Arbeitsblatt: Coffein

Extraktion und Gehaltsbestimmung von Coffein aus Getränken Eingereicht von Fabian Lörtscher und Fabian Müller Datum 15. März 2011 Ergänzungsfach Chemie Kantonsschule Solothurn 15:00:00Fabian Lörtscher und Fabian Müller Inhaltsverzeichnis Coffein 1 1. 2. Theoretische Grundlagen 1. Wirkung von Coffein auf den menschlichen Körper Um wach zu werden, um nicht einzuschlafen und um die allgemeine Leistung zu verbessern werden coffeinhaltige Getränke seit langer Zeit von den verschiedensten Kulturen konsumiert. Doch auf welche Weise verzögert Coffein die Ermüdungserscheinungen? Coffein hat im Grunde genommen zwei Wirkungen auf unseren Körper. Zum einen verlängert es die Wirkung vom anregenden Adrenalin, zum andern hemmt es die Wirkung vom ermüdenden Botenstoff Adenosin. Adrenalin wirkt im Körper durch einen Botenstoff, genannt cAMP. Dieses cAMP wird vom Enzym Phosphodiesterase abgebaut. Nun hat Coffein die Wirkung, dass diese Enzyme gehemmt werden, also wird auch der Abbau von cAMP verzögert, was zu einer längeren Wirkung von Adrenalin führt. Die wichtigere Wirkung von Coffein ist die auf den Botenstoff Adenosin. Wenn Adenosin Moleküle an den Rezeptoren andocken, senden sie ein Signal aus, welches dem Gehirn Erschöpfung meldet. Bei Einnahme von Coffein, werden die Rezeptoren besetzt und das Adenosin kann folglich nicht mehr wirken. Somit werden die Erschöpfungserscheinungen verzögert und der Kreislauf des Körpers wird angeregt. Man wird also durch einen Kaffe nicht weniger müde. Der Körper merkt es nur noch nicht. Die Halbwertszeit von Coffein im Körper beträgt etwa 2 Stunden. Bei Schwangeren und Kindern wird es viel langsamer abgebaut. Bei gemässigtem Konsum und gesundem Lebensstil geht man keine Gesundheitsrisiken ein. Bei erhöhtem Konsum jedoch sind eine erhöhte Harnfunktion und Herz- Kreislaufstörungen nicht auszuschliessen. [1,2] Coffein Coffein 2. Coffein 3. Grundlagen der photometrischen Gehaltsbestimmung Unter Photometrie versteht man die Konzentrationsbestimmung einer Substanz. Das Photometer ermittelt hierbei mit einem Lichtsensor die Veränderung der Intensität des durch die Substanz durchstrahlenden Lichts einer bestimmten Wellenlänge. [3] 3.1. Aufbau und Funktionsweise eines Photometers Abbildung Aufbau Photometer Die Probe, welche analysiert werden soll befindet sich in einem Glasgefäß (Küvette K) und wird mit Licht bestimmter Wellenlänge durchstrahlt. Das aus der Quelle entsandte kohärente weiße Licht wird hierbei durch ein Prisma (P) oder ein optisches Gitter in eine bestimmte Farbe zerlegt. Der Grund hierfür liegt darin, dass die in der Flüssigkeit gelösten Stoffe, nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren. Die Konzentration hängt nun in einem direkten Zusammenhang mit der durch die Substanz hervorgerufenen Abschwächung des durchdringenden Lichts. Im lichtempfindlichen Empfänger (E) wird die Intensität des durch die Küvette gelangenden Lichts gemessen. Anschließend wird die Extinktion anhand des Gesetzes von Lambert-Beer berechnet (V) und auf einem Ausgabegerät (A) angezeigt. Häufig wird anstelle des Prismas ein Farbfilter oder eine Lichtquelle verwendet, welche auf das Licht gewünschter Wellenlänge direkt eingestellt werden kann (z.B. Leuchtdioden). Diese Art von Fotometer wird als Spektralfotometer bezeichnet. [4] 3 3.2. 3.3. Das Gesetz von Lambert-Beer Eine Küvette, welche einen gelösten Stoff mit der Konzentration enthält, wird mit Licht der Intensität J0 bestrahlt. Die Intensität des Lichts, welches aus der Küvette austritt beträgt J. Coffein Als Maß für die Durchlässigkeit des Lichts gilt die Transmission T, welche durch die gelösten Teilchen des Lösestoffs beeinflusst wird und durch das Verhältnis von: bestimmt wird. Nach Lambert-Beer gilt nun: e: molarer Extinktionskoeffizient (Lösestoffspezifische Konstante); c: Konzentration; d: Schichtdicke der Küvette. [5] 3.4. Da Besonderheiten der Coffein-Bestimmung Coffein farblos ist, ist eine direkte fotometrische Untersuchung zur Konzentrationsbestimmung nicht zugänglich. Hierbei wird aber ausgenutzt, dass Coffein in wässriger, saurer Lösung mit Iod/Kaliumiodid schwerlösliches Coffeinperiodid (C8H10O2N4HII4) bildet, welches allerdings in Methanol sehr gut löslich ist. Durch Messung der Extinktion der methanolischen Lösung bei einer Wellenlänge von 470 nm kann mit Hilfe einer Eichgeraden auf eine Konzentration zurückgeschlossen werden. [6,7] Coffein 3 3. Coffein 4. Vorgehen und Beobachtungen 1. Extraktion von Coffein In diesem Verfahren löst man das Coffein durch die Eigenschaft der Phasentrennung aus der Probe. Dabei werden 200ml einer Probe zusammen mit 10ml ca. 2.5%-iger Ammoniaklösung in einen Scheidentrichter gegossen. Nach Zugabe von 40ml Dichlormethan wird das Coffein durch leichtes schwenken des Kolbens von der Wasserphase in die Dichlormethanphase extrahiert. Die Dichlormethanphase wird ohne Spuren der ursprünglichen Probe in einen Erlenmeyerkolben abgelassen. Man gibt einen Polylöffel Calciumchlorid hinzu. Zur Wiederabtrennung des Calciumchlorids wird die Probe in einen vorher gewogenen Rundkolben filtriert. Nach anschliessendem Eindampfen am Rotovap wägt man den abgekühlten Rundkolben erneut. 2. Um Dünnschichtchromatographie die Reinheit unseres Produktes zu beurteilen muss man damit eine Dünnschichtchromatographie durchführen. Man braucht eine mit Kieselgel beschichtete Folie, welche als stationäre Phase dient. Man trägt die Produkte in ein wenig Fliessmittel gelöst punktförmig auf den unteren Rand auf. Zu den Proben trägt man noch zusätzlich den gesuchten Reinstoff auf, um sie später zu vergleichen. Bei uns war es reines Coffein. Diese Folie wird in eine Chromatographiekammer gegeben, in welcher der Boden mit Fliessmittel bedeckt ist. Wir benutzten eine Mischung aus Dichlormethan und Ethanol im Verhältnis 9:1. Die Kammer wird verschlossen und erschütterungsfrei stehen gelassen. Nun beginnt das Fliessmittel aufgrund der Kapillarkraft an der Folie hochzusteigen. Sobald es die Proben erreicht, werden sie mitgezogen. Es werden nicht alle Substanzen gleichweit gezogen. Dadurch verteilen sich die Einzelteile der Probe auf der Folie. Unter einer UV Lampe sind diese sichtbar und können aufgrund ihrer Position beurteilt werden. Desto mehr Substanzflecken eine Spur hat, desto unreiner ist sie. Coffein 3 3. 4. Gehaltsbestimmung von Coffein nach Hase Zur Bestimmung der Coffeinmenge in Cola und Energydrink wird die Coffeinbestimmung nach Hase angewandt. Um störende Begleitstoffe aus den jeweiligen Flüssigkeiten zu entfernen werden zunächst 50ml des Getränks mit 6ml 6.9%iger Kupfersulfat-Lösung und 30ml Wasser gemischt und erwärmt. Nach dem Abkühlen werden 3ml 8.4 %ige Kaliumhexacyanoferrat(2)-Lösung beigegeben und der entstandene Niederschlag abfiltriert. Es ist zu beobachten, dass sich der Energydrink nach Beigabe von Kupfersulfat etwas grün färbt, während das Cola eine hellbräunliche Farbe annimmt. Bei beiden Getränken kommt es bei der Erwärmung zu einer Blasenbildung. Nach der Zugabe von Kaliumhexacyanoferrat kommt es beim Energydrink zu einem violett, braunen Niederschlag, beim Cola zu einem annähernd schwarzen Niederschlag. Das Filtrat beim Energydrink ist gelbgrün und beim Cola hellbraungelblich. Beide Lösungen werden anschließend in einer sauren Lösung mit Iod versetzt, wobei es zur Bildung des gelbbraunen Coffein-Iod-Komplexes kommt. Die Lösungen werden nach Abkühlung durch einen G4 Filtertiegel abgesaugt und der entstandene Coffein-Iod-Niederschlag mit Methanol in ein separates Gefäß herausgewaschen. Nach dem die erhaltene Lösung mit dem Coffein-Iod-Komplex in eine Küvette abgefüllt wurde, wird die Extinktion mit dem Photometer bestimmt. Um aber die Konzentration von Coffein aus Getränken mit einer Eichgerade bestimmen zu können, müssen ebenfalss die Extinktionswerte von 4 Standardlösungen mit bekannter Coffeinkonzentration nach dem selben Vorgehen gemessen werden. Die linke Abbildung zeigt die 4 Standardlösungen. Hier sind sehr gut die farblichen Unterschiede aufgrund der unterschiedlichen Coffeinperiodidkonzentration zu erkennen.Mit der erhaltenen Eichgerade wird nun die gemessene Extinktion des jeweiligen eindeutig einer Konzentration zugeordnet. Getränkes Coffein 5 5. 6. Auswertung und Resultate 1. Extraktion von Coffein Die Gewichtsdifferenz der beiden Messungen ergeben die Masse der extrahierten Stoffe. Für unsere Proben erhielten wir: Coca Cola Zero: 450mg Energydrink (solo Markt): 540mg Es gilt zu beachten, dass diese Werte für 200ml des jeweiligen Getränks gelten. 2. Dünnschichtchromatographie Tabelle Berechnung der Rf-Werte Getränk Laufstrecke der Substanz Laufstrecke Fliessmittel Rf-Wert Coffein 3,8 6,3 0,60 Cola Energydrin 3,9 6,3 0,62 4 6,3 0,63 Mit einem Rf-Wert zwischen 0.62 und 0.63 liegen wir relativ nahe an dem experimentellen Wert von Coffein von 0.6 und dem theoretischen Wert bei Coffein von 0.55. Es wird also Coffein in unseren Proben nachgewiesen. Coffein 3 3. Coffein 4. Gehaltsbestimmung nach Hase Tabelle Resultate der 4 Standardlösungen Coffein [mg/l] Extinktion 50 0,02 100 0,066 200 0,11 500 0,22 Die untere Abbildung zeigt die durch das Experiment ermittelten Extinktionswerte der Standardlösungen im annähernd linearen Verhältnis zur Coffeinkonzentration anhand einer Regressionsgerade. Abbildung Eichgerade Fitfunktion der Regressionsgerade: f(x) 0.4201x 0.0147 Wie auf dem Diagramm zu erkennen entspricht somit der X-Wert der Coffeinkonzentration und der Y-Wert der Extinktion. Um mit Hilfe der experimentell ermittelten Extinktion die Coffeinkonzentration eines Getränkes zu ermitteln wird die obige Formel einfach nach aufgelöst: [Coffein] 2.38039 y [Extinktion] – 0.035 Coffein Coffein Die Resultate für unsere Getränke werden nun wie folgt berechnet: CocaCola Zero: (Coffein) 2.38039 0.052 – 0.035 0.0888 g/l 8.88 mg/100ml 0.125 – 0.035 0.2626 g/l 26.26 mg/100ml Energy Drink: (Coffein) 2.38039 7. Diskussion 1. Extraktion von Coffein Uns ist der Geruch unserer Produkte aufgefallen. Es roch noch sehr stark nach dem Getränk, aus dem es jeweils extrahiert wurde. Daraus schliessen wir, dass das Produkt unmöglich reines Coffein sein kann, denn dann wären die Substanzen geruchlos. 2. Dünnschichtchromotographie Während der Betrachtung unter der UV Lampe markierten wir die entsprechenden Verfärbungen. Neben der Spur des Coffeins liessen sich drei weitere Verfärbungen feststellen. Somit müssen mindestens drei weitere Substanzen in unserem Coffeinextrakt vorhanden sein. Wir haben zudem beobachtet, dass die kristalline Form eine gelbliche Farbe hatte. Dies stützt die erste Aussage, denn reines Coffein wäre farblos. Die Methode der Extraktion ist also geeignet, um den ungefähren Gehalt eines coffeinhaltigen Getränkes zu bestimmen. Zur Reinform von Coffein wären jedoch noch weitere Reinigungsverfahren nötig. Coffein 3 3. Coffein 4. Gehaltsbestimmung nach Hase Der theoretische Coffeingehalt beträgt laut Hersteller bei CocaCola Zero 9.7 mg/100ml und beim Energydrink 32 mg/100ml. Verglichen mit unseren experimentell ermittelten Werten liegen wir also beim Energy Drink und dem CocaCola Zero unter dem theoretischen Wert. Wir vermuten, dass nicht alles Coffein in einen Coffein-Iod Komplex übergeht und zusätzlich zu geringe Mengen von Coffeinperiodid beim Absaugen der Lösung durch den G4 Filtertiegel verloren geht. Tabelle Fehler der jeweiligen Messungen Getränk Coffein th. mg/100ml Coffein exp. mg/100ml Fehler in Cola Zero 9,7 8,88 8,45 Energydrin 32 26,26 17,94 5. Vergleich Vergleicht man die gemessene Menge des Coffeins mit der extrahierten Menge des angeblichen Coffeins sind grosse Unterschiede festzustellen. Die Extraktion fällt höher aus als die errechnete Menge durch die Gehaltsbestimmung nach Hase. Wie bereits erwähnt, schliessen wir darauf, dass auch andere Stoffe bei dieser Methode extrahiert wurden. Prozentual stärker zeigt sich dieser Unterschied beim Coca Cola Zero, wo wir auch weitere Verfärbungen bei der Dünnschichtchromatographie feststellen konnten. Unserer Vermutung nach ist die Menge an Begleitstoffen wie Süßstoffen grösser. 6. Coffein 8. Coffein 9. Quellenverzeichnis 1. Literaturverzeichnis [1] (Stand: 13.3.11) [2] (Stand: 14.3.11) [3] (Stand: 13.3.11) [4] (Stand: 13.3.11) [5] (Stand: 13.3.11) [6] (Stand: 13.3.11) [7] (Stand: 13.3.11) 2. Abbildungsverzeichnis