Z. Lebensm. Unters.-l~orseh. 158, 21--25 (1975) © by J. 1~. Bergmann, Miinchen 1975

Simultane, gas-chromatographische Bestimmung yon ~[thylenoxid, ~[thylenchlorhydrin und ~thylenglykol in Getreide* K o n r a d Pfeflstieker, Gisela F a b r i e i u s a n d Gabriele Timme** Lehrstuhl ffir Lebensmittelwissensehaft der Universitgt Bonn (BRD) Eingegangen am 30. August 1974 Simultane, G a s - C h r o m a t o g r a p h i c D e t e r m i n a t i o n of E t h y l e n e o x i d e , E t h y l e n e c h l o r o h y d r i n e a n d E t h y l e n e g l y e o l in Grain Summary. The not eomminuted grain (10 g) is extracted for 24 hrs (25° C) with 5 ml methanol (shaking machine), then the fluid phase is separated by centrifugal filtration and directly injected into the GC (10 ~xl). The GC starting temperature (60° C) is adjusted by cooling the oven with C02. Yield: EO 730/0 (concentr. range 25 ppm); ECH 93% (eoneentr. r. 50 ppm); EG 99°/o (cone. r. 50 ppm). Standard deviation: EO s ~ 4- 1,70 ppm (N = 24, cone. r. 10 ppm), ECIt s = ± 1,15 ppm (N = 24, cone. r. 20--30 ppm), EG s = ~ 0,62 ppm, (cone. r. 15--30 ppm, N = 24). Zusammen/assung. Das unzerkleinerte Getreide (10 g) wird bei 25 ° C mit 5 ml Methanol 24 Std auf der Sehfittelmasehine extrahiert, dann die flfissige Phase dureh Zentrifugalfiltration abgetrennt und direkt in den GC eingespritzt (10 ~1). Bei der GC wird die Anfangstemperatur (60° C) dutch Kfihlung des Ofens mit COs eingestellt. Ausbeute: AO 73O/o (Konz. Bereieh 25 ppm), ACH 93o/o (Konz. B. 50 ppm), -4G 99.0/o (Konz. B. 50 ppm). Standardabweichung: AO s = ~- 1,..70ppm ( N = 2 4 , Konz. B. 1 0 p p m ) , A C t I s = ~ 1 , 1 5 p p m ( N = 2 4 , Konz. B. 20 3 0 p p m ) , A G s = ~= 0,62 ppm (N = 24, Konz. B. 15--30 ppm). Einleitung J~thylenoxid (AO) wird in beachtlichem Umfang zur Entwesung yon Getreide und anderen Lebensmitteln eingesetzt [1, 2]. Neuerdings wird es aueh zur Entkeimung vorgeschlagen [3], wobei die Anwendungskonzentrationen wesentlich h6her liegen [1], Seine Bestimmung nach einer Lebensmittelbegasung erfolgte bis vor kurzem durch die ,,Xylolkochung" nach E1 Kishen [4] mit nachfolgender Titration. Heuser et al. [5--8] haben diese langwierige Methode durch eine gasc.hromatogr~phische Arbeits.weise ersetzt, wobei sie die 3 Komponenten AO, Athylenehlorhydrin (ACH) und Athylenglykol (AG) mit einer Misehung Aeeton/Wasser (oder Acetonitril) bei ~aumtemperatur 4 ~ 8 Std lang extrahieren. Mit insges~.mt 5 Arbeitsvarianten und 3 verschiedenen GC-S~ulen bestimmen sie dann einerseits AO und ACH, andererseits AG. In einem Zuge l~ssen sich alle 3 Komponenten gleichzeitig nicht erfassen. - - Da ACH und AG als Reaktionsprodukte des AO mit Cl- bzw. H~O sehr leicht weiterreagieren, kann unter bestimmten Bedingungen der Extrak..~ion und Analyse aus AG zum Teil wieder AO, aus ACH dagegen AG entstehen. Augerd.e.m bildet AG mit Aceton sehr leicht das Isopropyliden-Derivat [9] und schlieNich entsteht aus AO bei der von Heuser et al. [7] empfohlenen ,,Trocknung" der Aeeton/Wasser-Extrakte mit NaC1 und CaC12 zusatzliehes ACH [9]. Aus diesen Grfinden h a b e n wir versueht, eine Arbeitsweise zu entwickeln, bei der diese N a c h t e i l e n i e h t v o r h a n d e n sind. Sie wird nachfolgend beschrieben. Grundsgtzlieh h a b e n wir W a s s e r als L 6 s u n g s m i t t e l ausgeschaltet, obwohl Stijve [10] zur gleiehzeitigen B e s t i m m u n g von J~O, J~CH u n d J~G eine W a s s e r d a m p f d e s t i l l a t i o n n n t e r V a k u u m znr A b t r e n n u n g ffir die nachfolgende G a s - C h r o m a t o g r a p h i e vorsehl/igt. Bei einer A n w e n d u n g dieser M e t h o d e h a b e n wir festgestellt [ l l ] , d a b n i e h t zu vernaehl~ssigende Mengen a n J~O u n d ]4G t r o t z der vorgesehriebenen Kfih]ung in einer naehg e s c h a l t e t e n Kiihlfalle ( - - 30 ° C) a b g e f a n g e n werden k6nnen, die a n a l y t i s e h n i c h t e r f a g t wfirden. I n w i e w e i t bei der W a s s e r d a m p f d e s t i l l a t i o n aus ]40 ]4G gebildet wird h~ngt v o m P H - W e r t der w/iBrigen P r o b e n a u f s c h l g m m u n g u n d d e m G e h a l t an flfiehtigen S/Luren ab [11 ]. E n t s p r e c h e n d e s gilt ffir die B e s t i m m u n g s m e t h o d e n fiir J~CH n a e h Ragelis et al. [12]. * Untersuchungen fiber das Verhalten yon Athylenoxid bei der Begasung yon Lebensmitteln, VII. Mitteilung. ** Daten aus den Dissertationen yon G. l~abrieius u. G. Timme, geb. Schulte, Universitgt Bonn 1974.

22 Experimentelles

Prinzip Der nicht-zerkleinerte Weizen wird mit einem relativ geringen Volumen an scharf getroeknetem Methanol 24 Std bei 25 ° C extrahiert und der Extrakt ohne weitere Behandlung nach mSglichst vollst~ndiger Abtrennung durch Zentrifugalfiltration der Gas-Chromatographie zugefiihrt. -- Wegen der groSen Unterschiede der Flfichtigkeit yon JxO, ~CH und AG (Kp J~O = ÷ 10 ° C, Kp ~ C H = 12'6--129 ° C, Kp ~G = ] 98 ° C) muB die GC-Trennung mit Temperaturprogramm gefahren werden. Die Anfangstemperatur yon 60 ° C kann bei dem verwendeten GC-Ger~t nur dureh zus~tz]iehe Ktihlung mit CO 2 hinreiehend reproduzierbar eingestellt werden. -- Wegen der Polarit~t der Verbindungen mul3te ein weitgehend inerter Tr/~ger fiir die station~re Phase Carbowax 20 M verwendet werden. Trotz der etwas problematischen Verarbeitung hat sieh Chromosorb T (Bodenseewerk Perkin-Elmer) a]s bestes Tr~germateria] erwiesen.

Extraktion Nachdem sich Methanol in Vorversuehen als besonders wirkungsvolles Extraktionsmittel gezeigt hatte, wurden die speziellen Arbeitsbedingungen ermittelt. Aus Abb. ] geht hervor, dab bei einer Kaltextraktion bei 5 ml L6sungsmittel je ]0 g Weizen eine maximale Menge )[CH und -~G gewonnen wird. Andere Extraktionsverfahren sind offenbar wenig geeignet (siehe Tab. 1). Die Extraktionsdauer bei 2,5° C ergibt sich aus Abb. 2' zu 2'4 Std. Das fiberraschende und ausgepr~gte Ausbeutemaximum weist darauf bin, dab die Extraktionsdauer yon 24 Std eingehalten werden so]lte.

2n

25 20 20 15 15 10

Abb. 1

Abb. 2

Abb. 1. Extraktionsausbeute bei Kaltextraktion (Methanol, 2z~ Std, 25°..C) in Abh~ngigkeit vom L6sungsmittelvolumenfiir J~CH (D).: JtG (3x) and die Summe A_CHd- AG. - - Umgerechnet auf AO (o), (je 10 g Getreide) Abb. 2. Extraktions~usbeute bei Kaltextraktion (Methanol, 24 Std, 25° C) in Abh~ngigkeit yon der Extraktionsdauer fiir ACH (~), J~G (~) und die Summe ACH • AG (berechnet als AO (o), (je 10 g Getreide d- 5 ml Methanol)

23 Tabelle 1. Vergleich verschiedener Extraktionsmethoden ffir AO, ACH, AG (Bestimmung nach der u. a. Arbeitsvorschrift; u. N. ~ unter der Nachweisgrenze) Probe

Extraktionsmethode

AO ppm

ACI-I ppm

J~G ppm

Summe ~ 0 + J~CH. +- AG ppm (Umgerechnet aufAO gleicheMengen vorgegeben)

1/1 1/2 2/1 2/2

Weizen, nicht zerkleinert Kaltextraktion mitMethanol2 Std 24 Std, Schfitteln

6,02 6,02 6,42 6,21

20,69 20,69 19,44 20,69

18,33 18,33 17,50 18,33

30,23 30,23 29,36 30,42

1/1 1/2 2/1 2/2

Weizen, nieht zerkleinert giiekfluBkochung mit Methanol

u.N. u. iN. u.N. u.N.

18,00 18,75 17,39 18,75

1 6 , 0 0 21,10 1 6 , 6 7 21,98 1 7 , 3 9 12,74 1 6 , 6 7 21,98

1/1 1/2 2/1 2/2

Weizen, gesehrotet, 24 Std Kaltextraktion mit Methanol, Schfitteln

u.N. u.N. u.N. u.N.

12,50 12,50 14,29 15,00

12,50 12,50 14,29 15,00

15,62 15,62 17,86 18,75

Arbeitsvorschri]t Reagentien. Methanol, rektifiziert, getrocknet mit Molekularsieb 3 A, Perlform. - - n-Butanol, fiir die GC, Standard, 0,030/0 v/v in Methanol (Priizisionsbfirette). - - Chromosorb T, Fa. Bodenseewerk Perkin & Elmer GmbH (andere Produkte waren yon Lieferung zu Lieferung inkonstant). - Carbowax 20 M. - - Belegung yon Chromosorb T m i t Carbowax 20 3I nach Gas-Chrom Newsletter 8 (8), Juli 1967. Geriite. Schfittelmaschine Typ URST, Fa. Gerhardt, Bonn. - - Laborzentrifuge Universal Junior II, Fa Christ; dazu Filterbeeher, 10 ml. - - Glasspritze, 5 ml; Prgzisionsspritze, 1 ml. - Schnappdeckelgl~ser, braun, 20 ml. - - Mikroliterspritze, 10 tzl. - - Injektionsflasehen, 1 ml, mit Silikongummi-Verschluitkappeund Verschlui~zange. - - Gas-Chromatograph 5750 mit C02-Ofenkfihlung, FID, Fa. HEWLETT-PACKARD. 10 g Weizen in einem 20-ml-Schnappdeekelglas mit 5 ml Methanol versetzen und 24 Std auf der Schiittelmaschine bei Zimmertemperatur bewegen. Dann den Inhalt des Schnappdeckelglases rasch und m6glichst quantitativ in den Filterbecher iiberffihren und 30 min bei 3000 U/rain zentrifugieren. Das Schnappdeckelglas und den Filterbecher dicht verschlie~en. Ansehliel~end das Zentrifugat mit der 5-ml-Spritze in das Schnappdeckelglas zuriickgeben. Es kann hier bei - - 18° C 1 Woche ohne nachweisbare Abnahme der Inhaltsstoffe lagern. - - Ffir die GC-Bestimmung 1 ml Zentrifugat (20° C) genau abmessen und in ein Injektionsfl~schchen fiberffihren, mit der Pr~zisions-Mikrospritze 10 ~1 Standardl6s.ung zugeben u.nd mit der Zange verschliei]en. Bei jeder Me~reihe laufen je 1 EichlSsung ffir AO (35 ppm), ACH (50 ppm) und AG (50 ppm) mit. Gas-chromatographische Bedingungen: Si~ule: 4 m, Glas, ;~ a 6 ram, ~ i 4 ram, 5O/oCarbowax 20 M auf Chromosorb T, 60°C Ofen-Anfangstemperatur,3 rain post injection intervall, dann Ternperaturprogramm mit 6° C, rain bis 180° C, 8 rain upper limit interval. - - Einspritzblock-Temperatur: 200° C, Einspritzmenge: 10 ~1 (wurde automatisch mit einem Probengeber Typ 7670 A der Fa H & P eingefiihrt). Flammenionisationsdetektor:320° C, Einzelbetrieb (1 S~ule); Gasmengenstrom: N2 30 ml/min; H2 (FID): 30 ml/min; O~ (FID)- 500 ml/min; Empfindlichkeit: 1. 104, Integrator × 1 (3370 A, Fa. HP).

LeistungskenngrSfien der Methode I n Tab. 2 sind die Nachweis- bzw. B e s t i m m u n g s g r e n z e u n d die A u s b e u t e ffir die K o m p o n e n t e n XO, XCH u n d _A=Gi m Vergleich m i t a n d e r e n Methoden angegeben. Die scheinbar besseren W e r t e der Methode I t e u s e r et al. [8] k o n n t e n n i e h t wieder erreicht werden. So gibt l~agelis et al. [12] an, dal3 bestenfalls 100 p p m ACH gerade noeh erfaint werden k o n n t e n . - - Die m i t der vorliegenden Methode g e f u n d e n e n B e s t i m m u n g s grenzen sind ffir die A n a l y s e begasten Getreides ausreichend, da die fibliehen Gehalte ffir XCH u n d XG bei einer E n t w e s u n g m i t ~ O noch fiber diesen Grenzwerten liegen u n d da XO n a c h wenigen W o e h e n praktisch v o l l k o m m e n metabolisiert ist [8, 13]. - Die A u s b e u t e w e r t e erscheinen zun~chst unbefriedigend. Sie sind jedoch m i t den realen W e r t e n y o n Ragelis et al. [12] vergleichbar. I I i n z u k o m m t , dal3 bei einer zweiten

24 Tabelle 2a. Bestimmungsgrenze ffir ~O, ACH und AG nach der angegebenen Arbeitsvorschrift im Vergleich mit bekannten Bestimmungsraethoden Bestimmungsgrenze

£o diese Methode absolut bezogen auf Probe

3,5 • 10-s g 1,7 ppm

tteuser et. al. absolut bezogen auf Probe

5 " 10- n g 0,15 ppm

Ragelis et al.

£CH

£G

5,0 - 10-s g 2,5 10pro

5,0 • 10-s g 2,5 ppm

5 • 10-11 g 1,5 ppm 100 ppm ~ 25--50 ppm b 5--10 ppm ° 1 ppm d

5" 10-9g 1,5 ppm (?)

Nethode Heuser et al. [5--8] yon Ragelis et al. [12] best±mint. "° Sweep-Co-Destillation. c = Ather-Extraktion. a Wasserdampf-Destillation. - - (Die Methode [10] enth~lt keine Angaben fiber Bestimmungsgrenze und Ausbeute.)

Tabelle 2b. Ausbeute ffir J~O, ACH und AG nach der angegebenen Arbeitsvorschrift im Vergleich mit anderen Methoden Ausbeute in % ~0 Diese Methode 1. Extraktion 1. @ 2. Extraktion Variat. koeff. Konzentr. bereieh der Kontrollanalysen Zahl Analysen

73e -± 4

~CR

65 93,5 ± 0,6

~G

65 99 ± 3

30--39 ppm 12

50 ppm 4

50 ppm 4

98

98 (?)

50 (?)

Heuser et al. R agelis et al. 64--92 b 64--92 c 50--87 d Methode Heuser et al. [5--8] yon Ragelis et al. [12] bestimmt. Sweep-Co-Destillation. ° -- Ather-Extraktion. d Wasserdampf-Destillation, (die Methode [10] enthglt keine Angaben fiber Bestimmungsgrenze und Ausbeute). e Vergleiehsmethode ,,Xylolkoehung" n. E1 Kishen [4].

E x t r a k t i o n J~CH u n d J~G p r a k t is c h vollst/~ndig erfaBt werden. W e g e n der befriedigenden R e p r o d u z i e r b a r k e i t der A n a l y s e n w e r t e (vgl. Tab. 3) hMten w i r e s fiir zuliissig, nur einma] ztt e x t r a h i e r e n u n d das Defizit einzueichen. Be± h o h en Gehalten an J~O, N C H u n d J~G e x t r a h i e r e n wir auf jeden Fal] z w e i m a l . - - Die S t a n d a r d a b w e i c h u n g 8 der A n a l y s e n w e r t e fiir fi,O, )[CH u n d ~ G ±st in Tab. 3 angegeben. Be± einer fiblichen B e g a s u n g liegt die K o n z e n t r a t i o n 1 T a g n a c h der B e h a n d l u n g in Getreide in der Gr6Benordnung yo n 15 p]~m AO, 20 p p m A C H u n d 15 p p m J~G. Sie k a n n d a n n i m Bereich v o n ± l 1% ~ 0 , ~- 6 % ~[CH u n d ± 4 % J~G angegeben werden.

25 Tabelle 3. Stand~rdab.weichung.s, ermittelt aus M Doppel- und/V Einzelbestimmungenffir Analysenwerte von AO, ACH und AG, bestimmt mit der angegebenen Arbeitsmethode. Abkfirzung: K Konzentrationsbereich f. Best. yon s

AO J~CH J(G

N

M

s ppm

K ppm

24 24 24

12 12 12

1,70 1,16 0,62

8--11 14--33 17--30

Der Z e i t a u f w a n d ffir 4 A n a l y s e n liegt bei 2' Std Arbeitszeit ohne die E x t r a k t i o n u n d Gas-Chromatographie. Bei a u t o m a t i s i e r t e r GC k a n n m a n pro Arbeitstag 1 0 - - 2 0 A n a l y s e n bew/~ltigen.

Abb. 3. Gas-Chromatogramm einer mit AO zur Entwesung b.egasten ..Weizenprobe. (Bedingungen siehe Text; 1 AO, 2 Standard n-Butanol, 3 ACH, 4 AG, S Start)

Die T r e n n l e i s t u n g u n d Zeitdauer der GC gehen aus Abb. 3 hervor.

Literatur 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Pfeilsticker, K., Rasmussen, H.: Z. Lebensm. Unters.-Forseh. 136, 1 (1967) Kr611er,E. : Deut. Lebensm. Rundschau 62, 227 (1966) Bushnell, W.R.: Can. Plant Sei. 53, 47 (1973) Kishen, Sh.A.El.: J. Sci. Food Agr. 1, 71 (1950) Heuser, S.G.B.: Pest. Sci. 4, 409 (1973) Heuser, S. G.B., Scudamore, K.A. : Chem. Ind. (London) 16, 1557 (1967) Heuser, S. G.B., Scudamore, K.A. : g. Sei. Food Agr. 20, 566 (1969) Scudamore, K.A., Heuser, S. G. : Pest. Sci. 2, (2), 80 (1971) Pfeilsticker, K., Fabrieius, G., Sehulte, G.: Z. Lebensm. Unters.-Forsch. 155, 263 (1974) Stijve, T. : Mitt. Gebiete. Lebensm. Hyg. 60, (5), 373 (1969) Pfeilsticker, K., Fabricius, G. : Noch unver6ffentlichte Versuche Ragelis, E. P., Fisher, B. S., Klimeck, B. A. : J. Assoc. Offic. Anal. Chemists 51, 709 (1968) Lubatti, O . F . : J . Soc. Chem. Ind. (London) 63, 133 (1944) Prof. Dr. Konrad Pfeilstieker Leiter des Lehrstuhls ffir Lebensmittelwissensehaft der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit~it D-5300 Bonn, Endenicher Allee 11--13 Bundesrepublik Deutschland

[Simultaneous, gas-chromatographic determination of ethyleneoxide, ethylenechlorohydrine and ethyleneglycol in grain (author's transl)].

The not comminuted grain (10 g) is extracted for 24 hrs (25 degrees C) with 5 ml methanol (shaking machine), then the fluid phase is separated by cent...
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