Coffeinbestimmung in Getränken
Die Bestimmung des Coffeingehalts in Getränken ist eine der Methoden, SuS Prinzipien eines Analyselabors näherzubringen. PTAs und CTAs schlagen sich in der Realität zwar weitaus mehr mit Automaten herum, aber die grundsätzlichen Verfahrenschritte bleiben doch immer gleich – auch wenn da eine Blackbox steht, die wir in der Schule mit ihren „primitiven technischen Methoden“ aber ein Stückchen öffnen können. Das Verfahren funktioniert fotometrisch, sodass man eine Coffeinlösung mit einem Spektrum im sichtbaren Bereich benötigt – die meisten Schulen werden,wenn überhaupt, lediglich VIS-Fotometer herumstehen habe – diese Dinger liegen schon im Kiloeurobereich. Schon deswegen sollte man sie nicht verstauben lassen, sondern wirklich auch einsetzen.
Coffein ist in Wasser recht gut löslich und als reiner Stoff im Chemikalienhandel zu moderaten Preisen zu bekommen. Bei uns habe ich eine jungfräuliche 500g Packung im Giftschrank entdeckt. Gängige Versuchsvorschriften fordern die Zubereitung von fünf Lösungen zur Erstellung der Eichkurve mit folgenden Massenkonzentrationen:
- 100mg/L
- 200mg/L
- 300mg/L
- 400mg/L
- 500mg/L
Man braucht eine gute Waage und am besten auch fünf 1L-Maßkolben, damit man die entsprechenden Mengen einwiegen kann. Ein übliche Schulwaage weist eine maximalöe Genauigkeit von d=0,01g (=10mg) auf, sodass man bei der Lösung mit der kleinsten Massenkonzentration schon von vornherein einen saftigen Wägefehler macht, oder den Maßkolben noch eine Nummer größer wählen muss. Diese Lösungen sind farblos und damit einer fotometrischen Untersuchung nicht zugänglich.
Deswegen nutzt man aus, dass Coffein in saurer Lösung bei Anwesenheit von Iodid schwerlösliches Periodid bildet und als solches spezifisch ausfällt. Hier sieht man zwei Coffein-Lösungen (V=10mL), die mit jeweils 1mL Jod/Kaliumiodidlösung (c=0,05mol/L) versetzt wurden, nach dem Ansäuern mit ca. 1mL 25%iger Schwefelsäure:
Das Coffeinperiodid fällt als Feststoff aus. Es Erfolgt eine Abtrennung des selbigen durch zehnminütiges Zentrifugieren – leider war das eine Zentrifugengläschen nicht ganz fettfrei, sodass sich etwas Periodid auch am Rand abgesetzt hat:
Die überschüssige Lösung wird abdekantiert, der Niederschlag noch einmal mit Deionat gewaschen, erneut zentrifugiert und dann mit 10mL Methanol in Lösung gebracht. Das sieht dann so aus:
Links befindet sich eine Lösung mit 200mg Coffein pro Liter, rechts eine mit 500mg je Liter. Es is deutlich zu erkennen, dass da im Methanol bedeutend mehr Coffeinperiodid herumschwimmt. Für alle fünf Lösungen (s.o.) wird diese Prozedur wiederholt – nochmal in Kurzform:
- 10mL Eichlösung in ein Zentrifugengläschen abpipettieren
- Mit 1mL Iod/Kaliumiodidlösung versetzen (c=0,05mol/L)
- Mit 1mL 25%iger Schwefelsäure versetzen
- 10 Minuten zentrifugieren
- Abdekantieren
- Rückstand mit ca. 10mL Deionat waschen
- 10 Minuten zentrifugieren
- Abdekantieren
- Niederschlag in 10mL Methanol lösen
Das kann man gut mit SuS machen. Mit einer Handzentrifuge tut man auch etwas für den Muskelaufbau. So sehen dann die fertigen Eichlösungen aus:
Danach soll lt. Anleitung von allen Lösungen die Extinktion bei 480nm bestimmt und gegen die Massenkonzentration aufgetragen werden. Wenn wir uns im Bereich des Lambert-Beerschen Gesetzes bewegen, ergibt sich eine Gerade, mit deren Hilfe wir dann beliebigen Extinktionswerte von Coffeinlösungen einer Massenkonzentration zuordnen können. So der Plan.
Dazu müssen wir unsere Proben (Cola, Kaffee, Tee, Redbull etc.) genau so behandeln wie unsere Eichlösungen: Das Periodid setzt sich in der Zentrifuge ab und der Rest wird abdekantiert. Mit Wasser waschen, in Methanol lösen und schauen. Die SuS bringen Getränke mit und messen dann selbstständig nach Vorbehandlung ihrer Proben im Fotometer die Extinktion. Zwei Doppelstunden dauert das mindestens. Wenn das Verfahren der Fotometrie noch nicht eingeführt ist, dauert es noch länger.
Auswertung:
Das Ergebnis war recht durchwachsen und stimmte teilweise gut (Kaffee, Tee, Cola), teilweise gar nicht (Energydrinks) mit den Verpackungsangaben der Hersteller überein. Der Werte wurde umso schlechter, je mehr Coffeingehalt die Getränke tatsächlich besaßen. Das legte den Verdacht nahe, dass die Lösungen zu „fett“ für unser Fotometer sind. Durch ein Vollspektrum der oben fotografierten Lösungen lässt sich das überprüfen:
Wenn man sich im Bereich von Lambert-Beer bewegt, sind beide Kurven um einen Faktor in y‑Richtung verschoben. Das kann man am Beispiel des Kaliumpermanganats hier im Blog ganz gut sehen. Im Falle des Coffeinperiodidspektrums kommt es bei der konzentrierteren Lösung (rote Kurve) im Vergleich zur verdünnten (blaue Kurve) zu einer Verschiebung des gesamten Spektrums. Zusätzlich sind die Extinktionswerte schon recht hoch. Meine ermittelten Vollspektren sind schon realistisch und passen zu entsprechenden Messungen, die man im Web so findet:
Auf Basis meiner Messungen kann ich die Wellenlänge von 480nm zur Extinktionsbestimmung auch nicht nachvollziehen, da ein Maximum eher bei 460nm liegt. Da das Spektrum bei hohen Konzentrationen aus dem Kurs läuft, wird natürlich auf der Fehler unter Annahme eines linearen Zusammenhangs in diesem Bereich größer.
Wenn ich das Verfahren noch einmal im Unterricht einsetze, werde ich entweder von niedriger konzentrierten Lösungen ausgehen, oder mehr Methanol zusetzen, um die Extinktion herunterzubekommen. Fotometer ist nicht Fotometer. Da macht offenbar nur Versuch klug.
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Hallo Herr Riecken,
Ich habe Ihren Versuch sowohl mit der Eichlösung als auch mit Energy-Drinks durchgeführt. Mit der Eichlösung konnte ich eine sinnvolle Eichkurve erstellen. Das Problem jedoch war der Versuch mit den Energy-Drinks. Dieser Versuch hat nicht funktioniert. Brauche ich für den Versuch mit Energy-Drinks vielleicht eine bestimmt Temperatur oder Reaktionszeit?
Oder muss ich auf irgendetwas anderes achten?
Ich würde mich sehr über eine Rückmeldung freuen.
Moin Moin.
Das mit den Energiedrinks, mag am ebenfalls enthalten Taurin liegen. Da müsste man mal die molaren Massen von Coffein und Taurin mit einberechnen.
Während der Fällung wird, wie beschrieben zwar ein Komplex mit Iod gebildet, dieser zersetzt sich aber wieder nachdem man das Methanol dazu gibt, sodass letztendlich nur das Iod in der Lösung photometrisch gemessen wird. Auf ein Mol Coffein bzw. Taurin kommt folglich je ein Mol Iod. Daher ist es auch besonders wichtig, das gefällt Periodisch gut zu waschen.
LG
Feldmann
Sehr geehrter Herr Riecken!
Wir haben den Versuch an unserer Schule durchzuführen versucht. Beim erstenmal problemlos, eine Woche später fiel keinerlei Koffeinperiodid mehr aus. Ich gehe davon aus, dass sich die Eichlösungen (bei RT gelagert) nicht verändert haben, allerdings habe ich keine Hinweise zur Lagerfähigkeit von in Wasser gelöstem Koffein gefunden. Können Sie hierzu etwas sagen?
Ansonsten bleibt nur die Konzentration der Iod/Kaliumiodid-Lösung. Die von Ihnen genannte Stoffmengenkonzentration c=0,05 mol/L habe ich nirgendwo gefunden. Die von uns verwendete Lugolsche Lösung (Fa. Hedinger) weist eine Gewichtskonzentration zwischen 3 und 10% auf. Ist es möglich, dass hier auftretende Konzentrationsunterschiede zu derartig inkonsistenten Ergebnissen führen?
Haben Sie schon einmal Betaisodona-Lösung verwendet?
Vielen Dank für Ihre Antwort!
U. Vollgraf
Lieber Herr Vollgraf!
Es ist schon eine ganze Weile her, dass ich einen Kurs unterrichten durfte, der zu solchen chemischen Verrenkungen Lust hatte. Das Problem müsste sich im Ausschlussverfahren lösen lassen.
Die Iod-/Kaliumiodidlösung dient auch als Maßlösung bei der Iodometrie – das Zeug ist aber ziemlich lichtempfindlich und so im Handel nicht erhältlich. Im Jander/Jahr findet sich aber nach meiner Erinnerung eine Herstellungsvorschrift. Ich glaube aber nicht, dass hier das Problem liegt, da ja nahezu quantitativ gefällt werden muss – da gilt im Zweifel ja „Viel hilft viel“ und die marktüblichen Lösungen sind ja eher ziemlich fett.
Die Lösung muss stocksauer sein, ggf. muss man da einmal prüfen, ob dem so ist. Das ist aber leicht hinzubekommen.
Bleibt die Koffeinlösung. Wurde die versuchshalber frisch angesetzt bzw. gekühlt und unter Lichtabschluss aufbewahrt?
Guten Tag Herr Vollgraf und Herr Rieken,
Auch ich habe gerade versucht eine Verdünnungsreihe wie oben beschrieben herzustellen.
Leider ohne Erfolg. Auch bei mir fiel kein Koffeinperiodid aus.
Haben Sie mittlerweile eine mögliche Erklärung dafür gefunden, oder sogar eine Lösung des Problems?
Ich habe genauso wie Sie, Herr Vollgarf, eine Iod-Kaliumiodidlösung nach Lugol verwendet.
Kann das Coffein bei längerer Lagerung seine Wirkung verlieren?
Ich würde mich sehr freuen, von Ihnen zu hören!
Viele Grüße aus Coburg,
Lena Kallis
Hallo Frau Kallis!
Der Versuch lief damals bei uns nach genau der Vorschrift problemlos durch. Unser Eichcoffein war uralt. Die Verdünnungsreihe haben wir frisch im Unterricht nach vorheriger Berechnung hergestellt. Koffeinlösung soll recht stabil sein. Vielleicht ist Lugol doch schlicht zu fett. Bitte einmal im Jander/Jahr nach der Zubereitungsvorschrift schauen.
Gruß,
Maik Riecken
Lieber Herr Riecken!
Erst heute bin ich zufällig auf Ihre Antwort zu meiner Frage gestoßen und möchte mich entschuldigen, dass ich nicht eher reagiert habe.
Leider hatte ich noch keine Gelegenheit, den Versuch erneut auszuprobieren und Ihre Vorschläge / Hinweise zu beachten.
Ich werde frühestens im kommenden Jahr wieder Zeit dazu finden und melde mich dann noch einmal, falls ich aufschlussreiche Ergebnisse bekomme.
Auf alle Fälle wünsche ich Ihnen eine gute Zeit!
Ulrich Vollgraf
Hallo Herr Riecken,
ich besuche die 11. Klasse eines Gymnasiums in Bayern und schreibe momentan meine Seminar- bzw. Facharbeit über Koffein. Ich werde auch den Koffeingehalt verschiedener Getränke bestimmen. Dabei werde ich mich nach ihrer Vorgehensweise dieses Artikels mit der photometrischen Methode richten. Da ich mich leider was Chemisches betrifft nicht wirklich gut auskenne, wollte ich Sie fragen, ob Sie ein paar Tipps, was den Versuch betrifft, für mich haben? Das würde mich sehr freuen!
Vielen Dank!
Liebe Grüße
Sarah
Hallo Sarah,
Leider kann das zeitlich nicht leisten. Die Theorie hinter dem Versuch ist relativ komplex.
Gruß,
Maik Riecken
Hallo Herr Riecken
Ich würde den Versuch gerne in unserem Labor durch führen da wir kein Jander/Jahr zur verfügung haben wollte ich fragen in welchem Verhältniss ich die Iod Kaliumiodid Lösung herstellen muss.
Liebe Grüsse
Lorenz Inglin