Inter-and intramolecular isotope correlations in organic compounds as a criterion for authenticity identification and origin assignment

Zusammenfassung

Die globalenδ ¹³C-Werte organischer Moleküle allein lassen oftmals keinen Schluß darüber zu, ob diese synthetischen oder natürlichen Ursprungs sind, da sich die Bereiche derδ ¹³C-Werte wegen der existierenden natürlichen Variationsbreiten überlappen. Auf der Basis bekannter Biosynthesewege kann man jedoch davon ausgehen, daß sich zum einen zwischen unterschiedlichen Substanzen gleicher Herkunft in denδ ¹³C-Gesamtwerten Zusammenhänge ergeben werden, ferner, daß zwischen bestimmten Teilen eines einzelnen Moleküls oder sogar seinen einzelnen Kohlenstoffatomen feste Beziehungen der Isotopenverhältnisse vorliegen. Diese Tatsachen ermöglichen eine interne Standardisierung, so daß auf Grund der gemessenenδ ¹³C-Wert-Verhältnisse die Herkunft einzelner Verbindungen nunmehr sicher erkannt werden kann. So wird gezeigt, daß bereits die Zugabe geringer Mengen (ca. 10%) von C₄-Zuckern zu Produkten aus C₃-Pflanzen (Honig, Orangensaft) nachgewiesen werden kann, wenn man denδ ¹³C-Wert des betreffenden Zuckers mit dem anderer Produkte (Protein, Cellulose, Säuren) der selben Herkunft vergleicht. Die natürlichen Glykoside erweisen sich als sehr gute Beispiele dafür, daß einzelne Verbindungen ihren internen Standard in Form eines Primärproduktes der Biosynthese, nämlich des Kohlenhydrates, in sich selbst tragen. Bei anderen Verbindungen erkennt man entsprechende Zusammenhänge der Isotopenverteilung in einzelnen Molekülteilen, wenn diese aus unterschiedlichen Biosynthesewegen kommen, oder sogar bei Molekülteilen, die aus unterschiedlichen Stadien des gleichen Weges herstammen. Bei synthetischen Verbindungen ist dagegen das Muster der Isotopenverteilung davon völlig verschieden. Zur Minderung des hohen Arbeitsaufwandes für die Probenaufbereitung ist eine Weiterentwicklung von Meßmethoden erforderlich. Eine davon ist die direkte Kopplung der GC mit der Isotopenverhältnis-Massenspektroskopie, eine empfindliche und schnelle Methode für die¹³C-Analyse von Gemischen. Diese Methode läßt sich auch auf andere Elemente (H, N, O) ausdehnen und damit weiterentwikkeln zu einer Multikomponenten-Multielement-Analytik für den Nachweis von Verfälschungen bei Lebensmitteln und Aromastoffen.

Summary

The meanδ ¹³C values of organic substances are not always sufficient for their assignment to a natural or synthetic origin. This is because natural variations in theδ ¹³C values produce overlapping ranges. However, on the basis of relationships through biosynthetic pathways, isotopic correlations between different substances from the same origin and between given parts of positions within molecules can be postulated. It is demonstrated that “external or internal standardization” provides more reliable results on the basis ofδ-value determinations. As shown, even the addition of small amounts (≧10%) of C₄ sugars to C₃ plant products (honey, orange juice) can be identified by correlating theδ ¹³C value of the sugar to that of other products (protein, cellulose, acids) from the same source. Glycosides are compounds bearing their own internal standard of a primary product, namely the sugar moiety. Other compounds are examples of isotopic correlations between different parts of one molecule originating from different biosynthetic pathways and even from different stages of the same pathway; completely different patterns occur in synthetic analogues. For reduction in the expenditure of labour used to obtain these results, methodological improvements are needed. One of these, the coupling of gas chromatography (GC) to isotope ratio mass spectrometry (IRMS), provides the basis for fast and sensitive multicompound on-line isotope analysis for¹³C. Progress towards the extension of this principle to the corresponding analysis of other bioelements is reported, enlarging the potential to a multicompound multielement on-line GCIRMS for authenticity proofs in food and flavour analysis.