H NMR spectroscopic determi- nation of deterioration ... 1H NMR spectroscopic determi-nation of deterioration marker compounds in fats and oils Dissertation zur Erlangung des naturwissenschaftlichen

  • View
    212

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of H NMR spectroscopic determi- nation of deterioration ... 1H NMR spectroscopic determi-nation of...

  • I

    1H NMR spectroscopic determi-nation of deterioration marker

    compounds in fats and oils

    Dissertation zur Erlangung des

    naturwissenschaftlichen Doktorgrades

    der Julius-Maximilians-Universitt Wrzburg

    vorgelegt von

    Christina Skiera

    aus Karlsruhe

    Wrzburg 2013

  • Eingereicht am: 11.09.2013

    bei der Fakultt fr Chemie und Pharmazie

    1. Gutachter: Frau Prof. Dr. Holzgrabe

    2. Gutachter: Frau Prof. Dr. Wawer

    der Dissertation

    1. Prfer: Frau Prof. Dr. Ulrike Holzgrabe

    2. Prfer: Frau Prof. Dr. Iwona Wawer

    3. Prfer: Herr Prof. Dr. Oliver Germershaus

    des ffentlichen Promotionskolloquiums

    Tag des ffentlichen Promotionskolloquiums: 18.12.2013

    Doktorurkunde ausgehndigt am:

  • Der praktische Teil meiner Arbeit wurde im Zeitraum April 2010 bis No-vember 2012 am Chemischen und Veterinruntersuchungsamt (CVUA)Karlsruhe durchgefhrt mit vorangegangener dreiwchiger Einarbeitspha-se in die NMR-Technik durch Herrn Dr. Bernd Diehl bei Spektral Service(Kln). Die Themenstellung erfolgte von Dr. Bernd Diehl in Kooperation mitdem CVUA Karlsruhe und Frau Prof. Dr. Holzgrabe.

    Mein besonderer Dank gilt meiner Doktormutter, Frau Prof. Dr. Holzgrabe, fr ihr Interesse an meiner Arbeit und den wertvollen Anregungen und Rat-schlgen und immer sehr zeitnahen Korrekturen.

    Bei Herrn Dr. Bernd Diehl mchte ich mich ganz herzlich bedanken fr die Einfhrung in die Welt der NMR, fr die vielen Ideen und Diskussion und fr die Mglichkeit der Teilnahme am internationalen AOCS-Kongress 2011 in Cincinnati. Auch bei seiner Frau Dr. Gabriele Randel und den Mitarbei-tern von Spektral Service mchte ich mich fr ihre Hilfsbereitschaft und die freundliche Aufnahme bedanken.

    Dem CVUA Karlsruhe danke ich fr die Ermglichung der Promotion, Herrn Dr. Kuballa fr die Betreuung der Arbeit und den Mitarbeitern des CVUA Karlsruhe fr das gute Arbeitsklima fr die Untersttzung und Hilfe bei praktischen und verwaltungstechnischen Angelegenheiten. Hervorheben mchte ich besonders Margit Boehm, Jrgen Geiser und Bernd Siebler, die mich bei den unterschiedlichsten praktischen Fragestellungen tatkrftig untersttzt haben.

    Ganz besonders danke ich meinem Kollegen Dr. Panagiotis Steliopoulos fr die zahlreichen fruchtbaren wissenschaftlichen und sonstigen Diskussio-nen, fr das Korrekturlesen meiner Arbeit, fr sein stets offenes Ohr und dass ich von ihm so viel lernen durfte!

    Meinem Mann und meiner Familie danke ich fr ihre seelische und morali-sche Untersttzung und meinem Mann fr sein Verstndnis und seine En-gelsgedult.

  • Publications, posters and oral presentations

    Skiera C, Steliopoulos P, Kuballa T, Holzgrabe U, Diehl B (2012) 1H NMR spectroscopy as a new tool in the assessment of the oxidative state in edible oils. J Am Oil Chem Soc 89(8): 13831391

    parts of this publication are contained in chapter 3

    Skiera C, Steliopoulos P, Kuballa T, Holzgrabe U, Diehl B (2012) 1H NMR approach as an alternative to the classical p-anisidine value meth-od. Eur Food Res Technol 235(6): 11011105

    parts of this publication are contained in chapter 5

    Skiera C, Steliopoulos P, Kuballa T, Holzgrabe U, Diehl B (2012) Determination of free fatty acids in edible oils by 1H NMR spectroscopy. Lipid Technol 24(12): 279281

    parts of this publication are contained in chapter 4

    Skiera C, Steliopoulos P, Kuballa T, Diehl B, Holzgrabe U (2013) Determination of free fatty acids in pharmaceutical lipids by 1H NMR and comparison with the classical acid value. JPBAhttp://dx.doi.org/10.1016/j.jpba.2013.04.010 -

    parts of this publication are contained in chapter 4

    Skiera C, Steliopoulos P, Holzgrabe U, Diehl B (2011) Assessment of the performance of an NMR assay for the determination of hydroperoxides in lipids, in: Renou J-P, Belton PS, Webb GA (ed.) Magnetic resonance in food science An exciting future, RSC Publishing, Cambridge, proceedings of the 10th International conference on the application of mag-netic resonance in food science in September 13 15, 2010, Clermont-Ferrand

    Skiera C, Steliopoulos P, Kuballa T, Holzgrabe U, Diehl B (2011)1H NMR method to determine the hydroperoxide amount of edible oils, oral presentation at the 102nd AOCS Annual Meeting & Expo (Session: PHO 3.1: Symposium on NMR in lipids) in May 1 4, 2011, Cincinnati

    Skiera C, Kuballa T, Holzgrabe U, Diehl B (2011) Vergleich eines neu entwickelten 1H-NMR Verfahrens zur Bestimmung von Hydroperoxiden mit der klassischen POZ-Methode nach Wheeler, poster contribution at the 40. Deutscher Lebensmittelchemikertag in Septermber 12 14, 2011, Halle

    http://dx.doi.org/10.1016/j.jpba.2013.04.010

  • Skiera C, Steliopoulos P, Kuballa T, Holzgrabe U, Diehl B (2012)1H NMR approach as an alternative to the classical p-anisidine value meth-od, poster contribution at the 11th International conference on the applica-tions of magnetic resonance in food science in June 26 - 29, 2012, Wa-geningen

    Skiera C, Steliopoulos P, Kuballa T, Holzgrabe U, Diehl B (2012)Bestimmung von freien Fettsuren in Speiselen mittels 1H-NMR, poster contribution at the 41. Deutscher Lebensmittelchemikertag in September 10 12, 2012, Mnster

    Skiera C, Steliopoulos P, Kuballa T, Holzgrabe U, Diehl B (2013)Untersuchung der bei der Autoxidation von Trioleat gebildeten Monohydro-

    peroxide mittels 1H-NMR Spektroskopie, poster contribution at the 42.

    Deutscher Lebensmittelchemikertag in September 16 18, 2013, Brauen-

    schweig

    Diehl B, Skiera C (2013)

    Nuclear Magnetic Resonance (NMR)-Spektroskopie, in Matthus B, Fiebig

    H-J (ed.), Speisele und fette, Recht, Sensorik, Analytik, Erling Verlag

  • Table of contents

    1. Introduction 1

    1.1 Fats and oils 1

    1.2 Quality assessment of fats and oils 3

    1.3 Lipid oxidation 6

    1.3.1 Formation of primary oxidation products 7

    1.3.2 Formation of secondary oxidation products 10

    1.4 NMR spectroscopy 11

    1.4.1 Principles of NMR 11

    1.4.2 Quantitative 1H NMR 14

    1.4.3 NMR methods to determine lipid oxidation products 15

    2. Aims of thesis 17

    3. 1H NMR determination of hydroperoxides 18

    3.1 Method development 18

    3.2 Hydroperoxide assignment 23

    3.3 Hydroperoxides of TAGs 26

    3.3.1 Oxidation kinetics of trioleate 28

    3.4 Comparison with the classical PV 31

    3.4.1 Deming regression and relative sensitivity 32

    3.4.2 Examination of 444 oil samples 35

    3.4.3 Deviations of black seed oil and olive oil 37

    4. 1H NMR determination of free fatty acids 40

    4.1 Method development 40

    4.2 Comparison with the classical AV 41

    4.3 Specialities of some pharmaceutical lipids 44

    4.4 Saponification value 49

    5. 1H NMR determination of aldehydes 50

    5.1 Method development 50

    5.2 Model to determine ANVNMR 52

    5.3 Verification of the model 56

    6. Conclusion 57

  • 7. Experimental 59

    7.1 Material 59

    7.1.1 Apparatus 59

    7.1.2 Consumables 59

    7.1.3 Samples, standards and chemicals 60

    7.2 Methods 61

    7.2.1 Standard NMR experiment 61

    7.2.2 Inversion recovery experiment 61

    7.2.3 Sample preparation procedures 63

    7.2.4 Classical fat indices 63

    7.2.5 Sample oxidation 63

    7.2.6 Oxidation kinetics of trioleate 64

    7.2.7 Water steam distillation 64

    8. Statistical data evaluation 65

    8.1 Exponential curve fitting 65

    8.2 Confidence intervals for AV 65

    8.3 Confidence intervals for AVNMR 66

    8.4 Confidence intervals for ANV 67

    8.5 Confidence intervals for and ANVNMR 68

    9. Summary 69

    10. Zusammenfassung 71

    11. Raw data and spectra 73

    11.1 Raw data of chapter 3 73

    11.2 Raw data of chapter 4 80

    11.3 Raw data of chapter 5 86

    11.4 1H NMR spectra of fats and oils 92

    List of figures 104

    List of tables 106

    List of abbreviations 107

    List of variables 108

    References 109

  • - 1 -

    1. Introduction

    1.1 Fats and oils

    Fats and oils are obtained from fruits, seeds and germs of plants or from suitable fat tissues of animals. Depending on the extraction and processing of the crude oil, we can differentiate refined, cold-pressed and virgin fats and oils. The refining process, including several steps such as degumming, neutralization, bleaching, winterization and deodorization, removes unde-sirable impurities that are deleterious to the final product (Belitz et al.2008). According to the Codex alimentarius standard for edible oils and fats,virgin fats and oils are obtained, without altering the oil, by mechanical procedures, e.g. expelling or pressing, and the application of heat only. Theymay be purified by washing with water, settling, filtering and centrifuging only (Codex Stan 19-1981). The same definition holds for cold-pressed fatsand oils with the difference that no thermal treatment is applied.

    Chemically, fats and oils consist almost exclusively of triacylglycerols(TAGs), the esters of glycerol and three fatty acid molecules (see figure 1). Fatty acids are aliphatic, usually straight-chain, monocarboxylic acids. Most natural fatty acids have even chain length between C4 and C22. Commonly, in vegetable oils only five fatty acids occur widely in higher amounts: pal-mitic, stearic, oleic, linoleic and linolenic acid (Belitz et al. 2008).

    TAGs with two different fatty acids esterified with the primary hydroxylgroups of glycerol exhibit a chiral centre. Therefore, we can differentiate three distinct non-equivalent attachment sites for fatty acids, called sn-1, sn-2 and sn-3 (sn stands for stereospecific numbering) (Belitz et al. 2008).

    A B

    Fig. 1: Structure of A) a TAG in Fischer projection and B) 1-palmi