izotopska sestava lahkih elementov visofood.eu/wp-content/uploads/2017/04/lojen-2-1.pdfcam...

Izotopska

sestava lahkih

elementov v

hrani

Sonja Lojen, Nives Oginc,

Stojan Žigon, Polona

Vreča

Pristnost hrane- ustreza specifikacijam glede porekla (geografskega,

botaničnega….), načina pridelave (ekološko,

integrirano, konvencionalno….) in predelave

(recepture, dodatki, načini procesiranja….)

Zaščitena označba porekla (ZOP)

→ morata pridelava in predelava potekati na

definiranem geografskem območju, katerega ime

nosi proizvod;

→ na lastnosti takega kmetijskega pridelka ali živila

bistveno vpliva geografsko okolje, ki vključuje naravne

in človeške dejavnike kot so podnebje, kakovost tal,

lokalno znanje in izkušnje (npr. kraška burja, gorski

pašniki ipd.).

Zaščitena geografska označba (ZGO)

→ mora biti pridelan ali predelan na definiranem geografskem

območju, katerega ime nosi. Surovine npr. lahko izvirajo iz

drugega območja, → med proizvodom in geografskim območjem mora obstajati

povezava. Kmetijski pridelek ali živilo mora imeti posebno

kakovost, sloves in druge značilnosti, ki izvirajo iz

določenega geografskega območja.

Zajamčena tradicionalna posebnost (ZTP)

→ proizveden iz tradicionalnih surovin ali

→ je zanj značilna tradicionalna sestava, ali

→ je zanj značilen tradicionalen način pridelave oziroma

predelave oziroma receptur.

Z označbo zajamčene tradicionalne posebnosti se predvsem zaščiti receptura ali način proizvodnje. Kmetijske proizvode

zajamčene tradicionalne posebnosti lahko proizvajajo vsi, ki se

držijo predpisane recepture, postopka in oblike. Proizvodnja ni geografsko omejena.

Ekološko pridelana živila

Pravilnik o ekološki pridelavi in predelavi kmetijskih pridelkov

oziroma živil, Uradni list 8/2014 (3.2.2014)

→ prepoved rabe GSO

→ stroge omejitve rabe farmacevtskih in fitofarmacevtskih

pripravkov

→ omejitve uporabe dodatkov in pomožnih tehnoloških sredstev

→ stroge omejtive rabe sintentičnih gnojil

Kje si lahko pomagamo s

stabilnimi izotopi?

Stabilni izotopi so pomembno, a ne edino orodje za

določanje pristnosti in porekla živil. Ponavadi jih

uporabljamo skupaj z drugimi parametri – govorimo o

izotopskem in elementnem (kemijskem) odtisu živil

– izotopska sestava več bioaktivnih elementov (C, N, O,

S, H) – geografsko, botanično poreklo

– „netradicionalni izotopi“ (npr. Sr – geografsko poreklo)

– elementna sestava (glavni elementi, elementi v

sledovih, esencialni elementi….) – geografsko poreklo

– vsebnost, sestava biokemičnih komponent, npr.

sladkorjev, proteinov, lipidov….in izotopska sestava

posameznih elementov v njih

Kje nam pomagajo izotopi?

Potvorbe: je snov/spojina naravna sestavina hrane ali

je bila dodana?

Naravno ali sintetično?

Arome, barvila…..

Skladno z deklaracijo?

Ekološka/konvencionalna pridelava, sveže iztisnjen sok

ali koncentrat….

Geografsko poreklo

Vina, siri, mesni izdelki, olja, začimbe…..

Katere informacije dobimo s pomočjo

stabilnih izotopov?

Izotop Proces frakcionacije Informacija

2H/1H18O/16O

Izparevanje, kondenzacija,

precipitacija

Geografsko

področje

13C/12C Asimilacija, fotosinteza,

metabolizem

Vir, pristnost

15N/14N Nitrifikacija/denitrifikacija,

biomagnifikacija,

gnojenje….

Kmetijska

praksa, izvor

hrane/krme,

poreklo

34S/32S Biogeni/abiogeni procesi Geografsko

področje, okolje

87Sr/86Sr Geokemijske province in

procesi

Geografsko

področje

geografija ↔ biologija?

Stabilni izotopi lahkih elementov

• interakcije organizem - okolje

• vpliv hidrološko – klimatskih dejavnikov

• tla

• metabolizem

Genetski dejavniki

• prilagoditve

• pogoji pridelave/vzreje

Elementna sestava

• sestava tal/geološka podlaga

Stabilni izotopi težkih elementov

• sestava tal/geološka podlaga

Pristopi za določanje pristnosti

Metoda internega standarda – primer:

proteini v medu

„cut-off“ metoda – primerjava z bazo

podatkov pristnih proizvodov – primer:

sadni sokovi

Trikotnik potvorb – primer sadnih sokov

Ogrinc et al., JAFC, 2009

90 95 100 105 110

-30

-25

-20

-15

-10

11

13 34

12

6 7 1

Authentic orange and grapefruit samples

Orange and grapefuit juices from the market

REF ZoneBR Zone

BC Zone

RC ZoneBCR Zone

(D/H)I cut-off point

13

C cut-off point

Cane

Beet

1

3C

[‰

]

(D/H)I [ppm]

Izotopska sestava nekaterih znanih mineralnih vod (po Ehrelinger et al.)

Izotopska sestava italijanskih ustekleničenih vod (Raco et al., 2013)

Ogljik: območja δ13C vrednosti v naravi

http://www.cefns.nau.edu/geology/

Ogljik: botanično poreklo

C3: najstarejši tip fotosinteze, prevladuje pri rastlinah v

zmernem podnebju, predstavlja 95 % rastlinske

biomase (90 % rastlinskih vrst); značilna je velika

izotopska frakcionacija, te rastline so obogatene z 12C

35 ‰ < δ13CVPDB < -21‰

poprečje -27 ‰

sladkorna pesa, pšenica,

solata, krompir, cvetača,

jabolka….

CO2 + H2O C6H12O6 + O2 + H2O

12C se preferenčno vgrajuje v biološka tkiva

C4 (Hatch-Slack): bolj učinkovit od C3 na vročih

sušnih območjih oziroma kjer je količina hranil (N,

CO2) omejena; za fiksacijo C porabijo 1/3 količine

vode v primerjavi s C3 rastlinami; značilna za 3 %

znanih rastlinskih vrst

-16 ‰ < δ13CVPDVB < -9‰

poprečje -13 ‰

sladkorni trs, koruza, proso

CAM (Crassulacean acid metabolism): adaptacija na

puščavsko okolje; listne reže so ponoči odprte in

asimilirajo CO2, čez dan so zaprte, da preprečijo

izgubo vode. Fiksacija C je podobna kot pri C4 ciklu.

Obstajajo tudi rastline, ki lahko kombinirajo C3 in

CAM fotosintezo; 7% vrst rastlin ima ta tip fotosinteze

-34 ‰ < δ13CVPDB<-10 ‰

agave, kaktusi, orhideje

(vanilija!), nekatere

buče, ananas…

Morska trava-10‰

C3 rastline

-27 ‰ C4 rastline

-13 ‰CAM rastline

-10 to -34‰

atmosferski CO2

(ruralni)

-7.8 ‰

makroalge

-15‰Fitoplankton -22‰

zooplankton -20‰

vretenčarji -17‰

Ogljik in njegovi izotopi v terestričnih ekosistemih

DIC -0‰

DOC -23‰

Premog ~ -25‰

Zem. plin ~ -45‰Nafta ~ -30‰

Fosilni C

atmosferski CO2

(urbani)

-7.8 to -12 ‰

antropogeni

CO2 -26‰

tlaorganska

snov

talni CO2

Pedogeni

karbonat

Podzemna voda

DIC -30 to +37 ‰

CaCO3 0‰

-27‰ -13‰ ?

-22‰ -8‰ ?

-12‰ -2‰ ?

Brenčič & Vreča, Journal of Geochemical Exploration 107 (2010) 391–399

Izotopska sestava raztopljenega anorganskega ogljika v ustekleničenih

vodah na slovenskem tržišču; določevanje izvora CO2

Vis

ok

e v

red

no

sti –

na

ravn

i C

O2

M. Brenčič, P. Vreča / Food Chemistry 101 (2007) 1516–1525

Primer: pristnost slovenskega medu

Dolgotrajna in razmeroma draga pridelava –

pogoste potvorbe

Najpogostejše potvorbe: DODAJANJE VODE IN

SLADKORJA – v obliki saharoze ali fruktozno-

saharoznega sirupa

Dovoljeni dodatki: do 5 % sladkorja (izjemoma 10%

pri medu akacije)

DETEKCIJA IZVORA SLADKORJA ZAHTEVA METODE

IZOTOPSKE ANALIZE OGLJIKA V SLADKORJU IN

PROTEINIH IN PO MOŽNOSTI V POSAMEZNIH

SLADKORJIH - ZANESLJIVE PRI DODATKIH < 7%

Kropf et al., J Agric Food Chem. 22;58(24):12794-803, 2010

271 vzorcev slovenskega medu

akacija, cvetlični, lipa, kostanj,

gozdni, hojev, smrekov

nekaj potvorjenih

Kropf et al., J Agric Food Chem. 22;58(24):12794-803, 2010

-28 -26 -24 -22 -20 -18

-2

0

2

4 r = 0,95

1

3C

ho

n -

1

3C

pro

t [‰

V-P

DB

]

13

C honey [‰ V-PDB]-27.5

-23.5

-21.5

-17.5

13C

Internal

standard

Authentic

Adulterated

Uporaba proteinov v medu kot internega

standarda za oceno pristnosti

napovedna vrednost 95%

Kropf et al., J Agric Food Chem. 22;58(24):12794-803, 2010

Klasifikacija slovenskega medu glede na botanični tip in

geografsko poreklo na osnovi δ13C celokupnega medu,

δ13C in δ15N proteionv

Klasifikacija slovenskega medu glede na botanični tip in

geografsko poreklo na osnovi izotopske in elementne

sestave in fizikalno kemijskih parametrov 122 vzorcev

(akacija, lipa, kostanj) – skupaj izmerjenih parametrov: 23

Kropf et al., Food Chem. 121, 839-846, 2010

regija akacija lipa kostanj

Alpska 100 100 94,1

Dinarska 100 100 100

Panonska 96,7 / 87,5

Mediteranska / 100 /

skupaj 98,2 100 94,6

% pravilno klasificiranih vrst medu

Kropf et al., Food

Chem. 121, 839-846,

2010

Rezultati linearne

diskriminantne analize

(122 vzorcev, 23

parametrov)

Slovenski jabolčni sok (idared, zlati delišes, topaz 2011,

2012) K. Bizjak Bat et al. / Food Chemistry 203 (2016) 86–94

regija Alpska Dinar

ska

Mediateran

ska

Panonska submediteran

ska

%

pravilnih

Alpska 13 1 0 0 0 92,9

Dinarska 1 9 0 1 1 75,0

Meditera

nska

0 0 10 0 0 100,0

Panonska 1 2 0 13 0 81,3

submedit

eranska

2 0 1 0 7 70,0

sorta Zlati delišes Idared Topaz % pravilnih

Zlati delišes 16 5 3 66,7

Idared 2 19 1 86,4

Topaz 4 0 12 75,0

Skupaj napovedna vrednost: 83,9 %

Skupaj napovedna vrednost: 75,8 %

K. Bizjak Bat et al. / Food Chemistry 203 (2016) 86–94

Valenzuela et al., PloS ONE

7(3), e34234, 2012

Zhao et al., J Sci Food Agric 2016; 96: 3950–3955

S.W. Erasmus et al. / Food Chemistry 192 (2016) 997–1005

po

Mc

Cu

tch

an

et

al.,

2003

Po

Be

n-D

av

id &

Fla

he

rty

, J M

am

ma

l(2

012)

93 (

2):

312

-328

Zhao et al., J Sci Food Agric 2016; 96: 3950–3955

S.W. Erasmus et al. / Food Chemistry 192 (2016) 997–1005

Dušik in njegovi izotopi v naravi

http://w

eb.s

ahra

.arizona.e

du/p

rogra

ms/isoto

pes/n

itro

gen.h

tml

K. Knoeller

Izotopska frakcionacija dušika med

denitrifikacijo

0 20 40 60 80 100 12020

30

40

50

60

70

80

90

negnojeno

distrični fluvisol

evtrična rjava tla

Koncentracija NO3

- (mg/l)

0 20 40 60 80 100 120

40

50

60

70

80

90

100

110 mineralno gnojilo

0 20 40 60 80 100 12020

30

40

50

60

70

80

90

Čas (dni)

hlevski gnoj

0 20 40 60 80 100 120

10

20

30

40

50

60

70

komunalna gošča

0 20 40 60 80 100 120

0

5

10

15

20

25

30

negnojeno

distrični fluvisol

evtrična rjava tla

15N -NO3 (‰ )

0 20 40 60 80 100 120-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16 mineralno gnojilo

0 20 40 60 80 100 1200

4

8

12

16

20

24

28

32

36

Čas (dni)

hlevski gnoj

0 20 40 60 80 100 1200

4

8

12

16

20

24

28

32

komunalna gošča

Ek

olo

ška

li in

ten

ziv

na

pri

de

lav

a?

Sintetična gnojila: -5,9 ‰ < δ15N < +5,8 ‰Šturm et al., Isot. Envir. Health Stud. 47, 214-220, 2011

Naravna gnojila: -2,0 ‰ < δ15N < +30,0 ‰

ruk

ola

pe

terš

ilj

en

div

ija

rad

ič P

alla

rosa

rad

ič š

tru

ca

r

po

r

če

en

če

bu

la

cv

eta

ča

ko

ren

kro

mp

ir

pa

rdiž

nik

pa

prik

a

rum

en

a k

ole

rab

a

Šturm et al. 2011

Vzorci zelenjave s slovenskega trga 2010

Kombinirano gnojenje: primer solate (L. sativa)Šturm et al. J Sci Food Agric 2011; 91: 262–267

Prikrivanje uporabe sintetičnega gnojila z organskim

dognojevanjem: eksperimentalna ocena iz lončnega

poskusa

Založno gnojenje:

40 mg N/kg;

Obročno gnojenje:

20+20 mg N/kg (30 DAT)

δ15N vrednost organskega gnojila: +14.8 ‰ (Valentin)

δ15N vrednost sintetičnega gnojila: +5.9 ‰ (Ca nitrat)

δ15N vrednost talne raztopine: +6,4 ‰

NO3-

δ15N

δ18Ovelik razpon vrednosti(-10 do +80 ‰)

značilno območje vrednosti za

atmosferski dušik in sintetična gnojila

Vir: USGS

C = sintetično gnojilo (nitrati); OA, OB = naravna gnojila

H. Laursen et al. / Food Chemistry 141 (2013) 2812–2820

kro

mp

ir

kro

mp

ir

C = sintetično gnojilo (nitrati); OA, OB = naravna gnojilaH. Laursen et al. / Food Chemistry 141 (2013) 2812–2820

(celokupni dušik)

Žve

plo

: g

eo

gra

fsk

o p

ore

klo

• Velik razpon δ34S v tleh, rastlinskih in živalskih tkivih

• Rastline žveplo asimilirajo v obliki sulfata in ga

reducirajo, a ga ne izločajo, zato je izotopska

sestava S praviloma podobna tisti v tleh

• Pomemben vir žvepla v tleh je atmosferska

depozicija zlasti v območjih blizu morja („sea

spray“) in v kontaminiranih območjih

• Izotopska sestava S v sulfatu je odvisna od

njegovega vira (morski, sežig fosilnih goriv,

predelava rud)

Elementna in izotopska sestava slovenskega mleka (2014, 2015)

Ogrinc, Potočnik in sodelavci – v delu

Br, Cl in δ18O – najpomembnejši parametri za

ločitev mediteranske regije od ostalih

Mn, δ15N v kazeinu in Sr – najpomembnejši

parametri za ločitev panonske regije od ostalih

Se in δ34S v kazeinu – najpomembnejša

parametra za ločitev dinarske regije od ostalih

Najboljša separacija je bila dosežena poleti 2014

z napovedno vrednostjo 100%

Povzetek: Kaj nam povedo izotopi lahkih

elementovi?H, O• geografski izvor vode• geografski izvor proteinov (npr. meso, semena…)

• geografski izvor C-hidratov (npr. med, moka)

• geografski izvor maščob (npr. olja, voski)

• pristnost pijač (voda, vino, sokovi)

S• oddaljenost od morja

• viri žvepla za rastline (gnojilo)

• viri prehrane živali

N• vir dušika za rastline (gnojilo)

• viri hrane živali (prehranjevalna veriga)

C• viri (rastlinske) prehrane (C3 vs. C4)

• potvorbe pijač, medu…

Namesto sklepa

Stabilni izotopi lahkih elementov: najpomembnejše, a ne vsemogočno orodje za določevanje porekla hrane

V kombinaciji z elementno sestavo (glavni, stranski in elementi v sledovih), biokemično sestavo (sladkorji, pigmenti….) in fizikalno-kemijskim parametri se napovedna vrednost pri klasifikaciji po regijah, vrstah ali viru lahko zelo izboljša