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Weiterentwicklung und Nutzungsempfehlungen validierter Methoden zur Unterscheidung von ökologischen und konventionellen Produkten

Hermanowski, Robert; Boner, Markus; Bonte, Antja; Henryson, Ann-Sofie; Hofem, Sabine; Langenkämper, Georg; Mäder, Rolf; Mende, Gudrun; Neuendorff, Jochen; Niehaus, Karsten; Stolz, Peter and Strube, Jürgen (2013) Weiterentwicklung und Nutzungsempfehlungen validierter Methoden zur Unterscheidung von ökologischen und konventionellen Produkten. [Evaluation and recommendation of further use of selected methods for determining organic and conventional products.] Forschungsinstitut für biologischen Landbau (FiBL), D-Frankfurt, Max Rubner-Institut, D-Detmold; TÜV Rheinland Agroisolab GmbH, D-Jülich und KWALIS Qualitätsforschung Fulda GmbH, D-Dipperz.

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Summary

Ein Verfahren, welches ökologische oder konventionelle Erzeugung eines Produktes analysieren kann, ist für die Anwendung im Zweifelsfall sinnvoll. Ziel des Projektes war es dementsprechend, diskriminierende Methoden zu evaluieren und diese nach vorgängig festgelegten Kriterien, wie Anwendungsmöglichkeiten und Aussagesicherheit für Qualitätssicherungssysteme in den Unternehmen, aber ebenso für die Anwendung im Kontrollsystem durch Kontrollstellen und den zuständigen Behörden, zu bewerten. Anhand einer zu Beginn des Projektes erstellten Methodenübersicht wurden drei solcher Methoden zur Erprobung und Weiterentwicklung im Verlauf des Projektes ausgewählt:
Isotopenmassenspektroskopie (IRMS), Fluoreszenz-Anregungs Spektroskopie (FAS) und Profiling-Techniken.
Die IRMS basiert auf der Untersuchung der natürlichen Verteilung der stabilen Isotope der Bioelemente in einem Produkt. Die Isotopenverhältnisse des Stickstoffs spiegeln die Düngung im ökologischen und konventionellen Landbau, die Isotope des Gewebewassers geben die regionalen und länderspezifischen Unterschiede wider. Auch andere Isotope, wie der Kohlenstoff, sind bei der Herkunftsanalyse hilfreich. Insgesamt wurden neun Produkte evaluiert und die Datenbank wurde auf vier Leitprodukte (Weizen, Möhren, Kartoffeln und Hühnereier) konzentriert. Grundlage der Stabil-Isotopen-Methode ist der Aufbau von Referenzdatenbanken.
Liegt eine statistisch relevante Größe der Datenbank vor, so kann die Methodik der stabilen Isotope mit hoher Sicherheit angewendet werden. Im Projekt wurden 816 Proben auf die Isotopenverhältnisse der Bioelemente analysiert. Die erstellten Datenbanken wurden mit 329 Blindproben geprüft. Es konnte aufgezeigt werden, dass die stabilen Isotope signifikante Differenzierungsmöglichkeiten für Produkte aus ökologischer und konventioneller Landwirtschaft bieten, insbesondere wenn eine Verknüpfung mit Informationen über die Düngungsart gewährleistet werden kann. Ein wesentlicher Vorteil ist dabei die Darstellung der Wahrscheinlichkeit, mit der die Aussage charakterisiert werden kann.
Mit der FAS wurden Hühnereier und Weizenproben untersucht. Die FAS ist ein Verfahren, bei dem nach definierter optischer Anregung die Lichtemission einer Probe zeitabhängig gemessen wird. Im Rahmen dieses Projektes wurden 82 Proben Hühnereier und 130 Proben Weizen nach ihrer Herkunft aus ökologischer oder konventioneller Erzeugung untersucht. Mit dem beschriebenen Verfahren wurden circa 90 % der Hühnereier und 80 % der codierten Weizenproben korrekt beurteilt. Nach einer einjährigen Lagerung von Weizenproben bei –26 °C konnte die Differenzierung der Proben reproduziert und die Keimfähigkeit in Testversuchen nachgewiesen werden. Die Analyse der Ergebnisse verdeutlicht, dass teilweise noch Untersuchungsbedarf besteht und eine Verbesserung der Trennschärfe und Verkürzung des zeitlichen Aufwandes erreicht werden könnte.
Mit Profiling-Techniken werden in einem Analysengang ganze Substanzklassen in biologischen Proben wie Weizen erfasst. Zur Analyse der Stoffwechselprodukte, hier Metabolite genannt, wurde die Gaschromatografie-Massenspektrometrie eingesetzt. Für das Profiling wurden Weizenkontingente, jeweils aus einer ökologischen und einer konventionellen Anbauvariante, verwendet. Metabolit-Profiling leistete eine Unterscheidung nach Anbauart für die einzelnen Sorten und für den Weizen der drei einzelnen Anbaujahre. Jedoch wurde die Erfassung der anbauartbedingten Änderungen des Metaboloms erschwert durch deutliche sorten- und wachstumsperiodenabhängige Schwankungen im Metabolom. Dennoch konnte gezeigt werden, dass einige Metabolite mit signifikanten Unterschieden zwischen den Anbauarten in der Regel über alle Sorten erhöhte bzw. niedrigere Werte aufweisen. Als Ursache für dieses heterogene Ergebnis wird der Einfluss jahreszeitlicher Schwankungen auf die Proteingehalte gesehen, der den Einfluss der Anbaumethode überlagert.
Die Praxistests zeigten, dass beide Methoden nur dann gute Ergebnisse leisten, wenn eine ausreichend gute Referenzbasis vorhanden ist, mit der die Ergebnisse der untersuchten Proben verglichen werden können. Bezüglich der mit der IRMS untersuchten Fragestellung, ob ein Produkt von einem bestimmten Betrieb, einer Gruppe von Betrieben oder aus einer bestimmten Region stammt, sind die Ergebnisse vielversprechend. Um die Methode hinsichtlich dieser Fragestellung zu einem gängigen Qualitätssicherungsinstrument zu entwickeln, bedarf es allerdings einer Standardisierung der Verfahren für die Probenahme, Probenaufbereitung und Analytik sowie des Aufbaus einer gemeinsamen Referenzdatenbank. Dieser Ansatz wird mit dem Konzept „Wasserzeichen“ weiterverfolgt werden.

Summary translation

The aim of the study was to evaluate different methods for determining whether a product was produced under conventional or organic conditions. Evaluation was done by defined criteria like reliability of the results for quality assurance and the usability in a control system by inspection bodies and control authorities. For the evaluation three different methods have been chosen:
isotope ratio mass spectrometry (IRMS), Fluorescence activated spectroscopy (FAS) and a profiling technique.
Isotope ratio mass spectrometry (IRMS) is based on the examination of the natural layout of stable isotopes of bio-elements in a product. For example, the ratio of nitrogen isotopes reflects the fertilization and the isotopes of tissue water show the regional and country-specific conditions. Other isotopes like carbon can also be useful to determine where a product originates from. The determination is done by comparing the isotope layout of the product with results from a reference database. Four out of nine products have been used to build up the reference database (wheat, carrots, potatoes and eggs). In this project 816 product samples have been analyzed and compared with 329 blind samples. The results of the sampling show, that a significant differentiation of the products between organic and conventional production could be possible, especially if the results of the different bio-elements were used in combination. A main advantage of this method is that the results can be shown in a probability on how likely it is that the product was produced under organic or conventional conditions.
The FAS method has been used to investigate samples of eggs and wheat. The method is based on a defined process, where light emission is time-dependant measured. In the project 82 samples of eggs and 130 samples of wheat have been tested whether the products have been produced under organic or conventional conditions. Using this method, 90 % of the egg samples and 80 % of the wheat samples could be determined correctly. Wheat samples that have been stored for one year at -26 °C were used for a reproduction of the test results and the ability to germinate has been tested. The results of the tests show, that further investigations are necessary to improve the discriminatory power of the results and the reduction of time needed per sample.
Profiling methods are used to analyze whole types of substances in a product. To analyze the metabolites of organic and conventional wheat samples a gas chromatography-mass spectrometry was used. The metabolite profiling showed a differentiation between the farming system (organic and conventional) as well as a differentiation between year of cultivation and variety. A clear determination between the two farming systems was difficult due to fluctuations in the metabolites resulted in different varieties and growing periods. The fluctuating protein contents of the samples, which are affected by the growing period during a year, are responsible for the heterogenic results.
The evaluation shows that the results of the two methods IMRS and FAS are only reliable if enough reference data for comparison are available. The IMRS method seems to be the best method to determine if a product originates from only one producer, a group of producer or from a defined region. To develop the IMRS method as a reliable instrument to assure product quality it is necessary to standardize the sample taking, the sample preparation and sample analysis as well as the development of a general shared reference database. These needed steps are further investigated in the project “Wasserzeichen”.

EPrint Type:Report
Keywords:BÖLN, BOELN, BÖL, BOEL, FKZ 08OE044, FKZ 08OE023, FKZ 08OE225, FKZ 08OE226, Herkunftsbestimmung, ökologisch, konventionell, Isotopenmassenspektrometrie, Fluoreszenz-Anregungs-Spektroskopie, Profiling-Techniken, diskriminierende Methoden, Kontrolle
Subjects: Food systems > Food security, food quality and human health
Values, standards and certification > Technology assessment
Values, standards and certification > Consumer issues
Values, standards and certification > Regulation
Research affiliation: Germany > Federal Organic Farming Scheme - BOELN > Food > Differentiation between organic and conventional food
Germany > FiBL Germany - Research Institute of Organic Agriculture > Quality assurance
Germany > KWALIS
Germany > Federal Research Institute of Nutrition and Food - MRI > Department of Safety and Quality of Cereals
Germany > Other organizations
Related Links:http://www.bundesprogramm-oekolandbau.de, http://www.bundesprogramm.de/fkz=08OE044, http://orgprints.org/cgi/search/advanced?addtitle%2Ftitle=&keywords=08OE044&projects=BOEL&_order=bypublication&_action_search=Suchen, http://orgprints.org/cgi/saved_search?savedsearchid=1280
Deposited By: Hermanowski, Robert
ID Code:22444
Deposited On:13 Mar 2013 11:39
Last Modified:15 May 2013 10:55
Document Language:German - Deutsch
Status:Unpublished
Refereed:Not peer-reviewed
Additional Publishing Information:Gefördert vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) im Rahmen des Bundesprogramms Ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft.
Projektleitung:
FKZ 08OE023 - Max Rubner Institut, Insitut für Sicherheit und Qualität bei Getreide, D-Detmold (Projektleitung: Dr. Georg Langenkämper)
FKZ 08OE044 - Forschungsinstitut für biologischen Landbau Deutschland e.V. (FIBL), D-Frankfurt (Projektleitung: Dr. Robert Hermanowski)
FKZ 08OE225 - Agroisolab GmbH, Labor, D-Jülich (Projektleitung: Sabine Hofem)
FKZ 08OE226 - KWALIS Qualitätsforschung Fulda GmbH, D-Dipperz (Projektleitung: Dr.-Ing. Jürgen Strube).
Koordiniert wurde das Projekt durch Dr. Robert Hermanowski (FKZ 08OE044).

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