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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