Trocken, feucht, nass?

Bestimmung des Wassergehalts in Lebensmitteln

Der Wassergehalt in Lebensmitteln hat großen Einfluss auf die Qualität und die Haltbarkeit. Wer die richtigen Rahmenbedingungen wählt, kann mit Hilfe der Karl-Fischer-Titration den Wasseranteil in verschiedensten Lebensmitteln problemlos bestimmen.

Mit den richtigen Rahmenbedingungen kann mit Hilfe der Karl-Fischer-Titration der Wasseranteil in verschiedensten Lebensmitteln problemlos bestimmt werden. © Fotolia / Nataliya Yakovleva

Der Wassergehalt in Lebensmitteln ist sehr unterschiedlich. Während Getränke hohe Wassergehalte aufweisen und mittels volumetrischer Karl-Fischer-Titration bestimmt werden, ist der Wasseranteil bei reinen Fetten und Ölen hingegen eher klein, weshalb die coulometrische Methode in diesen Fällen vorzuziehen ist. Die wichtigsten Voraussetzungen für eine fehlerfreie Wasserbestimmung von Lebensmitteln sind:

  • die richtige Probenlagerung und -vorbereitung,
  • fachgerechtes Applizieren der Probe,
  • optimale Freisetzung des kompletten Wasseranteils aus der Probenmatrix,
  • Verhindern von Nebenreaktionen,
  • Auswahl der richtigen Gerätetechnik.

Die Probenvorbereitung

In den meisten Lebensmitteln ist das Wasser inhomogen verteilt. Die Probe muss daher so gewählt werden, dass sie dem tatsächlichen Durchschnitt entspricht. Dazu wird eine größere Probenmenge, falls notwendig, vorzerkleinert gemischt und das Wasser darin wird bestimmt. Abhängig von der Beschaffenheit der Lebensmittel können für die Zerkleinerung von härteren Produkten Labormühlen und für weichere Lebensmittel gebräuchliche Küchengeräte eingesetzt werden. Unter Zuhilfenahme von Messern, Reiben und Mixern/Blendern werden Proben mit der Konsistenz von Käse, Schokolade, Marzipan, Trockenfrüchten, Fleischwaren und Fertiggerichten zerkleinert und püriert.

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Je nach Wasseraufnahme- und Wasserabgabeverhalten der Probe muss besondere Sorgfalt bei der Bearbeitung erfolgen. Hygroskopische Proben wie z. B. Salz, das zur Klumpenbildung neigt oder Kartoffelchips, die durch Feuchtigkeitsaufnahme ihre Knusprigkeit verlieren, müssen bei der Zerkleinerung vor Luftfeuchtigkeit geschützt werden. Dies gilt auch für Proben wie z. B. Gummibärchen, die mit der Zeit trocken und hart werden, und Bonbons, die Wasser aufnehmen und am Papier kleben bleiben. Das Mahlen in einer geschlossenen Labormühle mit Kühlmantel ist deshalb der Verreibung in einem Mörser vorzuziehen.

Das eleganteste Verfahren ist die Zerkleinerung mit einem Dispergierer in der Titrationszelle während der Bestimmung, weil so gewährleitet werden kann, dass keine Veränderung des Wassergehaltes während der Probenvorbereitung eintritt.

Fachgerechtes Applizieren der Probe

In erster Linie hängt die Art der Probenzugabe von der Konsistenz der Probe ab. Allerdings müssen auch bei der Probendosierung Fehler, verursacht durch Luftfeuchtigkeit, vermieden werden. Flüssige Proben, wie Getränkekonzentrate oder Speiseöle, können mit Hilfe einer Spritze aus einem Probengefäß entnommen und ohne Kontamination durch Feuchtigkeit durch ein Septum in die geschlossene Titrationszelle überführt werden. Ist die Probe zu viskos, um sie durch eine Nadel auszustoßen, wie z. B. Honig, kann auch ohne Kanüle gearbeitet werden. Bei hoch viskosen Proben, wie z.B. bei Margarine, bietet es sich an, die Öffnung der Kunststoffspritze abzuschneiden, um die Dosieröffnung zu vergrößern.

Für stichfeste Proben, wie z.B. Butter oder eine Nuss-Nougat-Creme, empfiehlt es sich, mit dem Löffelstopfen für Karl-Fischer-Titrationen zu arbeiten. Feste Proben werden mittels Wägeschiffchen zur Titrationszelle zugegeben. Ein Schutzrohr verhindert, z. B. bei gemahlenen Bonbons, die schnelle Aufnahme von Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft. Beim Einbringen der Probe in die KF (Karl-Fischer)-Zelle ist darauf zu achten, dass diese komplett überführt wird und kein Probenmaterial in der Öffnung oder am Rand des Gefäßes hängen bleibt.

Optimierung der Wasserfreisetzung

So vielfältig die Beschaffenheit von Lebensmitteln ist, so unterschiedlich sind die vorliegenden Bindungsformen des Wassers darin. Diese reichen von klar definierten Verbindungen, z. B. beim Milchzucker α-Lactose-Monohydrat, bis hin zu komplexen zellulären Strukturen in pflanzlichen Produkten, z. B. bei Gewürzen und Trockenfrüchten, bei denen das Wasser sowohl an der Oberfläche als auch zwischen den Partikeln gebunden ist. Zudem kann das Wasser auch in den Zellen eingeschlossen sein und muss vor der Bestimmung durch ein geeignetes Verfahren freigesetzt werden. Die Techniken zur Wasserfreisetzung sind deshalb vielfältig. Möglich sind:

  • Verwendung von Lösungsvermittlern,
  • Titration bei erhöhter Temperatur,
  • mechanische Zerkleinerung mit einem Dispergierer.
Bild 1: Ein in die Titrationszelle integrierter Dispergierer ist in vielen Fällen die beste Lösung. Die gesamte Probenvorbereitung findet in der Titrationszelle statt. © Metrohm

Die Titration von Lebensmittelproben in methanolhaltigen Standardreagenzien ist nur in seltenen Fällen möglich, da sich diese nicht hinreichend in Methanol lösen. Hier empfiehlt sich der Zusatz eines weiteren, geeigneten Lösemittels, um die Löslichkeit zu verbessern. Formamid ist ein relativ gutes Lösungsmittel für eiweiß- und zuckerhaltige Proben, wie z. B. Fruchtgummis aus Gelatine, und wird in Mischungen von bis zu 50 % mit Methanol eingesetzt.

Für fetthaltige Substanzen werden Lösungsmittelgemische mit Methanol/Chloroform verwendet. Wer auf chlorierte Kohlenwasserstoffe verzichten möchte, kann in vielen Fällen alternativ dazu Mischungen aus Methanol und langkettigen Alkoholen verwenden. Von den Reagenzherstellern sind fertige Lösemittelmischungen, z. B. für Fette und Öle, erhältlich.

Schnelleres Auflösen von Proben und schnellere Extraktion von Wasser aus der Probenmatrix kann auch durch die Erhöhung der Temperatur in der Titrationszelle erreicht werden. Mit geringem Aufwand kann die Titrationszelle mit einem Umwälzthermostaten und einem thermostatisierbaren Gefäß auf z.B. 40 °C erwärmt werden. In pflanzlichen und tierischen Lebensmittelproben kann Wasser fest in den Zellen eingeschlossen sein, aus denen es nur schwer abzutrennen ist. Für solche Fälle empfiehlt sich ein Dispergierer (Bild 1). Dieser ermöglicht eine schnelle Freisetzung des Wassers und dient zugleich als Rührer. Da die Probenvorbereitung direkt im Titrationsgefäß stattfindet, wird kein zusätzliches Wasser absorbiert und der bestimmte Wassergehalt nicht verfälscht. Die Hochfrequenz-Zerkleinerung ist die einzige Methode die gewährleistet, dass auch pflanzliche Proben gut homogenisiert werden.

Durch diese Methode werden die Zellen aufgebrochen und auch das im Zellinneren vorhandene Wasser wird extrahiert. Sehr häufig werden diese Möglichkeiten auch miteinander kombiniert. So kann z. B. der Wassergehalt von Butterfett in einer Lösemittelmischung aus Methanol/Chloroform bestimmt werden oder bei einer erhöhten Temperatur von 40 °C in einer Mischung aus Methanol/1-Octanol. Für viele Zuckerarten, wie z. B. Fruktose, Laktose oder Glukose, wird die Verwendung von Methanol/Formamid empfohlen, wobei bei der Titration bei 50 °C auf das als fruchtschädigend eingestufte Formamid verzichtet werden kann. In einigen Fällen, wie z. B. bei Müsli oder Wurstwaren, wird die Kombination von Lösungsvermittler, erhöhter Temperatur und Dispergierer empfohlen.

Umgang mit Nebenreaktionen 

Bei Lebensmitteln ist kaum mit chemischen Nebenreaktionen, die Wasser freisetzen oder mit dem Karl-Fischer-Reagenz reagieren, zu rechnen. Substanzen wie Aldehyde und Mercaptane sind, wenn überhaupt, nur in kleinen Mengen vorhanden; ihr Anteil kann in Anbetracht der meist hohen Wasseranteile vernachlässigt werden. Nebenreaktionen können je nach Ursache mit Spezialreagenzien oder Pufferzugabe unterdrückt werden oder durch moderne Gerätetechnik rechnerisch in Abzug gebracht werden.

Sollten Nebenreaktionen auftreten, die nicht verhindert werden können (z. B. durch Vitamin C), bietet sich im Allgemeinen die KF-Ofenmethode an. Dabei wird die Probe in einem Ofen erhitzt und die Feuchtigkeit wird mit einem trockenen Trägergas in die Titrierzelle überführt, wo die eigentliche Wasserbestimmung stattfindet. Da die Probe selbst nicht in die Titrierzelle gelangt, können so Nebenreaktionen vermieden werden. Die im Lebensmittelbereich unter Temperatureinwirkung auftretenden bekannten Reaktionen, wie die Karamellisierung und Maillard-Reaktion, laufen unter Wasserabspaltung ab. Aus diesem Grund sind Proben, die diese Reaktionen eingehen, häufig nicht für die Ofentechnik geeignet (z.B. Backwaren).

Anforderungen an die Gerätetechnik

Bild 2: Die Wasserfreisetzung bei der blauen Kurve ist optimal. Das Wasser wird schnell und vollständig abgegeben. Bei der roten Kurve tritt nach Abgabe des freien Wassers eine Nebenreaktion auf und führt zu einem erhöhten Verbrauch an KF-Reagenz. Bei der orangenen Kurve lässt sich eine starke Nebenreaktion erkennen. Um gute Ergebnisse zu erhalten, müssen die Rahmenbedingungen verändert werden. © Metrohm

Für das Erkennen einer langsamen Wasserfreisetzung oder einer Nebenreaktion ist die Interpretation der Titrationskurve erforderlich. Eine Karl-Fischer-Titrationskurve bei schneller und vollständiger Wasserfreisetzung und ohne Nebenreaktionen hat in der Darstellung „Verbrauch gegen Zeit“ einen steil ansteigenden Verbrauch, der nach kurzer Zeit ein Plateau ausbildet. Ungenügende Wasserfreisetzung erkennt man an einem schleppenden, weniger steil verlaufenden Anstieg der Kurve für die Hauptmenge des Wassers, während bei Nebenreaktionen der Kurvenverlauf zu Beginn der Titration häufig steil verläuft, mit einem ausgeprägten Anstieg nach der Hauptmenge der Wasserbestimmung (s. auch Bild 2). Schnell kann bei der Optimierung der Karl-Fischer-Methode durch das überlagernde Darstellen von Titrationskurven eindeutig gezeigt werden, ob die getesteten Maßnahmen, z. B. Erhöhen der Temperatur auf 40  °C, zu einer verbesserten Wasserfreisetzung geführt haben oder Nebenreaktionen unterdrückt werden konnten.

Bild 3: Für die Analyse z. B. von Ölen / Fetten steht ein vollautomatisiertes System nach dem Prinzip der thermischen Gasextraktion zur Verfügung. Die Proben können in verschließbaren Vials gesammelt, der Wassergehalt kann anschließend als Serie bestimmt werden. Das Vial wird in einen Ofen gedrückt und das Wasser aufgrund der Temperatur und eines trockenen Trägergasstroms aus dem Öl(Fett) extrahiert und in die Titrationszelle übergeleitet. © Metrohm

Moderne Systeme für die Wasserbestimmung nach Karl Fischer sind in der Lage, alle Schritte der Probenvorbereitung voll zu automatisieren. Heizen und Thermostatisieren sind ebenso möglich wie Zerkleinern und Homogenisieren. Lösemittel können der Probe zugefügt und Aliquote abgemessen werden.

Detaillierte Informationen und Titrationsvorschriften sind in der kostenlosen Metrohm-Monographie „Wasserbestimmung durch Karl-Fischer-Titration“ zu finden. Mehr als 2 000 Applikationen für die chemische Analytik stehen unter http://www.metrohm.de zum kostenlosen Download bereit.

AUTORIN

Birgit Faas
Produktmanagerin Karl-Fischer-Titration
Metrohm Deutschland
www.metrohm.de

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