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2021 | Book

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Lebensmittelanalytik

Authors: Prof. Dr. Reinhard Matissek, Prof. Dr. Markus Fischer

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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About this book

Bei der Analyse von Lebensmitteln stellen sich zu Beginn stets die gleichen Fragen: Was soll wie, wann und warum untersucht werden und was bedeuten die Ergebnisse?

Entlang dieser Fragestellungen liefert dieses Lehrbuch einen praxisorientierten Leitfaden, der sämtliche Themengebiete der Lebensmittelanalytik umfasst und systematisch wiedergibt. Hierdurch gelingt die zielorientierte Navigation durch das Analysenlabyrinth und das erfolgreiche Auffinden der richtigen Methode zur Ermittlung von Major- und Minorkomponenten eines Lebensmittels sowie von Zusatzstoffen, Kontaminanten, Prozesskontaminanten und Biotoxinen. Authentizitäts- und Herkunftsprüfungen werden somit ermöglicht.

In vier übergeordnete Teile gegliedert, enthält dieses Standardwerk unter anderem:

Umfassendes Hintergrundwissen zur Untersuchung von LebensmittelnMethodische Grundlagen mit zugrundeliegenden Reaktionen Geprüfte Arbeitsanweisungen zur Anwendung zahlreicher MethodenInformationen zur Aus- und Bewertung der Ergebnisse Tipps und Tricks für die Laborpraxis

Studierende der Lebensmittelchemie, Lebensmitteltechnologie und Ernährungswissenschaften sowie anderer Life Sciences profitieren von diesem anwendungsorientierten Buch. Professionals im Kontext von Lebensmittelsicherheit, Qualitätsmanagement sowie Forschung und Entwicklung in den verschiedenen lebensmittelwissenschaftlichen Einrichtungen von Hochschulen, Wirtschaft, Behörden und Handelslaboren finden ein modernes Arbeits- und Nachschlagewerk auf dem Höhepunkt seiner Zeit.

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Table of Contents

Frontmatter

Grundlagen

Frontmatter

Kapitel 1. Strategien zur Untersuchung von Lebensmitteln

Zusammenfassung

Bei der Untersuchung von Lebensmitteln stellen sich vor Beginn der Analyse stets die gleichen Fragen: Was soll wie, wann und warum untersucht werden und was bedeuten die Ergebnisse? Lebensmittel sind komplexe biologische Systeme, die auf unterschiedliche Art und Weise und auf unterschiedlichen Ebenen untersucht werden können. Um zielorientiert und effizient zu eindeutigen und verlässlichen Aussagen bei der Untersuchung von Lebensmitteln zu kommen, können mit Hilfe des Entscheidungsbaumes die für die Analyse relevanten Parameter erkannt und abgeleitet werden. Die Wahl der Analyten und damit auch des Analysenverfahrens richtet sich zunächst nach einer eventuell vorgegebenen Fragestellung bzw. einer allgemeinen Problemlage.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 2. Methodenkategorien

Zusammenfassung

Methoden für die Analyse von Lebensmitteln können nach verschiedenen Erkenntnisformen differenziert werden. Unterschieden werden Methodenkategorien nach Merkmalsausprägung und Methodenarten nach Akzessibilität (Zugänglichkeit, Verfügbarkeit). Allen Methoden gemein ist, dass sie validiert sein müssen, um korrekte Ergebnisse erzielen zu können. Analysenmethoden sind entweder zerstörend oder zerstörungsfrei arbeitende systematische Untersuchungen, bei denen die zu untersuchenden Objekte im Allgemeinen in ihre Bestandteile aufgeschlüsselt und diese als definierte Parameter weiter vermessen werden. Je nach Fragestellung kann ein Parameter auf unterschiedliche Art und Weise analysiert werden.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Qualität im Labor

Frontmatter

Kapitel 3. Beurteilung von Methoden und Ergebnissen

Zusammenfassung

Neben der Auswahl der „richtigen“ Methode für die jeweilige analytische Fragestellung ist die richtige Interpretation der Ergebnisse ausschlaggebend für eine zuverlässige verlässliche Beurteilung von Lebensmitteln. Zu unterscheiden sind Parameter, die eine Beurteilung der Analysenmethode erlauben und Parameter, die Auskunft über Genauigkeit und Streuung des Messergebnisses geben. Bei der Auswahl einer geeigneten Methode ist zu prüfen, ob es sich um eine standardisierte Methode handelt, bei der die Zuverlässigkeit der Methode angegeben ist oder um eine Literatur-/Hausmethode handelt, bei der die Zuverlässigkeit noch bestimmt werden muss. Der Stichprobenumfang hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Richtigkeit des Messergebnisses. Je größer er ist, desto genauer wird das Ergebnis. Entscheidend ist, dass sich die Bezeichnung Mehrfachbestimmungen immer auf die komplette Analytik bezieht. Bei der Angabe von Analysenergebnissen sowie der Angabe der dazugehörigen Messunsicherheit ist zu berücksichtigen, wie viele Stellen anzugeben sind und auf welche Art das Ergebnis zu runden ist.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 4. Qualitätsmanagement im Labor

Zusammenfassung

Ein Qualitätsmanagementsystem bietet durch die Strukturierung seiner Aufbau- und Ablauforganisation dem Management die Möglichkeit zur wirksamen Steuerung und Kontrolle aller qualitätsrelevanten Tätigkeiten. Ziel muss dabei sein, mit einem Minimum an Kosten ein Maximum an Qualität zu realisieren. Dabei wird unter Qualität nicht etwa Exzellenz oder Großartigkeit verstanden, sondern eine sich an vorgegebenen Anforderungen orientierende, zuverlässig gleichbleibende Einhaltung der Abläufe.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Instrumentelle Techniken in der Lebensmittelanalytik

Frontmatter

Kapitel 5. Chromatographie

Zusammenfassung

Chromatographische Verfahren sind Trennverfahren, die darauf basieren, dass die zu trennenden Substanzen an zwei Phasen multiplikativ verteilt werden. Eine dieser Phasen ist immobil, das heißt, fixiert, die andere Phase ist beweglich. Beschrieben werden die Dünnschichtchromatographie (DC) an Normal- und Umkehr-Phasen, die Hochleistungs-Dünnschichtchromatographie (HPTLC), die Gaschromatographie (GC), die Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC) mit verschiedenen Phasen und Detektoren, die Denaturierende HPLC sowie die Headspace-GC und die Festphasenextraktions-Technik (SPME).

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 6. Massenspektrometrie

Zusammenfassung

Die Massenspektrometrie (MS) ist eine Methode zur Trennung und Messung von Ionen unterschiedlicher Masse in der Gasphase. Es wird das Masse-zu-Ladungsverhältnis (m/z) der Ionen gemessen und die Intensität des auf einen Detektor fallenden Ionenstrahls konzentrationsproportional aufgenommen. Der Ionisierungsgrad ist hierbei ein wichtiges Kriterium für die Nachweisempfindlichkeit des Massenspektrometers. MS-Systeme bestehen grundsätzlich aus einem Einlasssystem für die Probe, einer Ionenquelle, einem Massenanalysator und einer Registriereinheit, die das entsprechende massenspezifische Signal empfängt und verstärkt. Je nach Probeneinlass können verschiedene physikalische oder chemische Techniken zur Ionisierung angewendet werden, die hier beschrieben werden. Verschiedene Ionenanalysatoren stehen zur Verfügung.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 7. Kopplungstechniken

Zusammenfassung

Kopplungstechniken beschreiben meist on-line-Verbindungen zweier oder mehrerer analytischer Verfahren. Prinzipiell gibt es vier verschiedene Kopplungsverfahren, als da wären: die Kopplung zweier unterschiedlicher Techniken; die Kopplung von Chromatographie und Spektrometrie, wie GC-MS, LC-MS/MS, ICP-MS, IRMS; die Kopplung zweier chromatographischer Verfahren miteinander, wie LC-GC sowie die Kopplung von Chromatographie mit Chromatographie und Spektrometrie bzw. spezifischen Detektoren, wie GCxGC-TOF-MS, LC-MALDI-TOF-MS.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 8. Spektrometrie

Zusammenfassung

Die optischen, spektroskopischen bzw. spektrometrischen Verfahren in der analytischen Chemie beruhen auf einem gemeinsamen Merkmal, nämlich der Wechselwirkung von Materie und Energie in Form von Strahlung. Die Strahlung umfasst den Bereich der Radiowellen bis hin zu den Gammastrahlen. Als Licht wird nur der sichtbare Teil des elektromagnetischen Spektrums (Wellenlänge: 400 bis 800 nm) bezeichnet. Beschrieben werden die UV/VIS-, die Infrarot-, die Kernspinresonanz-Spektrometrie, die Atomabsortionsspektrometrie, die Flammenphotometrie, die Polarimetrie, die Refraktometrie sowie spektrometrische Schnellmethoden.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 9. Polarographie

Zusammenfassung

Mit Hilfe der Polarographie lassen sich über das Strom-Spannungsverhalten einer polarisierbaren Elektrode während Oxidations- bzw. Reduktionsreaktionen Art und Quantität elektrochemisch aktiver Substanzen bestimmen. Bei der Polarographie wird eine tropfende Quecksilberelektrode, deren Oberfläche sich laufend erneuert, eingesetzt. Neben anorganischen Kationen (Metallionen) können auch diverse auch anorganische Anionen und organische Verbindungen, wie Vitamine, Aldehyde, manche Alkaloide, Amine, Halogenverbindungen, Harnstoff erfasst werden. Polarographische Methoden sind Multielement-/Multiverbindungs-Bestimmungsmethoden. Obwohl der Anwendungsbereich der Polarographie sehr groß ist, hat sie sich letztendlich – bis auf einige Spezialanwendungen – in der Breite nicht durchgesetzt.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 10. Enzymatische Analyse

Zusammenfassung

Der Begriff der enzymatischen Analyse umfasst zwei prinzipiell unterschiedliche analytische Verfahrensweisen: Erstens, die analytische Bestimmung von Substanzen (Substraten) mit Hilfe von Enzymen, die sog. UV-Tests und zweitens, die Ermittlung von Enzymaktivitäten. Die enzymatische Substratbestimmung verbindet gleichzeitig alle Anforderungen, die an Referenzmethoden, gebräuchliche Methoden und Schnellmethoden gestellt werden. Da sie zudem sehr spezifisch und auch empfindlich arbeitet, hat die enzymatische Analyse bei der Untersuchung von Lebensmitteln verstärkten Eingang gefunden. Bei der enzymatischen Analyse ist die Bestimmung von Kohlenhydraten, organischen und anorganischen Säuren, Alkoholen, Stickstoff-Verbindungen sowie weiteren Analyten (Cholesterin, Lecithin, Triglyceride u. a.) von besonderer Bedeutung.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 11. Elektrophorese

Zusammenfassung

Elektrophoretische Verfahren nutzen die Wanderung von geladenen Teilchen im elektrischen Feld als Messgröße. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Ladungen und molaren Massen, wandern die Teilchen unterschiedlich schnell und können dadurch voneinander getrennt werden. Bei der Untersuchung von Nucleinsäuren ist die Agarose-Gelelektrophorese zu einem festen Bestandteil der Analysenmethoden geworden. Bei der SDS-PAGE werden durch die Verwendung eines negativ geladenen Detergens, wie Natriumdodecylsulfat (SDS), Proteine vor der eigentlichen Elektrophorese solubilisiert und denaturiert. Durch Verwendung eines Proteinmarker-Gemisches kann eine semi-quantitative Abschätzung der molaren Masse der Probe vorgenommen werden. Bei der Isoelektrischen Fokussierung (IEF-PAGE) wird der isoelektrische Punkt der Proteine als Charakteristikum genutzt.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 12. Immunchemische Verfahren

Zusammenfassung

Allen immunchemischen Verfahren ist gemeinsam, dass die Detektion des Analyten auf einer spezifischen Antigen-Antikörper-Reaktion beruht. Aufgrund der Spezifität der Antikörper gegenüber dem entsprechenden Antigen sind immunchemische Methoden geeignet, auch geringe Mengen an Antigen im Kontext einer komplexen Matrix nachzuweisen bzw. zu quantifizieren, was die starke Verbreitung dieser Methoden begründet. Zudem kann theoretisch für jedes Antigen, das identifiziert und charakterisiert ist, ein entsprechender Antikörper hergestellt werden.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 13. Molekularbiologische Verfahren

Zusammenfassung

Die DNA liegt in einer genau definierten Kopienzahl pro Zelle vor und ist chemisch und physikalisch relativ stabil, wodurch auch die Analyse von stark verarbeiteten Produkten, die beispielsweise thermisch behandelt wurden, möglich ist. Grundsätzlich muss vor jeder molekularbiologischen Analyse die zugrunde liegende DNA aus dem zu untersuchenden Lebensmittel isoliert, d. h. von störenden Begleitstoffen befreit werden. Im Rahmen der Lebensmittelanalytik spielen besonders PCR-basierte Methoden eine Rolle.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Untersuchung von Lebensmitteln

Frontmatter

Kapitel 14. Basisparameter

Zusammenfassung

Die Basisuntersuchung von Lebensmitteln und ihren Rohstoffen umfasst neben den eigentlichen wertbestimmenden Hauptbestandteilen wie Fett, Eiweiß und Kohlenhydraten sowie speziellen Inhaltsstoffen auch die Bestimmung allgemeiner Kenngrößen. Bei den allgemeinen Kenngrößen handelt es sich vornehmlich um Summenparameter von Major- bzw. Minorkomponenten, die sich durch chemisch-physikalische Messmethoden meist auf einfache Art und Weise ermitteln lassen und zur Beurteilung sowie Charakterisierung der Erzeugnisse herangezogen werden. Zu diesen allgemeinen Bestimmungen in Lebensmitteln gehören unter anderem so grundsätzliche Methoden wie die zur Ermittlung der Dichte und des a_w-Werts, des Wasser- bzw. Trockensubstanzgehaltes, des sogenannten Asche- und Sandgehaltes sowie ferner des Ballaststoff- bzw. Rohfasergehaltes.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 15. Fette und Fettbegleitstoffe

Zusammenfassung

Die eigentlichen Fette (Triglyceride) sind stickstofffreie organische Verbindungen, die im pflanzlichen und tierischen Stoffwechsel gebildet werden und physiologisch gesehen einen hohen Nährwert besitzen. Unter den Nährstoffen zählen sie zu den größten Energielieferanten. Fette sind in der Regel mit zahlreichen Begleitstoffen (Lipoiden) vergesellschaftet, die biogenetisch in naher Beziehung zueinanderstehen.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 16. Aminosäuren, Peptide, Proteine, Nucleinsäuren

Zusammenfassung

Aminosäuren sind fundamentale Bestandteile von Lebensmitteln und zudem notwendige Bausteine für die Proteinbiosynthese. Peptide entstehen durch Verknüpfung von Aminosäuren in einer definierten Reihenfolge über Säureamidbindungen. Peptide unterscheiden sich von Proteinen allein durch ihre Größe, d. h. Anzahl der verknüpften Aminosäuren. Proteine gehören zu den Grundbausteinen aller Zellen. Nucleinsäuren zählen wie die Proteine zu den Makromolekülen, die aus einzelnen Bausteinen, den Nucleotiden, aufgebaut sind. Die DNA ist der Hauptspeicher der Zellen für genetische Information. Aminosäuren können mit Hilfe chromatographischer Methoden getrennt werden. Beschrieben wird ferner die Bestimmung der Formolzahl, von Hydroxyprolin und von Prolin sowie die Ermittlung des Gesamt- und des Reinproteingehaltes. Bei den elektrophoretischen Methoden kommt die SDS-PAGE zur Bestimmung der molaren Masse von Proteinuntereinheiten, die Differenzierung von Tierarten mittels Isoelektrischer Fokussierung und bei den immunchemischen Methoden die Bestimmung von Molkenproteinen mittels ELISA zum Tragen. Für die molekularbiologische Differenzierung werden PCR-Methoden beschrieben zum Nachweis von Bt-Mais sowie zur Differenzierung von Kakaoarten.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 17. Kohlenhydrate – Saccharide

Zusammenfassung

Die Gruppe der Kohlenhydrate umfasst niedermolekulare sowie mittelmolekulare bis hochmolekulare, polymere Verbindungen. Kohlenhydrate werden deshalb unterteilt in Mono-, Di-, Oligo- und Polysaccharide. Die den Kohlenhydraten handelt es sich um Polyhydroxycarbonylverbindungen sowie einige davon abgeleitete, strukturell ähnliche Stoffe. Mengenmäßig gehören die Kohlenhydrate zu den bedeutendsten Naturstoffen und kommen als süßschmeckende Bestandteile der Früchte sowie als wichtige Reservestoffe wie Stärke resp. Glykogen im Pflanzen- resp. im Tierreich vor. Sie stellen ferner die Stützsubstanz der Pflanzen (Cellulosen, Hemicellulosen, Pentosane, Pektine) dar. Kohlenhydrate sind Verbindungen mit stark polaren Eigenschaften, die bis auf einige Ausnahmen (Polysaccharide) in Wasser löslich sind. Die Analytik findet deshalb in der Regel im wässrigen Medium statt. Bei den Zuckern kommen zur Identifizierung DC-, HPLC- und GC-Methoden, zur quantitativen Bestimmung polarimeterische und chemische Summen- und Selektivmethoden sowie enzymatische UV-Tests zum Einsatz. Zur Bestimmung der hochmolekularen Stoffe Stärke und Pektin dienen polarimetrische resp. photometrischen Methoden.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 18. Spezielle Inhaltsstoffe

Zusammenfassung

Lebensmittel enthalten neben den eigentlichen Hauptbestandteilen, die vornehmlich für den Energiestoffwechsel des Körpers von Bedeutung sind, auch Bestandteile – hier als spezielle Inhaltsstoffe bezeichnet, die oftmals erst den besonderen (Genuss-)Wert eines Erzeugnisses ausmachen bzw. zur Beurteilung eines Produktes herangezogen werden können. Diese speziellen Inhaltsstoffe liegen in den Lebensmitteln in der Regel in geringeren Konzentrationen vor, so dass zur Analyse nur entsprechend geeignete und empfindliche Methoden, wie sie insbesondere die chromatographischen, optischen bzw. enzymatischen Techniken bieten, eingesetzt werden. Abgehandelt werden Methoden zur Bestimmung des Gehaltes von Gesamtalkohol, Methanol, Alkoholen, organischen Säuren, flüchtigen Säuren, Theobromin, Coffein, Abschätzung der Kakaobestandteile, Gesamtkreatinin, biogenen Aminen, Histamin, Vitaminen A, B₁ und C, Polyphenolen, Active Principles, HMF, Alkali- und Erdalkalimetalle, Eisen und Chlorid.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 19. Lebensmittelzusatzstoffe

Zusammenfassung

Lebensmittelzusatzstoffe sind Stoffe oder Stoffgemische, die bei der Herstellung von Lebensmitteln zur Erzielung chemischer, physikalischer (technologischer) oder auch physiologischer Effekte zum Einsatz kommen. Hierzu zählen auch Zuckeraustauschstoffe (mit Ausnahme der Fructose), die Vitamine A und D, Aminosäuren, Mineralstoffe und Spurenelemente. Zusatzstoffe dürfen nur nach amtlicher Zulassung verwendet werden. Die Analytik der Zusatzstoffe ist aufgrund der Fülle der möglichen Substanzen sehr umfangreich. In diesem Kapitel wird eine Auswahl analytisch relevanter Methoden beschrieben zur Identifizierung bzw. Quantifizierung verschiedener Konservierungsstoffe, Süßungsmittel, Farbstoffe, Antioxidantien, Nitrit und Nitrat, Phosphate, Milcheiweiß sowie Ammoniumchlorid.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 20. Sicherheitsrelevante/unerwünschte Stoffe – Kontaminanten, Prozesskontaminanten und Rückstände

Zusammenfassung

Aufgrund verschiedener Kontaminationsrisiken und durch ständig verfeinerte Analysentechniken mit extrem niedrigen Erfassungsgrenzen sowie nicht zuletzt wegen eines geschärften Gesundheitsbewusstseins wird heute der Frage nach der Sicherheit der Lebensmittel vermehrte Bedeutung zugemessen wird. Beachtung findet dabei insbesondere die Problematik der Kontamination von Lebensmitteln durch Standort-/Umweltbedingungen, durch Einwirkung von Mikroorganismen, durch Zusätze, Rückstände und Verunreinigungen oder durch thermische Reaktionsprodukte. Weiterhin ist aber auch zu beachten, dass Lebensmittel aus natürlichen Prozessen oder als Folge von Verderbnisvorgängen gesundheitlich bedenkliche Stoffe enthalten können, die nicht anthropogenen Ursprungs sind. Subsumieren lassen sich all diese Vertreter unter den Begriffen gesundheitlich unerwünschte Stoffe oder sicherheitsrelevante Stoffe. Behandelt werden ausgewählte Beispiele aus den Bereichen der Kontaminanten, Prozesskontaminanten und organischen Rückstände, wie die Bestimmung von Blei und Quecksilber mittels AAS, von Elementen mittels ICP-MS, von Mykotoxinen mittels verschiedener HPLC-Methoden, von MOSH/MOAH mit Hilfe der LC-GC-FID, von PAKs mittels HPLC-FD, von BTX und Per mittels GC, von Acrylamid sowie von Chlorpropandiolen und Glycidol mittels LC–MS/MS, von Chlormethylfurfural mit Hilfe der GC–MS, von den Imidazolen MEI und THI mittels LC–MS/MS, von Nitrosaminen mittels GC-TEA sowie von Malachitgrün unter Anwendung der DC-Densitometrie.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Kapitel 21. Authentizität und Herkunft

Zusammenfassung

Authentizität von Lebensmitteln bedeutet Originalität, Echtheit bzw. Unverfälschtheit. Alle im Rahmen der Omics-Analyse eingesetzten Verfahren folgen dem zunächst nicht-zielgerichteten Ansatz, das heißt, sie liefern elementare sowie molekulare Fingerabdrücke, die mit Referenzdatensätzen verglichen werden. Notwendig ist es hierbei, die Datenmenge, d. h. die Komplexität auf das Wesentliche zu reduzieren, um Unterschiede sichtbar zu machen, die dann mittels einfacher, spektroskopischer oder biochemischer Methoden sowohl qualitativ als auch quantitativ nachgewiesen werden können. Für einzelne Analyten bieten sich darüber hinaus Schnelltestverfahren an, die im Wesentlichen auf der Basis der Lateral Flow Assay-Technologie entwickelt werden. Behandelt wird die Bestimmung von DNA-Sequenzen, von Peptiden und Proteinen, von Stoffwechselprodukten, von Elementen und von Isotopen mit Hilfe des Food-Targeting-Ansatzes sowie die Anwendung des Food-Profiling-Ansatzes auf der Ebenen der Genomics, Proteomics, Metabolomics und Isotopolomics.

Reinhard Matissek, Markus Fischer

Backmatter

Title: Lebensmittelanalytik
Authors: Prof. Dr. Reinhard Matissek
Prof. Dr. Markus Fischer
Copyright Year: 2021
Publisher: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-63409-7
Print ISBN: 978-3-662-63408-0
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-63409-7

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