Wissenschaftler entdecken Zehntausende verschiedener Moleküle in Bier – 80 % noch nicht in chemischen Datenbanken beschrieben

Studie verwendete moderne hochauflösende Analyse, um die enorme metabolische Komplexität von Bier aufzudecken.

Die Tradition des Bierbrauens reicht bis mindestens 7.000 v. Der Kodex des babylonischen Königs Hammurabi (Regeln 1792 bis 1750 v. Chr.), dessen Gesetze 108 bis 111 Bierverkäufe regeln, zeigt, dass sich die Menschen seit Jahrtausenden um den Schutz der Bierqualität sorgen. So erlaubt beispielsweise das bayerische „Reinheitsgesetz“ von 1516, das oft als ältestes noch funktionsfähiges der Welt gilt – mit Änderungen – Lebensmittelverordnung, nur Gerste, Wasser und Hopfen als Zutat 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 moderne 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 vergleichbar mit der ständigen Revolution in der Technologie von Bildschirmen mit immer größerer Auflösung ist, können wir diese Komplexität in noch nie dagewesener Detailtiefe aufdecken. Heutzutage ist es einfach, kleine Abweichungen in der Chemie während des Lebensmittelherstellungsprozesses zu erkennen, die Qualität zu schützen oder versteckte Fälschungen zu erkennen“, sagte der korrespondierende Autor, Prof. Philippe Schmitt-Kopplin, Leiter der Comprehensive Foodomics Platform an der TU München und der Forschungseinheit Analytische 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 an Metaboliten in 467 Bieren, die in den USA, Lateinamerika, Europa, Afrika und Ostasien gebraut werden. Dazu gehören Bier, Craft- und Abteibiere, obergärige Biere und Gueuze, die Gerste als einzige Stärkequelle für die Gärung verwenden, oder Gerste plus Weizen, Reis und Mais (Mais).

Die Methoden haben komplementäre Stärken. DI-FTICR-MS zeigte direkt die chemische Vielfalt aller Biere und prognostizierte chemische Formeln für die Metabolit-Ionen in ihnen. Die Autoren verwenden UPLC-ToF-MS an einer Untermenge von 100 Bieren, um die Ergebnisse mit einer Auflösung der möglichen Isomere zu analysieren. UPLC-ToF-MS verwendet Chromatographie, um Ionen mit identischen Massen und Fragmentierung der Massenionen zuerst in Tochterionen zu trennen, wodurch die genaue Molekülstruktur vorhergesagt werden kann.

Die Autoren stellten diese Metaboliten in den „chemischen Raum“, die jeweils durch eine einzige Reaktion mit einem oder mehreren anderen verbunden waren, zum Beispiel durch die Addition einer Methoxy-, Hydroxyl-, Sulfat- oder Zuckergruppe an das molekulare Rückgrat oder um „eine ungesättigte“ zu ändern Bindung in eine gesättigte Bindung. Dies führte zu einer Rekonstruktion eines Metabolitennetzwerks zum Endprodukt, bestehend aus fast hundert Schritten mit einem Ausgangspunkt in Molekülen des ursprünglichen Korns, synthetisiert aus dem Amino Säure Tryptophan. Daraus stammen Sekundärmetaboliten, die für jedes Korn einzigartig sind.

Leistungsstarke Methode zur Qualitätskontrolle

„Unsere Massenspektrometrie-Methode, die nur 10 Minuten pro Probe benötigt, soll für die Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie sehr leistungsfähig sein und die Grundlage für neue molekulare Marker und nicht zielgerichtete Metabolitenprofile schaffen, die für die Lebensmittelinspektion benötigt werden“, sagt Schmitt-Kopplin.

Die Autoren fanden etwa 7.700 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 wurden. Da jede Formel in einigen Fällen bis zu 25 verschiedene molekulare Strukturen abdecken kann, kann sie zu Zehntausenden von einzigartigen Metaboliten führen.

„Hier zeigen wir eine enorme chemische Vielfalt bei Bieren 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 Aminosäure und Zucker, die auch Brot, Fleischsteaks und gerösteten Marshmallows ihren „frittierten“ Geschmack verleihen. Dieses komplexe Reaktionsnetzwerk ist angesichts seiner Bedeutung für die Lebensmittelqualität, den Geschmack und auch die Entwicklung neuer bioaktiver Moleküle, die für die Gesundheit wichtig sind, ein spannender Schwerpunkt unserer Forschung“, sagt der Erstautor Stefan Pieczonka, Doktorand an der Technischen Universität München, abgeschlossen. .

Referenz: „Auf den Spuren des Reinheitsgebotes: Unterscheidung der metabolischen Signaturen von Weizen, Weizen 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