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Thema

Kaffee ist ein Genussmittel des Alltags. Allerdings ist die chemische Zusammensetzung nicht so bekannt. Wesentlichster und bekanntester Inhaltsstoff des Kaffees ist das Koffein. In meiner Arbeit geht es um die Feststellung, welche Auswirkungen verschiedene Brühverfahren und unterschiedliche Brühzeiten auf den Koffeingehalt im Kaffee haben. Dazu habe ich nach einfachen aber brauchbaren Methoden zur Bestimmung des Koffeingehaltes gesucht und diese angewendet.

Allgemeines über den Kaffee

    Über die Historie des Kaffees ranken sich interessante Geschichten, Sagen und andere Veröffentlichungen, die bis ins Altertum zurückgehen. Die Kaffeepflanze an sich wächst als Strauch bzw. als Baum mit roten Kaffeekirschen zur Erntezeit. Sie gehört zur Pflanzenfamilie der Rubiaceen, zu der in unseren Breiten auch das Labkraut und der Waldmeister zählt. Die Kaffeepflanze stellt hohe Ansprüche an den Boden. Dieser muss tief, locker, gut belüftet, wasserdurchlässig und mit einem neutralen bis leicht sauren pH-Wert ausgestattet sein. Die obere Bodenschicht soll einem hohen Humusgehalt aufweisen, der für das Nährstoffangebot und für die Feuchtigkeitsbewahrung wichtig ist. Ökologisch gesehen verhindert die Pflanze die Bodenabtragungen bei tropischen Regengüssen und Winderosionen. Für das Gedeihen der Pflanze ist die Niederschlagsmenge von 1.500 – 2.000 mm/qm wichtig.

Die wesentlichen Bestandteile einer Kaffeebohne sind:

Inhaltsstoffe

Anteil in der Kaffeebohne

z.B. enthalten in:

Kohlenhydrate

30-40%

Saccharose, Glucose

Wassergehalt

10-13%

Wasser

Fettstoffe

10-13

Linolsäure, Palmitinsäure

Säuren

4-5%

Chlorogensäure

Eiweißstoffe

11%

Proteine

Mineralstoffe

4%

Kalium, Calcium, Magnesium

Aromastoffe

0,1%

1000 verschiedene,

noch nicht alle entdeckt

Alkaloide

0,8-2,5%

Koffein, Trigonellin, Nicotinsäre, Theo-bromin und Theophyllin

 

Das Koffein

    Koffein ist ein Alkaloid und als solches ein wesentlicher Bestandteil der Kaffeebohne.

    Seine chemische Bezeichnung lautet: 1,3,7-Trimethylxanthin

                    Formeln:

    Elektronenstrichformel:

    Räumliche Darstellung:

     

    Kristall

     

    Das Koffein des Tees wurde früher als Tein bezeichnet, ist aber mit dem Koffein des Kaffees identisch.

Wirkung

Koffein hat eine belebende, anregende Wirkung, es verkürzt die Reaktionszeit des Menschen und fördert seine Harnausscheidung. Außerdem regt es die Herztätigkeit, den Stoffwechsel und die Atmung an. Die Körpertemperatur, der Blutdruck und die Blutumlaufgeschwindigkeit steigen; die Blutgefäße im Hirn erweitern sich ein wenig, währenddessen sie sich in den Eingeweiden verengen. Höhere Koffeinkonzentrationen, etwa 300 mg, enthalten in 5-6 Tassen Kaffee, führen beim Menschen jedoch zu Unruhe, Schweißausbrüchen, erhöhter Reizbarkeit, Schlaflosigkeit, Muskelzittern und Gedankenflucht. Extrem hohe Dosen führen zu Krämpfen und damit zur Koffeinvergiftung.

Im Organismus hat Koffein eine Halbwertzeit von 3-5 Stunden. Menschen mit hohem Blutdruck, koronarer Herzkrankheit und Erkrankungen des Nervensystems sollten jedoch solche koffeinhaltige Getränke meiden oder auf entkoffeinierte Produkte ausweichen. Empfindliche Personen werden schon durch den GenussGenuß von ein oder zwei Tassen Kaffee am Einschlafen gehindert. Bei anderen Menschen hebt der Wirkstoff die Stimmung oder erleichtert das Einschlafen, weil auch während des Schlafes die Durchblutung des Gehirns gefördert wird.

 

Wie sich das Koffein im Tee von dem im Kaffee unterscheidet

Lange meinte man, das Tein habe eine mildere Reizwirkung im Vergleich zum Koffein aus dem Kaffee. Tein, dessen chemische Formel mit der des Koffeins identisch ist, ist besonders im Grünen Tee in reichlicher Dosierung vorhanden. Tee wirkt aber im Gegensatz zu Kaffee nie aufregend, dafür aber angenehm anregend. Das liegt an den unterschiedlichen Koffeinbindungen des Tees im Vergleich zum Kaffee.

Das Koffein im Kaffee ist an Kaliumsalz gebunden. Diese Bindung wird im Magen durch die dort produzierte Salzsäure sofort gelöst. Dadurch gerät das Koffein bereits wenige Minuten nach dem Kaffeegenuss direkt in die Blutbahn und wirkt entsprechend anregend. Es wird aber auch relativ schnell wieder abgebaut.

Das Koffein im Tee ist an Gerbstoffe gebunden und wird erst im Darm langsam gespalten. Obwohl sich diese Bindung zunächst im Aufbereitungsprozess Aufbereitungsprozeß des Tees weitgehend löst, kommt die Bindung nach längerem ziehen lassen des Aufgusses wieder zu Standezustande.

Interessant ist, dass während des Erkaltungsprozesses in der Teekanne Koffein und Gerbstoffe dann ihre alte Bindung wieder eingehen. Daraus resultiert dann der Film auf abgestandenem kalten Tee.

       

Eigenschaften des Koffeins

Koffein ist ein weißes kristallines Pulver mit bitterem Geschmack. Durch folgende Summenformel C8H10N4O2 hat es ein Molekülgewicht von 194 g/mol.

Koffein sublimiert ab 178°C und sein Schmelzpunkt liegt bei 234-239°C.

Koffein ist löslich in Wasser, Ethanol, Aceton, Ether, Chloroform und Benzol.

Vorkommen

Koffein kommt zum Beispiel in Kaffeebohnen, in verschiedenen Teesorten – besonders im Grünen Tee - , in Colanüssen und in geringen Mengen auch in Kakaobohnen vor.

Verwandte Stoffe des Koffeins

      1. Theophyllin 1,3-Dimethylxanthin
      2. Theophyllin ist nur in geringen Mengen im Tee enthalten. Dieses Alkaloid steigert die Leistung des Herzens, fördert die Durchblutung und wird in konzentrierter Form gegen Bronchialasthma eingesetzt.

      3. Theobromin 1,3,7-Dimethylxanthin

Theobromin ist wie Theophyllin nur in geringen Mengen im Tee aufzufinden Es regt das ZNS an und steigert wie Theophyllin und Koffein die Herzaktivität.

Auswahl der Bestimmungsmethoden

Es gibt verschiedene Methoden,  den Koffeingehalt des Kaffees zu bestimmen. Mein Anliegen ist es, ein Verfahren zu finden, mit dem man einfach, ungefährlich und schnell Koffein aus gekochtem Kaffee extrahieren kann.

          Dazu bieten sich zum Beispiel an:

  1. eine Dünnschicht Chromatographie, DC,
  2. die Trennung durch Sublimation oder
  3. die photometrische Methode an.

 

Ich habe mich bei meinen Versuchen für die photometrische Methode entschieden.
Die HPLC Methode ist im Anhang kurz erläutert.

Vorversuche

      Zunächst wurde das Spektrum einer Koffeinlösung (c = 12 mg/l Koffein in Methylenchlorid) aufgenommen. (siehe Anhang ) Üblicherweise wird nur beim Extinktionsmaximum gemessen. Zur Belegbarkeit meiner Werte habe ich das Intervall von 250 nm bis 300 nm vermessen.

      Ferner habe ich unter Anwendung des Lambert-Beerschen-Gesetzes überprüft, ob der eingesetzte Koffeingehalt auch durch den Versuch bestätigt wird. Dazu benötigt man den Extinktionswert bei der Wellenlänge von 276 nm. Er beträgt bei diesem Versuch 0,613 wobei die Küvettenstärke "d" mit 1cm immer konstant bleibt.

      Durch den Extinktionskoeffizient e , den ich bei der Eichgeradenherstellung errechnet habe, kann nun mit Hilfe der umgestellten Formel des Lambert–Beerschen-Gesetzes die Konzentration der Probe errechnet werden. Die so errechnete Konzentration stimmt mit der Anfangskonzentration von 12 mg/l Koffein überein.

      Der Versuch beweist, dass das ausgewählte Verfahren für die Koffeinbestimmung gut geeignet ist.

Lösungsmittel

                    Das für meine Versuche verwendete Lösungsmittel heißt Dichlormethan oder auch Methylenchlorid (CH2Cl2).
                    Um zu beweisen, dass das Lösungsmittel nicht meine Koffeinwerte verfälscht, habe ich ein photometrisches
 
           
         Spektrum des Lösungsmittels erstellt, das im Anhang hinterlegt ist.

                    Dabei stellte ich fest, dass der Peak des Lösungsmittels nicht den des Koffeins tangierte. So ist sichergestellt,   
                     dass das bei der Wellenlänge von 276 gemessene Koffein nicht vom Lösungsmittel beeinflusst wird. Da            
                    Methylenchlorid im Bereich von 270-280 nm nicht absorbiert, ist es als Lösungsmittel besonders geeignet.

Theorie zur Funktionsweise des Photometers

Der Name dieses Verfahrens sagt schon aus, dass es sich dabei um eine "Lichtmessung" handelt. Das Licht ist eine elektromagnetische Strahlung, die aus winzigen "Energiepaketen" besteht. Diese heißen Lichtquanten oder Photonen. Beim sichtbaren Licht handelt es sich um Wellenlängen zwischen 400 nm und 700 nm. Trifft ein Photon auf ein Molekül, so kann es, je nach Art des Moleküls, von diesem eingefangen werden. Die ganze Energie des Photons geht dabei auf das Molekül über, das sich dadurch in einem angeregten Energiezustand befindet.

    Mit dem Photometer kann man messen, wie groß der verbleibende Anteil der Strahlung ist, nachdem diese von der Stoffprobe absorbiert wird. Dies nennt man Extinktion. Im Monochromator des Photometers wird das Licht der Lampe spektral zerlegt, d.h. es wird nach seinen Wellenlängen aufgespalten. Die Probe kann nun der Reihe nach mit allen Wellenlängen des von der Lampe ausgestrahlten Lichts durchstrahlt werden. Bei jeder Wellenlänge kann die Extinktion gemessen werden. Die graphische Auswertung des Zusammenhangs zwischen Extinktion und Wellenlänge bildet eine für den gemessenen Stoff charakteristische Absorptionskurve, das Spektrum. Solche Absorptionskurven sind bei qualitativen Analysen und bei der Strukturaufklärung von Molekülen sehr wichtig.

    Überlegungen zum Lambert–Beerschen-Gesetz

    Nach dem Lambert–Beerschen-Gesetz ist die Extinktion bei einer gegebenen Wellenlänge und Schichtdicke proportional zur Konzentration. In meinen Versuchsreichen wurde die Wellenlänge auf 276 nm gesetzt und die Schichtdicke der Küvette blieb mit 1 cm konstant.

    Die Extinktion wird durch den natürlichen Logarithmus der Ausgangslichtintensität, geteilt durch die Lichtintensität nach dem Durchdringen der Probe, errechnet. Daraus ergibt sich folgende Formel:

    Die Extinktion E ist abhängig von

    e : dem molaren Extinktionskoeffizienten (Stoffkonstante für eine gegebene Wellenlänge und für ein gegebenes Lösungsmittel)

    d: der Schichtdicke der Küvette,

    c: der Konzentration der Lösung

    Aus diesen Komponenten setzt sich das Lambert-Beersche-Gesetz wie folgt zusammen:

    E = e *d * c = e * c

Funktionsweise des Photometers

    Das Licht der Lichtquelle wird mit Hilfe eines Gitters oder Prismas in seine Spektralfarben zerlegt. Die Blende wird so eingestellt, sodassso dass nur eine bestimmte Wellenlänge auf die Probe trifft, die sich in der Probenkammer befindet. Hier passiert die entscheidende Arbeit des Photometers. Die Probe absorbiert einen bestimmten Teil des Lichtes. Der verbleibende Rest des Lichtes wird in einer Messzelle gemessen. Das Anzeigegerät zeigt nun die Extinktion des Stoffes an.

     

Die Eichgerade

    Mit Hilfe einer Eichgerade kann man den für einen Stoff und eine entsprechende Wellenlänge spezifischen Extinktionskoeffizienten errechnen. Diesen Wert sowie den Wert der Extinktion setzt man in das Lambert-Beersche-Gesetz ein und so errechnet man die Konzentration des gemessenen Stoffes.

    Um Abwiegefehler bei der sehr kleinen Koffeinmenge zu minimieren, habe ich für die Erstellung der Eichgerade zunächst eine Stammlösung gemischt und dann eine entsprechende Verdünnung hergestellt.

    In ein Becherglas werden 0,006 g Koffein eingewogen. Das Koffein wird in 10 ml Dichlormethan (CH2Cl2) gelöst und in ein 10 ml Kolben gegeben. Die Lösung beinhaltet zur jetzigen Zeit 0,006 g/10 ml Koffein. Dann wird 1 ml dieser Lösung in einen 50 ml Kolben gegeben und bis zur Eichmarke mit CH2Cl2 aufgefüllt. 0,0006 g Koffein sind nun in 1 ml Lösung + 49 ml Lösungsmittel enthalten. Umgerechnet sind jetzt 0,012g Koffein in 1Liter CH2Cl2 enthalten. Dieses entspricht einer 12mg/l koffeinhaltigen Stammlösung.

    0,006 g Koffein in 10 ml CH2Cl2

    0,0006 g in 1 ml CH2Cl2

    | +49 ml CH2Cl2

    0,0006 g in 50 ml CH2Cl2

    | *2

    0,0012 g in 100 ml CH2Cl2

    | *10

    0,012 g in 1000 ml CH2Cl2

    | T

    12 mg in 1 Liter CH2Cl2

    Aus der Stammlösung wird die Verdünnprobe erstellt.

    Der Ursprung der Eichgerade liegt bei 0 g Koffein.

    Um eine Eichgerade in einem Diagramm zeichnen zu können, benötigt man mindestens 2 Extinktionswerte. Damit ich aber eine

    möglichst genaue Eichgerade mit starker Korrelation R2 » 1 erhalte, habe ich 4 Lösungen mit einer Konzentration von 4, 6, 8 und10

    mg Koffein in 1 Liter CH2Cl2 hergestellt.

    Zur Verdünnung der Stammlösungen habe ich entsprechend nachfolgender Tabelle eine bestimmte Menge der 50 ml Stammlösung

    entnommen, in einen 10 ml Kolben gegeben und mit CH2Cl2 bis zur Eichmarke aufgefüllt.

    Eichlösung in mg/l CH2Cl2

    4

    6

    8

    10

    Anteil Stammlösung

    1/3

    1/2

    2/3

    5/6

    Ml der Stammlösung

    3,33

    5,00

    6,67

    8,33

    Anteil Verdünnung CH2Cl2

    2/3

    1/2

    1/3

    1/6

    Ml Verdünnung CH2Cl2

    6,67

    5,00

    3,33

    1,67

    Ml Lösung

    10,00

    10,00

    10,00

    10,00

     

    Nun werden die Stammlösung und die 4 Eichlösungen, insgesamt also 5 Lösungen bei einer Wellenlänge von 276 nm gemessen.

    Diese Wellenlänge wurde ausgewählt, da bei dem Koffeinspektrum die Wellenlänge ziemlich genau ein Absorbtionsmaximum

    vorliegt und somit Fehlerquellen minimiert werden. Die so erstellte Eichgerade hat den Vorteil, dass man mit ihr und an Hand des

    Lambert-Beerschen-Gesetzes den Koffeingehalt einer Lösung bei der Wellenlänge von 276 nm ermitteln kann. Durch die nun

    erstellte Eichgerade kann e errechnet werden, da die Konzentration und die Extinktion bekannt sind.

    Umgestellt nach e lautet die Formel:

    e = E/(c * d)

    e = 0,611/12 mg/l * 1 cm

    Da ich aber auch Wissen wollte, ob das Lambert-Beersche Gesetz auch bei einer Extinktion über 1 gilt, stellte ich neue

    Eichlösungen her. Hierbei erkannte ich, das bei 24mg/l Koffein die Extinktion bei 1,24 lag und das Gesetz immer noch stimmt.

    Die nächste Grafik zeigt die Auswertung dieses Versuches.


    Danach beträgt
    e = 0,0509 l/mg*1/cm.
    Um eine Koffeinkonzentration "c" zu errechnen, muss das Lambert-Beersche-Gesetz nach c umgestellt werden. Demnach lautet es:

    c = E/( e * d)

    Damit kann die sich aus den Versuchen ergebende Koffeinkonzentration nicht nur graphisch ermittelt, sondern auch errechnet werden.

Angewantes Extraktionsverfahren

16g Kaffeepulver werden in eine Pressstempelkanne gegeben und mit 350 ml 83°C heißem Wasser aufgegossen. Nun zieht der Kaffee eine festgesetzte Zeit.

                                      

Dann werden 10 ml Lösung entnommen und in einen 50 ml Messkolben gegeben, der mit CH2Cl2 bis zur Eichmarke aufgefüllt, gut verschlossen und genau 1 Minute geschüttelt wird. Im Scheidetrichter lässt man die Emulsion mindestens 70 Minuten ruhig stehen. Es entstehen drei Phasen:

  1. die Oberphase, die aus dem Kaffee-Wassergemisch besteht, und braun und flüssig ist,
  2. die Zwischenphase, die eine braune Emulsion enthält und
  3. die Unterphase, die gelb und flüssig ist und das Lösungsmittel mit dem gelösten Koffein enthält.

Die Unterphase wird von den beiden Phasen abgetrennt, das Volumen bestimmt und bei der Wellenlänge von 276 nm die Extinktion gemessen.

Ist diese Lösung zu stark konzentriert, bleibt die Extinktion bei verschiedenen Wellenlängen konstant und man erhält kein typisches Koffeinspektrum. Auch ist das Lambert-Beersche-Gesetz nicht mehr gültig. Ein solches untypisches Spektrum ist im Anhang zu finden. Die Lösung muss dann weiter verdünnt und anschließend erneut gemessen werden.

Die Oberphase und Zwischenphase der Extraktion werden verworfen.

Um sicher zu gehen, das nur das Koffein aus dem Kaffee extrahiert wurde, ist eine Probe mit der HPLC-Methode überprüft worden. Danach ist in der Unterphase tatsächlich nur Koffein enthalten.

Ergebnisse der Koffeinmessungen

Sämtliche Kaffeeproben habe ich nach dem unter 8. beschriebenen Verfahren hergestellt und 4, 6, 8 oder 10 Minuten mit und ohne Filterpapier brühen lassen.

Ergebnisse:

  1. Cellulose bindet Koffein

  2. Je länger die Brühzeit ist, desto mehr Koffein wird extrahiert.
  3. Je größer die Celluloseoberfläche des Filters ist, desto mehr Koffein wird herausgefiltert.
Koffeingehalt ohne Filterdurchlauf

      Die sich aus den Versuchen ergebenden Extinktionswerte habe ich mit Hilfe des nach c umgeformten Lambert-Beerschen-Gesetzes berechnet. Die Koffeinkonzentration der Messungen ohne Filterdurchlauf ergeben bei den ausgewählten Brühzeiten folgende Werte:

      Brühzeit in Minuten

      Extinktion

      Koffeinkonzentration in mg/10 ml CH2Cl2

      CKoffein im Kaffee-Extrakt in mg/350 ml Kaffee

      4

      0,614

      7,23

      253

      6

      0,628

      7,40

      259

      8

      0,637

      8,00

      280

      10

      0,712

      8,90

      311

      In der nachfolgenden Grafik ist Koffeinkonzentration beim Brühverfahren ohne Filter in Abhängigkeit von der Brühzeit dargestellt:

      Die zu den oben genannten Versuchen gehörenden Koffeinspektren sind im Anhang hinterlegt.

Koffeingehalt mit zwei zerschnittenen Filterpapieren

      In einer zweiten Versuchsreihe habe ich getestet, wie sich der Koffeingehalt verändert, wenn zwei zerschnittene Papierfilter in den aufgebrühten Kaffee gelegt werden.

      Folgende Ergebnisse hat die Versuchsreihe gebracht:

      Brühzeit in Minuten

      Extinktionswert

      Koffeinkonzentration in mg/10 ml CH2Cl2

      CKoffein im Kaffee-Extrakt in mg/350 ml Kaffee

      4

      0,508

      6,78

      237

      6

      0,592

      6,98

      244

      8

      0,571

      7,41

      259

      10

      0,613

      8,43

      295

      Für die Brühzeiten bis zu 10 Minuten gilt:

      Je länger die Brühzeit ist, desto mehr Koffein wird extrahiert.


      Die Messwerte für das Brühverfahren mit zwei zerschnitten Filterpapieren ergeben folgende Kurve:

       

      Die hierzu gehörenden Spektren sind im Anhang zu finden.

       

Kaffeegehalt beim Aufbrüchen durch zwei Filterpapiere

      In einer dritten Versuchsreihe habe ich den unterschiedlich lang in der Pressstempelkanne gebrühten Kaffee anschließend durch zwei ineinander gesetzte Filterpapiere laufen lassen. In Folgenden Versuchen ist das unter 8. beschriebene Verfahren beibehalten worden.

       

      Hierbei habe ich folgende Ergebnisse erhalten:

      Brühzeit in Minuten

      Extinktionswert

      Koffeinkonzentration in mg/10 ml CH2Cl2

      CKoffein im Kaffee-Extrakt in mg/350 ml Kaffee

      4

      0,525

      7,01

      245

      6

      0,592

      7,20

      252

      8

      0,593

      7,69

      269

      10

      0,615

      8,70

      304

       

      Graphisch lassen sich die beim Aufbrühverfahren mit zwei Filterpapieren gewonnenen Werte in folgender Konzentrationskurve darstellen:

       

      Auch für dieses Ergebnis sind die Spektren der Einzelversuche im Anhang zu finden.

      Um die Ergebnisse der verschiedenen Versuche besser miteinander vergleichen zu können, habe ich die Graphen der 3 Versuche in einer Graphik zusammengefasst.

                   

Graphische Übersicht der 3 Versuche

Diese Übersicht zeigt alle 3 Versuche in einer Zusammenstellung. Hier kann man erkennen, wie sich die verschiedenen Aufbrühverfahren auf den Koffeingehalt auswirken. So wird bei der Versuchsreihe "Aufguss ohne Filter" das meisten Koffein, bei der Versuchsreihe "Aufguss mit zerschnittenem Filterpapier" das wenigste Koffein extrahiert. Die Ergebnisse der Versuchsreihe "Aufguss durch zwei Filterpapiere" liegen genau dazwischen.

Die Kurven der unterschiedlichen Brühverfahren sind parallel verschoben. Mathematisch ausgedrückt ist es eine Kurvenschar. Das bedeutet, dass der Koffeingehalt der einzelnen Verfahren sich bei den unterschiedlichen Brühzeiten relativ gleichmäßig verändert.

Veränderung in mg/350 ml Kaffee-Extrakt

Basis: jeweils Vorzeile

Brühzeit in Minuten

 

4

6 8 10
Aufguss ohne Filter        
Aufguss mit 2 Filterpapieren 7,7 7 10,9 8,4
Aufguss mit 2 in Stücke zerschnittenen Filterpapieren 8 7,7 9,8 9,5

 

Veränderung in v.H.

Basis: jeweils Vorzeile

Brühzeit in Minuten

4

6 8 10
Aufguss ohne Filter
Aufguss mit 2 Filterpapieren 3% 3% 4% 3%
Aufguss mit 2 in Stücke zerschnittenen Filterpapieren 6% 6% 8% 6%

 

Die Koffeinkonzentration nimmt gegenüber dem ungefiltertem Kaffee durch die Verwendung von 2 Filterpapieren um ca. 8,4 mg/350 ml Kaffee-Extrakt ab. Werden zwei Filterpapiere zerschnitten in den aufgebrühten Kaffee gelegt, reduziert sich der Koffeingehalt sogar um ca. 8,75 mg/350 ml Kaffee-Extrakt. Also steigt die Wirkung des Filterpapiers, wenn das Filterpapier länger mit dem Kaffeesud in Verbindung bleibt. Die Veränderung des Koffeingehaltes zwischen den Versuchen mit 2 Filtern und mit 2 zerschnittenen Filterpapieren beruht nicht auf einer besseren Filterwirkung, vielmehr sind bei den Versuchen unterschiedliche Filteroberfläche eingesetzt worden.

Während bei den Versuchen mit 2 zerschnittenen Filterpapieren die gesamte Oberfläche mit dem Koffein in Kontakt kam, wurde bei dem Aufguss durch 2 ineinandergesteckte Filter, auf Grund der geringen Koffeinmenge, nur 58% des Filters genutzt. Das bedeute, dass die Filteroberfläche den Koffeingehalt des Kaffees beeinflusst.

Veränderung in mg/350 ml Kaffee-Extrakt

Basis: jeweils Vorspalte

Brühzeit in Minuten

                 D (6 – 4)         D (8 – 6)       D (10 – 8)

(Zeitintervall D ta - tb)

4

6

8

10

Aufguss ohne Filter

6

21

32,9

Aufguss mit 2 Filterpapieren

6,7

17,2

35,4

Aufguss mit 2 in Stücke zerschnittenen Filterpapieren

7

14,7

36,1

Mittelwert

6,6

17,6

34,8

 

 

 

 

 

Veränderung in v.H.

Basis: jeweils Vorspalte

Brühzeit in Minuten

4

6

8

10

Aufguss ohne Filter

2%

8%

12%

Aufguss mit 2 Filterpapieren

3%

7%

13%

Aufguss mit 2 in Stücke zerschnittenen Filterpapieren

3%

6%

14%

Mittelwert

3%

7%

13%

Längere Brühzeiten wirken sich bei allen Brühverfahren überproportional auf den Koffeingehalt aus. Während der Koffeingehalt bei einer Verlängerung der Brühzeit von 4 auf 6 Minuten nur um durchschnittlich 3% steigt, erhöht sich der Koffeingehalt bei einer Verlängerung von 8 auf 10 Minuten im Mittelwert um knapp 13%. Also steigt der Koffeingehalt deutlich je länger der Kaffee aufgebrüht wird.

 

Koffein in der Oberphase

    Im Abschnitt 8 ist beschrieben, dass sich beim Extrahieren drei Phasen bilden. Die Unterphase enthält das im Lösungsmittel gebundene Koffein, während in der Oberphase das Koffein noch im Wasser enthalten ist und noch nicht herausgelöst wurde. Durch Wiederholung des Ausschüttelvorganges, kann die Extraktion des Koffeins optimiert werden. Wieviel Koffein sich nach der 1. Extraktion sich noch im Wasser befindet kann aber auch durch das Verteilungsgesetz errechnet werden. In diesem Versuch wurden ca. 10% ermittelt.

    Ausgangspunkt für die Berechnung des Verteilungskoeffizienten ist, dass in 100 ml Wasser 2 g Koffein und in 100 ml CH2Cl2 8,67 g Koffein gelöst werden können und nach dem Verteilungsgesetz diese Relation bei den Ausschüttelungen konstant bleibt.

    Das Verteilungsgesetz lautet:

    K = c1/c2

    Dabei ist

    K der Verteilungskoeffizient,

    c1 die Konzentration von Koffein gelöst in CH2Cl2 und

    c2 die Konzentration von Koffein gelöst in Wasser bei 25°C.

    Für die Berechnung der Masse des in der Oberphase enthaltenden Koffeins gilt:

     

Fehlerdiskussion

Bei Versuchen sind Fehler nicht auszuschließen. Dies erkennt man oft aber erst, wenn man die Ergebnisse auswertet und auf Plausibilität prüft.

Zum Beispiel können schon beim Abwiegen sehr kleiner Koffeinmengen Ungenauigkeiten entstehen. So habe ich während der Versuche bereits erkannt, dass ich für die Erstellung der Eichgeraden die Koffeinmenge nicht genau genug abgewogen habe. Um diese Fehlerquelle auszuschließen, habe ich deshalb eine andere Methode verwendet. Dazu habe ich eine Stammlösung angesetzt und damit eine Verdünnungsreihe erstellt. Die Korrelation zeigt, dass mir dieses Verfahren mir besser gelungen ist.

Fehler können auch dadurch entstehen, dass die eingesetzten Geräte, wie z.B. die Messkolben nicht exakt bis zur Eichmarke aufgefüllt wurden.

Da im Rahmen meiner praktischen Arbeit auch Messapparate eingesetzt worden sind, können sowohl Fehlerquellen in den Geräten selbst oder in der Anwendung liegen. Beim Photometer muss z.B. die Einstellung der Wellenlänge bei allen Versuchen erneut vorgenommen werden. Da die Skalierung mit einem Handrad eingestellt wird, kann es hier zu Ungenauigkeiten kommen.

Des WeiterenDes weiteren können im Photometer selbst Fehlerquellen liegen. Mögliche Ursachen dafür sind z.B.:

  • Die zum Messen benötigte Küvette ist leicht verschmutzt, ohne dass dies augenfällig ist.
  • Das leicht flüchtige CH2Cl2 verdampft in der Küvette. Damit verändert sich die Extinktion trotz gleichbleibendergleichbleibender Wellenlänge. ( Wurde von mir durch Herstellung eines Deckels minimiert.)
  • Beim Extrahieren habe ich nicht bedacht, das der Siedepunkt des Lösungsmittels bei ca. 40 °C liegt und somit beim Einmischen des Lösungsmittels in den heißen Kaffee ein Teil davon verdampft ist.

Da aber alle Versuche nach der gleichen Verfahrensweise, wie im Text an der jeweiligen Stelle beschrieben, durchgeführt worden sind, lassen sich die gewonnenen Ergebnisse dennoch verwenden.


Konzentrationsberechnung

    Aus 350 ml Kaffeelösung mit x Minuten Brühzeit werden 10 ml Kaffeelösung entnommen.

    Extraktion:

    10 ml Kaffeelösung werden mit VH2O

    40 ml CH2Cl2 ausgewaschen = VCH2Cl2

    50 ml Kaffee + CH2Cl2

    Aus den 50 ml entstehen im Schütteltrichter :

    34 ml Unterphase

    13 ml Oberphase

    3 ml Zwischenphase

    0,5 ml der Unterphase werden auf 10 ml verdünnt. Das entspricht einer 20-fachen Verdünnung.

    Messergebnis der verdünnten Unterphase: 25,4 mg Koffein / 1l

    In der Unterphase sind 17,27 mg Koffein gelöst!



Weitere Prüfaspekte

    Sicherlich ist es interessant auch zu prüfen, ob die Temperatur des Kaffees, das Alter des Kaffees, die Wasserhärte oder auch der pH-Wert des Wassers Einfluss auf den Koffeinanteil im Kaffeegetränk haben.

    Weitere Fragestellungen zum Thema Kaffee und Koffein könnten sein:

    Wie wirkt sich der Einsatz unterschiedlicher Kaffeemaschinen auf den Koffeingehalt aus?

    Wie unterscheidet sich der Koffeingehalt im Kaffee, Tee und Cola untereinander?

    Wie hoch ist der Koffeingehalt in verschieden Kaffeesorten? auf den Koffeingehalt aus?

    Verändert sich der Koffeingehalt beim Kaffee, wenn er länger stehen bleibt oder sogar erkaltet?

     

Literaturverzeichnis:

Bürgin, Dr. E. C.: Kaffee; Sigloch Edition; Künzelsau

Deutscher Kaffee-Verband e.V.: Kaffee-Digest 1 - Daten und Hintergründe - Welt,

Europa und Deutschland, Hamburg 1998,

7. veränderte Auflage;

Deutscher Kaffee-Verband e.V.: Kaffee-Digest 2 – Löslicher Kafee;

Hamburg, 1994, 2. Auflage;

Deutscher Kaffee-Verband e.V.: Kaffee-Digest 4 – Kaffee und Gesundheit;

Hamburg, 1996, 1. Auflage;

Jäckel, M. & Risch, Dr. K. (Hrsg.): Chemie heute Sek. I Schroedel, Hannover 1998

Jäckel, M. & Risch, Dr. K. Chemie heute Sek. I Schroedel, Hannover 1991

u.a. Hrsg.:

Jäckel, M. & Risch, Dr. K. (Hrsg.): Chemie heute Sek. II Schroedel, Hannover 1998

Lutz, B. & Pfeifer, P.: Getränke – ein Thema mit Perspektiven für den Chemieunterricht in NiU-Chemie 9, 1998, Nr. 43

Teufl, C. & Clauss, St. : Kaffee - Die kleine Schule; Zabert Sandmann Vlg., München; 1998, 1. Auflage

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http://www.teehaus.com/teehaus /index.html

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http://www.dc2.uni-bielefeld.de/dc2/haus/v173.htm

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