ATR-IR-Detektion von Fusarium Pilzen auf Getreide

Forschungsprojekt P 14096ATR-IR-Detektion von Fusarium Pilzen auf GetreideRudolf KRSKA24.01.2000 Der Befall landwirtschaftlicher Produkte mit Pilzen, die toxische Substanzen - Mykotoxine - bilden, ist weltweit ein Problem. Schätzungen zufolge sind etwa 25% aller Feldfrüchte durch Mykotoxine beeinträchtigt. In gemäßigteren Klimazonen, wie etwa Europa, herrschen die Fusarientoxine der Pilzgattung Fusatium spp. vor. Zu den wichtigsten Vertretern der Fusarientoxine in Europa gehören die große Gruppe der Trichothecene (vor allem Desoxynivalenol - DON). DON gehört zu den wirksamsten derzeit bekannten Hemmstoffen der Protein-Biosynthese und verursacht unter anderem Durchfall, Erbrechen und Kopfschmerzen. Bei allen derzeit am Markt befindlichen analytischen Methoden müssen eine Reihe von zum Teil sehr zeitaufwendigen und kostenintensiven Arbeitsschritten durchgeführt werden, um das Ausmaß der Fusarium- bzw. Mykotoxin-Kontamination bewerten zu können. Daher gibt es noch immer großen Bedarf nach schnellen und effizienten Testmethoden zur Detektion von Fusarientoxinen in Getreide. Die neue Idee dieses Projektes ist die sensitive Bestimmung des Fusatiumpilzes selbst auf dem Getreidekorn mittels einer zerstörungsfreien Methode, um das Ausmaß des Pilzbefalls abschätzen zu können. Die vorgeschlagene Methode basiert auf dem Aufpressen der Probe auf einen ATR-Diamantkristall (ATR = abgeschwächte Totalreflexion), der in der Probenkammer eines transportablen Infrarotbereich Absorptionsspektren an der Grenzfläche Getreide-Kristall aufgenommen werden. Diese Technik erlaubt sowohl die Analyse von einzelnen Ganzkörnern als auch von gemahlenen Proben zur Bewertung einer repräsentativen Durchschnittsprobe. Aufgrund der inhärenten Sensitivität in der Oberflächenregion könnte die IR-ATR-Technik eine excellente Methode zur Bestimmung von Pilzen an der Oberfläche von z.B. Weizen- und Maiskörnern darstellen. Geeignete chemometrische Methoden, wie z.B. neurale Netzwerke, sollen im Projekt verwendet werden, um die ATR-Messungen auszuwerten. Automatisierte Routinen zur qualitativen und quantitativen Bewertung werden im Rahmen diese Projektes etabliert, um eine einfache und schnelle Routinemethode zur Bestimmung von Mykotoxinen zu entwickeln. Eine wichtige potentielle Anwendung des entwickelten Detektionssystems wäre z.B. die Eingangskontrolle von Getreide bei der Produktion von Lebens- und Futtermitteln oder in der Import/Exportkontrolle. Nach einer ersten Evaluierung mittels IR-ATR-Technik könnte Getreide somit als "Fusarium-frei" bezeichnet werden und - aufgrund der guten Korrelation zwischen der Menge an Fusariumpilz an der Oberfläche der Körner und dem DON-Gehalt - auch frei an DON-Kontamination.

In diesem Antrag werden wissenschaftliche Arbeiten beschrieben, die im Falle einer Verlängerung des FWF- Projektes P-14096 CHE auf ein 3. Jahr, durchgeführt werden könnten. Vielversprechende Ergebnisse wurden in den ersten beiden Projektjahren erzielt, die das große Potential der entwickelten IR/ATR Methode zum Screening von Maisproben auf Pilz(gift)kontaminationen zeigen. Das Ziel weiterer Studien soll die Optimierung der Mittleren-Infrarot (MIR) Methode mit abgeschwächter Totalreflexion (ATR) zur Bestimmung von Fusarium Infektionen auf Mais und die Quantifizierung des Pilztoxins Deoxynivalenol (DON) sein. Dabei werden spektrale Änderungen im Absorptionsspektrum gemessen, die durch Veränderungen der chemischen und biologischen Eigenschaften der Proben entstehen. Spektrale Messungen im erweiterten MIR-Bereich (650-8000cm-1 ) können ergänzende Informationen liefern und eine zuverlässige Detektion von Pilzkontaminanten auf Mais ermöglichen. Spektrale Änderungen, die durch unterschiedliche Pilztypen und veränderte Matrixzusammensetzung der Maisproben hervorgerufen werden (z.B. durch unterschiedliche Maisgenotypen) sollen mit Hilfe chemometrischer Methoden identifiziert werden (z.B. durch neuronale Netze). Darüber hinaus soll eine Methode zur Detektion der Verpilzung mittels diffuser Reflexionsmessungen (DR) im erweiterten MIR Bereich entwickelt werden. Diese Daten werden zur Detektion von Einflüssen der Probenvariabilität beitragen und zusätzliche Informationen über die Proben liefern. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung eines Probenhalters, der eine wiederholbare DR Messung an pulverförmigen Proben erlaubt, um einen hohen Probendurchsatz zu gewährleisten. Alle Informationen aus genannten Messungen werden in ein chemometrischen Modell eingebracht werden. Nicht- parametrische Modelle wie neuronale Netze werden genauso wie bereits untersuchte Methoden (PCA oder PLS) für die Modellierung untersucht werden. Über die Selektion geeigneter Variablen (z.B. spektrale Bereiche oder Informationen über Genotyp und Pilztyp) soll diese entwickelte Methode eine zuverlässige Klassifikation und Quantifizierung von Fusarium Kontaminationen und DON auf Mais ermöglichen.