September 21, 2021

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Wissenschaftler entdecken Zehntausende verschiedener Moleküle in Bier – 80 % noch nicht in chemischen Datenbanken beschrieben

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Die Studie zeigte mit modernen hochauflösenden Analysen die enorme Stoffwechselkomplexität von Bier.

Die Tradition des Bierbrauens geht auf mindestens 7000 v. Chr. zurück und möglicherweise sogar auf die Erfindung der Landwirtschaft, da die meisten Körner spontan fermentieren können, wenn sie in der Luft schwebenden Hefen ausgesetzt werden. Der Kodex des babylonischen Königs Hammurabi (Herrscher 1792-1750 v. Chr.), dessen Gesetze 108-111 den Bierverkauf regeln, zeigt, dass die Menschen seit Jahrtausenden daran interessiert sind, die Qualität des Bieres durch Gesetze zu schützen. So erlaubt beispielsweise das bayerische Reinheitsgebot von 1516, oft als ältestes der Welt noch funktionstüchtig – mit Modifikationen – lebensmittelrechtliche Vorschriften, nur Gerste, Wasser und Hopfen als Zutaten für das Bierbrauen (mit Beschlagnahme der Fässer) als Sanktion für Übertretung).

In einer aktuellen Studie in Grenzen in der Chemie, wird die Bierwissenschaft auf eine neue Ebene gehoben. Deutsche Wissenschaftler verwenden modernste Analysemethoden, um die metabolische Komplexität – Zehntausende verschiedener Moleküle – kommerzieller Biere auf der ganzen Welt aufzudecken.

Riesige chemische Komplexität

„Bier ist ein Beispiel für enorme chemische Komplexität. Und mit den jüngsten Verbesserungen in der analytischen Chemie, die in ihrer Leistung mit der fortschreitenden Revolution in der Videoanzeigetechnologie mit immer höherer Auflösung vergleichbar sind, können wir diese Komplexität in noch nie dagewesenen Details aufzeigen. Heutzutage ist es einfach, kleinste chemische Variationen im gesamten Lebensmittelproduktionsprozess zu erkennen, die Qualität zu garantieren oder versteckte Verfälschungen aufzudecken “, sagt der korrespondierende Autor, Professor Philippe Schmitt-Kopplin, verantwortlich für die gesamte Foodomics-Plattform an der TU München und der Forschungseinheit Analytische BioGeoChimie am Helmholtz-Zentrum München.

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Um das gesamte Spektrum der Metaboliten in 467 Biersorten aufzudecken, die in den Vereinigten Staaten, Lateinamerika, Europa, Afrika und Ostasien gebraut werden. Dazu gehörten Lagerbiere, Craft- und Abteibiere, obergärige Biere und Gueuzes, die aus Gerste als einziger Stärkequelle für die Gärung oder Gerste plus Weizen, Reis und Mais (Mais) gebraut wurden.

Die Methoden haben zusätzliche Vorteile. DI-FTICR-MS zeigte direkt die chemische Vielfalt aller Biere und sagte die chemischen Formeln der enthaltenen Metabolit-Ionen voraus. Die Autoren verwendeten dann UPLC-ToF-MS an einer Untermenge von 100 Bieren, um die Ergebnisse mit Auflösung auf mögliche Isomere zu analysieren. UPLC-ToF-MS verwendet Chromatographie, um zunächst die Ionen gleicher Masse und die Fragmentierung der Massenionen in Tochterionen zu trennen, die die genaue Molekülstruktur vorhersagen können.

Die Autoren haben diese Metaboliten innerhalb des “chemischen Raums” in Beziehung gesetzt, wobei jeder durch eine einzige Reaktion mit einem oder mehreren anderen verbunden ist, zum Beispiel die Addition einer Methoxy-, Hydroxy-, Sulfat- oder Zuckergruppe an das molekulare Rückgrat oder die Umwandlung einer ungesättigten Bindung in eine gesättigte Bindung. Dies führte zu einer Rekonstruktion eines Netzwerks von Metaboliten, das zum Endprodukt führte, das aus fast hundert Schritten mit einem Ausgangspunkt in den ursprünglichen Getreidemolekülen besteht, die aus der Aminosäure synthetisiert wurden Säure Tryptophan. Sekundäre Metaboliten, die für jedes Getreide einzigartig sind, werden daraus abgeleitet.

Leistungsstarke Methode zur Qualitätskontrolle

„Unsere Massenspektrometrie-Methode, die nur 10 Minuten pro Probe benötigt, soll für die Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie sehr leistungsfähig sein und die Grundlage für neue molekulare Marker und ungezielte Metabolitenprofile schaffen, die für die Inspektion von Lebensmitteln benötigt werden“, so Schmitt -Kopplin.

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

„Hier zeigen wir eine enorme chemische Vielfalt bei Bieren mit Zehntausenden einzigartiger Moleküle. Wir zeigen, dass diese Vielfalt ihren Ursprung in der Vielfalt der Rohstoffe, Verarbeitung und Fermentation hat. Die molekulare Komplexität wird dann durch die sogenannte “Maillard-Reaktion” zwischen Aminosäuren und Zucker, die auch Brot, Fleischsteaks und gerösteten Marshmallows ihren „gerösteten“ Geschmack verleihen. Dieses komplexe Reaktionsnetzwerk ist angesichts seiner Bedeutung für die Qualität und den Geschmack von Lebensmitteln sowie für die Entwicklung neuer bioaktiver, für die Gesundheit interessanter Moleküle eine spannende Achse unserer Forschung “, schloss der Erstautor Stefan Pieczonka, Doktorand an der Technische Universität München. .

Referenz: „Auf den Spuren des deutschen Reinheitsgebotes: Unterscheidung der metabolischen Signaturen von Weizen, Mais und Reis in Bier“ von Stefan A. Pieczonka, Sophia Paravicini, Michael Rychlik und Philippe Schmitt-Kopplin, 20. Juli 2021 , Grenzen in der Chemie.
DOI: 10.3389 / fchem.2021.715372

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