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:

  1. 100mg/L
  2. 200mg/L
  3. 300mg/L
  4. 400mg/L
  5. 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:

  1. 10mL Eich­lö­sung in ein Zen­tri­fu­gen­gläs­chen abpi­pet­tie­ren
  2. Mit 1mL Iod/Kaliumiodidlösung ver­set­zen (c=0,05mol/L)
  3. Mit 1mL 25%iger Schwe­fel­säu­re ver­set­zen
  4. 10 Minu­ten zen­tri­fu­gie­ren
  5. Abde­kan­tie­ren
  6. Rück­stand mit ca. 10mL Dei­o­nat waschen
  7. 10 Minu­ten zen­tri­fu­gie­ren
  8. Abde­kan­tie­ren
  9. 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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