Untersuchung und Bestimmung von Coffein in ausgewählten Getränken in Rückgriff auf die Dünnschichtchromotographie

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Dünnschichtchromatographie
2.1. Grundprinzip der chromatographischen Methode
2.2. Vorteile der Dünnschichtchromatographie gegenüber anderen Chromatographiemethoden

3. Versuchsprotokoll
3.1. Thema
3.2. Benötigte Geräte
3.3. Benötigte Chemikalien
3.4. Versuchsaufbau
3.5. Versuchsdurchführung
3.6. Beobachtung
3.7. Auswertung

4. Fazit
4.1. Gefahren und Risiken
4.2. Abschluss

5. Literaturverzeichnis

6. Anhang

1.Einleitung

In meiner Facharbeit möchte ich das physikalisch – chemische Verfahren der Dünnschichtchromatographie zur Bestimmung von Coffein und die möglichen Gefahren des Genuss coffeinhaltiger Getränke bearbeiten.

Da derlei Getränke heutzutage sehr verbreitet sind, aber nur wenige über die Risiken informiert sind, weckte dieses Thema meine Neugier. Ich gehöre selbst zu den Menschen die ihren morgendlichen Kaffee brauchen, daher interessierte mich wo Coffein noch überall enthalten ist.

Bei der Recherche zu den verschiedenen Verfahrensmöglichkeiten um Coffein zu extrahieren, erwachte beim Anblick der unübersichtlichen Bandbreite mein Ehrgeiz, mich mit einigen von ihnen näher auseinanderzusetzen und selbst einen entsprechenden Versuch durchzuführen.

Im ersten Teil meiner Arbeit werde ich deswegen zunächst das Grundprinzip der Chromatographie erläutern, um dann im Einzelnen auf die Methode der Dünnschichtchromatographie, sowie auf die Vorteile gegenüber anderen Verfahren einzugehen.

Anschließend behandle ich den praktischen Teil meiner Arbeit. Im Laufe der Recherche, habe ich die Gelegenheit bekommen, einen Versuch zur Bestimmung von Coffein in ausgewählten Getränken in den Räumlichkeiten des Berufskollegs Kartäuserwall durchzuführen. Dort erwartete mich ein komplett ausgerüstetes Labor, sowie der zuständige Laborleiter Hr. Schmitz-Hoerner. Ich hatte viel Zeit zur Verfügung, sodass ich den Versuch unter Anleitung in Ruhe durchführen konnte.

Außerdem hatte ich das Glück, dass Hr. Schmitz-Hoerner nicht nur die einzelnen Versuchsanweisungen gegeben hat, sondern vielmehr das Prinzip und die Zusammenhänge jedes Gerätes und jedes Verfahrens erläutert hat. Diese Erfahrung werde ich in Form eines Versuchsprotokolls und umfangreichem Bildmaterial im Anhang dokumentieren.

Schlussendlich möchte ich in meinem Fazit auf die Versuchsergebnisse in Bezug auf die Risiken des Coffeinkonsums, eingehen.

2.Dünnschichtchromatographie

2.1. Grundprinzip der chromatographischen Methode

Die Chromatographie ist allgemein ein physikalisch – chemisches Trennverfahren zur Analyse eines Stoffgemisches. Es gibt dabei verschiedene Methoden der konkreten Umsetzung, die sich im Einzelnen vor allem durch den unterschiedlichen Aggregatszustand der mobilen Phase unterscheiden; die verbreitetsten Verfahren sind Gas -, Hochleistungsflüssigkeits -, und Dünnschichtchromatographie (abg. DC).^[1] Letztere habe ich in dieser Facharbeit verwendet und werde daher vor allem auf diese eingehen.

Das Grundprinzip ist bei all diesen Methoden dasselbe. Ziel ist es, Stoffgemische in ihre einzelnen stofflichen Bestandteile aufzutrennen um danach eine qualitative Analyse der Proben möglich zu machen. Die ausgewählten Substanzen werden dabei mithilfe zweier Phasen getrennt: der stationären Phase und der mobilen Phase. Die Proben werden zunächst auf die stationäre Phase aufgetragen und wandern anschließend in dem Fluss der mobilen Phase, die an der stationären Phase hochgezogen wird, mit. Dabei ist zu beachten dass die beiden Phasen untereinander nicht löslich sein dürfen, da sich das Modell andernfalls naturgemäß auflösen würde.

Die stationäre Phase bildet die eigentliche Trennschicht. Sie besteht bei der Dünnschichtchromatographie meistens aus einem körnigen, feinporigen Material wie Aluminiumoxid oder Kieselgel. Diese Schicht befindet sich auf einem geeigneten Trägermaterial wie Glas, Metall oder einer geeigneten Folie.

Das Laufmittel stellt die mobile Phase dar. Sie besteht meistens aus einem Gemisch eines eher unpolaren und organischen Lösungsmittels wie Isopropanol und ein geringer Anteil eines eher polaren Lösungsmittels wie einer Ammoniaklösung. Die Polarität des Lösungsmittels hängt dabei von dem Mischverhältnis dieser beiden Komponenten ab und lässt sich daher auch über dieses steuern.

Die mobile Phase wird durch die Wirkung der Kapillarkräfte an bzw. in der stationären Phase hochgezogen. Die vorher auf die Trennschicht aufgetragenen Proben wandern dabei mit. Die Geschwindigkeit mit der ein Stoff die Laufstrecke bewältigt, hängt dabei davon ab wie stark er an die Trennschicht adsorbiert wird.

Das Bestreben nach Adsorption wiederum hängt von der Polarität des Stoffes und der Polarität der Trennschicht bzw. der Polarität des Laufmittels ab. Üblicherweise ist es so, dass die stationäre Phase eher polar und die mobile Phase eher apolar ist.

Durch die Brownschen Molekularbewegungskräfte, damit sind die temperaturabhängigen Bewegungen der Moleküle eines Stoffes gemeint, wechseln die Stoffe ständig zwischen beiden Schichten hin und her. Ist nun beispielsweise Stoff A aus der Probe eher polar, wird er stark an die stationäre Phase adsorbiert und bewältigt die Laufstrecke daher deutlich langsamer als beispielsweise der eher apolare Stoff B, welcher sich schneller mit dem Laufmittel bewegen kann.^[2] (Als Trennfaktor ist es auch möglich statt der Polarität eine andere Stoffeigenschaft, wie zum Beispiel die Löslichkeit bestimmter Substanzen, zu wählen).

Bei dem ständigen Wechsel zwischen den Phasen bildet sich ein so genanntes dynamisches Gleichgewicht; das bedeutet, dass immer gleich viele Teilchen von der mobilen Phase in die stationäre Phase wechseln wie umgekehrt. Daraus ergibt sich folglich, dass das Konzentrationsverhältnis des zu trennenden Stoffes in der mobilen Phase sowie in der stationären Phase konstant, also im Gleichgewicht bleibt. Dennoch bewegen sich die Teilchen fortlaufend weiter, auch wenn dies dann von außen nicht mehr wahrnehmbar ist.^[3]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Verteilungsgleichgewicht in beiden Phasen^[4]

Während des Aufenthalts in der stationären Phase reduziert sich die Laufgeschwindigkeit des Stoffes auf null, das bedeutet es handelt sich mehr um eine Stop – and – Go – Bewegung als eine konstante Wanderung. Das Ausmaß dieses ‚Gebremstwerdens’ wird auch Retention genannt. Jeder Stoff hat einen spezifischen Rf-Wert (aus dem Englischen: retention factor) der die Wanderungsgeschwindigkeit der Substanz beschreibt. Dieser Wert ist definiert als Quotient aus der von der Substanz zurückgelegten Strecke und der vom Lösungsmittel zurückgelegten Strecke.^[5] Der Wert ist konstant und daher charakteristisch für jeden Stoff. Er bietet dadurch ein weiteres Kriterium zur Kennzeichnung eines Stoffes, neben Stoffeigenschaften wie Schmelztemperatur, Dichte, Leitfähigkeit, etc.

Die Geschwindigkeitsunterschiede der einzelnen Stoffe führen letztlich zur Auftrennung der Substanz.

2.2. Vorteile der Dünnschichtchromatographie gegenüber anderen Chromatographiemethoden

Die Dünnschichtchromatographie hat den Vorteil dass sie einfach aufgebaut ist und dadurch ohne großen Aufwand durchgeführt werden kann. Im Gegensatz zur Gas -, und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie werden zur Durchführung keine besonderen Apparaturen benötigt, abgesehen von dem Trägermaterial mit der Trennschicht. Damit ist die Dünnschichtchromatographie eine der preiswertesten Verfahren.

Außerdem gibt es bei Anwendung der Dünnschichtchromatographie fast keine Beschränkungen in Bezug auf die Auswahl und Zusammenstellung der Proben, da sich nahezu jede Substanz auflösen lässt. Dies ist beispielsweise bei der Gaschromatographie nicht der Fall; mit diesem Verfahren lassen sich nur verdampfbare Substanzen untersuchen.

Der wesentliche Nachteil der Dünnschichtchromatographie ist, dass mit diesem Verfahren ausschließlich qualitative Untersuchungen möglich sind. Durch das ‚Mitlaufen’ einer Referenz (Stoff im Reinformat) lässt sich feststellen ob ein Stoff in ausgewählten Proben vorhanden ist, aber nicht wie viel davon. Die Dichte der einzelnen Stoffpunkte lässt sich lediglich aufgrund ihrer Intensität abschätzen, aber eine genaue quantitative Analyse ist nicht umsetzbar. Eine Möglichkeit ist jedoch, die Substanz Balken -, statt Punktförmig aufzutragen, dann den ‚durchgelaufenen’ Stoffbalken abzukratzen, aufzulösen und anschließend in einem Photometer zusätzlich zu untersuchen. In diesem Fall handelt es sich nicht um die analytische Dünnschichtchromatographie, sondern um eine präparative Form.

3.Versuchsprotokoll

3.1. Thema:

Qualitative Untersuchung von ausgewählten Getränken auf den Inhaltsstoff Coffein mithilfe des Verfahrens der Dünnschichtchromatographie und anschließende zusätzliche Untersuchung des schwarzen Kaffees mit Hilfe eines Photometers.

3.2. Benötigte Geräte :

- Kapillarpipetten

- Manuelle Mikroliterpipetten in verschiedenen fest eingestellten Volumen ( 10µl, 100µl und 1000µl)
- Reagenzglasschüttler ( Lab Dancer)
- Analysewaage
- Zentrifuge ( bis zu 16 G)
- Thermomixer
- Schließdichte Chromatographiekammer
- Messbecher
- Trichter
- Kieselgel-Platten mit Fluoreszenz-Indikator
- Photometer
- UV-Lampe

3.3. Benötigte Chemikalien:

- Je 1 ml der ausgewählten Proben:

- Schwarzer Tee
- Schwarzer Tee (entkoffeiniert)
- Schwarzer Kaffee
- Grüner Tee
- Roiboos Tee
- Energy Drink
- Laufmittel (50ml : 50ml : 0,5ml) :
- Petroleumbenzin, reinst (100° - 140° ) [ eher polar ]
- 2-Propanol, reinst (Isopropanol) [eher polar ]
- Ammoniaklösung, reinst (Konzentration = 25%) [ eher apolar ]
- Reines Coffein (als Referenz), (1mg in 1ml Wasser gelöst)

[...]

^[1] Vgl. Schwedt, Georg. Analytische Chemie/Grundlagen, Methoden und Praxis. 2. Auflage. Weinheim: WILEY-VCH Verlag, 2008 [ Seite 379 ]

^[2] [ 6 ] Adsorptionsphenomen

http://www.med4you.at/laborbefunde/techniken/chromatographie/lbef_chromatographie.htm#Adsorptions_chrom

^[3] Vgl. u.a. Eisner, Werner und Glaser, Marianne. Elemente Chemie II , Gesamtband. 1.Auflage.

Stuttgart: Ernst Klett Verlag, 2000

^[4] http://chromatographie.ntk-landau.de/images/equi2_vert.gif

^[5] Vgl. Burger, Artur und Wachter, Helmut. Hunnius Pharmazeutisches Wörterbuch. 8.Auflage. Berlin/ New York: de Gruyter, 1998