Diplomarbeit - Universität Graz...Neben der Art des Anbaus und der Gewinnung stellt für die...

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


Exp.3: Modell zur Isotopenfraktionierung ................................................139

Allgemeines ................................................................................................139

Materialien (Fraktionierungsmodell) ..............................................................139

Durchführung..............................................................................................139

4


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.

6

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).

http://www.dakommichher.at/

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)

12

• 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.).

13

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.

14

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

15

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

16

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


Standort G-4224. Die Werte sind normiert auf die Chondritenzusammensetzung nach William F.

McDonough. Quelle: Endbericht „FoodOriginCheck“ (Lukas et al., 2013)


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)

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)


plot(dat$X13C,dat$S,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X13C",ylab="S")


plot(dat$X1H,dat$S,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X1H",ylab="S")


windows(380,190)

106


plot(dat$L,dat$O,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="L",ylab="O")


plot(dat$X1H,dat$O,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X1H",ylab="O")


windows(380,190)


plot(dat$X13C,dat$O,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X13C",ylab="O")


plot(dat$X1H,dat$L,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X1H",ylab="L")


windows(380,190)


plot(dat$X13C,dat$L,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X13C",ylab="L")


plot(dat$X1H,dat$X13C,col=dat$cols,pch=19,cex=1.5,xlab="X1H",ylab="X13C")


#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)

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


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


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


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




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.


121

Aufgabenstellungen

Fasse den gelesenen Text zusammen und entnimm ihm die wichtigsten


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



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


Aufgabenstellungen



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



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


Aufgabenstellungen



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



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.


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.


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




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.


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.


Literatur: Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 90 - 99

137

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“.


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


Stelle die Spannung auf einen Wert ein, der ca. die Hälfte der Kugel auf in der

Luft und die andere Hälfte am Boden hält


140

Versuche abzuschätzen wie groß das Verhältnis der schwereren Kugel in

Schwebe zu jenem am Boden ist


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)

Diplomarbeit - Universität Graz...Neben der Art des Anbaus und der Gewinnung stellt für die...

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