Studie verwendete moderne hochauflösende Analytik, um die enorme metabolische Komplexität von Bier aufzudecken.
Die Tradition des Bierbrauens reicht bis mindestens 7000 v. Der Kodex des babylonischen Königs Hammurabi (Regierung 1792 bis 1750 v. Chr.), dessen Gesetze 108 bis 111 den Bierverkauf regeln, zeigt, dass die Menschen seit Jahrtausenden bestrebt sind, die Qualität des Bieres durch Gesetze zu sichern. So erlaubt beispielsweise das bayerische Reinheitsgebot von 1516, das oft als das älteste noch funktionstüchtige – mit Modifikationen – Lebensmittelgesetz gilt, nur noch Gerste, Wasser und Hopfen als Zutaten für das Bierbrauen (mit Beschlagnahme der Fässer) als Strafe für Übertretung).
Nun, in einer aktuellen Studie in Grenzen in der Chemie, wird die Bierwissenschaft auf eine neue Ebene gehoben. Wissenschaftler aus Deutschland nutzen modernste Analysemethoden, um die metabolische Komplexität – Zehntausende verschiedener Moleküle – kommerzieller Biere aus aller Welt aufzudecken.
Enorme chemische Komplexität
„Bier ist ein Beispiel für eine enorme chemische Komplexität. Und dank der jüngsten Verbesserungen in der analytischen Chemie, die in ihrer Leistung mit der fortschreitenden Revolution in der Technologie von Videodisplays mit ständig steigender Auflösung vergleichbar sind, können wir diese Komplexität in noch nie dagewesenen Details aufdecken. Heutzutage ist es einfach, winzige Abweichungen in der Chemie im gesamten Lebensmittelproduktionsprozess nachzuvollziehen, um die Qualität zu sichern oder versteckte Verfälschungen aufzudecken“, sagt der korrespondierende Autor Prof. Philippe Schmitt-Kopplin, Leiter der Comprehensive Foodomics Platform der TU München und des Analytical Forschungseinheit BioGeoChemie am Helmholtz-Zentrum München.
Schmitt-Kopplin und Kollegen verwendeten zwei leistungsstarke Methoden – Direktinfusions-Fourier-Transformations-Ionen-Zyklotron-Resonanz-Massenspektrometrie (DI-FTICR MS) und Ultra-Performance-Flüssigkeitschromatographie-Quadrupol-Flugzeit-Massenspektrometrie (UPLC-ToF-MS) –, um die vollständige Palette von Metaboliten in 467 Biersorten, die in den USA, Lateinamerika, Europa, Afrika und Ostasien. Dazu gehörten Lagerbiere, Craft- und Abteibiere, obergärige Biere und Gueuzes, die aus Gerste als einzige Stärkequelle für die Fermentation gebraut wurden, oder Gerste plus entweder Weizen, Reis und Mais.
Die Methoden haben komplementäre Stärken. DI-FTICR-MS zeigte direkt die chemische Diversität aller Biere und sagte chemische Formeln für die darin enthaltenen Metaboliten voraus. Die Autoren verwendeten dann UPLC-ToF-MS an einer Untermenge von 100 Bieren, um die Ergebnisse mit Auflösung der möglichen Isomere zu analysieren. UPLC-ToF-MS nutzt die Chromatographie, um zunächst Ionen mit identischen Massen zu trennen und die Massenionen in Tochterionen zu fragmentieren, wodurch die genaue Molekülstruktur vorhergesagt werden kann.
Die Autoren ordneten diese Metaboliten innerhalb des "chemischen Raums" in Beziehung, wobei jeder durch eine einzige Reaktion mit einem oder mehreren anderen verbunden ist, beispielsweise durch die Addition einer Methoxy-, Hydroxy-, Sulfat- oder Zuckergruppe an das molekulare Rückgrat, oder Umwandlung einer ungesättigten Bindung in eine gesättigte Bindung. Dies ergab eine Rekonstruktion eines Metabolitennetzwerks, das zum Endprodukt führte, das aus fast hundert Schritten besteht, mit einem Ausgangspunkt in Molekülen aus dem ursprünglichen Getreide, synthetisiert aus dem Amino Säure Tryptophan. Von diesen abgeleitet sind sekundäre Metaboliten, die für jedes Getreide einzigartig sind.
Leistungsstarke Methode zur Qualitätskontrolle
„Unsere Massenspektrometrie-Methode, die nur 10 Minuten pro Probe benötigt, sollte für die Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie sehr leistungsfähig sein und die Grundlage für neuartige molekulare Marker und nicht zielgerichtete Metabolitenprofile schaffen, die in der Lebensmittelinspektion benötigt werden“, sagt Schmitt-Kopplin.
Die Autoren fanden etwa 7700 Ionen mit einzigartigen Massen und Formeln, darunter Lipide, Peptide, Nukleotide, Phenole, organische Säuren, Phosphate und Kohlenhydrate, von denen etwa 80 % noch nicht in chemischen Datenbanken beschrieben sind. Da jede Formel in einigen Fällen bis zu 25 verschiedene molekulare Strukturen abdecken kann, führt dies zu Zehntausenden von einzigartigen Metaboliten.
„Hier offenbaren wir eine enorme chemische Vielfalt der Biere mit Zehntausenden einzigartiger Moleküle. Wir zeigen, dass diese Vielfalt ihren Ursprung in der Vielfalt der Rohstoffe, Verarbeitung und Fermentation hat. Die molekulare Komplexität wird dann durch die sogenannte 'Maillard-Reaktion' zwischen Aminosäuren und Zucker, der auch Brot, Fleischsteaks und gerösteten Marshmallows ihren „röstigen“ Geschmack verleiht. Dieses komplexe Reaktionsnetzwerk ist ein spannender Schwerpunkt unserer Forschung, da es für die Lebensmittelqualität, den Geschmack und auch die Entwicklung neuartiger bioaktiver Moleküle von Interesse für die Gesundheit ist“, resümiert Erstautor Stefan Pieczonka, Doktorand an der Technischen Universität München .
Referenz: „Auf den Spuren des deutschen Reinheitsgebotes: Unterscheidung der metabolischen Signaturen von Weizen, Mais und Reis in Bier“ von Stefan A. Pieczonka, Sophia Paravicini, Michael Rychlik und Philippe Schmitt-Kopplin, 20. Juli 2021, Grenzen in der Chemie.
DOI: 10.3389/fchem.2021.715372
