Patat en handappel worden nu onderzocht met NMR; Kernspinresonatie in dienst van voedselonderzoek

Naast het Addenbrooke Hospital in Cambridge ligt tussen struikgewas het Herchel Smith Laboratory for Medicinal Chemistry. Onderzoek naar medicinale chemie is echter maar een onderdeel van het omvangrijke takenpakket van het laboratorium, dat zowel voor de farmaceutische industrie als oliemaatschappijen werkt.

Op de begane grond staat de trots van het laboratorium: de CP,8,9.5 NMRCP,9.5 -scanner, een niet meer weg te denken hulpmiddel uit de medische diagnostiek, naast computer-tomografie met rontgenstraling, proton emissie tomografie en ultrasoon geluid. Met CP,8,9.5 NMRCP,9.5 (Nuclear Magnetic Resonance, op zijn Hollands kernspinmagnetische resonantie) kunnen perfecte dwarsdoorsneden van het menselijk lichaam worden gemaakt en niet zoals bij computer-tomografie alleen maar loodrecht op de lichaamsas. Dat CP,8,9.5 NMRCP,9.5 vooral medische toepassingen heeft gevonden, is eigenlijk niet meer dan toeval: een Amerikaan ontdekte dat hersengezwellen een ander CP,8,9.5 NMRCP,9.5 -signaal geven dan normaal hersenweefsel.

Maar met de CP,8,9.5 NMRCP,9.5 -scanner is veel meer mogelijk. Het apparaat wordt bijvoorbeeld ook gebruikt voor het onderzoek naar sapstromen in planten en het opsporen van mutanten in bacterien.

In Cambridge stoppen ze etenswaren in de scanner. Sinds mei heeft het laboratorium zelfs de hele Britse voedingsmiddelenindustrie tot klant. Vanwaar die toeloop? Professor L.D. Hall: "We hebben als enige in de wereld ontdekt hoe je etenswaren met behulp van CP,8,9.5 NMRCP,9.5 kunt controleren op bederf. Bedrijven geven jaarlijks miljoenen guldens uit aan allerlei controles en het komt er meestal op neer dat de verpakking moet worden opengemaakt en de waar moet worden vernietigd. Of er moeten smaak-panels worden ingehuurd.'

In 1986 ontdekte Hall dat als hij in maar snel genoeg een kernspinafbeelding maakte van vlees of van groenten, hun inwendige water- en vetstructuur goed zichtbaar kan worden gemaakt. Voor het eerst zag Hall hoe de verdeling van water en vet met de tijd veranderde.

Hall: "Er bleken ook grote veranderingen op te treden als het voedsel was beschadigd, als het was gekookt of in de magnetron was gestopt. Het is reuze interessant onderzoek. Je maakt eerst een afbeelding van een gezonde appel, laat de vrucht vervolgens op de grond vallen en kijkt hoe de cellulaire structuur is veranderd.' Trots toont de Canadees de bezoeker dia's van wegrottende sinaasappels, beschimmelde uien, appels met beurse plekken, verzuurde melk en door de zon aangetaste chocoladerepen.

CP,8,9.5 NMRCP,9.5 maakt gebruik van het verschijnsel dat sommige atoomkernen om hun as draaien (een spin hebben) en zich door hun positieve lading als magneetjes gaan gedragen. Dat gebeurt overigens alleen bij kernen met een oneven aantal deeltjes, zoals waterstofatomen, die zowel in water als in vet worden aangetroffen. Voor het maken van een CP,8,9.5 NMRCP,9.5 -beeld legt men het produkt in een cilindervormige spoel van een grote supergeleidende magneet. Door naast een sterk magnetisch veld ook nog een radiostralingsveld aan te brengen (de frequentie daarvan hangt samen met het type kernspin en omringende atoomkernen), gaan de waterstofatomen resoneren.

tkRelaxatietijden

Het CP,8,9.5 NMRCP,9.5 -beeld wordt gevormd uit de verschillende signalen die de kernspins uitzenden.

CP,8,9.5 NMRCP,9.5 -apparaten die voor medisch onderzoek worden gebruikt zijn echter niet zonder meer geschikt voor voedselonderzoek. Dat heeft te maken met de relaxatietijden van de kernspins in voedselmonsters. Nadat de kernspins door het bad van radiostralen hun evenwichtsorientatie hebben verloren, duurt het even voordat ze zich weer hersteld hebben. Moleculen met een grote bewegingsvrijheid zoals water in hersenvocht bevatten kernspins met lange spinrelaxatietijden (van 500 milliseconden). Puur water heeft daarentegen een relaxatietijd van 2000 milliseconden. Hoe droger het voedsel, des te langer de spinrelaxatietijden en des te zwakker het signaal.

De contrastvorming van het beeld hangt af van de interactie tussen de kernspins. Zodra die door de radiostraling uit hun evenwicht zijn gebracht, ontstaat er een onderlinge wisselwerking, waardoor de resonantiefrequenties uit elkaar gaan lopen. Het gevolg hiervan is dat de intensiteit van het signaal afneemt. Kernspins met een lange relaxatietijd geven onder deze omstandigheden een sterker signaal dan die met een korte relaxatietijd. Hall: "Een klinische scanner weet met afwijkende relaxatietijden nauwelijks raad. Het beeld is dan niet erg contrastrijk meer. Dat probleem doet zich vooral voor bij hard en droog voedsel, zoals hondebrokken. Met onze apparatuur wordt ook dit voedsel zichtbaar.'

tkGeen ingeblikte soep

Omdat de signalen door glas, plastic of bordkarton gaan, kunnen de monsters met verpakking en al in het apparaat worden gezet. Alleen met aluminium of ijzer lukt het niet. Hall: "We kunnen geen onderzoek doen naar ingeblikt soep, maar wel naar melk in kartonnen verpakking. Ondanks de beperkingen zijn de mogelijkheden enorm. Zelf had ik nooit gedacht dat we de inwendige structuur van brood en harde biscuits zichtbaar konden maken, maar ook dat blijkt te kunnen.'

Zelfs voedselvergiftigingen kunnen worden aangetoond. De micro-organismen die voor bederf verantwoordelijk zijn blijken eveneens veranderingen aan te brengen in de verdeling van water en vet. Om daar werkelijk iets zinnigs over te kunnen zeggen, is aanvullend onderzoek nodig.

Hall: "Op grond van onze gegevens willen we de fabrikanten adviseren hun produkten anders te verpakken. Dat klinkt triviaal, maar jaarlijks wordt er voor miljarden aan beschadigd fruit weggegooid. Als we iets meer weten over de inwendige structuur van voedingsmiddelen zouden we ook hun houdbaarheid kunnen verlengen. Alleen al in de Verenigde Staten wordt jaarlijks voor 5 miljoen dollar aan voedsel van de schappen gehaald omdat de verkoopdatum is verlopen, terwijl die produkten helemaal niet aan bederf onderhevig zijn. Een ander onderzoeksgebied dat onze aandacht heeft is de ontwikkeling van vetarm voedsel, wat erg moeilijk is als je de inwendige structuur niet kunt bestuderen.'

Hall is nu bezig om het scanningsproces te automatiseren. Normaal worden bij voedselcontrole verschillende monsters genomen, maar met CP,8,9.5 NMRCP,9.5 zouden in principe alle produkten kunnen worden gecontroleerd. Men is er zelfs al in geslaagd om de scanningstijden terug te brengen van 4 minuten tot 4 seconden. Zelfs scans van 4 milliseconden zijn mogelijk, maar dan is de afbeelding minder gedetailleerd. Er zijn nog geen bedrijven die CP,8,9.5 NMRCP,9.5 -apparatuur voor voedselcontrole hebben aangeschaft. De investeringen zijn groot en de know how ontbreekt. Hall: "Over voeding en CP,8,9.5 NMRCP,9.5 vind je in de literatuur niets.'