Qualitätssicherung von Mineralwasser. Methodenvalidierung einer Ionenbestimmung mittels HPLC und einer photometrischen Nitritbestimmung

Inhalt

1 Einleitung
1.1 Qualitätssicherung von Mineralwasser
1.2 Einordnung der durchzuführenden Arbeit

2 Aufgabenstellung

3 Stand des Wissens
3.1 Statistische Validierungspunkte
3.1.1 Präzision
3.1.2 Linearität
3.1.3 Nachweis-, Bestimmung-, Erfassungsgrenze
3.1.4 Robustheit
3.1.5 Wiederfindungs- und Spezifitätsfunktion

4 Versuche und eigene Durchführung
4.1 Geräteliste Tab. 4-1 Liste der verwendeten Geräte
4.2 Softwareliste
4.3 Chemikalienliste
4.5 Vorgegebene Regeln
4.6 Vorgehen für die Validierung der Nitritbestimmungsmethode
4.6.1 Präzision
4.6.2 Robustheit
4.6.3 Linearität
4.6.4 Nachweis-, Bestimmungs-, Erfassungsgrenze
4.6.5 Spezifität
4.6.6 Wiederfindung
4.8 Ergebnisse
4.8.1 Ergebnisse der Nitritbestimmung
4.8.2 Ergebnisse der Chromatographie Ausblick

5 Diskussion
5.1 Photometrie
5.2 Anionenchromatographie

6 Zusammenfassung

6 Summary

7 Literaturverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Qualitätssicherung von Mineralwasser

Die vorliegende Abschlussarbeit wurde in der Abteilung „Qualitätssicherung“ angefertigt (genauer: im Qualitätssicherungslabor). Die Qualitätssicherung in der Industrie ist von großem Interesse, da hiermit zwei zentrale Fragen des Verbrauchers beantwortet werden: Zum einen wird geklärt, welche Zusammensetzung /Beschaffenheit das angebotene Produkt hat, zum anderen ist die Chargenrückverfolgbarkeit gesichert falls fehlerhafte Produkte auf den Markt gebracht werden. Der Verkauf von gefährlichen Produkten an den Endverbraucher kann im Optimalfall in 100 % der Fälle verhindert werden. Ein funktionierendes Qualitätsmanagement hat eine Schlüsselfunktion, wenn es darum geht, eine gleich bleibende, gute Qualität der Produkte sicherzustellen. Es ist wichtig, die notwendigen Arbeitsanweisungen, Tests und Analysen zu bewerten, sei es im Labor oder in der Produktion. Eine systematische Dokumentation aller genannten Aufgaben, der gefundenen Messergebnisse und deren Offenlegung ist zwingend erforderlich [Wrede et. al (2008)].

1.2 Einordnung der durchzuführenden Arbeit

Der erste Teil der Arbeit dient dazu eine Methode zu validieren, mit der die Nitritkonzentration einer Probe sicher bestimmt werden kann. Die Nitritkonzentration darf nach der „Mineral- und Tafelwasserverordnung“ einen Grenzwert von 0,1 mg/l nicht überschreiten. Obwohl die höchste gemessene Nitritkonzentration des „Gerolsteiner Mineralwasser“ seit 2003 0,045 mg/l betrug, ist es jedoch aufgrund der gesundheitsschädlichen Wirkung des Nitrits von Interesse, dass dieser Einfluss möglichst gering gehalten und dokumentiert wird. Nitrite können im sauren Magen Nitrosamine bilden und diese dann Tumore verursachen [Kunze et al. (1976)]. Ferner ist die Nitritkonzentration ein Indikator für das Vorhandensein mancher Mikroorganismen. Nitrit entsteht als Stoffwechselzwischenprodukt von denitrifizierenden Bakterien. Diese sind eine sehr heterogene Gruppe und können sowohl heterotroph als auch autotroph sein [Schmidt et. al (1961)]. Escherichia Coli C und Bacillus cereus zählen beispielsweise zu den denitrifizierenden Bakterien [Schmidt et. al (1961)] und sind pathogene Keime [Drobniewski (1993)] [Janßen et. al (2001)]. Im mikrobiologischen Labor der „Gerolsteiner Brunnen GmbH und Co. KG“ werden die Chargen auf das Vorhandensein von Bakterien untersucht und diese identifiziert. Normalerweise ist dadurch zu erkennen, welches Bakterium in welchen Mengen vorhanden ist, jedoch ist eine chemische und mikrobiologische Überprüfung des Mineralwassers sicherer als eine ausschließlich mikrobiologische. Die Untersuchung des Mineralwassers auf die Anwesenheit von Nitrit dient als Qualitätssicherung.

Im zweiten Teil dieser Bachelorarbeit wird eine für das Mineralwasser bedeutende Methode validiert, die der Bestimmung der Konzentrationen der „kritischen Anionen“ dient. „Kritische Anionen“ sind solche, die dauerhaft zur Qualitätskontrolle überwacht werden sollten. Grundlage hierfür ist die „Richtlinie 2009/54/EG“ und die „Mineral- und Tafelwasser-Verordnung“. Die „Richtlinie 2009/54/EG“ schreibt für den Verkauf des Mineralwassers in Europa vor:

- Die Begriffsbestimmung „natürliches Mineralwasser“ darf ausschließlich ein Wasser tragen, das den Rechtsvorschriften des Herkunftlandes gerecht wird.
- Alle Rechtsvorschriften der Länder dienen dazu, die Gesundheit der Verbraucher zu schützen.
- Die im Wasser enthaltenen Anionengehalte sollten regelmäßig kontrolliert und auf dem Etikett abgedruckt werden.

Die „Europäische Union“ hat nur sehr ungenaue Vorschriften erlassen. Es bleibt in der Verantwortung der Herkunftsländer diese groben Richtlinien genauer auszuformulieren. Die deutsche Gesetzgebung ergänzt diese EU-Richtlinie durch die „Mineral- und Tafelwasser-Verordnung“ und fordert für „natürliches Mineralwasser“ deklarierte Produkte folgende Qualitätsmerkmale:

Die Konzentration folgender Anionen darf nicht überschritten werden:

Fluorid: 5 mg/l, Nitrat: 50 mg/l, Nitrit: 0,1 mg/l
- Es müssen Aussagen zur Nachweisgrenze, Präzision und Richtigkeit gemacht werden.
- Die aufgeführten Stoffe können im Quellwasser enthalten sein und dürfen nicht zugesetzt werden.
- Wenn eine Fluoridkonzentration von mehr als 1,5 mg/l auftritt, muss dies entsprechend auf dem Etikett deklariert sein.

Das Überschreiten der Grenzwerte dieser Stoffe stellt eine Gesundheitsgefährdung dar. Nitrat kann im Magen endogen zu Nitrit reduziert werden, Nitrosamine bilden und so Ursache für eine Krebserkrankung sein [Weyer et. al (2001)]. Fälle von Fluoridüberdosen sind zwar selten, jedoch können sie zu Muskelkrämpfen und tetanusähnlichen Symptomen führen, da sie das Calcium aus dem Körper binden und als CaF2 ausfallen [Maletz (1935)]. Die Konzentration von Bromid ist zu untersuchen, da es bei der Enteisung des Wassers zu Bromat oxidiert werden kann (Höchstkonzentration laut „Mineral-und Tafelwasser-Verordnung“: 3 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalteng/l). Dieser Stoff wird durch das „Institut Fresenius“ kontrolliert. Da Phosphat in den verwendeten Reinigungsmitteln enthalten ist und als Indikator einer unvollständigen Nachreinigung ins Wasser gelangen könnte, muss seine Konzentration ständig überprüft werden. Chlorid, Sulfat und Hydrogencarbonat sind die Hauptkomponenten der Anionen sämtlicher Mineralwässer der „Gerolsteiner Brunnen GmbH & Co. KG“. Da sie den Mineraliengehalt maßgeblich beeinflussen und von natürlichem Ursprung sind, sollten ihre Schwankungen durch Kontrolle möglichst gering gehalten werden. Dazu ist in der „Mineral- und Tafelwasser-Verordnung“ festgelegt: „Es ist von ursprünglicher Reinheit und gekennzeichnet durch seinen Gehalt an Mineralien, Spurenelementen oder sonstigen Bestandteilen und gegebenenfalls durch bestimmte, insbesondere ernährungsphysiologische Wirkungen“. Hydrogencarbonat wird durch eine separate Titration bestimmt und soll in dieser Bachelorarbeit nicht validiert werden. Folglich sollen die mit „natürlichem Mineralwasser“ deklarierten Produkte der „Gerolsteiner Brunnen GmbH“: „Naturell“, „Sprudel“, „St. Gero“ und „Medium“ dauerhaft auf Sulfat, Chlorid, Bromid, Nitrit, Nitrat, Phosphat und Fluorid überwacht werden.

2 Aufgabenstellung

In dieser Bachelorarbeit sollen zwei Methoden validiert werden. Aussagen zu der Methode in Bezug auf deren Robustheit, Linearität, Messpräzision, Wiederholpräzision, Gesamtpräzision, zeitlicher Trends, Spezifität und Wiederfindung sollen gemacht werden. Ursächlich ist, dass zunehmend die Kunden der „Gerolsteiner Brunnen GmbH und Co. KG“ Wert auf eine Methode mit verifizierten Ergebnissen legen. Nach „DIN EN ISO 17025“ soll das Unternehmen nachweisen, dass die bestimmten Messwerte ausreichend genau sind. Eine Validierung der Methoden des Qualitätssicherungslabors wurde für die Produkte der „Gerolsteiner Brunnen GmbH und Co. KG“ noch nicht durchgeführt. Darin besteht jetzt die Aufgabe dieser Bachelorarbeit. Im Zuge der Validierung werden durch die „DIN EN ISO 17025“ die Forderungen an die Labore gestellt:

- Das Laboratorium muss Angaben dazu machen wie hoch die Messschwankungen sind, die sich auf eine durchzuführende Kalibrierung auswirken können.
- Verfahren, die das Laboratorium entwickelt oder übernommen hat, dürfen verwendet werden, wenn sie für die vorgesehene Anwendung geeignet sind und validiert wurden.“
- Prüflaboratorien müssen über Verfahren zur Schätzung der Messunsicherheit verfügen und diese anwenden. Bei der Schätzung dieser Schwankungen müssen alle Einflussfaktoren mitberücksichtig werden.
- Das Labor muss bestimmen, ob das durchzuführende Verfahren zur Bestimmung des Analytengehaltes geeignet ist.

- Es muss eine Dokumentation der Ergebnisse der Validierung stattfinden.

2.1 Erläuterungen zur Photometrie

Die erste Methode hat die Aufgabe den Nitritgehalt einer Probe zu bestimmen. Hierbei handelt es sich um ein photometrisches Verfahren. Da der Nitritgehalt bei der „Gerolsteiner Brunnen GmbH und Co. KG“ normalerweise mit Hilfe einer Ionenchromatographie bestimmt wird, handelt es sich bei der zu validierenden Photometrie um eine „Ergänzungsmethode“. Sie findet Anwendung, falls die Ionenchromatographie unbrauchbare Werte liefert oder sogar ausfällt. Grundlage für die photometrische Nitritbestimmung ist die Bildungsreaktion eines Azofarbstoffs nach Reaktion (1) [Schumann (2012)]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das benötigte Sulfanilamid sowie das N-(-1-Naphthyl)-ethylendiamin werden durch das Farbreagenz dem Mineralwasser zugeführt und ein saurer pH-Wert eingestellt. Der rote Azofarbstoff kann am Photometer bei einer Wellenlänge von 540 nm detektiert werden.

2.2 Erläuterungen zur Anionenchromatographie

Um alle in der Einleitung geforderten Anionen sicher bestimmen zu können empfiehlt es sich als zweite Methode eine Anionenchromatographie durchzuführen. Hiermit können alle Anionen einer Probe relativ schnell (35 Minuten Messdauer) und genau bestimmt werden.

3 Stand des Wissens

3.1 Statistische Validierungspunkte

Um die analytischen Bestimmungsmethoden bewerten zu können werden die benötigten statistischen Parameter aufgezählt und Themengebieten zugeordnet:

3.1.1 Präzision

I Definition der Parameter, bzw. Tests

Das Wort „Präzision“ beschreibt das Maß der Streuung von Analyseergebnissen untereinander. In der vorliegenden Bachelorarbeit wird zwischen Wiederhol- und Messpräzision unterschieden. Die Messpräzision beschreibt die Streuung, die durch das Analysegerät verursacht wird, und die Wiederholpräzision beschreibt die Streuung der Messergebnisse, die von der Arbeitsweise selbst abhängen. Eine Streuung des Messergebnisses kann zum Beispiel durch Arbeitsgänge wie Extrahieren, Wiegen, Pipettieren, Geräteschwankungen, etc. verursacht werden. Bei der Bestimmung der Wiederholpräzision bleiben Prüfer, das Labor und Messgerät konstant [Kromidas (2011a)]. Die für diese Aufgabenstellung notwendigen Größen werden in der folgenden Tabelle näher charakterisiert:

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