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Theorie Lebensmittelanalyse

Worum geht es?

Täglich werden in der ganzen Welt Millionen Liter alkoholfreie Getränke („Softdrinks“) konsumiert. Mit der Bezeichnung „Softdrinks“ sind Erfrischungsgetränke wie Fruchtsaft-getränke, Fruchtschorlen, Limonaden, Brausen und Energy-Drinks gemeint. Die Quali-tätsanforderungen der Verbraucher sind selbstverständlich hoch. Die Lebensmittelin-dustrie muss sich im Laufe der verschiedenen Produktionsprozesse zahlreichen Quali-tätstesten unterziehen. Um effektive und schnelle Qualitätsprüfungen zu ermöglichen, wurden in den letzten Jahrzehnten mehrere Analyseverfahren entwickelt, zwei davon werden hier dargestellt: die Refraktometrie, eine optische Messmethode und eine Dich-temessmethode mit einem Biegeschwinger.

Ziele

Das Brechungsgesetz anwenden und Brechzahlen bestimmen Den Zusammenhang zwischen Brechzahl und Dichte einer Flüssigkeit beschreiben Die Funktionsweise von Refraktometern beschreiben Den Zuckergehalt von Flüssigkeiten mit dem Refraktometer und dem Dichtemess-

gerät bestimmen

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Alltagsbezug Das Thema Zucker in unserer Ernährung, insbesondere in alkoholfreien Getränken, hat sich als eines der wichtigsten Gesund-heitsprobleme unserer Gesellschaft heraus-kristallisiert und ist daher in den Medien sehr präsent. Die Lebensmittelindustrie nimmt die Problematik sehr ernst und versucht mit neuen Produkten, z. B. mit 0 % Zuckergeh-alt, ihrer Kundschaft entgegenzukommen, selbstverständlich ohne ihre eigenen wirt-schaftlichen Interessen zu vernachlässigen. In Bezug auf die Produktionskosten als auch in Bezug auf die Produktqualität, ist der An-teil von Zucker und Sirup in einem Frucht-saft von grosser Bedeutung. Daher ist es wichtig für die Lebensmittelindustrie, alle Prozesse der Produktion zu kontrollieren.

Mit Unterstützung analytischer Messmethoden und Hightech-Messgeräten wurden zahlreiche Analysepro-tokolle entwickelt zur Bestimmung von Zuckern in Obstsorten (Fructose), von reduzierenden Zuckern (Saccharose), von Süssstoffen und Konservierungs-stoffen in Getränken.

Bei der Qualitätskontrolle in der Getränkeindustrie werden zwei Methoden oft angewendet: die Refrakto-metrie und die Dichtemessung von Flüssigkeiten. Mit einem Refraktometer werden der Brechungsindex und die Konzentration von Flüssigkeiten, Gelen und Fest-körpern gemessen.

Mit einem Dichtemessgerät wird die Dichte einer Mi-schung aus zwei chemischen Komponenten bestimmt (binäre Mischung). Mit Hilfe von Dichte-Konzentrati-onstabellen wird die Zusammensetzung der unter-suchten Mischung berechnet. Dichtemessgeräte wer-den nicht nur in der Getränkeherstellung verwendet, sondern auch in der Mineralölindustrie und allgemein in der Rohstoff- und Materialforschung.

Werbeverbot für Softdrinks Hola, Mexiko hat es satt!

Mexiko setzt sich an die politische Spitze im Kampf gegen Übergewicht und Fettsucht. Wenn die meisten Kinder vor dem Fernseher oder im Kino sitzen, ist jetzt Werbung für Softdrinks verboten. Und der Feld-zug gegen die Kalorienbomben geht weiter.

20.07.2014, von Joachim Müller-Jung, Oaxaca Frankfurter Allgemeine, www.faz.net

Viele Vitamine, wenig Zucker: Die zehn zuckerärmsten Obstsorten

22.10.2008, Autor: Britta Heinemann,© MensHealth.de

Beeren gehören zu den Obstsorten mit wenig Zucker. Welche Früchtchen schaffen es noch in die Top Ten?

Die zehn zuckerärmsten Obstsorten

Erdbeeren: Platz 10

100 Gramm Erdbeeren enthalten 5,5 Gramm Kohlenhydrate

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Theoretische Hintergründe

1. Refraktion

Brechung:

Die Änderung der Lichtgeschwindigkeit an der Grenzfläche zweier Medien verursacht eine Richtungsänderung des Lichtstrahls. Das Licht, das auf ein Material mit einer unterschiedli-chen optischen Dichte trifft, wird gebeugt bzw. gebrochen, sofern es nicht senkrecht auf die Grenzfläche auftritt.

Der Winkel der Lichtbrechung bzw. Lichtrefle-xion ist abhängig von den Brechungsindizes zweier Medien (Veränderung der Geschwin-digkeit und der Richtung).

Wenn ein Lichtstrahl die Grenzfläche zwischen einem Medium 1 (Brechungsindex = n1) und ei-nem Medium 2 (Brechungsindex = n2, n2 < n1) in einem Einfallswinkel kleiner als α2 passiert, wird der Lichtstrahl teilweise an der Grenzflä-che gebrochen und teilweise reflektiert.

Es gilt:

Brechungsindex:

Der Brechungsindex (n) ist eine dimensionslose, stoffspezifische physikalische Grösse.

Der Brechungsindex (n) einer Probe (Festkörper, Lösung) gibt das Verhältnis der Lichtge-schwindigkeit in einem Material zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unter Standardbedingun-gen (Temperatur von 20 °C, Druck von 1013 mbar, relative Luftfeuchtigkeit von 50 %) an.

Probe Vakuum Luft Wasser

Lichtgeschwindigkeit 299 792 km/s 299 710 km/s 225 000 km/s

Tab. 1: Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien

Brechungsindex (n) einer Probe =Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

Lichtgeschwindigkeit in der Probe

Der Brechungsindex hängt von

1. der Zusammensetzung der Probe 2. der Temperatur T der Probe 3. der Wellenlänge des verwendeten Lichtes ab.

Aus diesem Grund werden Wellenlänge und Temperatur zusammen mit dem Brechungsindex angegeben.

b

b'

b'

a'

a'a

c'c

α1

α2

α3

β1

Medium 2n2

Medium 1n1

Abb. 1: Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen

sin α1

sin β1

= n2

n1

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Im Allgemeinen werden die Refraktionsmessungen mit dem gelben Natriumlicht ( = 589 nm, wird als Natrium-D-Linie bezeichnet) bei Temperaturen von 20 °C, 25 °C und 40 °C durchge-führt.

Der Brechungsindex einer Sodalösung bei 20 °C wird so angegeben: n (20 / 589) = … nD

Probe Vakuum Wasser Coca-Cola Ethanol Saphir Diamant

Brechungsindex 1.0000 nD 1.3329 nD 1.3475 nD 1.3627 nD 1.76 nD 2.42 nD

Tab. 2: Brechungsindizes verschiedener Proben

Je höher die optische Dichte eines Mediums ist, umso geringer ist die Lichtgeschwindig-keit innerhalb des Mediums und umso grösser ist sein Brechungsindex.

Sichtbares Licht

Licht ist sowohl eine elektromagnetische Welle (siehe Abb. 2), als auch ein Teilchen, ein Photon. Als was Licht betrachtet werden kann hängt vom jeweiligen Lichtphä-nomen ab. Im Folgenden verwenden wir zur Beschrei-bung hauptsächlich die Wellentheorie und betrachten Licht deshalb als elektromagnetische Welle mit Wellen-länge , Frequenz f und Lichtgeschwindigkeit c. Wellenlänge, Frequenz und Lichtgeschwindigkeit sind miteinander durch folgende Gleichung verknüpft:

Die Farbe des Lichtes wird von der Wellenlänge und der Frequenz bestimmt. Der Bereich des sichtbaren Lichts reicht von ca. 380 nm bis 780 nm bzw. 750 THz bis 430 THz). Licht kleinerer Wellenlänge nennt man Ultraviolett (= UV) und Licht grös-serer Wellenlänge Infrarot (= IR). In Abb. 3 ist das Linienspektrum verschiedener Lichtquellen dargestellt.

Abb. 3: Neon, Quecksilber- und Natriumlampe jeweils mit Spektrum

fc

Abb. 2: Darstellung einer Welle

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Totalreflexion

Wird der Einfallswinkel α1 erhöht, gibt es einen Winkel α2, in dem der gebrochene Lichtstrahl b‘ sich längs der Grenzfläche zwischen Prisma und Probe befindet, während ein Teil des Licht-strahls reflektiert wird (b’). Dieser Winkel wird als Grenzwinkel der Totalreflexion bezeichnet (Winkel α2 in Abb. 4). Erhöht man weiterhin den Einfallswinkel (α3 > α2, Lichtstrahl c), wird das gesamte einfallende Licht vollständig durch das Prisma reflektiert (c’) und nicht länger gebrochen. Dies geschieht nur, wenn sich das Licht von einem Medium mit einem höheren Brechungsin-dex [n1 = höherer Brechungsindex] zu einem Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex [n2 = niedriger Brechungsindex] bewegt.

Abb. 4: Reflexion und Brechung eines Lichtstrahls

Abb. 5: Lichtstrahl im Halbkreisprisma

b

b'

b'

a'

a'a

c'c

α1

α2

α3

β1

Proben2

Prisman1

n2 < n1

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Messung des Brechungsindexes

Wiiebord van Roijen Snell demonstrierte und veröffentlichte 1618 das später nach ihm be-nannte Snelliussche Brechungsgesetz: Das Verhältnis der Brechungsindizes n1 : n2 entspricht dem umgekehrten Verhältnis von sin(Einfallswinkel α1) : sin(Ausfallswinkel β1). sin α1

sin β1

= n2

n1 bzw.n1 ∙ sin α1 n2 ∙ sin β1

Möchte man den Brechungsindex n2 der Probe berechnen, gilt Für den Grenzwinkel der Totalreflexion gilt Winkel β1 = 90° und sin(90°) = 1. n2(Probe) = n1(Prisma)· sin α2(Grenzwinkel der Totalreflexion) Das bedeutet, dass der Brechungsindex n2 der Probe bestimmt werden kann, wenn man nur den Grenzwinkel der Totalreflexion α2 und den Brechungsindex n1 des Prismas kennt (bzw. misst). Das hier verwendete Refraktometer Abbemat 300 funktioniert mit einem Prisma aus syntheti-schem Saphir mit bekanntem Brechungsindex (nD 24/589 = 1,5864) als Medium 1.

2. Die Geräte: Hand- und automatische Refraktometer

Abbemat 300 von Anton Paar

Abb. 6: Abbemat 300 (Anton Paar)

Die Messung des Brechungsindexes einer Probe mit dem automatischen Refraktometer Ab-bemat 300 basiert auf der Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion. Hierfür muss die Probe einen direkten Kontakt mit dem Messprisma haben.

Das gelbe Natrium-Licht einer LED-Quelle trifft mit verschiedenen Einfallswinkeln auf die Prisma-Oberfläche, die in direktem Kontakt mit der Probe ist. Abhängig vom Unterschied der Brechungsindizes zwischen Probe und Prisma wird das Licht teilweise gebrochen und teil-weise reflektiert oder total reflektiert (α Grenzwinkel der Totalreflexion). Der Grenzwinkel der Totalreflexion wird durch die Messung der Intensität des reflektierten Lichtstrahls auf einem Sensor in Abhängigkeit zum Einfallswinkel bestimmt.

n2 =n1∙sin α1

sin β1

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Abb. 7: Messaufbau mit dem Abbemat

Wird der Lichtstrahl total reflektiert (Einfallswinkel ist grösser als der Grenzwinkel α der Total-reflexion) und auf dem Sensor abgebildet, ergibt sich eine hohe Lichtintensität auf dem Sensor. Wenn der Einfallswinkel kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, wird das Licht teil-weise gebrochen und teilweise reflektiert, woraus eine niedrigere Lichtintensität auf dem Sen-sor resultiert.

Als Ergebnis erhält man eine Kurve für die vielen verschiedenen Einfallswinkel mit den jewei-ligen Lichtstärken auf dem Sensor (siehe Abb. 8):

Abb. 8: Kurve der Einfallswinkel des Lichtsignals auf dem Sensor

LED (gelbes Natriumlicht)

Linse

Filter

Linse Sensor

Teilreflexion

Refraktion

Totalreflexion Probe Prisma

Grenzwinkel der Total- reflexion α

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3. °Brix und Zucker-Konzentration

Wie kann man aus der Messung von Brechungsindexen Konzentrationsangaben bekommen?

Der Brechungsindex einer gelösten Substanz (z. B. Fruchtsirup in einem Saft) korreliert mit der Konzentration und ermöglicht die Bestimmung der Konzentration von Substanzen wie Zu-cker in einer Mischung aus zwei Substanzen (z. B. Zucker und Wasser). Das automatische Refraktometer enthält Korrelationsskalen, die das Ablesen der Zuckerkonzentration auf der Basis des berechneten Brechungsindexes ermöglichen. Die Zuckerkonzentrationen werden in °Brix oder %Brix angegeben, nach dem österreichisch-deutschen Wissenschaftler Adolf Fer-dinand Wenceslaus Brix (1798-1870).

1 °Brix entspricht einer Konzentration von 1 g Saccharose in 100 g Saccharose-Wasser-Lö-sung.

Obst

Qualität Schlecht Mässig Gut Hervorragend

Erdbeere 8 12 16 18

Apfel 6 10 14 18

Blaubeere 4 8 16 22

Brombeere 6 8 12 14

Cantaloupe-Melone 8 12 14 18

Honigmelone 8 10 14 16

Wassermelone 8 12 16 18

Weinbeere 8 12 18 22

Himbeere 6 8 12 14

Kirsche 6 8 14 16

Birne 6 10 14 16

Orange 6 10 16 20

Gemüse

Qualität Schlecht Mässig Gut Hervorragend

Kartoffel 3 5 7 10

Endivie 4 6 10 12

Bohne 4 8 10 12

Broccoli 6 8 10 12

Erbse Ackererbse 4 6 10 12

Blumenkohl 4 6 8 10

Mais 6 10 18 24

Zuckermais 6 10 18 24

Paprika 4 6 8 12

Salat 4 6 8 10

Tomate 4 6 10 14

Zwiebel 4 6 10 12

Möhre 4 8 14 18

Tab. 3: Beispiele von Brix-Werte von Obstsorten und Gemüsearten

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Wieso Abbemat? Der Name des Refraktometers von Anton Paar bezieht sich auf den deutschen Phy-siker Ernst Abbe (1840-1905), der zusammen mit Carl Zeiss (1816-1888) und Otto Schott (1851-1935) die moderne Optik geprägt hat. Er konnte im Rahmen seiner Ar-beit in der praktischen Optik ein Refraktometer entwickeln.

Abb. 9: Abbe-Refraktometer (1897)

Handrefraktometer

Abb. 10: Winzer mit einem Handrefraktometer

Abb. 11: Skala Handrefraktometer

Winzer und Obstbauern können schnell den Zuckergehalt von Trauben, Trauben-most, Beeren, Kern- und Steinobst im Feld bestimmen und so u.a. die Erntezeit opti-mieren.

Hier wird die Probe auf ein Prisma aufgetragen. Eine Grenzlinie erscheint auf einer °Brix-Skala zwischen einem Hellfeld und einem Dunkelfeld und markiert so den Zu-ckergehalt der Probe.

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4. Dichte einer Flüssigkeit

Der Grad Brix kann sowohl aus Brechungsindex-Skalen bestimmt werden als aus Skalen von Dichtewerten. Die Dichtemessung der in der Getränkeindustrie hergestellten binären Mi-schung (Fruchtsäfte, Soda, Energie-Drinks) ist daher eine andere bedeutende Analyseme-thode für Routineanalysen und für die Qualitätskontrolle.

Die Dichte eines Stoffs ist definiert als die Masse einer Volumeneinheit:

Dichte = Masse

Volumen ρ

m

V

Die Masse ist unabhängig von äusseren Gegebenheiten. Die Dichte ist temperaturabhängig und druckabhängig.

Die Grundlage jeder genauen Dichtemessung ist deshalb eine genaue Temperaturmessung oder -kontrolle. Typischerweise sinkt die Dichte mit steigender Temperatur, da auf Grund der thermischen Bewegung die Moleküle mehr Raum brauchen.

5. Das Gerät: Dichtemessgerät mit Biegeschwinger

Dichtemessgerätemit Biegeschwinger sind eine neue Entwicklung der letzten Jahrzehnte, die im Qualitäts- und Forschungslabor die klassischen Methoden mit Aräometer und Pyknometer zur Dichtemessung ersetzt haben.

Abb. 12: Dichtemessgerät DMA 4100M von Anton Paar

Abb. 13: Aräometer

Abb. 14: Pyknometer

3.98 °C 20 °C

Wasser 0.99997 g

cm3 0.9982 g

cm3

Ethanol 0.8029 g

cm3 0.7893 g

cm3

Tab. 4: Dichte und Temperatur

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Die Probe wird in einen U-förmigen Messschwinger (Rohr) aus Borosilikatglas gefüllt, der elektronisch zur Schwingung in seiner Eigenfrequenz angeregt wird.

Abb. 15: U-förmiger Messbiegeschwinger Die Eigenfrequenz ändert sich je nach Dichte der Probe. Durch präzise Messung der Eigen-frequenz und eine passende Justierung kann die Dichte der Probe ermittelt werden. Auf Grund des grossen Einflusses der Temperatur auf die Dichte muss die Temperatur der Messzelle sehr genau kontrolliert werden. Die Dichte wird aus dem Quotienten der Periodendauer des Biegeschwingers und der Perio-dendauer des Referenzschwingers errechnet.

Mit dem Dichtemessgerät wird die Dichte von Mischungen aus zwei chemischen Komponen-ten (Sirup und Wasser) bestimmt. Der Dichtewert solcher binären Mischungen ist abhängig von ihrer Zusammensetzung.

Daher kann mit Hilfe von Dichte-Konzentrationstabellen die Zusammensetzung dieser Mi-schung berechnet werden. Das Gerät gibt, bei einer bestimmten Temperatur von 20 °C, eben-falls einen °Brix oder %Brix-Wert an, den wir als Zuckerkonzentration (% Saccharose) anneh-men können.

Verstärker

Auswerte- einheit

Anzeige

Spule

Magnet Biegeschwinger

Glaszylinder

Probe

Abb. 16: Prinzip der Dichtemessung mit einem Biegeschwinger

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Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Reflexion und Brechung von Lichtstrahlen .................................................................. 3 Abb. 2: Darstellung einer Welle ................................................................................................ 4 Abb. 3: Neon, Quecksilber- und Natriumlampe jeweils mit Spektrum ..................................... 4 Abb. 4: Reflexion und Brechung eines Lichtstrahls .................................................................. 5 Abb. 5: Lichtstrahl im Halbkreisprisma ..................................................................................... 5 Abb. 6: Abbemat 300 (Anton Paar) .......................................................................................... 6 Abb. 7: Messaufbau mit dem Abbemat .................................................................................... 7 Abb. 8: Kurve der Einfallswinkel des Lichtsignals auf dem Sensor .......................................... 7 Abb. 9: Abbe-Refraktometer (1897) ......................................................................................... 9 Abb. 10: Winzer mit einem Handrefraktometer ........................................................................ 9 Abb. 11: Skala Handrefraktometer ........................................................................................... 9 Abb. 12: Dichtemessgerät DMA 4100M von Anton Paar ....................................................... 10 Abb. 13: Aräometer ................................................................................................................ 10 Abb. 14: Pyknometer .............................................................................................................. 10 Abb. 15: U-förmiger Messbiegeschwinger ............................................................................. 11 Abb. 16: Prinzip der Dichtemessung mit einem Biegeschwinger ........................................... 11 

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien ........................................................... 3 Tab. 2: Brechungsindizes verschiedener Proben ..................................................................... 4 Tab. 3: Beispiele von Brix-Werte von Obstsorten und Gemüsearten ....................................... 8 Tab. 4: Dichte und Temperatur .............................................................................................. 10 

Quellen

Abbildungen:

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Spektrallampen.jpg# (28.08.2014) http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Soft_drink_bottles# (28.08.2014) http://de.wikipedia.org/wiki/Grad_Brix (28.08.2014) http://de.wikipedia.org/wiki/Abbe-Refraktometer#mediaviewer/Datei:Abbe-Refraktometer.png Physikalisches Praktikum mit besonderer Berücksichtigung der physikalischen-chemischen Methoden von Eilhard Wiedemann und Hermann Ebert; Dritte verbesserte und vermehrte Auflage; Braunschweig, Friedrich Vieweg und Sohn; 1897. http://de.wikipedia.org/wiki/Refraktometer#mediaviewer/Datei:WinzerMitRefraktometer.jpg (28.08.2014) http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Pyknometer.jpg (29.08.2014) http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AFIP-Refraktometer.jpg (28.08.2014) http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Biegeschwinger.svg#mediaviewer/Datei:Biege-schwinger.svg (28.08.2014)

Inhalte:

http://www.anton-paar.com (28.08.2014) Anton Paar (2014). Betriebsanleitung DMA 4100 M. Anton Paar (2014). Betriebsanleitung Generation M. Anton Paar (2013). Betriebsanleitung Abbemat 300. Matissek, R., Steiner, G. & Fischer, M. (2014). Lebensmittelanalytik. 5. Auflage. Springer Spektrum