienten für das LDA-Modell 1, eigene Daten
13C/12C 2H/1H L O S
nichtSTMK 0.110 -0.420 0.171 0.404 -1.370
STMK -0.032 0.119 -0.049 -0.119 0.401
LDA-Koeffi-
zienten
0,4817 -0,1180 1,9810 2,369 2,710
Bei der Anwendung dieses Modells wurden 2 Proben außerhalb des g.g.A.-Gebietes
falsch zugeordnet, d.h. als g.g.A.-Proben identifiziert, wie die folgende Kreuztabelle für
die Prädikation zeigt:
Tabelle 15: Kreuztabelle für die Klassenzugehörigkeit im LDA-Modell 1, eigene Daten
Zuordnung/Prädikation
Herkunft nicht g.g.A. g.g.A.
nicht STMK 5 2
STMK 0 24
Um diesen Umstand zu verbessern, wurde ein zweites Modell entwickelt, in welchem
der Parameter 13C/12C durch das Produkt aus 13C/12C·L ersetzt wurde:
55
Für das Modell 2 ergeben sich folgende Mittelwerte und LDA-Koeffizienten:
Tabelle 16: Gruppierte Mittelwerte und LDA-Koeffizienten für das LDA-Modell 2, eigene Daten
2H/1H L O S 13C/12C·L
nicht STMK -0,420 0,171 0,404 -1,370 -0,604
STMK 0,119 -0,049 -0,119 0,401 -0,111
LDA-
Koeffizienten
-0,162 2,914 3,281 3,097 0,818
Für dieses Modell 2 gab es im verwendeten Datensatz keine Falschzuordnungen, so
dass die rechnerisch geschaffenen Gruppen aus der linearen Diskriminanzanalyse mit
den tatsächlich vorliegenden Gruppen STMK / nicht STMK (oder innerhalb bzw.
außerhalb des g.g.A.-Gebietes) zu 100 % übereinstimmen.
Tabelle 17: Kreuztabelle für die Klassenzugehörigkeit im LDA-Modell 2, eigene Daten
Zuordnung/Prädikation
Herkunft nicht g.g.A. g.g.A.
nicht STMK 7 0
STMK 0 24
Eine grafische Darstellung der geschätzten Dichtefunktionen für die beiden Gruppen
findet sich in Abbildung 16. Auf der y-Achse sind die Wahrscheinlichkeiten aufgetragen
und auf der x-Achse die Verteilungen.
Abbildung 16: Plot der geschätzten Dichtefunktionen der beiden Gruppen für die Werte des linearen
Diskriminators LD2, eigene Daten, erstellt mit „R“ (The R Foundation for Statistical Computing, 2016)
56
4.2.3 Korrelationen zwischen Bodenlösung und Kürbiskernöl
Die Bestimmung der Seltenen Erden verfolgt das Ziel, den Grad der Zugehörigkeit eines
Kürbiskernöls zu einer Bodenprobe mit einem Zahlenwert belegen zu können. Dies
geschieht über einen Korrelationskoeffizienten, der sich aus den Analysenwerten für
die Seltenen Erden in zwei verschiedenen Medien - wie Bodenlösung des Ackerbodens
und Kernöl nach chemischen Aufschluss - mit gängigen
Tabellenkalkulationsprogrammen berechnen lässt.
Im untenstehenden Beispiel werden die SEE-Werte von getrockneten Kürbiskernen
jenen des daraus gepressten Öls gegenübergestellt (beide Proben nach chemischem
Aufschluss vermessen). Hier wird ein hoher Zusammenhang zwischen den SEE-
Mustern erwartet da nicht davon auszugehen ist, dass sich die SEE-Verteilung während
des Pressvorganges gravierend ändert.
Abbildung 17: Korrelation zwischen den Seltenen Erden in getrockneten Kürbiskernen und daraus
gepresstem Öl, Korrelationskoeffizient: 0,983, eigene Daten
Dafür wurden schlichtweg die Analysenwerte für die Elemente La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu,
Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu jenen aus den Bodenlösungen gegenübergestellt und mit
MS-Excel ein Korrelationskoeffizient von 0,983 berechnet, wobei 1,000 vollständige
Korrelation bedeuten würde. Die unterschiedlichen Konzentrationsbereiche in den
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Kerne(ng/kg)
Öl (ng/kg)
Korrelation zwischen den Seltenen Erden in getrockneten Kürbiskernen und daraus gepresstem Öl
139 La 140 Ce 141 Pr 146 Nd 149 Sm 151 Eu 159 Tb
57
beiden Proben wirken sich nicht auf den Koeffizienten aus. Bei einer Korrelation, die in
die Nähe von 1,000 geht, liegen die Werte annähernd auf einer Geraden.
Die Zusammensetzungen der Seltenen Erden aus den 12 genommenen Bodenproben
wurden mit jener der Kürbiskernöle von den betreffenden Landwirten verglichen. Dafür
wurden schlichtweg die Analysenwerte für die Elemente La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd,
Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu jenen aus den Bodenlösungen gegenübergestellt und mit MS-
Excel die Korrelationskoeffizienten berechnet. Bei G-4208 gab es 2 Standorte für die
Anbauflächen (St.1 und St.2).
Tabelle 18: Korrelationen zwischen Bodenlösungen und Kürbiskernölen. Bei der Negativkontrolle
wurden randomisiert falsche Bodenproben den entsprechenden Ölen zugeordnet, was teilweise eine
Verbesserung der Korrelation mit sich bringt, eigene Daten
Probe Nr./Druckstufe Korrelationsk. Negativkontrolle Kernölprobe von:
G-4223 1/I 0,827 0,922 G-4224
G-4206 2/I 0,975 0,854 G4207
G-4205 3/I 0,859 0,958 G-4206
G-4205 3/II 0,730 0,782 G-4206
G-4226 4/I 0,874 0,863 G-4227
G-4224 5/I 0,890 0,933 G-4225
G-4224 5/II 0,718 0,764 G-4225
G-4208 St.1 6/I 0,220 0,248 G-4209
G-4208 St.1 6/II -0,106 -0,089 G-4209
G-4208 St.2 7/I -0,124 -0,107 G-4209
G-4208 St.2 7/II -0,160 -0,146 G-4209
G-4221 8/I 0,937 0,940 G-4222
G-4212 9/I 0,962 0,955 G-4213
G-4203 10/I 0,981 0,969 G-4204
G-4214 11/I 0,923 0,920 G-4215
G-4213 12/I 0,942 0,955 G-4214
Tabelle 18 zeigt, dass die Korrelationskoeffizienten teilweise sehr hoch liegen und in
die Größenordnung der Gegenüberstellung aus Abbildung 17 kommen. Allerdings
wurde zur Überprüfung der Aussagekraft ein Test durchgeführt, in dem randomisiert
Kernölproben und Bodenproben miteinander vertauscht wurden. Nachdem durch
58
dieses ungerechtfertigte Vertauschen die Korrelation teilweise sogar steigt, erweist
sich die Methode als wenig hilfreich.
Um auch den Effekt der in Abschnitt 3 beobachteten Anomalien der Elemente Eu, Tm
und Ce zu untersuchen, wurde die Korrelation erneut bestimmt und in der
nachstehenden Tabelle dargestellt:
Tabelle 19: Korrelationen zwischen Bodenlösungen und Kürbiskernölen ohne die Elemente Eu, Tm
und Ce. Bei der Negativkontrolle wurden wieder randomisiert falsche Bodenproben (gleich wie in
Tabelle 18) den entsprechenden Ölen zugeordnet, eigene Daten
Probe Nr./Druckstufe Korrelationsk. Negativkontrolle Kernölprobe von:
G-4223 1/I 0,917 0,933 G-4224
G-4206 2/I 0,963 0,924 G4207
G-4205 3/I 0,941 0,967 G-4206
G-4205 3/II 0,961 0,970 G-4206
G-4226 4/I 0,823 0,844 G-4227
G-4224 5/I 0,926 0,935 G-4225
G-4224 5/II 0,859 0,869 G-4225
G-4208 St.1 6/I 0,975 0,968 G-4209
G-4208 St.1 6/II 0,986 0,965 G-4209
G-4208 St.2 7/I 0,929 0,909 G-4209
G-4208 St.2 7/II 0,869 0,800 G-4209
G-4221 8/I 0,925 0,934 G-4222
G-4212 9/I 0,945 0,938 G-4213
G-4203 10/I 0,984 0,976 G-4204
G-4214 11/I 0,942 0,902 G-4215
G-4213 12/I 0,911 0,931 G-4214
Der Vergleich der beiden Tabellen zeigt eine eindeutige Verbesserung (Erhöhung) der
Korrelationswerte, was bei G-4208 am deutlichsten wird. Jene Elemente, die
augenscheinliche Anomalien verursachen (Eu, Tm und Ce) wurden weggelassen, da
durch die in Abschnitt 3.3 erwähnten Anomalien der Korrelationskoeffizient auf
natürliche Weise gesenkt wird.
Was jedoch bleibt ist das Problem, dass durch absichtliches Vertauschen der Proben
in der Negativkontrolle teilweise eine bessere Korrelation erreicht wird! Da es sich bei
der Bestimmung der Seltenen Erden zusätzlich noch um eine sehr teure Methode
59
handelt (Preis > 200€ pro Probe) kann diese nicht empfohlen werden, obwohl mit dem
Einsatz der Bodenlösung eine sehr praktikable Probenvorbereitung etabliert wurde.
60
5. Zusammenfassung Teil 1
Eine Gesamtheit von 33 Kürbiskernölen, von denen 26 das Gütesiegel "Steirisches
Kürbiskernöl" (g.g.A.) tragen und andere Öle, teils aus dem umliegenden Ausland oder
Billigöle heimischer Supermärkte, wurde mit 3 verschiedenen chemischen
Analyseverfahren untersucht:
Gehalt an den Isotopen 1H und 13C mit Stabilisotopenanalytik,
Gehalt an gesättigten Fettsäuren, Ölsäure und Linolsäure mit 1H-NMR,
Gehalt an den Seltenen Erden La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb,
Lu
Ziel war es, aus diesen drei Analyseverfahren eine möglichst effiziente und
kostengünstige Methodenkombination zu finden, um der Herkunftsfrage beim
Kürbiskernöl begegnen zu können.
Aus der Kombination der Ergebnisse von Stabilisotopenanalytik und
Kernresonanzspektroskopie konnte ein statistisches Verfahren entwickelt werden, das
den gesamten Datensatz so unterteilt, dass Öle mit Gütesiegel von jenen ohne
Gütesiegel zu 100% (im untersuchten Datensatz) unterschieden und richtig
zugeordnet werden können. Für die Analyse der Seltenen Erden aus den Bodenprobe
wurde mit der Gewinnung der Bodenlösung durch eine Bodenpresse ein innovatives
Verfahren vorgestellt was die Probenvorbereitung betrifft. Die Gegenüberstellung der
Verteilung an Seltenen Erden in Bodenlösung und Kürbiskernöl mittels
Korrelationskoeffizient funktionierte jedoch nur bedingt und brachte keinen
Mehrgewinn an Sicherheit, der den hohen Aufwand für die Analysen und
Probenvorbereitung rechtfertigen würde.
Die vorgeschlagene Methodenkombination aus Stabilisotopenanalytik und
Fettsäureprofil mit NMR würde etwa 60€ pro Untersuchung kosten und müsste –
analog zu Authentizitätsprüfungen bei Wein – einmal jährlich zur Erstellung einer
Datenbank durchgeführt werden.
61
Teil 2 – Aufbereitung des Themas für
den Unterricht
Dem Thema „Lebensmittel“ wurde mittlerweile im Lehrplan der Allgemeinbildenden
Höheren Schulen (AHS) sowie der berufsbildenden Schulen (BHS) ein recht hoher
Stellenwert zuerkannt (vgl. Kapitel 6). Die Frage nach der geographischen Herkunft
und der Authentizität von Lebensmitteln ist wohl eher aus einem
gesellschaftspolitischen Beweggrund entstanden, da sich Konsumentinnen und
Konsumenten sehr stark für die Herkunft ihrer Produkte interessieren (siehe auch
Einleitung Teil 1). Die vorliegende Arbeit mit ihrem fachdidaktischen Teil 2 verfolgt das
Ziel, auch diesen Aspekt zu beleuchten und eventuell in den Unterricht einfließen zu
lassen. Wer als Lehrkraft für Chemie oder Biologie den Nachweis der geographischen
Herkunft von Lebensmitteln ins Spiel bringt, wird auf jeden Fall fragende Blicke der
Schülerinnen und Schüler ernten, wenn es um die Methodik geht. Es ist immer noch
neu und faszinierend, dass analytische Verfahren für die Bestimmung einer
geographischen Herkunft herangezogen werden können. Neben den Anwendungen im
Lebensmittelbereich soll hier auch die Kriminalistik ins Spiel gebracht werden
(Forensische Chemie).
Zu Beginn soll erörtert werden, wo das Thema „Lebensmittel“ in Bezug auf die
Unterrichtsgegenstände verankert ist. Die Analysemethoden, die im Teil 1 im Detail
vorgestellt worden sind, finden ebenfalls Anhaltspunkte im Lehrplan und werden in
aktuellen Schulbüchern zumindest angedeutet.
Letztendlich wird am Ende dieses Teils 2 ein Vorschlag stehen, wie die Inhalte der
vorliegenden Arbeit im Unterricht eingebaut bzw. umgesetzt werden können.
6. Bezug der Thematik zu den aktuellen Lehrplänen für AHS
und HTL
Der Begriff "Isotop" fällt schon anfangs bei Atombau und Periodensystem.
Lebensmittel sind Thema im Lehrplan (AHS: Chemie und Leben, Unterkategorie
62
"Lebensmittel, Genussmittel und Drogen“). Aufgrund der Komplexität dieses speziellen
Themas wird hier auch nur die Sekundarstufe II beleuchtet. Obwohl das Thema
hauptsächlich im Fach Chemie angesiedelt ist, reichen die Inhalte dieses Faches sicher
nicht aus, um alles abzudecken. Anknüpfungspunkte zu anderen Fächern sind jedoch
ausreichend gegeben.
Blick auf die Lehrpläne der AHS-Oberstufe
In den Lehrplänen für Chemie – und auch Physik – steht im allgemeinen Teil die
Überschrift [...] Situiert und anhand authentischer Probleme lernen [...]. Hier bietet
sich eine große Übereinstimmung mit der vorliegenden Arbeit, deren authentisches
Problem Fälschungen im Bereich der Lebensmittelherkunft sind, die mit geeigneten
analytischen Verfahren untersucht und aufgedeckt werden sollen. Die angewandten
Verfahren stellen eine Verbindung zur Physik dar. Um die Analysemethoden, die in den
Schulbüchern durchaus vertreten sind, verstehen zu können, sind physikalische
Grundlagen nötig. Die im AHS-Bereich noch immer übliche strenge Trennung zwischen
Chemie und Physik gilt es hier zu brechen, wobei durchaus darauf hingewiesen werden
darf, dass „Physikalische Chemie“ eine eigene Fachrichtung zwischen Chemie und
Physik ist (Bundesministerium für Bildung).
Der Physik-Lehrplan spricht noch im allgemeinen Teil von [...] Beobachtung,
Hypothesenbildung und überprüfendem Experimentieren [...]. Dieser Satz passt zum
Unterrichtsteil, bei dem die Ermittlungen nach dem Rohrbombenanschlag von
Oberwart (1995) als vorgeschlagenes Beispiel gebracht werden. Im Gipssockel der
Rohrbombe wurden erhöhte Tritiumwerte gemessen und so auch in der Wohnung des
Attentäters. Die Hypothese wurde erstellt, dass diese erhöhten Werte mit
Leuchtzifferblättern von Uhren zu tun hätten, die ebenfalls in der Werkstatt des
Bombenbauers (mit abmontiertem Uhrglas) gefunden wurden. Um die Hypothese zu
überprüfen, wurden diese Uhren in eine unbelastete Wohnung gegeben, um zu sehen,
wie sich die Tritiumaktivität in der Luftfeuchtigkeit entwickelte (Papesch, Rank,
Horacek, & Tesch, 2011). Im Detail lässt sich noch der Massenspektrometer erklären,
der sowohl Elektrostatik als auch Mechanik (Fliehkräfte), elektrische und magnetische
Felder beinhaltet. Die Spinumkehr von Atomkernen im NMR knüpft an die
Quantenphysik an.
63
Wider Erwarten bietet der Lehrplan für Biologie und Umweltkunde wenige wertvolle
Ergänzungen zum Chemie-Lehrplan (Bundesministerium für Bildung) was den Bereich
der Lebensmittel betrifft. Während die Chemie auf die stoffliche Zusammensetzung der
Nahrung abzielt, erwähnt die Biologie auch Stoffwechselerkrankungen und geht auch
auf die Produktion der Nahrungsmittel selbst ein (Bundesministerium für Bildung).
Zuletzt wurde noch der Lehrplan für „Geografie und Wirtschaftskunde“
(Bundesministerium für Bildung) unter die Lupe genommen, wo es jedoch kaum
Anknüpfungspunkte zu den Methoden der Bestimmung der geographischen Herkunft
gibt. Die physische Geographie wurde großteils zugunsten der Wirtschaftskunde
eliminiert. Seltene Erden, die in keinem Schulbuch für Chemie Erwähnung finden,
werden auch im Geographie-Regelunterricht nicht vorkommen. Ein interessanter
Aspekt im Zusammenhang mit Kürbiskernöl ist die Wertsteigerung, die mit der
geschützten geographischen Angabe (g.g.A.) einhergeht. Von einem Öl für die armen
Leute ist aus Kürbiskernöl fast schon ein Luxusprodukt geworden, das ca. 20€ pro Liter
kostet (Joebstl et al., 2010). Somit stellt es ein schönes Beispiel für die im Lehrplan
angesprochene „Preisbildung“ dar.
HTL – Lehrplan
Stellvertretend für all die zahlreichen HTL-Fachrichtungen wurde hier der neu
überarbeitete Lehrplan für Metallurgie analysiert, um Anknüpfungspunkte zu den
Inhalten dieser Diplomarbeit zu finden (Bundesministerium für Bildung). Chemie und
Physik sind bei den HTLs im Fach „Naturwissenschaften“ vereinigt, in dem die Biologie
praktisch nicht vorkommt. Daher wurde der aktuelle Lehrplan für die
Naturwissenschaften genauer beleuchtet:
Die Trennverfahren sind bei der HTL sowohl im Lehrplan als auch (siehe nächster
Abschnitt) bei den Schulbüchern vertreten („Grundbegriffe und Arbeitsweise der
Chemie“). Der Abschnitt „Vom Atombau zu den Stoffeigenschaften“ erwähnt den
Begriff „Nuklide“ deutlich und beinhaltet somit die Basis für die angewandte
Isotopenanalytik. Der organischen Analytik ist sowohl im Lehrplan als auch in den
meisten Schulbüchern ein eigener Abschnitt gewidmet. In den „Grundlagen der
Biochemie und Ernährung“ sind naturgemäß die Fette enthalten und auch deren Abbau
im Punkt „Stoffwechselwege“.
64
Zusammengefasst kann gesagt werden, dass mit den Inhalten der vorliegenden
Arbeiten und dem in ihr enthaltenen Unterrichtsmaterial sicher kein ganzer Abschnitt
im Lehrplan abgedeckt werden kann. Dafür sind viele Fragmente aus verschiedenen
Lehrplänen und Fächern enthalten, die durchaus sinnvoll verknüpft werden können.
Die angewandten Analysemethoden sind im AHS- und HTL-Lehrplan vertreten und
können mit den Beispielen der gegenständlichen Untersuchungen gebracht werden:
NMR für das Fettsäureprofil, MS für die Isotopentrennung und -bestimmung, GC-MS
für das Fettsäureprofil, MS auch für die Bestimmung der Seltenen Erden (ICP-MS). Die
Grundlagen für die Verfahren sind oft in der Physik zu finden (Elektrisches Feld,
Magnetisches Feld für die MS, Quantenphysik für die Spinumkehr bei der NMR).
Die Frage nach der Bedeutung der regionalen Zugehörigkeit eines Produktes und der
damit verbundenen Wertsteigerung gehört in den Bereich der Geografie und
Wirtschaftskunde. Mit der „geschützten geografischen Angabe“ lässt sich auch eine
Verbindung mit der EU als Institution herstellen.
65
7. Anknüpfungspunkte in den aktuellen Schulbüchern
Für diesen Abschnitt wurden die aktuellen Schulbücher für die AHS und die HTLs
miteinander verglichen. Es wurde nach Inhalten wie Isotope, NMR, MS, Fettsäureprofil,
Lebensmittel allgemein und Seltene Erden gesucht, Inhalte die mit der vorliegenden
Diplomarbeit zu tun haben. Während sich AHS-Bücher für die 7. Klasse vorwiegend mit
Allgemeiner und Anorganischer Chemie und jene für die 8. Klasse mit Organischer
Chemie beschäftigen, ist diese Aufteilung in der HTL leicht verändert. Chemie und
Physik sind im Fach „Naturwissenschaften“ vereint, wobei jahrgangsweise oder
semesterweise zwischen Chemie und Physik gewechselt wird. In den Büchern für das
erste Jahr Chemie wird ein Teil der Organischen Chemie vorweggenommen.
Der Unterschied zwischen AHS und HTL-Bücher hält sich in Grenzen, was die Inhalte
betrifft. In HTL-Büchern werden die „Chemischen Technologien“ mehr
herausgestrichen, wobei deren Inhalte in den AHS-Büchern genauso vorkommen. Die
im Lehrplan verankerte Biotechnologie enthält oft Teile der biochemischen Inhalte.
Bücher für den AHS-Bereich
Chemie im Kontext, Veritas-Verlag (Vormayr & Vormayr)
Chemie im Kontext ist ein sehr umfangreiches Schulbuch für die AHS, sowie für höhere
land- und forstwirtschaftliche Lehranstalten und Bildungsanstalten für
Sozialpädagogik. Das Thema Lebensmittel kommt in diesem Buch lediglich in
Zusammenhang mit natürlichen Farbstoffen vor, wo auf natürliche, künstliche und
naturidente Farbstoffe - aus und für den Lebensmittelbereich - eingegangen wird. Dem
Thema Isotope ist beinahe eine ganze Seite gewidmet. Eingangs wird über das
Problem bei der Bestimmung der Atommasse von Neon durch Thomson (1913)
berichtet, wo sowohl 20 als auch 22u gemessen wurden [...] durch die Wirkung
elektrischer und magnetischer Felder [...]. Auf die beiden Hauptkomponenten eines
Massenspektrometers wird nicht weiter eingegangen. Der Begriff „Isotop“ und der
Begriff „Nuklid“ werden erklärt. Weiters werden die Isotope des Wasserstoffs erwähnt.
Der restliche Teil beschäftigt sich lediglich mit radioaktiven Isotopen von Iod und mit
14C, wobei hier die Altersbestimmung und das Isotopenverhältnis 14C/12C mit 1:1012
angeführt werden. Angesiedelt ist diese Seite im Abschnitt A über das Stoff-Teilchen-
Konzept.
66
Chemie im Kontext kann auch mit einem ausführlichen Kapitel über spektroskopische
Methoden im Abschnitt B (Struktur-Eigenschaften-Konzept) aufwarten. Hier findet sich
eine Doppelseite über Massenspekrometrie und gleich vier Seiten mit Beispielen
(Ethanol und Dimethylether) über die NMR, wobei auch die Integration der NMR-
Signale zur Quantifizierung erwähnt wird.
Die Seltenen Erden werden hier nicht erwähnt. Die Fettsäuren werden jedoch sehr
ausführlich behandelt (ebenfalls im Abschitt B) und Laurin-, Palmitin-, Stearin-, Öl-,
Linol- und Linolensäure als Beispiele angeführt. Rapsöl wird im Zusammenhang mit
Biodiesel erwähnt. Iodzahl und Härtung von pflanzlichen Fetten werden beschrieben.
Chemie 1 und 2 von Neufingerl, Verlag Jugend & Volk (Neufingerl, 2012a,
2012b)
Chemie 1 und 2 von Franz Neufingerl sind Schulbücher für die AHS, für das Fach
Angewandte Chemie und Ökologie in höheren technischen und gewerblichen
Lehranstalten sowie für Bundeslehranstalten für Kindergarten- und Sozialpädagogik.
Im Band 1 wird nicht nur der Begriff „Isotop“ erklärt, sondern auch das Beispiel
Wasserstoff herangezogen und von weiteren Elementen (B, N, O, F, Na, Cl, Fe, Br) die
natürliche Häufigkeit der stabilen Isotope angeführt. Im Anschluss daran geht ein
Absatz mit der Überschrift „Isotope liefern Informationen“ auf diverse
Untersuchungsmethoden ein:
Deuteriumgehalt bei Wein: Wein aus südlichen Ländern weist einen höheren
Deuteriumgehalt auf, da bei der stärkeren Verdunstung sich mehr schweres
Deuterium im Inneren der Traube anreichert.
Kohlenstoff: der 13C-Gehalt ist in organischem Kohlenstoff geringer als in
anorganischem.
Muschelkalk: das Verhältnis 18O/16O im Kalk von Muscheln lässt Rückschlüsse
auf die Wassertemperatur bei der Kalkbildung zu und kann zur Rekonstruktion
des Klimas in zurückliegenden geologischen Epochen herangezogen werden.
Weiters erwähnt Neufingerl die Anreicherung von Isotopen durch die unterschiedlichen
physikalischen Eigenschaften am Beispiel von 235U. Anhand von 14C wird die
67
Altersbestimmung am Beispiel „Ötzi“ erklärt. Hier wird auch auf die
Deuteriumbestimmung eingegangen aus der hervorging, dass Ötzi südlich der Alpen
gelebt haben muss und sich aufgrund des gemessenen 13C-Gehalts vorwiegend
pflanzlich ernährt hat. Abschließend wird die Anwendung von 14C und 32P-markierten
Verbindungen zur Aufklärung von Stoffwechselwegen erwähnt.
Spurenelemente werden nur im Zusammenhang mit Düngern erwähnt, wobei nicht auf
die Seltenen Erden eingegangen wird.
Im Band 2 ist ein Abschnitt über spektroskopische Methoden enthalten, in dem UV, IR,
MS, Röntgenstrukturanalyse und NMR zur Sprache kommen. An das Kapitel
Carbonsäuren schließt das Kapitel „Fette und Öle“ an, in dem Δ- und ω-Nomenklatur
der Fettsäuren angeführt werden. Weiters wird ein Fettsäureprofil von Butter mit
Gaschromatographie gezeigt, wobei hier die Derivatisierung zu Methylestern erwähnt
wird.
Rundum Chemie 1 und 2, E-Dorner-Verlag (Dvorak, Schmut & Schmut, 2006,
2007)
Rundum Chemie ist ebenfalls für das Fach „Chemie“ in den AHS sowie für das Fach
„Angewandte Chemie“ in höheren land- und forstwirtschaftlichen Lehranstalten
geeignet.
In Band 1 wird der Isotopenbegriff erklärt und auf die Isotope des Wasserstoffs
eingegangen und auch erwähnt, dass die meisten Elemente als Mischisotope vorliegen.
Nach einigen Übungsbeispielen, die mit Massenberechnungen von Isotopen zu tun
haben, liegt eine Häufigkeitstabelle für die natürlichen Isotope der Elemente H, Li, C,
O, Mg, Si und S bereit. Diese zeigt auch, wie der Wert für die durchschnittliche
Atommasse zustande kommt.
Band 2 setzt zu Beginn bereits einen Schwerpunkt zum Thema Spektroskopie. IR-, UV-
, UV-Vis- und Absorptionsspektroskopie werden erwähnt und erklärt. Hier wird auch
kurz auf die MS und die NMR eingegangen. Bei letzterer kommt das klassische Beispiel
der Unterscheidung zwischen Dimethylether und Ethanol zum Einsatz.
68
Interessant in Verbindung mit der vorliegenden Arbeit ist das Kapitel 7 über „Chemie
und Ernährung“. Im Abschnitt 7.9 gibt es eine Tabelle über die Fettsäureverteilung
und verschiedenen Pflanzenölen.
Elemente (Magyar et al., 2011a) und Moleküle (Magyar, Liebhart, & Jelinek,
2011b), öbv-Verlag
Elemente für die 7. Klasse und Moleküle für die 8. Klasse AHS vom öbv-Verlag sind als
Spiralblock gebunden und sehr übersichtlich mit anschaulichen Grafiken gestaltet. Der
Band „Elemente“ geht nur kurz auf den Isotopenbegriff ein und erwähnt die Häufigkeit
beim Kohlenstoff. Eine Grafik erklärt auf einfache Weise die Funktionsweise des
Massenspektrometers für die Bestimmung der Atommassen.
„Moleküle“ geht zu Beginn auf Seite 11 bereits kurz auf die NMR-Spektroskopie ein in
einem Abschnitt über Strukturermittlung. Hier werden die 3 Isomere des Pentans als
Beispiele herangezogen. Hier kommt auch die MS kurz zur Sprache, wobei Butan und
Isobutan als Beispiele gebracht und gegenübergestellt werden. Im Kapitel 6 über
„Moderne Trenn- und Analyseverfahren“ gibt es gleich 3 ausführliche Seiten über NMR
(S. 94 – 96), wobei Chemische Verschiebung, Aufspaltung in Multipletts,
Integrationskurve und Übungsbeispiele enthalten sind. Bei der Gaschromatographie
wird auch die Verbindung mit der Massenspektrometrie (GC-MS) erwähnt. Bei der MS
wird auch das Problem der Mischisotope von Chlor und Kohlenstoff erwähnt. IR und
Röntgenstrukturanalyse runden das Kapitel ab.
Bei den Carbonsäuren auf Seite 60/61 werden bereits die Fettsäuren Palmitinsäure,
Stearinsäure und Ölsäure angeführt. Im Kapitel „Ernährung“ auf S. 112 werden einige
mehr erwähnt, darunter auch die Essentiellen. Zudem ist ein Gaschromatogramm von
Rapsöl zu sehen, das Fettsäuren von 4 bis 22 C-Atomen aufweist. Auf die Rolle der
Fettsäuren im Stoffwechsel (v.a. die der essentiellen Fettsäuren) und jene der daraus
gebildeten Lipide für die Zellmembranen wird insges. mehr als eine Seite verwendet.
Insgesamt ist bei den AHS-Büchern aufgefallen, dass nur Neufingerl auf die
Isotopenanalytik per se eingegangen ist. Dafür aber sehr ausführlich. Der Begriff
„Forensische Chemie“ ist in keinem Buch zu finden. Dies gilt auch für die „Seltenen
Erden“.
69
Bücher für die HTL
In der HTL sind Chemie und Physik im Fach „Naturwissenschaften“ vereint. Die
Aufteilung der Fächer ist von Buch zu Buch und von Schule zu Schule verschieden. Es
kann Jahrgangsweise zwischen Chemie und Physik gewechselt werden oder
semesterweise. Manche Schulbücher enthalten Chemie und Physik, andere wiederum
haben Bände mit Chemie und Bände mit Physik. Der folgende Abschnitt soll einen
Überblick über die derzeitige Landschaft der HTL-Bücher liefern, wobei von „Big Bang“,
einem Klassiker aus dem AHS-Bereich, der erste Band über Chemie erst im Oktober
dieses Jahres erscheinen wird. Auch von NaWi @ HTL vom Veritasverlag ist nur Band
1 und 2 derzeit verfügbar und von Band 3 und 4 erst ein Probedruck.
Naturwissenschaften I/II ("Naturwissenschaften I/II", 2014) und
Naturwissenschaften III/IV ("Naturwissenschaften III/IV", 2013), Trauner
Verlag
„Naturwissenschaften“ vom Trauner-Verlag umfasst zwei Bände, die beide Chemie und
Physik enthalten. Band 1 beinhaltet die klassische Physik und großteils Anorganische
Chemie mit einem Ausblick auf die organische Chemie am Ende. Ein eigener Abschnitt
über Chemische Technologien und über Naturwissenschaft, Umwelt und Gesellschaft
finden sich am Ende von Band 1.
Bei den Isotopen gibt es hier nur eine Begriffserklärung mit dem griechischen Ursprung
des Wortes. Rein- und Mischelemente werden als Begriff erklärt. Im oben bereits
angeführten Kapitel „Einführung in die organische Chemie“ am Ende des ersten Bandes
findet sich ein Abschnitt über Organische Analytik, in dem Chromatographie (GC und
HPLC), Elementaranalyse und spektroskopische Methoden erwähnt werden. Darunter
finden sich UV-VIS, IR, NMR und MS im Umfang von je einer halben Seite. Die NMR
wird kurz über Spinumkehr und Abschirmung durch Elektronen erklärt. Das Beispiel
Ethanol / Dimethylether wird zur Strukturaufklärung herangezogen. Bei der MS wird
die Fragmentierung von Butanon angeführt.
Band 2 (Naturwissenschaften III/IV) startet mit Chemie. Die Fettsäuren kommen zum
einen im Kapitel „Carbonsäuren und Carbonsäureester“ vor, zum anderen im Abschnitt
„B Biotechnologie“ noch einmal bei „Grundlagen der Biochemie und Ernährung“. Hier
sind vor allem die wichtigsten Vertreter von der Palmitinsäure bis zur
70
Docosahexaensäure angeführt. Der Abbau der Fettsäuren wird im Kapitel 3.2
„Ausgewählte Stoffwechselwege“ besprochen. Im Kapitel 5 „Lebensmittel“ wird nur
mehr kurz auf die essentiellen Fettsäuren eingegangen. Die Echtheit und regionale
Herkunft von Lebensmittel wird nicht erwähnt.
Naturwissenschaften für HTL 2 und 4, hpt-Verlag (Fertl, Matzner, &
Jungwirth, 2014; Jungwirth, 2013)
In der Reihe „Naturwissenschaften für HTL“ handeln die Bände 2 und 4 von Chemie,
während sich 1 und 3 und zur Hälfte Band 4 der Physik widmen. Hier lässt sich ein
klares Ungleichgewicht zugunsten der Physik feststellen.
Band 2 erklärt den Isotopenbegriff am Beispiel Chlor und rechnet die Atommasse von
Kohlenstoff mit 12,011 vor, indem von der Häufigkeit von 1,1% des schwereren
Isotops 13C ausgegangen wird. Auch in diesem Buch wird ein Einstieg in die organische
Chemie bereits im ersten Jahr vorweggenommen. Hier ist es aber lediglich ein Kapitel
über Kohlenwasserstoffe, das wenig organische Analytik beinhaltet. Lediglich
Elementaranalyse, Massenspektrometrie und Infrarot werden kurz erwähnt.
Band 4 erwähnt – wie schon Band 2 - weder NMR noch Gaschromatographie. Auf die
Fettsäuren wird erst im Kapitel 17 über „Biomoleküle“ eingegangen, was allerdings
sehr knapp ausfällt. Generell überwiegt hier die Physik mit 2 vollen Bänden und etwa
60% von Band 4, während nur ein Band ganz von Chemie handelt und eben der Rest
von Band 4 (ca. 40%).
NaWi @ HTL, Veritas-Verlag (Schweitzer & Hoke, 2013)
NaWi @ HTL ist ein zweibändiges Schulbuch, von dem bisher erst Teil 1 bis 2 erhältlich
ist, während von Teil 3 bis 4 nur ein Teildruck mit wenigen Kapiteln aber vollständigem
Inhaltsverzeichnis vorliegt. Beide Bände enthalten etwa zur Hälfte Chemie und Physik.
Teil 1 bis 2 befasst sich nur in 2 knappen Sätzen mit dem Begriff Isotop. Dieser Teil
enthält auch noch keine Organische Chemie, so dass Fettsäuren,
Kernresonanzspektrometrie und Massenspektrometrie nicht vorkommen.
71
Zusammenfassung des Schulbuchvergleichs
Von den im gegenständlichen Projekt angewandten Methoden kommen
Massenspektrometrie und NMR in fast allen Schulbüchern vor. Auf die
Anwendungsmöglichkeiten der Isotopenanalytik geht jedoch nur Neufingerl ein
(Neufingerl, 2012a). Er erwähnt Stabilisotopenanalytik mit mehreren Beispielen und
geht auf die Altersbestimmung und Anreicherung ein.
Die Seltenen Erden waren in keinem Schulbuch zu finden. Der Begriff
„Spurenelemente“ war nur teilweise im Zusammenhang mit Düngemitteln zu lesen.
Fettsäureprofile wurden in manchen Büchern dargestellt und zwischen mehreren
Pflanzenölen verglichen. Das Buch „Moleküle“ (Magyar et al., 2011b) zeigt sogar ein
Fettsäureprofil von Rapsöl mit einem Gaschromatogramm.
Der Begriff „Forensische Chemie“ existiert derzeit noch in keinem Schulbuch. Band 1
von Neufingerl geht am ehesten in diese Richtung und eignet sich auch am besten als
Basis für die Behandlung dieses Themas.
72
8. Fachdidaktische Literatur zum Thema
Stabilisotopenanalytik
Dieser Abschnitt beschreibt zwei Artikel zum Thema Stabilisotopenanalytik, die in der
Zeitschrift "Chemie in unserer Zeit" erschienen sind und für das Umsetzen des Themas
im Unterricht eine gute Basis bilden (siehe Anhang 4 – Arbeitsblätter zur
Erarbeitungsphase, Theoretischer Teil (Kopiervorlagen)). Der erste Artikel gibt einen
Gesamtüberblick über die Strategien und Erfolge dieser Analytik im
Lebensmittelbereich (Stöckigt et al., 2005). Der zweite Artikel aus dem Jahr 2011
beschäftigt sich speziell mit dem Thema Weinanalytik und geht in diesem
Zusammenhang auf die Anwendung der Stabilisotopenanalytik bei Wein ein
(Otteneder, 2011).
Der Hauptartikel von Stöckigt et al., 2005 mit dem Titel „Herkunft und Authentizität
von Lebensmitteln“ richtet sich eingangs an die SchülerInnen als KonsumentInnen und
spricht das Bedürfnis nach einem frisch gepressten Saft, der kein Fruchtsaftkonzentrat
ist, einem Bordeaux, der nicht aus Rumänien kommt und Bioeiern, die nicht aus einer
Legebatterie stammen, an. Unmittelbar danach wird darauf eingegangen, dass jene
Elemente, die Hauptbestandteile der Biomasse sind - C, H, O, N und S - alle zumindest
zwei stabile Isotope ausbilden. Eine Übersichtsgraphik zeigt als nächstes, welche
Isotopenmessungen für welche Bereiche (Landwirtschaft, Physiologie, Umwelt,
Geographie) relevant sind.
Bevor sich der Artikel auf die Theorie stürzt, werden noch einige konkrete Fälschungen
aus dem Lebensmittelbereich erwähnt:
Streckung mit Wasser
Anreicherung/Süßen mit Fremdzucker
Verfälschung von Herkunfts- und Jahresangaben
nicht deklarierte Zusätze (Zucker, Ascorbinsäure, Äpfelsäure)
Streckung von Ahornsirup oder Honig mit HFCS (high fructose corn sirup)
Verschnitt sortenreiner Spirituosen mit billigen Destillaten
73
Als Überleitung zur Theorie wird eine Tabelle gezeigt, die einerseits Lebensmittel aus
C3- und solche aus C4-Pflanzen gegenüberstellt (siehe Abbildung 18) und die
markanten Unterschiede in den δ13C-Werten zeigt. Andererseits werden stark
wasserhältige Lebensmittel aufgelistet, deren δ18O-Werte sich unterscheiden. Die
Isotope-Ratio Mass Spectrometry (IRMS), mit der diese Daten gewonnen werden, wird
hier noch gar nicht erwähnt.
Abbildung 18: Tabelle 1 aus dem Artikel „Herkunft und Authentizität von Lebensmitteln“ zum
Vergleich von Isotopendaten zwischen verschiedenen Lebensmitteln, Quelle: Chemie in unserer Zeit,
2011, 45, 86 - 95 (Stöckigt et al., 2005)
Es wird noch nicht erklärt, was diese Werte bedeuten und wie sie zustande kommen.
Generell ist der theoretische Hintergrund in gesonderten Abbildungen verpackt (siehe
Abbildung 19), so dass man den Text auch lesen kann, ohne um das Verständnis der
Theorie bemüht zu sein.
Bereits jetzt, wo nur kurz dargestellt wurde wie sich Isotopengehalte unterscheiden,
wird auf eine andere Methode, das SNIF-NMR (Site-specific natural isotope
fractionation NMR), eingegangen, welches δ13C-Werte für jedes Kohlenstoffatom im
Molekül liefert und so unnatürlich gewonnene Zusätze wie künstliches Vitamin C
erkennen lässt. Natürliche Ascorbinsäure, wie auch natürliche Äpfelsäure, haben
deutlich positive δ13C-Werte an den Carboxyl-C-Atomen. Ihre künstlich
74
(biotechnologisch) gewonnenen Homologen haben hingegen negative δ13C-Werte an
dieser Position (Stöckigt et al., 2005). Die Unterscheidung zwischen natürlichem und
künstlichem Vitamin C wurde auch von JOANNEUM RESEARCH mit GC-IRMS
untersucht (Wagner, Vreca, Leis, & Boechzelt, 2008).
Abbildung 19: Block zur Vermittlung der Theorie hinter den stabilen Isotopen, Quelle: Chemie in
unserer Zeit, 2011, 45, 86 - 95 (Stöckigt et al., 2005)
Nach Beschreibung dieser beiden grundsätzlichen Messmethoden werden Strategien
zur Bestimmung der geographischen Herkunft, etwa durch Multielement-
Isotopenanalytik, beschrieben. Hier werden wieder konkrete Fragestellungen
aufgegriffen, wie z.B. Butter, Käse, Fleisch und Wein. Beim Wein werden die
Überwachung (1600 Proben jährlich in der EU) und die Erstellung einer Datenbank
erwähnt (Otteneder, 2011).
Der zweite Artikel, der speziell dem Thema Wein gewidmet ist, nennt sich „Wein
zwischen Tradition und moderner Technik“ und beschreibt noch genauer, wie Ethanol-
und Zuckerfraktion vermessen werden. Abschließend wird die Auftrennung mit
Gaschromatographie erwähnt, die mit IRMS kombinierbar ist (GC-IRMS).
Isotopenwerte für jeden Teil eines Gemisches können so bestimmt werden, was
ebenfalls künstliche Zusätze aufdecken lässt (Otteneder, 2011).
75
Im Zuge der Bedeutung des δ15N- Wertes wird auch noch mit einer Grafik auf die
Nahrungskette eingegangen. Der δ15N- Wert wird immer um 3 δ‰ höher: Von der
Pflanze zum Pflanzenfresser, vom Pflanzenfresser zum Raubtier. Der Mensch nimmt
eine Zwischenstellung zwischen Pflanzen- und Fleischesser ein, die sich auch im δ15N-
Wert widerspiegelt. Daraus lässt sich für jeden von uns bestimmen, ob er oder sie eher
Vegetarier oder Fleischesser ist (Stöckigt et al., 2005).
Didaktische Analyse der Artikel
Die Texte sind zwar als populärwissenschaftlich einzustufen, sind aber doch in einem
anspruchsvollen Niveau verfasst. Selbst ExpertInnen in der Stabilisotopenanalytik
können viel davon profitieren, da hier ein großer Weitblick geboten wird, was die
Methoden und ihre Anwendungen betrifft.
Die Texte sind für engagierte SchülerInnen in der Oberstufe verständlich und als
Material für vorwissenschaftliche Arbeiten (AHS) und Diplomarbeiten (BHS) bestens
geeignet.
Der erste Artikel über die Stabilisotopenanalytik ist strategisch meines Erachtens sehr
gut aufgebaut. Er kann auch gelesen werden wenn man sich nicht bemüht, die Theorie
dahinter zu verstehen. Er vermittelt folgende Informationen abseits der Theorie:
Es gibt Methoden, die geographische Herkunft von Lebensmitteln zu
bestimmen.
Unerlaubte Mischungen und Streckungen können aufgedeckt werden.
Zwischen natürlicher und synthetischer Herkunft ein und desselben Stoffes kann
eindeutig unterschieden werden.
Institutionen wie die EU überwachen gewisse Lebensmittel jährlich und erstellen
Datenbanken, die Messwerte nach Region und Jahr beinhalten.
Der einfache Konsument ist also genauso angesprochen wie chemieinteressierte
Schülerinnen und Schüler, die ein Thema für ein Referat suchen oder eine VWA oder
DA vorbereiten. Im Schultyp HLW, wo Ernährungslehre unterrichtet wird, sind diese
Artikel besonders gut einsetzbar.
76
9. Material für Unterrichtseinheiten zum Thema „stabile
Isotope“
Die geplanten Unterrichtseinheiten sind für Oberstufenklassen gedacht, in denen die
Themen Atombau und Periodensystem bereits durchgenommen wurden und auch der
Isotopenbegriff schon erklärt wurde. Es kann entweder direkt an das Isotopenthema
angeknüpft werden oder auch zu einem späteren Zeitpunkt eine Einheit, etwa zum
Schulschluss, gehalten werden. Die verwendete Präsentation (siehe Anhang 3) eignet
sich auch sehr gut für Supplierstunden in höheren Klassen bzw. solchen, in denen das
Basiswissen über Isotope bereits vermittelt wurde.
Als Vorwissen für die folgenden Unterrichtseinheiten wird die Abhandlung über stabile
und radioaktive Isotope wie in Neufingerl, Chemie Band 1 (Neufingerl, 2012a),
empfohlen. Hier werden forensische Methoden am Beipiel „Ötzi“ beschrieben, die
genau zum Thema passen. Diese Vorbereitung gehört zur Begegnungphase und
geht beim Beispiel „Ötzi“ bereits in Richtung Neugierphase über.
Die Unterrichtsmaterialien finden sich gesammelt und kopierfertig im Anhang, bzw. in
digitaler Form auf der beiliegenden CD, werden aber in diesem Kapitel vorgestellt.
Unterrichtsmaterial und Lernziele
1. Eine Präsentation zum Thema Forensische Chemie und Isotopenanalytik mit
Handzetteln für die Begegnungs- und Neugierphase
(1 Unterrichtseinheit, Anhang 3)
2. 6 Arbeitsblätter für eine Gruppenarbeit mit Kurzpräsentation, zusammengestellt
aus der im letzten Kapitel vorgestellten fachdidaktischen Literatur für die
Erarbeitungsphase, Theoretischer Teil
(2-3 Unterrichtseinheiten, Anhang 4)
3. 3 Laborexperimente für mehrstündige Laboreinheiten am
Nachmittagsunterricht für die Erarbeitungsphase, Praktischer Teil
(4-5 Unterrichtseinheiten, Anhang 5)
77
Die Lernziele sind in der folgenden Tabelle als Fach- und Handlungskompetenzen
aufgelistet:
Tabelle 20: Fach- und Handlungskompetenzen aus den vorbereiteten Unterrichtseinheiten
Fachkompetenz
Vertieftes Wissen
über stabile und
radioaktive
Isotope.
Mischelemente
nennen können.
Den Begriff der
„Forensischen
Chemie“ kennen.
Den Begriff der
„Authentizität“ von
Lebensmitteln
kennen und be-
schreiben können.
9.1 9.1, 9.2 9.1 9.2
Handlungskompetenzen
Erkenntnisgewinn Kommunikation Bewertung Laborpraxis
Wissen über die
Bedeutung der
Isotopenanalytik
für forensische
Fragen und
Herkunfts-
bestimmungen,
z.B. im Lebensmit-
telbereich.
Richtiges Lesen
und Interpretieren
von Tabellen und
Grafiken mit
Isotopendaten.
Aus vorliegenden
Isotopendaten
Bewertungen zu
Authentizitäts-
fragen abgeben.
Pipettieren und
Einwiegen von
Kleinstmengen im
mg bzw. µL-
Bereich.
Abschätzen von
Kleinstmengen.
Genaues Arbeiten
und
Dokumentieren.
9.1, 9.2 9.2, 9.3 9.2, 9.3 9.3
Die Unterrichtseinheiten werden im Folgenden beschrieben, die Materialien finden sich
als Kopiervorlagen im Anhang und digital auf der Begleit-CD.
78
9.1 Präsentation zum Thema Forensische Chemie und
Isotopenanalytik
Der Einstieg erfolgt über ein sehr plakatives Beispiel für die Anwendung der
Isotopenanalytik aus der Kriminalistik. Die Anwendung von chemischen
Analyseverfahren in der Aufklärung von Verbrechen wird auch „Forensische Chemie“
genannt und sollte in Zeiten von TV-Serien mit „CSI“ im Titel das Interesse der
Schülerinnen und Schüler wecken.
Zu Beginn sollte gar nicht verraten werden, worin der Zusammenhang zum
Chemieunterricht besteht. Es geht in der Einleitung um den Rohrbombenanschlag von
Oberwart, der vom „Briefbombenattentäter“ Franz Fuchs in den 1990er Jahren verübt
wurde. Da die Schülerinnen und Schüler, die heute in einer Oberstufenklasse sitzen,
zu jung sind, soll anhand der folgenden Bilder dieser bedeutende Kriminalfall in der
jüngeren österreichischen Geschichte aufgerollt werden.
Die Präsentation (siehe Handzettel im Anhang 3) soll in erster Linie verblüffen und
neugierig machen. Zum anderen ist es aber auch eine erste Begegnung mit der
Isotopenanalytik per se und mit der forensischen Chemie. Deshalb wurde dieser Teil
des Unterrichtsmaterials der Begegnungs- und Neugierphase zugeordnet.
Die folgenden Informationen dienen zur Vorbereitung der Chemielehrerinnen und
Chemielehrer für die Präsentation:
Chronologie der Taten von Franz Fuchs (Folien 2-4)
Im Dezember 1993 wurden von vier verschiedenen niederösterreichischen
Kleinstädten aus insgesamt zehn Briefbomben an zehn verschiedene Adressaten
versandt.
Im August 1994 wurde vor einer zweisprachigen Volksschule in Klagenfurt kurz
nach Mitternacht ein ca. 5 kg schwerer Sprengkörper hinter einem
elektronischen Verteilerkasten aufgefunden.
Im Februar 1995 detonierte in der Nähe einer Roma-Siedlung nahe der
burgenländischen Ortschaft Oberwart eine Sprengfalle, die Ähnlichkeiten mit
einem mobilen Verkehrszeichen aufwies.
79
Abbildung 20: Mahnmal in der burgenländischen Stadt Oberwart zum Rohrbombenanschlag von
Franz Fuchs, Quelle: Kurier (Kurier, 2016)
Auf einem Sockel, der aus einem mit Gips ausgegossenem Katzen-WC bestand, wurde
ein Wasserleitungsrohr montiert, das mit Nägeln und Sprengstoff gefüllt war. Auf dem
Rohr wurde eine Tafel mit einer fremdenfeindlichen Botschaft montiert, die sich gegen
die ansässigen Roma in der Roma Siedlung von Oberwart richtete. Diese war über
einen Rüttelzünder mit der Sprengfalle verbunden. Die Bombe detonierte, als die
Männer, die durch sie ums Leben kamen, das provokante Schild abzunehmen
versuchten (ORF Steiermark).
Nach der Detonation waren am Tatort neben den vier Leichen und anderen Teilen der
Bombe Gipsreste verstreut. Von den Kriminalisten wurde die Frage aufgeworfen, ob es
nicht möglich sei, diesen Gips kriminalistisch zu verwerten?
80
Abbildung 21: Der Tatort nach dem Anschlag. Zu sehen ist unten zwischen den Opfern der Sockel der
Rohrbombe. Quelle: Kronen Zeitung, Foto: APA/Ulrich Schnarr (Kronen Zeitung, 2016)
Dazu eine Quelle: (datum.at)
[...] Da holt ihn die Nacht vom 4. auf den 5. Februar 1995 wieder ein. Der Sockel der
Bombe, auf die der Mörder zynisch „Roma zurück nach Indien“ geschrieben hat. Dieser
Sockel war ein mit Gips ausgegossenes Katzenklo. Dessen Streu hinterließ vier junge
tote Männer: Peter Sarközi, Josef Simon, Erwin Horvath, Karl Horvath. [...]
Abbildung 22: Die Tafel, die mit einem Rüttelzünder verbunden war und die Detonation auslöste.
Quelle: ORF Steiermark, Foto: APA/Polizei (ORF Steiermark)
81
Abbildung 23: Franz Fuchs schreit seine berühmten Hasstiraden vor Gericht Quelle: Rhein-Zeitung
(Rhein-Zeitung, 1999)
Forschungsfrage (Folie 4)
Die Frage: „Lassen sich die Gipsreste eventuell kriminalistisch verwerten?“ darf in
Deutlichkeit noch einmal in Richtung Klasse gestellt werden und kurz im Raum stehen
bleiben! Erst dann geht es daran, den Chemismus hinter der Verarbeitung von Gips zu
erklären:
Chemismus der Gips-Aushärtung (Folie 5-6)
Viele Sulfate (Gips ist Calciumsulfat) bauen in ihr Ionengitter Wassermoleküle ein (sog.
Kristallwasser). Beim Brennen von Gips bei 140°C wird das Wasser teilweise entfernt,
beim Anrühren aber wieder vom Gips aufgenommen.
Formel 13
CaSO4·2 H2O CaSO4·½ H2O + 1½ H2O (Neufingerl, 2012a)
82
Abbildung 24: Teil des Gipssockels aus dem Sockel der Rohrbombe (eigene Aufnahme bei JOANNEUM
RESEARCH)
Beantwortung der Frage und Laborbefunde (Folie 7)
Ohne die Frage mit „Ja“ zu beantworten können die beiden wichtigsten Befunde zu
den Gipsresten mit dem Foto präsentiert werden.
Das Wasser im Gipssockel der Rohrbombe von Oberwart hatte einen Tritiumwert (3H)
von ca. +200 TU (Tritium Units). (Papesch et al., 2011)
[...] Schon nach Oberwart – doch damals galt dies als Sensation – wurde das Wasser
im Gipssockel der Bombe analysiert. Man fand heraus, dass es aus der Südsteiermark
stammen müsse. Übrigens: Die Isotopenuntersuchung wurde ursprünglich in der
Lebensmittelkontrolle eingesetzt, um etwa gepantschten Wein zu erkennen. [...]
(Die Presse, 30.11.2013)
83
Wiederholung der Theorie (Folien 8 und 9)
Nun folgt die notwendige Wiederholung des Isotopenbegriffs:
Bei vielen Elementen ist die Anzahl der Neutronen im Kern variabel und diese bilden
sog. Isotope aus (vom griechischen iso topos, am gleichen Platz stehend).
Die für die Isotopenhydrologie relevanten Isotope sind die beiden stabilen Isotope
Protium (1H) und Deuterium (2H oder D) des Wasserstoffes und die drei stabilen
Isotope 16O, 17O und 18O des Sauerstoffs. Zudem kommt dem radioaktiven Isotop
Tritium (3H oder T) noch hohe Bedeutung für die Altersbestimmung rezenter Wässer
zu.
Abbildung 25: Isotope von Wasserstoff und Sauerstoff, die für die Isotopenhydrologie relevant sind
Quelle: SAHRA, bearbeitet)
Die relative natürliche Häufigkeit der stabilen Isotope ist im Fall der beiden Elemente
des Wassers sehr unterschiedlich (Abbildung 26), wobei 1H und 16O den weit
überwiegenden Anteil stellen.
Abbildung 26: Relative Häufigkeit der stabilen Isotope von Wasserstoff und Sauerstoff,
Quelle: Tabelle aus Sharp, 2007
Tritium (Folie 10)
Durch Wasserstoffbombentests der 1960er Jahre gelangte eine bedeutende Menge
Tritium (3H) in die Umwelt, so bedeutend, dass jedes oberirdische Gewässer mit einer
messbaren Menge Tritium „markiert“ ist (ca. 20 TU, also 20 Tritium-Units). Lediglich
Wässer, die beispielsweise im Erdinneren eingeschlossen sind und nicht am
84
Wasserkreislauf teilnehmen, weisen keine messbare Tritium-Aktivität auf. Mit seiner
Halbwertszeit von etwa 12 Jahren ist Tritium auch heute noch ein beliebtes „Tool“ für
Hydrogeologen zur Charakterisierung sog. rezenter Gewässer.
Abbildung 27: Tritiumwerte (TU) von 1961 bis 2004 aus Langzeitmessungen im österreichischen
Niederschlag mit logarithmischer Auftragung der Tritium Units, Quelle: Papesch, Rank, Horacek, &
Tesch, 2011.
Ein Tritiumwert von über 200 TU, wie im Wasser aus dem Gips des
Rohrbombensockels, übersteigt aber jeden - in natürlichen Gewässern messbaren –
Wert um mehr als das Doppelte! Daher musste eine andere Erklärung für diesen
Messwert gefunden werden, die erst ans Tageslicht kam, als die Werkstatt des
Bombenbauers selbst untersucht wurde. In der Werkstatt von Franz Fuchs wurden
Uhren mit Leuchtziffernblättern gefunden, die geöffnet wurden (Entfernung des
Uhrglases). Bei solchen Uhren ist unter dem Uhrglas gasförmiges Tritium (T2-Gas)
vorhanden, das sich nach dem Öffnen über die Luftfeuchtigkeit im ganzen Haus verteilt
(Papesch et al.; Papesch, Rank, Horacek, & Tesch, 2011).
Isotopenfraktionierung (Folie 10 – 15)
Die Isotopenfraktionierung erklärt sich durch die unterschiedlichen physikalischen
Eigenschaften der Isotope von ein und demselben Element. Vor allem ist hier die
unterschiedliche Masse zwischen dem schweren und dem leichten Isotop zu nennen,
85
die beim Wasserstoff am deutlichsten ausfällt. Ein Deuteriumatom ist ca. doppelt so
schwer wie ein Protiumatom (1H). Je größer dieses Massenverhältnis zwischen
schwerem und leichtem Isotop ist, desto deutlicher fällt auch die Fraktionierung aus.
Abbildung 28: Darstellung der unterschiedlichen Massen von Deuterium und Protium, Quelle: UCSB
Bei der Verdunstung von Wasser gilt es für die Moleküle, die Kräfte zwischen den
Wassermolekülen, wie sie in flüssigem Wasser durch die Wasserstoff-
brückenbindungen vorhanden sind, durch ausreichend kinetische Energie zu
überwinden.
Abbildung 29: Schematische Darstellung der Wasserverdunstung auf Teilchenebene (eigene Grafik)
Die roten Pfeile nach oben in Abbildung 29 zeigen die Geschwindigkeitsvektoren, die
groß genug sein müssen, um den Wassermolekülen das Austreten aus der
Flüssigphase zu ermöglichen. Der Pfeil nach unten zeigt den umgekehrten Weg der
bei der Kondensation gegangen wird.
Die Schwerkraft sorgt nun für eine Fraktionierung, in dem Wasserteilchen mit
schweren Isotopen im Schnitt nicht so häufig die ausreichende kinetische Energie
86
bekommen, um die Barriere aus dem flüssigen Wasser zu überwinden. Bei der
Kondensation ist es dagegen umgekehrt. Der Geschwindigkeitsvektor zeigt in die
Richtung der Schwerkraft. Teilchen mit schweren Isotopen gelangen schwerer nach
oben und leichter in die Flüssigphase zurück.
Abbildung 30: Schematische Darstellung des Übergangs zwischen den Aggregatszuständen (eigene
Grafik)
Im praktischen Zusammenhang heißt das für die Verdunstung von Wasser aus dem
Meer und die Bildung von Niederschlag über dem Festland folgendes:
Abbildung 31: Evolution der Deltawerte für δ18O nach der Verdunstung und Niederschlagsbildung,
Quelle: Sharp, 2007
87
Der Wasserdampf, der aus dem Meer aufsteigt, ist in Bezug auf 18O um 13 ‰
abgereichert. Nachdem Meerwasser in seiner isotopischen Zusammensetzung dem
Standard SMOW nahe kommt, wird hier vereinfacht δ18O auf Null gesetzt. Der
Wasserdampf bildet in Küstennähe eine Wolke aus, wobei der erste Niederschlag aus
dieser Wolke wieder mehr schweren Sauerstoff enthält, da dieser aufgrund seiner
höheren Masse leichter kondensieren kann. Dieser Niederschlag ist schwächer und
gegenüber dem Ozean mit -3 ‰ abgereichert. Der Wasserdampf, der nun weiter in
Richtung Festland wandert, ist nun abgereicherter, da schwere Isotope durch den
ersten Niederschlag heruntergeregnet wurden. Über einer Relieferhöhung kommt es
zu einer erneuten Wolkenbildung und einem erneuten Niederschlagsereignis. Der
Niederschlag ist wiederum angereicherter als die Wolke aus der er stammt, jedoch
nicht mehr so angereichert wie der erste. Dieses Phänomen setzt sich immer weiter
fort und führt dazu, dass der Niederschlag immer leichter wird, je weiter das
Niederschlagsereignis von der Küste entfernt ist. Dieser Effekt wird auch
Kontinentaleffekt genannt.
Als Vereinfachung wurde hier nur der δ18O-Wert dargestellt. Derselbe Sachverhalt. d.h.
die Auswirkung der Fraktionierung, zeigt sich noch deutlicher für den Wasserstoff.
Abbildung 32: Kontinentaleffekt für δ2H und δ18O-Werte, Quelle: GNS Science
Wie zuvor schon erwähnt ist das Massenverhältnis zwischen Deuterium und Protium
mit Faktor 2 größer als jenes zwischen 18O und 16O, welches 18/16 oder 1,125 beträgt.
88
Daher fraktioniert der Wasserstoff entsprechend stärker, was betragsmäßig höhere
Unterschiede in den δ2H Werten nach sich zieht. Der Austausch von Wasserstoff-
Atomen unter den Wassermolekülen ist über das Protolysegleichgewicht gewährleistet.
Effekte im Zusammenhang mit der Fraktionierung (Folien 12 und 15)
Der Fraktionierungsfaktor α ist temperaturabhängig. Da bei niedriger Temperatur die
kinetische Energie der Moleküle geringer ist, wirken sich Massenunterschiede bei
Phasenübergängen noch drastischer aus. In Bezug auf Niederschläge heißt das, dass
bei niedriger Temperatur abgereichertere Niederschläge entstehen als bei höherer
Temperatur. Aus diesem Zusammenhang heraus lassen sich 3 Effekte definieren, die
mit der Temperatur eines Niederschlagsereignisses zusammenhängen:
1. Der Jahreszeiteneffekt: In ein und demselben Gebiet ist der Niederschlag im
Winter abgereicherter als im Sommer.
2. Der Höheneffekt: Die Isotopenzusammensetzung ändert sich in einem Gebiet
mit der Seehöhe. Je größer die Seehöhe, desto abgereicherter ist der Niederschlag
aufgrund der niedrigeren Temperatur.
3. Der Breitengradeffekt: Je höher der Breitengrad, desto abgereicherter ist der
Niederschlag. Dies lässt sich wiederum mit den niedrigeren Temperaturen in höheren
Breiten erklären.
89
Abbildung 33: Visualisierung des Breitengradeffektes. Die angereichertsten Niederschläge (hier δ18O)
fallen am Äquator, die abgereichersten an den Polen. Quelle: IAEA
In hohen Breiten, wie in Grönland oder der Antarktis, liegen die δ18O-Werte unter
– 25 ‰, während um den Äquator Werte um 0 ‰ vorliegen.
Unabhängig von der Temperatur gibt es noch einen weiteren Effekt, der mit der
Ausgiebigkeit des Niederschlagsereignisses zu tun hat:
4. Der Mengeneffekt: Bei großer Niederschlagsmenge erscheint der
Niederschlag abgereicherter als etwa bei leichtem Regen. Das liegt daran, dass der
Regen am Anfang die meisten schweren Isotope enthält, die sich bei einem intensiven
Regen zeitlich verdünnen.
5. Der Kontinentaleffekt: Dieser Effekt hat ebenfalls nichts mit der Temperatur
zu tun, sondern nur mit der Entfernung von der Küste. Der Kontinentaleffekt wurde
bereits mit Abbildung 31 und Abbildung 32 visualisiert.
90
9.2 Arbeitsblätter
Die 6 Arbeitsblätter für den theoretischen Teil der Erarbeitungsphase sind als
Kopiervorlage in Anhang 4 zu finden.
Für die Erarbeitung der Arbeitsblätter und die Beantwortung der Fragen ist mindestens
eine Unterrichtseinheit vorzusehen. In einer 2. Einheit werden die Präsentationen der
Gruppenarbeit abgewickelt.
Die Arbeitsblätter basieren auf den beiden fachdidaktischen Texten, die bereits in
Kapitel 8 vorgestellt wurden und haben folgenden Inhalt:
Tabelle 21: Übersicht über die Arbeitblätter der theoretischen Erarbeitungsphase (siehe Anhang 4)
Arbeitsblatt 1 Authentizität von Lebensmitteln, Begriff und Analysenmethode
Arbeitsblatt 2 Natürliche Häufigkeiten von Isotopen in biologischem Material
Arbeitsblatt 3 Beispiele für Fälschungen im Lebensmittelbereich
Arbeitsblatt 4 Nachweis der geographischen Herkunft
Arbeitsblatt 5 Weinanalytik und Stabilisotopenanalytik beim Wein, Datenbanken
Arbeitsblatt 6 Untersuchungen der Nahrungskette: Vegetarier oder Fleischesser
Die Arbeitsblätter beschäftigen sich durchwegs mit dem Lebensmittelbereich und
stellen eine Verbindung zum Teil 1 der Diplomarbeit dar. Wein ist ein Paradebeispiel,
da hier eine aufwändige Datenbank an analysierten Proben geführt wird.
Die Texte behandeln die Authentizität, sowohl in Hinblick auf die geographische
Herkunft, als auch hinsichtlich unerlaubter Zusätze.
91
9.3 Experimente
In diesem Abschnitt werden 3 Experimente beschrieben, die sehr unterschiedlicher
Natur sind und für den praktischen Teil der Erarbeitungsphase dienlich sein
sollen. Handwerkliches Geschick, wie genaues Einwiegen und Pipettieren, sind in der
Isotopenanalytik genauso wichtig, wie das Lesen und Interpretieren von Daten und
Diagrammen. Die Anleitungen für LehrerInnen und SchülerInnen finden sich im
Anhang 5.
Experiment 1 gehört zur Anwendung der Isotopenanalytik bei der Unterscheidung
von Rohr- und Rübenzucker durch den 13C-Gehalt. Die Probenvorbereitung ist im
Laborunterricht durchführbar. Jedoch ist ein befreundetes Isotopenlabor nötig, das die
Proben vermisst. Es soll die Herkunft von Zucker in Sirupproben untersucht werden,
wobei die Übung für die Schülerinnen und Schüler sich auf Probenvorbereitung und
Interpretation der Ergebnisse beschränkt.
Experiment 2 veranschaulicht die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften
von Isotopologen, konkret die unterschiedliche Dichte von gewöhnlichem Wasser und
schwerem Wasser.
Der zweite Versuch ist ein Schauexperiment, das die Isotopenfraktionierung
verdeutlichen soll.
9.3.1 Exp. 1: Bestimmung der Zuckerart in verschiedenen Sirupsorten
Mit einer Analysenwaage können die Sirupproben von den Schülern in Zinnkapseln
eingewogen werden. Jede Gruppe bekommt eine Probe und bereitet 5 Zinnkapseln
vor. Zusätzlich werden Rohrzucker und Rübenzucker als Referenzsubstanzen auf
dieselbe Art eingewogen (1 mg pro Zinnkapsel).
Die Proben werden einem befreundeten Isotopenlabor zur Analyse übergeben. In dem
Labor in dem ich arbeite kostet diese Analytik 40€ pro Probe, wobei ein Rabatt gewährt
wird, wenn die Proben schon eingewogen worden sind. Letzteres stellt nämlich die
zeitintensivste Tätigkeit dar.
Wenn ein paar Wochen später die Ergebnisse der 13C-Analysen vorliegen, können die
SchülerInnen aufgrund ihres Vorwissens zum Thema eine Aussage darüber treffen,
welche Art von Saccharose (Rohrzucker oder Rübenzucker) bei welchem Sirup
verwendet wurde (vgl. 2.1.2).
92
Von diesem Experiment können folgende Dinge gelernt werden:
Wie sieht 1 mg Probe auf der Waage aus und wie schwer ist es, so geringe
Mengen einzuwiegen?
Wissenswertes zum Thema Probenvorbereitung.
Was sind Vergleichssubstanzen (hier Rohr- und Rübenzucker)?
Deutung von Analysenergebnissen.
Wie unterschiedlich sind die Sirup-Produkte?
Die besten ChemikerInnen können nicht alles selbst analysieren.
Rolle von Speziallabors.
Wenn alle Stricke reißen und kein Isotopenlabor in der Nähe ist, zu wenig Zeit für das
Einwiegen der Proben zur Verfügung steht oder die Analysenwaage nicht genau genug
ist, kann dasselbe Experiment in einem Arbeitsblatt mit der unten stehenden Tabelle
veranschaulicht werden:
Tabelle 22: Bestimmung von 13C-Gehalten unterschiedlicher Sirup-Proben, eigene Daten
Probe: δ13C in ‰
Kristallzucker -27,00
Rohrzucker -11,77
Teesirup Blutorange -25,75
Teesirup Melisse-Ingwer -25,96
Die Daten aus der obigen Tabelle zeigen deutlich den Unterschied zwischen Rohr- und
Rübenzucker (Kristallzucker). Die Messergebnisse lassen bei beiden Sirupproben auf
Rübenzuckerzusatz schließen.
93
9.3.2 Exp.2: Einfrieren von schwerem Wasser (D2O)
Schweres Wasser ist nicht so unerschwinglich wie man meinen mag, zumal ein Liter
mit einem Anreicherungsgrad von >60 at% ca. 100€ kostet. Mit schwerem Wasser
lassen sich Eiswürfel herstellen, die auf „normalem“ Wasser nicht schwimmen! Lässt
man diese nicht zu lange im Wasser, so lassen sich diese D2O-Eiswürfel auch recyceln.
Besonders eindrucksvoll wäre eine Gegenüberstellung mit gewöhnlichen,
schwimmenden Eiswürfeln.
Dem Experiment folgen Aufgabenstellungen, die beispielsweise die Berechnung der
Dichte der „schweren Eiswürfel“ beinhalten, sowie Recherchen über die physikalischen
Eigenschaften und Vergleiche mit „normalem“ Wasser.
9.3.3 Exp.3: Schauversuch zum Thema Isotopenfraktionierung
Ein Modell zur Visualisierung der Aggregatszustände, und in weiterer Folge der
Isotopenfraktionierung, wird von den Schülern bedient. Es besteht aus einem
durchsichtigen Behälter, an dessen Unterseite sich ein regelbarer Ventilator befindet.
Im Behälter sind Kugeln gleicher Größe, aber mit verschiedenen Farben. Eine Sorte
Kugeln sollte schwerer sein als die andere. An der Oberseite des Behälters müssen
Bohrungen vorhanden sein, die die Luft ausströmen lassen.
Ein Modell zur Verdeutlichung der Aggregatszustände wie in Abbildung 30 könnte
durch einen durchsichtigen Zylinder mit Tischtennisbällen realisiert werden, an dessen
Boden ein Ventilator mit regelbarer Geschwindigkeit montiert ist. Je nach Luftsog
bewegen sich die Tischtennisbälle erst kaum, dann ein wenig und am Schluss wie die
Atome in einem Gas, so dass die Schwerkraft völlig überwunden zu sein scheint.
Werden nun in den Zylinder einige wenige Tischtennisbälle mit etwas größerer Masse
und einer anderen Farbe gegeben, so lässt sich die Isotopenfraktionierung
visualisieren. Beim Übergang zwischen flüssig und gasförmig werden tendenziell die
schwereren und andersfärbigen Tischtennisbälle am Boden bleiben.
94
Abbildung 34: Visualisierung der Isotopenfraktionierung durch schwerere orange Tischtennisbälle in
einem Luftstrom. Beim Übergang zum gasförmigen Zustand (starker Luftstrom) bleiben die
schwereren Bälle vermehrt unter der roten Mittellinie (eigene Grafik).
Die Schülerinnen und Schüler regeln den Luftstrom über eine Spannungsregelung an
einem Netzgerät und notieren Spannungswerte für den Übergang von
Aggregatszuständen.
95
10. Zusammenfassung Teil 2
Die eigene Unterrichtserfahrung und das zusammengestellte Material zeigen, dass es
machbar ist, die Stabilisotopenanalytik in den Chemieunterreicht einzubauen,
entweder beim Isotopenbegriff im Zuge der Erklärung des Atombaus, beim Aufbau des
Periodensystems oder als Unterpunkt beim Thema "Lebensmittel, Genussmittel und
Drogen", einem Unterpunkt des Kapitels "Chemie und Leben".
Was die Theorie betrifft, so reicht es beim Abschnitt Atombau/Periodensystem zu
erwähnen, dass man mit Isotopenverteilungen bestimmte Nachweise erbringen kann.
Beim Thema "Lebensmittel, Genussmittel und Drogen" kann dann, je nach Interesse,
mehr zu den einzelnen Methoden gesagt werden.
Die beiden zitierten Artikel liefern einen guten Überblick über das Thema, sowohl für
ExpertInnen als auch für interessierte KonsumentInnen. Die Artikel sind so aufgebaut,
dass die wesentlichen enthaltenen Informationen auch ohne lückenloses Verständnis
der Theorie entnommen werden können.
Das Thema hat große Relevanz für die Gegenwart und Zukunft. Stabilisotopenanalytik
wird im geologischen Bereich schon seit Jahrzehnten eingesetzt. In den letzten Jahren
hat diese Methode reichlich Einzug in den Lebensmittelbereich und auch in den
forensischen Bereich (Kriminalistik, Dopingtests) gewonnen.
Nachdem das Bewusstsein der KonsumentInnen um gesunde Ernährung, Klimaschutz
und Lebensmittelechtheit immer größer wird bin ich der Meinung, dass es durchaus
legitim ist, bereits als Chemieschülerin und Chemieschüler von solchen Methoden zu
erfahren.
Die vorgestellten Unterrichtsmaterialien (Anhänge 3 – 5) beinhalten eine Präsentation,
mehrere Arbeitsblätter und drei Beispiele für den Laborkurs (Naturwissenschaftliche
Labors oder Vertiefend Chemie in der AHS, regulärer Laborunterricht in der HTL).
Alternativ zu regulären Chemiestunden kann das Thema auch als „Teaser“ für die
Forensische Chemie in einer Supplierstunde anhand der Präsentation (Anhang 3)
gebracht werden.
96
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Das Literaturverzeichnis wurde mit Citavi 5.4.0.2 erstellt (Swiss Academic Software GmbH).
Der letzte Zugriff auf alle Internetquellen erfolgte im Oktober 2016!
101
Anhang 1
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: 1H-NMR Spektren von Walnuss und Haselnussöl, Quelle: „Rapid simultaneous deteremination by
proton NMR of unsaturation and composition of acyl groups in vegetable oils“ (Guillén & Ruiz, 2003) _______ 18
Abbildung 2: Isotopenmassenspektrometer bei JOANNEUM RESEARCH mit dem routinemäßig 18O in
Wasserproben bestimmt wird. (eigene Aufnahme) ________________________________________________ 26
Abbildung 3: Austausch der Sauerstoffisotope zwischen H2O und CO2 durch das Kohlensäuregleichgewicht,
eigene Abbildung ___________________________________________________________________________ 28
Abbildung 4: Schematischer Aufbau eines Massenspektrometers, Quelle: JOANNEUM RESEARCH __________ 31
Abbildung 5: Ampullen mit dem Standard VIENNA STANDARD MEAN OCEAN WATER (VSMOW), Quelle: Reston
Stable Isotope Laboratory ____________________________________________________________________ 32
Abbildung 6: Wasserstandards aus „Principles of isotopes in geochemistry“ (Sharp, 2007) ________________ 32
Abbildung 7: Darstellung der Isotopenwerte (δ13C vertikal, δ2H horizontal. Die blauen Rauten sind die
Kürbiskernöle mit steirischem Gütesiegel, die roten Quadrate sind 7 auswertige Öle. (eigene Daten) ________ 34
Abbildung 8: Vergleich der Seltene-Erden-Muster zwischen Kernölproben und Bodenlösung am Beispiel G-4221,
normiert auf die Chondritenzusammensetzung nach William F. McDonough. Das Kernöl aus dem Jahr 2012
stammt von exakt demselben Feld, von dem auch die Bodenprobe genommen wurde. Quelle: Endbericht
„FoodOriginCheck“ (Lukas et al., 2013)__________________________________________________________ 39
Abbildung 9: Vergleich zweier Bodenproben vom Betrieb G-4208 mit einem Kürbiskernöl aus dem Jahr 2011.
Zwei Felder, die zum selben Betrieb gehören und wenige Kilometer auseinander liegen zeigen sehr
unterschiedliche Verteilungen, was die Seltenen Erden betrifft. Die Werte sind normiert auf die
Chondritenzusammensetzung nach William F. McDonough. Quelle: Endbericht „FoodOriginCheck“ (Lukas et al.,
2013) ____________________________________________________________________________________ 41
Abbildung 10: Vergleich der Seltene-Erden-Muster zwischen Kernölproben und Bodenlösung am Standort G-
4224. Die Werte sind normiert auf die Chondritenzusammensetzung nach William F. McDonough. Quelle:
Endbericht „FoodOriginCheck“ (Lukas et al., 2013) ________________________________________________ 42
Abbildung 11: Vergleich der Seltene-Erden-Muster zwischen Kernölproben und Bodenlösung am Standort G-
4205. Die Werte sind normiert auf die Chondritenzusammensetzung nach William F. McDonough. Quelle:
Endbericht „FoodOriginCheck“ (Lukas et al., 2013) ________________________________________________ 42
Abbildung 12: Vergleich der Konzentration an Seltenen Erden von Kürbiskernen (obere 5 Kurven) mit dem
daraus gepressten Kernöl (untere 4 Kurven). Die Werte sind normiert auf die Chondritenzusammensetzung nach
William F. McDonough. Quelle: Endbericht „FoodOriginCheck“ (Lukas et al., 2013) ______________________ 44
Abbildung 13: Box-Whisker-Plots der 13C/12C Isotopendaten in δ‰ VPDB. Die Whisker liegen am Maximal- und
Minimalwert, eigene Daten ___________________________________________________________________ 47
Abbildung 14: Boxplots zur Veranschaulichung der Daten für die 5 Parameter aus Isotopenanalytik und
Fettsäureprofil und Gegenüberstellung der Öle aus dem g.g.A.-Gebiet (STMK) mit jenen außerhalb des g.g.A.-
Gebietes (nicht STMK), eigene Daten, erstellt mit „R“ (The R Foundation for Statistical Computing, 2016) ____ 51
Abbildung 15: Scatterplots, bei denen alle Variablen paarweise gegeneinander aufgetragen wurden. Rote
Punkte stehen für Proben außerhalb des g.g.A.-Gebietes, grüne für Proben aus dem g.g.A.-Gebiet, eigene Daten,
erstellt mit „R“ (The R Foundation for Statistical Computing, 2016) ___________________________________ 53
Abbildung 16: Plot der geschätzten Dichtefunktionen der beiden Gruppen für die Werte des linearen
Diskriminators LD2, eigene Daten, erstellt mit „R“ (The R Foundation for Statistical Computing, 2016) _______ 55
Abbildung 17: Korrelation zwischen den Seltenen Erden in getrockneten Kürbiskernen und daraus gepresstem
Öl, Korrelationskoeffizient: 0,983, eigene Daten __________________________________________________ 56
102
Abbildung 18: Tabelle 1 aus dem Artikel „Herkunft und Authentizität von Lebensmitteln“ zum Vergleich von
Isotopendaten zwischen verschiedenen Lebensmitteln, Quelle: Chemie in unserer Zeit, 2011, 45, 86 - 95 (Stöckigt
et al., 2005) _______________________________________________________________________________ 73
Abbildung 19: Block zur Vermittlung der Theorie hinter den stabilen Isotopen, Quelle: Chemie in unserer Zeit,
2011, 45, 86 - 95 (Stöckigt et al., 2005) _________________________________________________________ 74
Abbildung 20: Mahnmal in der burgenländischen Stadt Oberwart zum Rohrbombenanschlag von Franz Fuchs,
Quelle: Kurier (Kurier, 2016) __________________________________________________________________ 79
Abbildung 21: Der Tatort nach dem Anschlag. Zu sehen ist unten zwischen den Opfern der Sockel der
Rohrbombe. Quelle: Kronen Zeitung, Foto: APA/Ulrich Schnarr (Kronen Zeitung, 2016) ___________________ 80
Abbildung 22: Die Tafel, die mit einem Rüttelzünder verbunden war und die Detonation auslöste. Quelle: ORF
Steiermark, Foto: APA/Polizei (ORF Steiermark) ___________________________________________________ 80
Abbildung 23: Franz Fuchs schreit seine berühmten Hasstiraden vor Gericht Quelle: Rhein-Zeitung (Rhein-
Zeitung, 1999) _____________________________________________________________________________ 81
Abbildung 24: Teil des Gipssockels aus dem Sockel der Rohrbombe (eigene Aufnahme bei JOANNEUM
RESEARCH) ________________________________________________________________________________ 82
Abbildung 25: Isotope von Wasserstoff und Sauerstoff, die für die Isotopenhydrologie relevant sind Quelle:
SAHRA, bearbeitet) _________________________________________________________________________ 83
Abbildung 26: Relative Häufigkeit der stabilen Isotope von Wasserstoff und Sauerstoff, Quelle: Tabelle aus
Sharp, 2007 _______________________________________________________________________________ 83
Abbildung 27: Tritiumwerte (TU) von 1961 bis 2004 aus Langzeitmessungen im österreichischen Niederschlag
mit logarithmischer Auftragung der Tritium Units, Quelle: Papesch, Rank, Horacek, & Tesch, 2011. _________ 84
Abbildung 28: Darstellung der unterschiedlichen Massen von Deuterium und Protium, Quelle: UCSB ________ 85
Abbildung 29: Schematische Darstellung der Wasserverdunstung auf Teilchenebene (eigene Grafik) ________ 85
Abbildung 30: Schematische Darstellung des Übergangs zwischen den Aggregatszuständen (eigene Grafik) __ 86
Abbildung 31: Evolution der Deltawerte für δ18O nach der Verdunstung und Niederschlagsbildung, Quelle:
Sharp, 2007 _______________________________________________________________________________ 86
Abbildung 32: Kontinentaleffekt für δ2H und δ18O-Werte, Quelle: GNS Science __________________________ 87
Abbildung 33: Visualisierung des Breitengradeffektes. Die angereichertsten Niederschläge (hier δ18O) fallen am
Äquator, die abgereichersten an den Polen. Quelle: IAEA ___________________________________________ 89
Abbildung 34: Visualisierung der Isotopenfraktionierung durch schwerere orange Tischtennisbälle in einem
Luftstrom. Beim Übergang zum gasförmigen Zustand (starker Luftstrom) bleiben die schwereren Bälle vermehrt
unter der roten Mittellinie (eigene Grafik). _______________________________________________________ 94
103
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Zuordung der NMR-Signale aus Abbildung 1 zu den verschiedenen Wasserstoffatomen der Proben aus
Guillén & Ruiz, 2003, bearbeitet ............................................................................................................................ 19
Tabelle 2: Berechnung der prozentuellen (Mol%) Verteilung der Fettsäuren aus den NMR-Peakflächen, Quelle:
Guillén & Ruiz, 2003 .............................................................................................................................................. 20
Tabelle 3: Fettsäureverteilung in unterschiedlichen Pflanzenölen, Quelle: Guillén & Ruiz, 2003, bearbeitet ....... 20
Tabelle 4: Gegenüberstellung von Fettsäureverteilungen aus dem NMR und der GC-MS für ausgewählte Proben,
eigene Daten (Lukas et al., 2013) .......................................................................................................................... 21
Tabelle 5: Errechnete Fettsäurezusammensetzungen aus den NMR-Daten in Molprozent. Kürbiskernöle
außerhalb des g.g.A.-Gebietes sind in roter Schrift dargestellt, eigene Daten (Lukas et al., 2013) ...................... 23
Tabelle 6: Häufigkeit der stabilen Isotope von Wasserstoff und Sauerstoff, Quelle: „Principles of stable Isotopes
in geochemistry“ (Sharp, 2007) ............................................................................................................................. 25
Tabelle 7: Natürliche Häufigkeit der 9 Isotopologe von Wasser, geordnet nach sinkender Häufigkeit, Quelle:
„Principles of stable Isotopes in geochemistry“ (Sharp, 2007) .............................................................................. 25
Tabelle 8: Ergebnisse aus der Isotopenuntersuchungen (δ13CVPDB und δ2HVSMOW) an ausgewählten
Kürbiskernölen, eigene Daten ................................................................................................................................ 35
Tabelle 9: Häufigkeit der Seltenen Erden in der oberen Erdkruste bzw. im Chondrit in ppm. Quelle: „Rare Earth
Elements“ in „Industrial Minerals and rocks“ (Castor & Hedrick, 2006), bearbeitet ............................................. 36
Tabelle 10: Isotopen- und NMR-Daten der nicht-steirischen Öle, eigene Daten ................................................... 46
Tabelle 11: Empirische Standardabweichung und Mittelwerte, eigene Daten...................................................... 46
Tabelle 12: Standardisierte Datenmatrix mit den Isotopen- und NMR-Daten, eigene Daten ............................... 47
Tabelle 13: Standardisierte Daten aus den NMR- und Isotopenmessungen, eigene Daten .................................. 50
Tabelle 14: Gruppierte Mittelwerte und LDA-Koeffizienten für das LDA-Modell 1, eigene Daten ......................... 54
Tabelle 15: Kreuztabelle für die Klassenzugehörigkeit im LDA-Modell 1, eigene Daten ....................................... 54
Tabelle 16: Gruppierte Mittelwerte und LDA-Koeffizienten für das LDA-Modell 2, eigene Daten ......................... 55
Tabelle 17: Kreuztabelle für die Klassenzugehörigkeit im LDA-Modell 2, eigene Daten ....................................... 55
Tabelle 18: Korrelationen zwischen Bodenlösungen und Kürbiskernölen. Bei der Negativkontrolle wurden
randomisiert falsche Bodenproben den entsprechenden Ölen zugeordnet, was teilweise eine Verbesserung der
Korrelation mit sich bringt, eigene Daten .............................................................................................................. 57
Tabelle 19: Korrelationen zwischen Bodenlösungen und Kürbiskernölen ohne die Elemente Eu, Tm und Ce. Bei
der Negativkontrolle wurden wieder randomisiert falsche Bodenproben (gleich wie in Tabelle 18) den
entsprechenden Ölen zugeordnet, eigene Daten .................................................................................................. 58
Tabelle 20: Fach- und Handlungskompetenzen aus den vorbereiteten Unterrichtseinheiten ............................... 77
Tabelle 21: Übersicht über die Arbeitblätter der theoretischen Erarbeitungsphase (siehe Anhang 4) ................. 90
Tabelle 22: Bestimmung von 13C-Gehalten unterschiedlicher Sirup-Proben, eigene Daten .................................. 92
104
Anhang 2 – Programm für die statistische Auswertung
datapath<-"C:/Datenpfad/"
##############################################################
##############################################################
# Packages laden;
# Wichtig: Packages müssen vorher mit "Install package" unter Menüpunkt "Packages" in der R Konsole
installiert werden
library(MASS) # Package für LDA
library(car) # Package für Scatterplotmatrix
# Daten aus csv file einlesen
dat <- read.table(paste(datapath, "/daten.csv", sep=""), sep=";", dec=".", header=TRUE)
# Datenstruktur anzeigen
str(dat)
# Daten anschauen
print(dat)
# Aus der numerischen Variable "steirisch" eine Faktorvariable "group" ableiten
dat$group <- as.factor(dat$steirisch)
levels(dat$group) <- c("nicht STMK","STMK") # Namen für die levels von "group" vergeben
# Farben für die Plots definieren
dat$cols <- "red"
dat$cols[dat$steirisch==1] <- "darkgreen"
C:/Users/Michael/Desktop/Diplomarbeit/Daten von Ulli
#################### Plots ######################################
#### Plots können mit Click auf rechte Maustaste in Zwischenablage kopiert oder gespeichert werden!!
105
##############################################################
#######################################
# Boxplots aller Variablen getrennt nach Gruppe => Gruppenvergleich
windows(600,500) # Grafikfenster der Größe 600x500 ==> Größe bei Bedarf anpassen!
par(mfrow=c(2,3),oma=c(0,0,0,0))
boxplot(X13C~group,data=dat,main="13C/12C",col="darkgreen")
boxplot(X1H~group,data=dat,main="2H/1H",col="darkred")
boxplot(L~group,data=dat,main="Linolsäuregehalt",col="skyblue")
boxplot(O~group,data=dat,main="Ölsäuregehalt",col="orange")
boxplot(S~group,data=dat,main="Gesättigte Fettsäuren",col="pink")
#### Scatterplots aller Variablen gegeneinander
windows(380,190) # Grafikfenster der Größe 380*190 ==> Größe bei Bedarf anpassen!
par(mfrow=c(1,2),oma=c(0,0,0,0)) # Grafikfenster mit 2 Bildern nebeneinander
plot(dat$O,dat$S,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="O",ylab="S") # Scatterplot von O gegen S
legend("bottomleft",levels(dat$group),pch=19,col=c("red","darkgreen"),cex=1) # Legende für
Scatterplot
plot(dat$L,dat$S,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="L",ylab="S")
legend("bottomleft",levels(dat$group),pch=19,col=c("red","darkgreen"),cex=1)
windows(380,190)
par(mfrow=c(1,2),oma=c(0,0,0,0))
plot(dat$X13C,dat$S,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X13C",ylab="S")
legend("bottomleft",levels(dat$group),pch=19,col=c("red","darkgreen"),cex=1)
plot(dat$X1H,dat$S,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X1H",ylab="S")
legend("bottomleft",levels(dat$group),pch=19,col=c("red","darkgreen"),cex=1)
windows(380,190)
106
par(mfrow=c(1,2),oma=c(0,0,0,0))
plot(dat$L,dat$O,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="L",ylab="O")
legend("bottomleft",levels(dat$group),pch=19,col=c("red","darkgreen"),cex=1)
plot(dat$X1H,dat$O,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X1H",ylab="O")
legend("bottomleft",levels(dat$group),pch=19,col=c("red","darkgreen"),cex=1)
windows(380,190)
par(mfrow=c(1,2),oma=c(0,0,0,0))
plot(dat$X13C,dat$O,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X13C",ylab="O")
legend("bottomleft",levels(dat$group),pch=19,col=c("red","darkgreen"),cex=1)
plot(dat$X1H,dat$L,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X1H",ylab="L")
legend("bottomleft",levels(dat$group),pch=19,col=c("red","darkgreen"),cex=1)
windows(380,190)
par(mfrow=c(1,2),oma=c(0,0,0,0))
plot(dat$X13C,dat$L,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X13C",ylab="L")
legend("bottomleft",levels(dat$group),pch=19,col=c("red","darkgreen"),cex=1)
plot(dat$X1H,dat$X13C,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X1H",ylab="X13C")
legend("bottomleft",levels(dat$group),pch=19,col=c("red","darkgreen"),cex=1)
#Alternative zu einzelnen Scatterplots: Scatterplotmatrix
windows(400,400)
scatterplotMatrix(~ X13C + X1H + L + O + S | group, data=dat,
smooth=FALSE, by.group=TRUE, legend.plot=FALSE, cex=1.7,reg.line="FALSE",
cex.axis = 1.2, cex.labels = 1.7, cex.main = 1,var.labels=c("X13C","X1H","L","O","S"),
diagonal="none", pch=c(19,19), col=c("red","darkgreen"))
107
################ Klassifikationsmodelle ###################
# Klassifikation mit Linearer Diskriminanzanalyse = LDA
# LDA: siehe Venebles&Ripley (2000), Seite 344ff
# Modell 1: Ohne X13C, dafür mit Produkt aus X13C und L (=I(X13C*L))
mod1 <- lda(group ~ X1H + L + O + S + I(X13C*L), data=dat) # Modell 1: "bestes Modell"
# Modell 2: Alle Merkmale, linear
mod2 <- lda(group ~ X13C + X1H + L + O + S , data=dat) # Modell 2
# Modellergebnisse:
print(mod1) # Display Modell 1
print(mod2) # Display Modell 2
# Plot der geschätzten Dichtefunktionen der beiden Gruppen für die Werte des linearen Diskriminators
LD1
plot(mod1,type="both") # type="both": Histogramm und Dichte, type="density": nur Dichte
# Prädiktion = Schätzung der Klassenzugehörigkeit
lda_predict1 = predict(mod1,dat)$class # Modell 1
lda_predict2 = predict(mod2,dat)$class # Modell 2
# Kreuztabellen: tatsächliche gegen geschätzte Klassenzugehörigkeit
table(dat$group,lda_predict1) # Mod1: alle Proben richtig zugeordnet!
table(dat$group,lda_predict2) # Mod2 ==> 2 Proben falsch zugeordnet
# Geschätzte Klassenzugehörigkeiten zum Datensatz dazuhängen
dat <- data.frame(dat,lda_predict1,lda_predict2)
####### Daten als csv exportieren
write.table(dat,paste(datapath, "/daten2.csv", sep=""), sep=";",dec=".",row.names=FALSE)
108
Anhang 3 – Handzettel für die Präsentation zur Begegnungs- und
Neugierphase (Kopiervorlage)
109
110
111
112
113
Anhang 4 – Arbeitsblätter zur Erarbeitungsphase, Theoretischer
Teil (Kopiervorlagen)
Dieser Anhang enthält Kopiervorlagen mit wortwörtlich übernommenen Texten und
Abbildungen aus folgenden Artikeln:
Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 90 – 99
© 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Chem. Unserer Zeit, 2011, 45, 86 – 95
© 2011 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Die übernommenen Texte und Abbildungen sind Grundlage für die erstellten
Arbeitsaufträge!
114
STABILISOTOPENANALYTIK, Lehrerblatt
Erarbeitungsphase zum Thema
„Stabilisotopenanalytik“, Theoretischer Teil
(Gruppenarbeit)
Texte aus: Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 90 – 99
und Chem. Unserer Zeit, 2011, 45, 86 - 95
Unterrichtsform: Gruppenarbeit (2-5 SchülerInnen pro Gruppe) mit abschließender
Kurzpräsentation, aufbauend auf die Präsentation über
forensische Chemie und Isotopenanalytik
Die Schülerinnen und Schüler sind dazu angehalten, den vorliegenden Text für
die Klasse zusammenzufassen und dabei die gestellten Fragen einzubeziehen.
Die Arbeitsblätter sind digital zur Verfügung zu stellen, damit Abbildungen für
eine Präsentation übernommen werden können und gewährleistet wird, dass
alle Arbeitsblätter allen zugänglich sind.
115
Unter Beibehaltung der Reihenfolge (Arbeitsblätter) werden die ausgearbeiteten
Antworten und Zusammenfassungen präsentiert, wobei es bei allen Gruppen
zunächst darum geht, den gelesenen Text in Kurzform wieder zu geben.
Durch eine Leistungsüberprüfung in schriftlicher oder mündlicher Formen
werden die SchülerInnen dazu angehalten, sich auch mit den Inhalten der
anderen Gruppen zu beschäftigen.
Übersicht über die Arbeitsblätter:
Arbeitsblatt 1 Authentizität von Lebensmitteln, Begriff und Analysenmethode
Arbeitsblatt 2 Natürliche Häufigkeiten von Isotopen in biologischem Material
Arbeitsblatt 3 Beispiele für Fälschungen im Lebensmittelbereich
Arbeitsblatt 4 Nachweis der geographischen Herkunft
Arbeitsblatt 5 Weinanalytik und Stabilisotopenanalytik beim Wein, Datenbanken
Arbeitsblatt 6 Untersuchungen der Nahrungskette: Vegetarier oder Fleischesser
116
STABILISOTOPENANALYTIK, Arbeitsblatt 1
Text und Abbildungen aus: Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 90 - 99
Zu den gesetzlich vorgeschriebenen Qualitätskriterien von Lebensmitteln gehören
neben Angaben von Art und Menge aller Roh- und Inhaltsstoffe oft auch Informationen
über deren Herkunft, Naturbelassenheit und Verarbeitung. Da Rohstoffquellen nahezu
weltweit zur Verfügung stehen, kann die klassische Lebensmittelanalytik den
Anforderungen der Authentizitätsprüfung von Inhaltsangaben häufig nicht mehr
gerecht werden. Dies ist aber oft durch die Analyse der Verhältnisse der stabilen
Isotope vor allem der Elemente H,C,N,O und S möglich.
Die meisten Lebensmittel (Abbildung 1) sind komplizierte Gemische aus organischen
Naturstoffen, Mineralstoffen und Wasser. Diese Inhaltstoffe stammen in erster Linie
aus den entsprechenden Rohstoffen; sie können aber auch bei deren Verarbeitung
entstehen oder legal bzw. illegal zugesetzt worden sein. Die Biomasse der Lebensmittel
ist aus den Elementen Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel
aufgebaut. Diese Elemente sind Mischelemente, das heißt, sie enthalten neben einem
leichten Hauptisotop geringe Mengen schwerer Nebenisotope. Deren Konzentrationen
werden als relative Differenzen zu internationalen Standards in δ-Werten angegeben.
Primär werden die mittleren Isotopenverhältnisse der Elemente in Lebensmitteln oder
deren Inhaltsstoffen durch die geographischen, klimatischen, botanischen und
(bio)chemischen Gegebenheiten bei ihrer Entstehung bestimmt oder beeinflusst. Dabei
wirken sich bestimmte Parameter unterschiedlich auf die Isotopenzusammensetzung
der einzelnen Elemente aus (Abbildung 2).
117
© 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Untersuchungsbereiche und Anwendungen
Die Stabilisotopenanalytik wird in den letzten Jahren immer häufiger in der amtlichen
Lebensmittelüberwachung zur Prüfung der Herkunft und zum Nachweis von Verfäl-
schungen eingesetzt. Besonders sichere Aussagen zur Kontrolle der Echtheit der
Angaben über den Inhalt (Authentizität) eines Lebensmittels werden durch die
Multielement- und die Multikomponentenisotopenanalyse erreicht, nämlich die
Bestimmung der Isotopenverhältnisse mehrerer Elemente bei verschiedenen
Inhaltsstoffen der Lebensmittel. Als Grundlage hierzu werden Datenbanken aus den
Messwerten von authentischen Vergleichsproben angelegt. Zu prüfen sind vor allem
Verfälschungen von Lebensmitteln mit unerlaubten oder nicht deklarierten Zusätzen
sowie Angaben über ihre Herkunft und Behandlung.
118
© 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Aufgabenstellungen
Fasst den gelesenen Text zusammen und entnehmt ihm die wichtigsten
Aussagen, die ihr dann in der Gruppe der Klasse präsentiert.
Beschreibt mit eigenen Worten den Begriff der „Authentizität“ als zusätzliches
Qualitätskriterium von Lebensmitteln.
Gebt an, welche Methode im Artikel für die Authentizitätsprüfung vorgeschlagen
wird und nennt die chemischen Elemente, die in diesem Verfahren analytisch
untersucht werden. Identifiziert aus dem Text bzw. dem Periodensystem die
stabilen Isotope der entsprechenden Elemente.
Vergleicht diese Elemente mit der Zusammensetzung unserer Nahrung und
beurteilt, was für die Anwendung dieses Verfahrens spricht, ohne nähere
Kenntnis über die Methodik zu haben.
119
STABILISOTOPENANALYTIK, Arbeitsblatt 2
Text und Abbildungen aus: Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 90 - 99
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120
Datenbanken und offiziell anerkannte Verfahren
Grundlage zur Beurteilung der Stabilisotopenwerte unbekannter Proben sind die
Vergleichsdaten authentischer Lebensmittel. Diese werden seit mehr als zehn Jahren
in amtlichen, wissenschaftlichen und verbands- oder firmeninternen Datenbanken
gesammelt. Die Verwendung solcher Datenbanken führt auf der Grundlage einer für
statistische Auswertungen ausreichenden Anzahl von Vergleichsproben über die
eingangs erläuterten geographischen, klimatischen und biochemischen Einflüsse auf
die Stabilisotopenverhältnisse zu einer sicheren Beurteilung der Herkunft und der
Authentizität unbekannter Proben. Beispiele für die Erstellung solcher Datenbanken
liefert Tabelle 4.
Auf der Grundlage solcher Datenbanken und einer Normierung der
Analysenmethoden entstehen dann letztendlich offiziell anerkannte Verfahren zur
Beurteilung von Proben durch die amtliche Lebensmittelüberwachung.
© 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
121
Aufgabenstellungen
Fasse den gelesenen Text zusammen und entnimm ihm die wichtigsten
Aussagen, die ihr dann in der Gruppe der Klasse präsentiert.
Erkläre mit eigenen Worten, was mit der natürlichen Häufigkeit der Elemente
gemeint ist.
Überlege, ob es einen Zusammenhang zwischen der natürlichen Häufigkeit der
Isotope und der Atommasse im Periodensystem gibt! Erläutere dies am Beispiel
des Kohlenstoffs, der die Masse von 12,011 g/mol laut Periodensystem hat.
Vergleiche mit der Tabelle!
Recherchiere, was in deinem Chemiebuch (Neufingerl, Band 1) zum Thema
Isotope zu finden ist und fasse zusammen, welche Untersuchungen bei den
stabilen und instabilen (radioaktiven) Isotopen genannt werden.
122
STABILISOTOPENANALYTIK, Arbeitsblatt 3
Text und Abbildungen aus: Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 90 - 99
Nachweis unerlaubter oder nicht deklarierter Zusätze
Verfälschungen von Wein wie eine Streckung mit Wasser oder eine unzulässige
Anreicherung oder Süßung mit Fremdzucker zählen zu den ältesten
Lebensmittelfälschungen; bis heute versuchen unredliche Hersteller, wirtschaftliche
Vorteile mit einer unzulässigen Erhöhung der Weinmenge oder der Weinqualität, aber
auch durch falsche Herkunfts- und Jahrgangsangaben zu erzielen. Da die
Verfälschungen immer raffinierter werden, gelingt deren Nachweis mit den klassischen
Methoden der Sensorik und Weinanalytik nur selten oder nicht mit ausreichender
Sicherheit. Auch bei Fruchtsaft wurde und wird oft versucht, nachgemachte
Erzeugnisse in den Handel zu bringen oder falsche Angaben zu den
Herstellungsmethoden zu machen. Somit ist auch hier die Analytik gefordert, etwa um
zwischen Direktsaft aus der Frucht und rückverdünnten Konzentraten zu unterscheiden
oder die Anwesenheit nicht deklarierter Zusätze wie Zucker, Äpfelsäure oder
Ascorbinsäure nachzuweisen. Weitere analytische Herausforderungen sind unter
anderem der Nachweis einer Streckung von Bienenhonig oder Ahornsirup mit HFCS
(high fructose corn sirup, invertiertes Maisstärkehydrolysat) oder der Nachweis eines
Verschnittes von Spirituosen (z.B. Tequila, WilliamsChrist-Birnenbrand, Cognac) aus
sortenreinen, hochwertigen Rohstoffen mit Destillaten aus billigeren Rohstoffen. Erste
Hinweise auf entsprechende Fälschungen, manchmal sogar deren unmittelbare
Nachweise, sind aus den δ13C-Werten entsprechender Proben zu erhalten (Tabelle 1).
Auch der δ180-Wert des Wassers aus verschiedenen Getränken liefert wichtige
Hinweise auf Fälschungen durch Wasserzusatz, da er von bestimmten Parametern wie
geographischer Herkunft, Jahrgang und Fruchtart abhängt.
TAB. 1 13C -• WERTE VON PRODUKTEN AUS C3-, C4-, UND CAM -PFLANZEN UND
"0-WERTE VON WASSER UNTERSCHIEDLICHER HERKUNFT*
C4- und CAIVI- 613C Wasser aus
CP
<31s0
Pflanzen %) V-PDB 1%01 v-s m ow
Rohrzucker -13-10 Grundwasser, D -12...-5
Fructose Com Sirup -14-10 Wein, D, 1998 -4...-1
American Whiskey -12...-10 Wein, D, 2003 +1...+4
Jamaica Rum -12_10 Wein, I (Apulien), 2000 +4...+8
Ananas-Produkte -23...-19 Orangendirektsaft ...+2...
Natürl. Vanillin -22...-19 Orangensaftkonzentrat ...+10...
Saft aus Konzentrat
c%. v_pDB
Fruchtzucker -28...-23
123
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Aufgabenstellungen
Fasse den gelesenen Text zusammen und entnimm ihm die wichtigsten
Aussagen, die ihr dann in der Gruppe der Klasse präsentiert.
Der Text enthält 10 Beispiele für Fälschungsstrategien im Lebensmittelbereich.
Unterstreiche diese im Text und baue sie in deine Präsentation zur
Veranschaulichung ein.
Ein Teesirup von der Firma Darbo wurde im Isotopenlabor untersucht. Das
Isotopenverhältnis 13C/12C VPDB wurde zu -25,85 ‰ bestimmt. Vergleiche diesen
Messwert mit der Tabelle im Text und triff eine Aussage darüber, welche Art
Zucker für den Sirup verwendet wurde.
Ergründet, warum Wein aus südlichen Regionen tendenziell einen höheren δ180-
Wert hat? Denkt dabei an die klimatischen Gegebenheiten und den Effekt der
Verdunstung!
124
STABILISOTOPENANALYTIK, Arbeitsblatt 4
Text und Abbildungen aus: Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 90 - 99
Identifizierung der geographischen Herkunft
Die sinnvolle Kombination mehrerer Isotopendaten (Multielementisotopenanalyse),
gegebenenfalls auch für mehrere Inhaltsstoffe, zum Beispiel nach deren GC-
Trennung*, gestattet eine zunehmend sicherere Eingrenzung der geographischen
Herkunft einer Probe.
Beispielsweise liegen die Gehalte der schweren Isotope im Wasser und in den
organischen Bestandteilen in Weinen oder Fruchtsäften aus den Mittelmeerländern
meist höher als bei jenen aus Mittelfrankreich oder Deutschland; allerdings können
Weine aus bestimmten Jahrgängen in Deutschland (z.B. 2003) Werte erreichen, die
normalerweise typisch für süditalienische Weine sind.
Die im Handel befindlichen Fruchtsäfte sind zumeist Verschnitte, bei denen
Herkunftsangaben keine besondere Rolle spielen. In Zweifelsfällen ermöglicht aber
beispielsweise bei Zitrussäften die zusätzliche Bestimmung des δ15N- oder des δ34S-
Wertes der Pulpe im Vergleich zu der von authentischen Proben eine geographische
Zuordnung, die unter Umständen aufgrund der δ2H- und δ13C-Werte alleine nicht
möglich ist.
Besondere Bedeutung erhält die Multielementisotopenanalyse bei der Untersuchung
der Herkunft tierischer Produkte: Die Ausfuhr von Butter aus EU-Ländern in bestimmte
Drittländer wird subventioniert; zugleich werden bei der Einfuhr von Butter in die EU
aus einigen Nicht-EU-Ländern Zollpräferenzen gewährt. Durch einen
„Butterkreisverkehr" nach Umdeklaration der geographischen Herkunft kann ein
kräftiger Gewinn abgeschöpft werden. Mit der Multielementisotopenanalyse ließ sich
ein Subventionsbetrug in Millionenhöhe nachweisen, bei dem aus Ländern des
Baltikums, die zu dieser Zeit noch nicht zur EU gehörten, eingeführte Butter in
Wirklichkeit aus Ländern der EU stammte.
125
*GC = Gaschromatographie, ein Verfahren zur Auftrennung von Gasen und
verdampfbaren (flüchtigen) Flüssigkeiten
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Aufgabenstellungen
Fasse den gelesenen Text zusammen und entnimm ihm die wichtigsten
Aussagen, die ihr dann in der Gruppe der Klasse präsentiert.
Versuche zu erklären wie es dazu kommt, dass Rohr- und Rübenzucker den 13C-
Gehalt auf so unterschiedliche Art beeinflussen! Recherchiere dazu ein wenig
zum Thema C3- und C4-Pflanzen.
126
Mit einer Mischung aus Rohr- und Rübenzucker ist es möglich, jeden 13C-Gehalt
einzustellen. Erklärt, wie es dennoch möglich ist, eine solche, aufwändige
Fälschung zu entdecken.
Eine Weinprobe weist in der Ethanol-Fraktion einen δ 13CVPDB-Gehalt von -17 ‰
auf und ein (D/1H)I-Verhältnis (am C-Atom 1) von 108 ppm. Wie beurteilt ihr
die Probe (siehe Abb. 5)?
127
STABILISOTOPENANALYTIK, Arbeitsblatt 5
Text und Abbildungen aus: Chem. Unserer Zeit, 2011, 45, 86 - 95
Weinanalytik
Der Wein war und ist Gegenstand von zum Teil kriminellen Verfälschungen. Einer der
eklatantesten Fälle der vergangenen Jahrzehnte war der Glykolskandal im Jahr 1985.
Trotz der seit dieser Zeit verstärken Kontrollinstrumente ist der Verbraucher vor
weiteren Täuschungen - in der Regel milderen Formen - nicht verschont geblieben.
So konnten 2008 bei der amtlichen Kontrolle italienischer Weine wiederum eine Reihe
von massiven Verfälschungen festgestellt werden. U.a. erfolgten der Zusatz von
Glyzerin, von Wasser, unzulässige Anreicherungen mit Saccharose, überhöhte Zusätze
von Zitronensäure und irreführende Angaben der geographischen Herkunft und des
Jahrgangs. Wie diese Kontrollaufgaben gelöst wurden, wird nachfolgend an einigen
Beispielen skizziert.
Stabilisotopenanalytik
Die Frage, ob ein Wein echt („authentisch") ist, d.h. dieser tatsächlich nur aus Trauben
hergestellt wurde und alle Angaben auf dem Etikett wie Herkunft, Jahrgang, Rebsorte
oder Qualitätsstufe zutreffend sind, kann mit den klassischen Analysenverfahren
(chemische Analytik von Weininhaltsstoffen und Sensorik) in der Regel nicht oder nur
eingeschränkt überprüft werden. So sind die Hauptinhaltsstoffe des Weins, das Wasser
und der Zucker aus den Trauben bzw. der Alkohol aus der Vergärung der Trauben
chemisch zunächst nicht von Wasser aus der Wasserleitung bzw. vom Zucker aus der
Zuckerrübe und damit dem Alkohol daraus zu unterscheiden. Die einzige Möglichkeit
bieten die in den Hauptkomponenten auftretenden Verhältnisse der stabilen Isotope
13C/12C, D/1H und 180/160. Sie sind charakteristisch für authentischen Wein, seine
geographische Herkunft und den Jahrgang.
Mittels 2H-NMR kann der Deuteriumgehalt bestimmt werden. Da Alkohol aus
Rübenzucker deutlich niedrigere, der aus Rohrzucker deutlich höhere
Deuteriumgehalte als Alkohol aus Zucker von Trauben hat, kann so eine unerlaubte
Anreicherung nachgewiesen werden. Je nach Saccharose-Herkunft wird dadurch der
128
ursprüngliche Deuteriumgehalt des Weinalkohols erniedrigt oder erhöht. Durch
zusätzliche Bestimmung des 13C/12C -Wertes lässt sich auch die Verwendung von
Mischungen von Rüben- und Rohrzucker erkennen (Abbildung 10). Diese würden
sonst, intelligent eingesetzt, eine Fälschung verschleiern.
Das Prinzip des Nachweises eines Wasserzusatzes beruht darauf, dass Weintrauben
aufgrund der Verdunstung während der Fruchtreifung Wasser mit einem höheren
Anteil an „schwerem" Sauerstoff (180) enthalten als Grundwasser, Regenwasser oder
Leitungswasser. Der Zusatz von Leitungswasser erniedrigt den ursprünglichen 180-
Gehalt des Weines und zeigt somit die Wässerung an. Aufgrund des
Verdunstungseffektes wird das 180/160-Verhältnis auch durch die geographische
Herkunft geprägt. Weiträumig lassen sich an dieser analytischen Kennzahl auch
Herkünfte ablesen und entsprechende Angaben überprüfen.
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129
Grundlage für Beurteilungen von Wein mit der Stabilisotopenanalytik sind
Vergleichsdaten von Stabilisotopenverhältnissen authentischer Referenzproben. Dazu
werden für eine amtliche EU-Weindatenbank jährlich rund 1600 authentische Proben
Wein in allen EU-Mitgliedstaaten mittels Stabilisotopenanalytik untersucht. Die
Ergebnisse werden der Gemeinsamen Forschungsstelle der EU-Kommission gemeldet,
welche diese Datenbank führt und der amtlichen Überwachung als
Beurteilungsgrundlage bei Bedarf zur Verfügung stellt. Abbildung 10 zeigt ein Beispiel
der 180- und (D/1H)I-Isotopenmuster (am C-Atom 1) von Wasser bzw. Alkohol aus
authentischen, verdächtigen sowie eindeutig verfälschten (gewässert, gezuckert,
gewässert und gezuckert) Weinproben einer bestimmten Herkunft.
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Aufgabenstellungen
Fasse den gelesenen Text zusammen und entnimm ihm die
wichtigsten Aussagen, die ihr dann in der Gruppe der Klasse
präsentiert.
Erkläre mit eigenen Worten, weshalb sich das Wasser im Wein
punkto Isotopenzusammensetzung von Leitungswasser
unterscheiden muss und bringe dabei die Verdunstung ins Spiel.
Eine Weinprobe enthält einen δ 18O-Gehalt von -3 ‰ (verglichen mit
VSMOW) in der Wasserfraktion und einen Deuteriumgehalt von 93
ppm (am 1. C-Atom) in der Ethanol-Fraktion. Nimm die Abbildung
10 zur Hilfe und beurteile, ob die Weinprobe echt (authentisch) oder
auf irgendeine Art verfälscht ist.
130
STABILISOTOPENANALYTIK, Arbeitsblatt 6
Text und Abbildungen aus: Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 90 - 99
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Viele Untersuchungen zu Nahrungsketten, beispielsweise im Zusammenhang mit
Fragen der prähistorischen Ernährung, haben gezeigt, dass die Isotopengehalte der
Nahrung die Isotopencharakteristik des Ernährten prägen. Im allgemeinen werden die
schweren Isotope mit jedem Schritt der Nahrungskette geringfügig angereichert! („you
are what you eat plus a few permil"). Erwartungsgemäß zeigte der δ180-Wert des
Wassers aus Hühnereiern eine Korrelation zum entsprechenden Trinkwasser mit den
zeitlichen und jahreszeitlichen Schwankungen. Der δ13C Wert der Biomasse der Eier
wurde durch den Anteil von Mais im Körnerfutter geprägt, wobei die Eier von Hühnern
131
aus Bauernhöfen im allgemeinen negativere δ13C -Werte zeigten, die Tiere also mehr
C3-Getreide im Futter erhielten.
Entsprechend hatten diese Eier meistens auch positivere δ15N-Werte, was wir auf
Insekten und andere Kleintiere als zusätzliche Stickstoffquelle bei der Freilandhaltung
zurückführen. Somit können relativ niedrige δ13C-Werte (<-24 ‰) und hohe δ15N-
Werte (>+10 ‰) bei Eiern ein Hinweis auf, aber nicht ein Nachweis für,
Freilandhaltung sein. Eine Fütterung mit Fischmehl würde sich in relativ höheren 13C-,
15N- und 34S-Gehalten bemerkbar machen (A. Roßmann und H.-L. Schmidt,
unveröffentlicht).
Entsprechend fanden Boner und Förstel bei Fleisch von Rindern aus „biologischer"
Produktion relativ negative δ13C -Werte (<-20 ‰), was für eine Fütterung der Tiere
ausschließlich mit Heu oder für Weidehaltung spricht. Da die Fütterung von Maissilage
bei „Biomast" von Rindern meistens nicht erwünscht ist, könnte also zum Mindesten
eine Nichtbeachtung dieser Empfehlung nachgewiesen werden. Ob umgekehrt ein
vergleichsweise negativer δ13C -Wert von Rindfleisch ausreicht, eine „biologische"
Tierhaltung nachzuweisen, bleibt dahingestellt.
J. Schnyder und Mitarbeiter (persönliche Mitteilung) untersuchten den δ15N-Wert der
Haare von Rindern in Abhängigkeit von der Tierhaltung. Im Gegensatz zu der
Erwartung, dass aufgrund der Verwendung von natürlichem Dünger bei der
Futtererzeugung relativ erhöhte 15N-Werte vorliegen sollten, fanden sie höhere δ15N -
Werte bei Tieren aus konventioneller Mast; dies wird auf die Zufütterung mit
importiertem Mastfutter zurückgeführt. Dieses Resultat wird durch unabhängige
Untersuchungen an Rindfleisch bestätigt. Als Ursache sind u.a. erhöhte N-Verluste bei
starker Düngung zu diskutieren, die durch Ammoniakverdunstung und Denitrifikation
im Boden und damit in den Futterpflanzen zu 15N-Anreicherungen führen. Auf alle Fälle
demonstrieren diese Ergebnisse die sehr komplexen Zusammenhänge und sie legen
nahe, dass zu einer Differenzierung zwischen den zugrundeliegenden Futtermitteln
und Mastmethoden neben den δ-Werten verschiedener Elemente noch weitere
Informationen benötigt werden.
Ein über die Rückverfolgbarkeit der Herkunft hinausgehendes Problem ist im
Zusammenhang mit der BSE-Übertragung der Nachweis einer Tiermehlfütterung an
132
Wiederkäuer. Delgado und Garcia zeigten kürzlich, dass die in der Untersuchung
prähistorischer Ernährung allgemein gefundene Erhöhung des δ15N-Wertes um etwa
3 ‰ je Nahrungskettenstufe (Abbildung 7) auch bei der Tiermast gilt, dass aber bei
Tieren, die Tiermehl als partielle zusätzliche Proteinquelle erhalten hatten, höhere
Anreicherungen von 15N gefunden werden. Allerdings ergibt die Methode keine
absoluten Aussagen, weil bei Proben unbekannter Herkunft das erste Glied der
Nahrungskette, die primäre (pflanzliche) N-Quelle und deren δ15N-Wert, nicht bekannt
sind. Eine absolute Methode für die Untersuchung dieser Fragestellung wurde kürzlich
von uns vorgeschlagen. Sie beruht darauf, dass der δ180-Wert der phenolischen
Hydroxylgruppe von Tyrosin davon abhängen muss, ob die Aminosäure pflanzlichen
oder tierischen Ursprungs ist. Erste Resultate an Proteinen bekannter Herkunft
bestätigen die theoretisch aus der Biosynthese hergeleitete Erwartung.
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Aufgabenstellungen
Fasse den gelesenen Text zusammen und entnimm ihm die
wichtigsten Aussagen, die ihr dann in der Gruppe der Klasse
präsentiert.
Nenne 2 Beispiele, wie durch Isotopenanalytik das
Ernährungsverhalten von Tieren untersucht werden kann und liste
die Lebensmittel auf, die hier erwähnt werden.
Überlege, wie sich der δ15N-Wert eines Veganers von jenem eines
Fleisch-Essers unterscheidet! Erkläre dies anhand der Abbildung 7.
133
Anhang 5 – Aufgabenstellungen zu den Laborübungen
(Kopiervorlagen)
134
Exp.1: Bestimmung der Zuckerart in Sirup über den 13C-Gehalt
Schülerblatt
Allgemeines
Sirup (Dicksaft) besteht zum überwiegenden Teil aus dem Zucker Saccharose
(C12H22O11) und wird dann mit Wasser verdünnt konsumiert. Die Saccharose kann
sowohl aus Zuckerrüben als auch aus Zuckerrohr gewonnen werden.
Rübenzucker und Rohrzucker weisen einen sehr unterschiedlichen 13C-Gehalt auf, was
darauf beruht, dass die Zuckerrübe eine C3-Pflanze (wie heimisches Gemüse und Obst,
sowie Getreide und Hülsenfrüchte) und Zuckerrohr eine C4-Pflanze (wie Mais oder
Hirse) ist. Verglichen mit dem internationalen Standard VPDB, einem karbonatischen
Mineral, enthalten die C3-Pflanzen -24 bis -32 ‰ und die C4-Pflanzen -11 bis
-15 δ‰ 13CVPDB.
Ziel der Übung ist es, mehrere Sirupproben sowie Rohr- und Rübenzucker für ein
Isotopenlabor vorzubereiten und dann vermessen zu lassen. Um absolute Werte zu
bekommen wird auch ein Laborstandard (Cellulose) vorbereitet, dessen δ13C-Wert
bekannt ist.
Materialien
Analysenwaage mit mind. 4 Kommastellen (1/10 mg)
Zinnkapseln (für die Einwaage der Proben und Standards)
96-Well-Platte (Aufbewahrung der eingewogenen Proben)
Sirupproben (mindestens 2 verschiedene Sorten)
Rohrzucker und Rübenzucker
Cellulose-Labor-Standard
10 µl Pipette mit passenden Spitzen
135
Durchführung
Mit einer Analysenwaage werden ca. 1,0 mg Proben- bzw. Referenzmaterial je
5 mal in je eine Zinnkapsel pipettiert. Wichtig ist nicht, dass genau 1,0 mg
eingewogen, sondern vielmehr, dass der genaue Wert dokumentiert wird.
Die 96-Well-Platte besteht aus 8 Reihen (A-H) mit je 12 Vertiefungen, in welche
die Zinn-Kapseln kommen.
Folgende Bestückung wird vorgeschlagen:
Position Bestückung Menge (mg)
A1-A2 Leere Zinnkapseln als Blindwert 0
A3-A4 Cellulose Standards
A5-A9 Rohrzucker
A10-B2 Rübenzucker
B3-B4 Cellulose Standards
B5-B9 Probe 1 (Sirup)
B10-C2 Probe 2 (Sirup
C3-C4 Cellulose Standards
Die fertig bestückte Platte wird vorsichtig in einem Exsikkator aufbewahrt und
zuvor mit einem Gummiring verschlossen bis die Platte ins Isotopenlabor
kommt.
Die vom Labor bestimmten Werte können in folgende Tabelle eingetragen
werden:
Probe δ13C in ‰, verglichen mit VPDB-
Standard
Kristallzucker
Rohrzucker
Teesirup Blutorange
Teesirup Melisse-Ingwer
136
Diskussion und Interpretation
Die Daten aus dem Isotopenlabor werden diskutiert und die die
Standardabweichungen als den 5 Parallelmessungen miteinander verglichen.
Interpretiert die Ergebnisse für eurer Proben und vergleicht mit den Werten, die
ihr für Rohr- und Rübenzucker erhalten habt.
Diskutiert mit eurem Chemielehrer/eurer Chemielehrerin das Messprinzip der
IRMS (Isotope Resolution Mass Spectrometry), das unten dargestellt ist.
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Literatur: Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 90 - 99
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Exp.2: „Schwere“ und „leichte“ Eiswürfel
Schülerblatt
Allgemeines
Gewöhnliche Eiswürfel haben bekanntlich die Eigenschaft, auf Wasser zu schwimmen.
Eiswürfel als schwerem Wasser (D2O) werden in diesem Experiment mit gewöhnlichen
Eiswürfel verglichen.
Schweres Wasser wird als Kühlmittel für Atomreaktoren verwendet. Statt aus dem
Wasserstoffisotop 1H (Protium), dessen Atomkern nur aus einem Proton besteht,
enthält schweres Wasser 2-Deuteriumatome (2H), die jeweils ein Proton und ein
Neutron enthalten.
Materialien
2 größerer Bechergläser (500 oder 1000 mL), halbvoll mit Leitungswasser
Eiswürfel aus Leitungswasser
Eiswürfel aus Schwerem Wasser
Kamera oder Smart-Phone
Durchführung
Bringe beide Arten von Eiswürfel in je ein Glas mit Wasser
Beobachte das Verhalten
Mache ein Vergleichsfoto
Nimm die Eiswürfel aus Schwerem Wasser rasch wieder aus dem Wasser und
über gib sie deinem Chemielehrer/deiner Chemielehrerin zum „Recyceln“.
Diskussion und Interpretation
Beschreibe deine Beobachtung.
Recherchiere im Internet die Molekülmasse von Schwerem Wasser und
versuche daraus die Dichte von „Schwerem Eis“ zu berechnen. Gehe dabei von
der gleichen Volumszunahme aus wie beim Übergang Wasser zu Eis (8,9%).
138
Recherchiere im Internet, wie Schweres Wasser gewonnen wird und wofür es
verwendet wird?
Erkläre, weshalb im Zweiten Weltkrieg ein regelrechter Streit um das Schwere
Wasser entbrannt ist!
Vergleiche die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Schwerem Wasser
mit jenen von „normalem“ Wasser und versuche, einige Unterschiede zu
erklären (Dichte, Schmelzpunkt, Siedepunkte, etc.)
139
Exp.3: Modell zur Isotopenfraktionierung
Schülerblatt
Allgemeines
Die meisten chemischen Elemente sind sog. Mischelemente, d.h. das sie neben dem
leichteren Hauptisotop (beim Kohlenstoff 12C) ein oder mehrere schwerere
Nebenisotop(e) aufweisen (beim Kohlenstoff 13C und das radioaktive 14C).
Beim Übergang zwischen den Aggregatszuständen wie etwa bei der Verdunstung oder
beim Kondensieren kommt es zu einer Abweichung vom bestehenden
Isotopenverhältnis, da schwerere Isotope aufgrund ihrer höheren Masse nicht so
einfach in die Gasphase kommen bzw. leichter aus dieser wieder in die Flüssigphase
zurückkehren.
Materialien (Fraktionierungsmodell)
Durchsichtiger Behälter
Gefüllt mit leichteren und schwereren Kugeln gleicher Größe
Ventilator an der runden Öffnung des Behälters
Stromversorgung mit regelbarer Spannung
Durchführung
Beginne mit niedriger Spannung und bringe den Ventilator in Gang, so dass die
Kugeln beider Farben liegen bleiben und maximal um eine Ruhelage schwingen
Notiere die Spannung
Erhöhe die Spannung bis die Kugeln alle in Bewegung sind aber noch am Boden
des Behälters verweilen
Notiere die Spannung
Stelle die Spannung auf einen Wert ein, der ca. die Hälfte der Kugel auf in der
Luft und die andere Hälfte am Boden hält
Notiere die Spannung
140
Versuche abzuschätzen wie groß das Verhältnis der schwereren Kugel in
Schwebe zu jenem am Boden ist
Diskussion und Interpretation
Gib die Spannungsbereiche für alle Aggregatszustände des Modells an!
Beschreibe das Verhalten für beide Arten von Kugeln im Modell. In welchen
Bereichen erkennst du Unterschiede?
Berechne den Fraktionierungskoeffizienten α nach folgender Formel, bezogen
auf deine Schätzung
α = RA/RB
(RA … Anteil schwerer Kugeln in Schwebe, RB … Anteil s. K. am Boden)