Elektronen-Spin-Resonanz zur Messung von Radikalen in Lebensmitteln und Medizinprodukten

Sterilisierung mit Gammastrahlen

Zur Konservierung von Lebensmitteln oder zur Sterilisierung wärmeempfindlicher Pharmaprodukte wird zunehmend die Gamma-Sterilisierung eingesetzt. Für Arzneimittel und Medizinprodukte empfiehlt die Weltgesundheitsorganisation (World Health Organization, WHO) diese Sterilisation, bei der Produkte mit hochenergetischen Gammastrahlen von einer Cobalt-60-Strahlquelle bestrahlt werden, ausdrücklich (Bild 1). Als Folge der Bestrahlung werden die Genome von Keimen und krankheitserregenden Mikroorganismen zerstört und die Organismen abgetötet, so dass sich die Haltbarkeit der Produkte erheblich verlängert. Im Vergleich zur Sterilisation mit Ethylenoxid oder Dampfsterilisation erfolgt die Behandlung sehr schonend. Ein weiterer Vorteil der Behandlung mit Gammastrahlen ist, dass Produkte in ihrer Verpackung – ohne nennenswerte Temperaturerhöhung oder den Einsatz von Chemikalien – sterilisiert bzw. entkeimt werden können.

Durch die Bestrahlung werden jedoch auch chemische Bindungen in den Produkten selbst aufgebrochen, sodass freie Radikale entstehen. Radikale sind Atome mit einem ungepaarten Elektron und hochreaktiv, so dass sie unkontrolliert mit ihrer Umgebung reagieren können. In der Folge entstehen gegebenenfalls neue, teilweise toxische Verbindungen, die später in der Anwendung des Produkts, z. B. eines Medikaments, unerwünschte Nebenwirkungen hervorrufen könnten. Neueste Forschungsergebnisse am Fraunhofer IGB zeigen, dass die durch die Gamma-Sterilisation erzeugten Radikale extrem stabil sein können. Bild 2 zeigt die mit der Zeit abklingende Radikalmenge in einem gamma-bestrahlten Antibiotikum. Selbst mehrere Stunden nach der Exposition des Produkts mit Gammastrahlen ist der größte Teil der Radikale noch nachweisbar. Laufende Messungen zeigen zudem, dass auch nach Wochen die Radikalmenge nicht mehr signifikant abklingt. Die Kenntnis darüber, ob und wie viele Radikale durch den Sterilisationsprozess erzeugt werden, ermöglicht es, Grenzwerte für toxische Verbindungen zu unterschreiten.

Am Fraunhofer IGB setzen wir die ESR-Spektroskopie bereits seit längerer Zeit für den Nachweis von Radikalen ein, beispielsweise um die Abklingkurven der Radikaldichte an Materialoberflächen nach einer Plasmabehandlung zu detektieren.

Aufgrund von ungepaarten Elektronen weisen Radikale einen quantenmechanischen Spin auf, der wiederum mit einem magnetischen Moment verbunden ist. Dies macht sich die Elektronen-Spin-Resonanz-Spektroskopie (ESR-Spektroskopie) zunutze: Durch Anlegen eines gerichteten Magnetfeldes an eine Probe, die Radikale enthält, werden die Energieniveaus von ungepaarten Elektronen aufgespalten (Zeeman-Effekt). Wird die Probe einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt, deren Quantenenergie der Zeeman-Aufspaltung entspricht, tritt eine resonante Absorption auf. Durch empfindliche Mikrowellen-Absorptionsmessungen können die Spinanzahl, die Radikalanzahl und auch die Art des Radikals bestimmt werden.

Zur Bestimmung der Radikalmengen werden nur einige wenige Milligramm von Feststoffen oder Pulvern oder einige wenige Milliliter von Flüssigkeiten benötigt. Die Messung erfolgt zeit-, bestrahlungsdosis- und/oder temperaturabhängig nach der Bestrahlung. Neben freien Radikalen können wir zudem auch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und Stickstoffmonoxid (NO) in biologischen Systemen, z. B. Zellen oder Blut, mittels der ESR-Spektroskopie quantifizieren.

Darüber hinaus ermitteln wir mittels der ESR-Spektroskopie die antioxidative Wirkung von Antioxidationsmitteln. Ascorbinsäure (Vitamin C) beispielsweise ist ein Radikalfänger (Scavenger). Aufgrund seiner antioxidativen Wirkung bewahrt es Zellen vor einer Schädigung. Ascorbinsäureradikale, die durch das Einfangen unerwünschter Radikale entstehen, weisen wir mittels ESR-Spektroskopie nach.

Mittels der ESR-Spektroskopie können wir schnell und sicher untersuchen, wie hoch die maximale Gammastrahlendosis zur Sterilisation sein muss, um einerseits Keime und Krankheitserreger abzutöten und andererseits die Radikalbelastung im Produkt möglichst niedrig zu halten.

In folgenden Produkten quantifizieren wir die Menge der Radikale und weisen gegebenenfalls auch die Art der Radikale nach:

• Lebensmittel (Kaffee, Malz, Getreide, Obst, Gemüse, Kräuter und Gewürze etc.)
• Lebensmittelverpackungen
• Kosmetika und Toilettenartikel
• medizinische Einmalartikel
• Implantate und Arzneimittel
• pharmazeutische Vorprodukte und Packmittel