Isotooppitekniikat paljastavat elintarvikeväärennöksiä

Ruokaväärennöksillä tavoitellaan lähes aina taloudellista etua. Siksi esimerkiksi kallis raaka-aine voidaan korvata halvemmalla, tai tuotteen alkuperämaasta annetaan virheellistä tietoa. Elintarvikkeita väärennetään muun muassa lisäämällä tuotteeseen halvempaa sokeria tai vettä tai ilmoittamalla virheellisesti tuotteen hedelmäpitoisuus, maantieteellinen tai kasvilajin alkuperä. Lisäksi valmistuksessa voidaan käyttää lisäaineita (esim. väriaineet, aromiaineet, hapot, säilöntäaineet jne.), joita ei ole ilmoitettu elintarvikepakkauksen tiedoissa.

Euroopan parlamentin mietinnössä (2013/2091(INI)) elintarvikekriisistä, petoksista elintarvikeketjussa ja niiden valvonnasta todetaan, että suurin elintarvikepetosriski kohdistuu oliiviöljyyn, kalaan, luomutuotteisiin, maitoon, viljoihin, hunajaan ja vaahterasiirappiin, kahviin ja teehen, mausteisiin (mm. sahrami ja chilijauhe), viineihin ja tiettyihin hedelmämehuihin. Taulukossa 1 on esitetty analyysimenetelmiä eri elintarvikeryhmiin liittyvien väärennösten toteamiseksi:

Kattavat tietokannat välttämättömiä

Yhteistä aitoustutkimuksiin käytettävillä menetelmillä on tarve vertailunäytteille, jotta tiedetään, millainen on aito tuote ja milloin tutkittava tuote eroaa aidosta. Isotooppitekniikoiden hyödyntäminen elintarvikkeiden aitoustutkimuksissa edellyttääkin kattavia ja ajantasaisia tietokantoja, joita on ylläpidettävä jatkuvasti.

Kromatografisilla menetelmillä näytteestä voidaan tunnistaa spesifisiä yhdisteitä ja määrittää niiden pitoisuudet. Esimerkiksi elintarvikkeesta uutettua aromijaetta voidaan tutkia GC-MS-tekniikalla (kaasukromatografi-massaspektrometri) ja saada tietoa yksittäisten aromiaineiden konsentraatiosta näytteessä, mahdollisista keinotekoisista yhdisteistä ja liuottimista.

Kiraalisten yhdisteiden eli peilikuvaisomeerien analysoinnilla (R/S-erotus) voidaan lisäksi selvittää, onko kyseessä luontainen vai synteettinen yhdiste. Molekyylibiologisin DNA:n määrittämiseen perustuvin menetelmin voidaan esimerkiksi identifioida lajeja ja lajikkeita (mm. hevosen, sian ja naudan tunnistaminen). Näiden lisäksi isotooppitekniikoilla saadaan tietoa molekyylien alkuperästä ja profilointitekniikoilla sormenjälkitietoa näytteistä.

Alkuaineen isotoopit ovat atomeja, joissa on sama määrä protoneja, mutta eri määrä neutroneja. Saman alkuaineen eri isotoopit ovat kemiallisilta ominaisuuksiltaan samanlaisia, mutta poikkeavat toisistaan massaltaan ja magneettisilta ominaisuuksiltaan. Luonnon yhdisteet koostuvat pääasiallisesti hiilestä ©, vedystä (H), hapesta (O), typestä (N) ja rikistä (S), ja nämä alkuaineet esiintyvät myös pysyvinä isotooppeina.

Yleisimmin mitattavat pysyvät isotoopit ja niiden suhteelliset osuudet ovat 1H (99,985 %) ja 2H (= D, deuterium) (0,015 %), 12C (98,904 %) ja 13C (1,096 %), sekä 16O (99,763 %) ja 18O (0,2 %). Ilmasto ja maantieteellinen sijainti vaikuttavat pysyvien isotooppien suhteisiin luonnossa. Kasveissa taas fotosynteesimetabolia eli kemialliset ja biokemialliset reaktiot vaikuttavat isotooppisuhteisiin.

Kasveilla kolme yhteyttämisryhmää

Kasvit voidaan jakaa yhteyttämistapansa perusteella kolmeen eri ryhmään: C3-yhteyttävät kasvit (mm. viinirypäleet, sokerijuurikas, sitrushedelmät, omenat, punaiset hedelmät), C4-yhteyttävät kasvit (mm. sokeriruoko ja maissi) ja CAM-yhteyttävät (Crassulacean acid metabolism) kasvit (mm. ananas). Näiden kasvien yhteyttämistavat eli se, miten kasvit sitovat ilmassa olevan hiilidioksidin hiiltä itseensä, poikkeavat toisistaan. Tämä vaikuttaa kasvien sokereiden 13C/12C-isotooppisuhteeseen.

Yhdisteen kasvitieteellinen alkuperä ja kasvin käyttämä biosynteesin reaktiotie vaikuttavat kasvien sisältämien 13C- ja 2H-isotooppien määrään. Tietoa voidaan tutkimuksessa hyödyntää osoittamaan, onko esimerkiksi hedelmämehuun lisätty muuta alkuperää olevaa sokeria. Veden alkuperää voidaan selvittää 18O-ja 2H-isotooppeja tutkimalla ja hyödyntää muun muassa selvitettäessä, onko viiniin tai tuoremehuun lisätty vesijohtovettä.

Eläinperäisten tuotteiden osalta rehu vaikuttaa 13C- ja 15N-isotooppien määriin, mitä voidaan käyttää hyväksi ruokintatapaa selvitettäessä.

Virallisia isotooppimenetelmiä

Eurofinsin aitoustutkimuksen osaamiskeskus Ranskan Nantesissa (Eurofins Analytics France, Nantes) on pioneeri isotooppitutkimusten kehittämisessä ja soveltamisessa elintarvikkeiden aitouden testaamisessa. Professorit G.J. ja M.L. Martin kehittivät ja patentoivat SNIF-NMR® -menetelmän (Site-Specific Natural Isotopic Fractionation studied by deuterium Nuclear Magnetic Resonance) vuonna 1981 Nantesin yliopistossa viinien makeuttamisen (chaptalisointinin) osoittamiseen, eli onko sokeria lisätty rypälemehuun ennen alkoholikäymistä viinin alkoholipitoisuuden nostamiseksi.

Viinin sokerien alkuperä (luontaista tai lisättyä) vaikuttaa fermentaatioprosessissa muodostuneen etanolin (D/H)I -isotooppisuhteeseen. SNIF-NMR® -tekniikalla tämä suhde on mahdollista määrittää suurella tarkkuudella molekyylin jokaisessa kohdassa ja tuloksia vertaamalla olemassa olevaan tietoon voidaan osoittaa sokerin alkuperä.

Etanolin tapauksessa tarkasteltavat molekyylit ovat CH3CH2OD, CH3CHDOH ja CH2DCH2OH. Esimerkiksi juurikassokerin (D/H)I-suhde on noin 92 ppm, ruoko- ja maissisokerin noin 110 ppm, appelsiinin noin 104 ppm ja omenan noin 99 ppm. Jos hedelmämehusta fermentoidun etanolin (D/H)I-suhde pienenee, voidaan päätellä, että tuotteeseen on lisätty sokerijuurikkaan sokeria.

Sekä OIV (Organisation Internationale de la Vigne et du Vin) vuonna 1987 että Euroopan komissio vuonna 1990 ottivat SNIF-NMR® -menetelmän käyttöön virallisena menetelmänä. Se on myös virallinen menetelmä Pohjois-Amerikan AOAC -menetelmäkokoelmassa (Association of Official Analytical Chemists International) hedelmämehuun lisätyn juurikassokerin osoittamiseen.

Tällä tekniikalla voidaan myös varmistaa, onko aromiyhdiste luontainen vai keinotekoinen (mm. vanilliini, bentsaldehydi ja anetoli). Menetelmää käytetään myös alkoholin ja viinietikan aitouden selvittämiseen. Vuonna 2006 menetelmä otettiin käyttöön AOAC -menetelmänä luontaisen ja synteettisen vanilliinin toteamiseksi.

Isotooppisuhteita voidaan määrittää myös IRMS-tekniikalla (Isotope Ratio Mass Spectrometry) ja saada tietoa yhdisteen tai materiaalin muodostumistavasta ja -olosuhteista kuten lämpötilasta. Määritystä varten orgaaninen yhdiste poltetaan tai pyrolysoidaan, jonka jälkeen yhdisteet voidaan tarvittaessa erottaa kaasukromatografisesti ennen IRMS-detektointia.

IRMS tuottaa tietoa isotoopin keskimääräisestä jakaumasta koko näytteessä. Sitä käytetään muun muassa keskimääräisen isotooppisuhteen 13C/12C (tai d13Cnäyte =((13C/12C)näyte/ (13C/12C)referenssi – 1) x 1000) määrittämiseen sokereista ja alkoholista. Esimerkiksi C3-kasveista peräisin olevan etanolin d13C on noin -26 ‰, C4-kasveista peräisin olevan etanolin noin -11 ‰ ja CAM-kasveista peräisin olevan etanolin noin -14 ‰. Jos C3-kasvin sokereista fermentoimalla saadun etanolin d13C kasvaa, voidaan päätellä, että tutkittavaan hedelmämehuun tai viiniin on lisätty C4-ryhmään kuuluvien kasvien (sokeriruoko tai maissi) sokeria.

IRMS-13C -menetelmällä saadaan useimmiten selvitettyä, onko tuotteeseen lisätty ruoko- tai maissisokeria, kun taas SNIF-NMR® -tekniikalla voidaan osoittaa juurikassokerin lisääminen tuotteeseen. Hyvin usein isotooppitutkimuksissa käytetään useampaa tekniikkaa (kuva 1). Esimerkiksi viininäytteistä saadaan IRMS-tekniikalla tietoa veden alkuperästä määrittämällä 18O/16O-isotooppien suhde. Viinin makeuttamisesta saadaan tietoa IRMS-menetelmällä etanolista määritettävästä 13C/12C-suhteesta ja SNIF-NMR®-menetelmällä määritettävästä (D/H)I-suhteesta etanolimolekyyleissä.

Taulukossa 2 on esitetty elintarvikkeiden analysointiin tarkoitetut viralliset isotooppimenetelmät:

a) AOAC = Association of Official Analytical Chemists (USA)

b) CEN = European Committee for Standardization (EU)

c) OIV = International Organisation of Vine and Wine

Profilointitekniikat kiinnostavat

Viime aikoina kiinnostus 1H-NMR-profilointitekniikoiden (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy) hyödyntämiseen aitoustutkimuksissa on kasvanut huomattavasti. Menetelmä perustuu magneettisten atomiydinten vuorovaikutukseen magneettikenttien kanssa. Tällä tekniikalla saadaan spektri koko näytematriisista, eli sillä on mahdollista analysoida suuria näytesarjoja nopeasti ja erittäin toistettavasti laboratoriosta toiseen.

Kohdennetulla (targeted) 1H-NMR-määrityksellä saadaan tietoa yhdisteiden määrästä ppm-tasolta %-osuuksiin. Kohdentamaton määritys (non-targeted) tuottaa kullekin näytteelle yksilöllisen sormenjälkiprofiilin, jota voidaan verrata tietokannoissa oleviin profiileihin tilastotieteellisiä menetelmiä hyväksi käyttäen. Kohdennetun ja kohdentamattoman 1H-NMR-määrityksen yhdistelmällä näytteestä saadaan nopeasti lähes täydellinen aitousskriinaus (kuva 2).

Uudet elintarvikeväärennökset ovat entistä vaikeammin todennettavissa perinteisin analyysimenetelmin, koska väärentäjien tavoitteena on välttää kiinnijääminen testauksessa. Tämän takia uusien analyysitekniikoiden kehittäminen on tärkeää vaatimustenvastaisten elintarvikkeiden toteamiseksi. 1H-NMR-skriinauksella on mahdollista todeta myös sellaiset väärennökset, joista emme ole edes kuulleet vielä: kokonaisvaltainen sormenjälkiprofiili tarjoaa elintarvikkeesta tietoa, jota emme vielä osaa etsiä.

Elintarvikekriisien välttämiseksi ja kuluttajan terveyden suojaamiseksi aitoustutkimuksen painopiste on siirtymässä raaka-aineiden varmistamiseen ja brändin imagon suojaamiseen. Tähän tarkoitukseen erityisesti kohdentamattomat NMR-määritykset tuovat uusia, nopeita ja kustannustehokkaita analyysimahdollisuuksia.