Kohlenhydratgehalt in Instantkaffee nachweisen

Komplett gelöst

Die DIN ISO 11292:1995 regelt die Bestimmung und Analyse von Kohlenhydraten in Instantkaffee mittels Anionenaustauschchromatografie in Kombination mit gepulster amperometrischer Detektion (PAD). Im Folgenden wird eine Methode vorgestellt, die eine Kationenaustausch-Säule auf Polymerbasis in der Ionenform Pb2+ und PAD verwendet.
© Subbotina Anna/Shutterstock.com

Instantkaffee ist in vielen Regionen der Welt sehr beliebt. Er wird aus getrocknetem Kaffeeextrakt durch Sprüh- oder Gefriertrocknung hergestellt [1]. Da Kohlenhydrate die Hauptbestandteile von Kaffeebohnen sind, ist ein Qualitätsmerkmal für Instantkaffee sein Gehalt an freiem und Gesamtzucker. Geregelt wird diese Analyse durch ISO 11292:1995 [2] oder die Ballaststoffbestimmungsmethode AOAC-Methode 995.13. Die Kohlenhydrate können als Aromabinder und Schaumstabilisatoren wirken. Sie können auch die Viskosität des Getränks beeinflussen und sind ein guter Indikator für die Beurteilung der Authentizität [3]. Während der Gesamtzuckergehalt vor der Bestimmung einen Hydrolyseschritt erfordert, wird der freie Gehalt unmittelbar nach dem Lösen des Pulvers bestimmt. Nach ISO 11292:1995 sind die Gehalte der folgenden Kohlenhydrate von Interesse: Arabinose, Fructose, Galactose, Glucose, Mannose, Saccharose, Mannit und Xylose. Darüber hinaus ist die Bestimmung des Gesamtglucose- und Gesamtxylose-Gehalts ein Indikator zur Beurteilung der Echtheit von Instantkaffeeprodukten. Die Spezifikationsgrenze eines Indikator-Kohlenhydrats ist die maximal zulässige Konzentration, ab der ein löslicher Kaffee als verfälscht gilt. Die Grenze ist definiert als die Summe aus dem Höchstgehalt und der erweiterten Ungenauigkeit [4].

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Material und Methoden

Bei Verwendung eines Systems, das nicht bio-inert ist, muss mit 20%iger Salpetersäure bei einer Flussrate von 1 ml/min für etwa 30 Minuten passiviert werden. Danach wird mit entionisiertem Wasser gespült, bis der pH-Wert neutral ist. Die 300 mM Natriumhydroxid (NaOH)-Lösung für die Zugabe nach der Säule wurde in Kunststoffkolben unter Verwendung einer 50 % (w/w) carbonatfreien NaOH-Stammlösung hergestellt. Nach der Verdünnung wurde der NaOH-Eluent in eine Plastikflasche überführt. Der Eluent wurde mittels Ultraschall entgast und zusätzlich vakuumfiltriert. Um den Eluenten kohlendioxidfrei zu halten, wurde ein zusätzlicher Filter auf der Flasche installiert. Alle Kalibrierstandards wurden gelöst in entionisiertem Wasser. Der ECD (engl. electron capture detector) wurde in gepulstem Modus unter Verwendung einer 4-stufigen PAD-Potenzialwellenform betrieben (Bild 1).

Bild 1: 4-stufige PAD-Potenzialwellenform für den Nachweis von Monosacchariden und anderen Kohlenhydraten. Der Probennachweis erfolgt während der hervorgehobenen Zeitspanne tProbe. © Knauer

Gehalt freier Kohlenhydrate:
Ungefähr 300 mg Instantkaffeeprobe wurden in einen 100-ml-Messkolben eingewogen und 70 ml entionisiertes Wasser hinzugefügt. Der Kolben wurde so lange geschwenkt, bis die Probe sich vollständig aufgelöst hatte, und dann bis zur Marke mit Wasser aufgefüllt. 5 - 10 ml dieser Lösung wurden durch eine SPE-Kartusche filtriert, die ersten Milliliter wurden verworfen. In diesem Fall wurden Macherey Nagel Chromabond C18-Kartuschen (REF 730003) verwendet. Das Filtrat wurde dann erneut durch einen 0,2-μm-Spritzenfilter gefiltert und mit Wasser im Verhältnis 1 : 10 verdünnt. 20 μl der aufbereiteten Probe wurden injiziert.

Gesamtkohlenhydratgehalt:
Ungefähr 300 mg der Instantkaffeeprobe wurden in einen 100-ml-Messkolben eingewogen und 50 ml 1,0 M Salzsäure hinzugefügt. Der Kolben wurde leicht geschwenkt und anschließend für 150 Minuten in ein kochendes Wasserbad gestellt. Alle 30 Minuten wurde die Lösung von Hand geschwenkt. Nach Abkühlen der Probe auf Raumtemperatur wurde der Kolben bis zur Markierung mit deionisiertem Wasser aufgefüllt und die Probenlösung dann durch einen Faltenfilter filtriert. 3 ml dieses Filtrats wurden durch eine SPE-Kartusche in Silberform gefiltert und der erste Milliliter verworfen. Hier kamen „Macherey Nagel Chromafix PS-Ag+ Es“-Kartuschen (REF 731865) zum Einsatz. Zuletzt wurde die Probe durch einen 0,2-μm-Spritzenfilter gefiltert und mit Wasser im Verhältnis von 1 : 10 verdünnt. 20 μl der vorbereiteten Probe wurden injiziert.

Bestimmung der Trockensubstanz:
Die Trockensubstanz der löslichen Kaffeeprodukte wurde nach DIN 10764-4:2007-03 [5] durch Erhitzen unter Atmosphärendruck bestimmt.

Ergebnisse

Bild 2: Chromatogramm des Standards mit ß = 5,00 μg/ml. 1 - Saccharose, 2 - Glucose, 3 - Xylose, 4 - Galactose, 5 - Arabinose, 6 - Mannose, 7 - Fructose, 8 - Mannitol. © Knauer

Es ist eine Fünf-Punkt-Kalibrierung für acht Kohlenhydrate in einem Bereich von 0,35 μg/ml bis 5,00 μg/ml erstellt worden. Alle Kalibrierkurven zeigten eine gute Linearität mit einem Korrelationskoeffizienten von R2 > 0,9999. Bild 2 zeigt beispielhaft das Chromatogramm eines Standards bei einer Konzentration von ß = 5,00 μg/ml. 

Bild 3: Chromatogramm des Gehalts an freien Kohlenhydraten. 1 - Saccharose, 2 - ­Glucose, 3 - Xylose, 4 - Galactose, 5 - Arabinose, 6 - Mannose, 7 - Fructose, 8 - Mannitol. © Knauer

Die Bestimmung der Trockensubstanz von zwei Instantkaffeeproben erfolgte nach DIN 10764 4:2007 03 [5] durch Erhitzen auf 95 °C unter Atmosphärendruck. Für beide Proben wurde ein Masseverlust von w = 2,79 g/100 g errechnet. Weiterhin wurde die Wiederholbarkeit der Methode durch eine Mehrfachmessung (n = 5) bestimmt. Die relative Standardabweichung für Peakfläche und Retentionszeit wurde berechnet. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse für die Reproduzierbarkeit.

Bild 4: Chromatogramm einer hydrolysierten Kaffeeprobe. 1 - Glucose, 2 - Xylose, 3 - Galactose, 4 - Arabinose, 5 - Mannose, 6 - Fructose, 7 - Mannitol. © Knauer

Zwei verschiedene Instantkaffeeproben wurden nach der beschriebenen Probenvorbereitung für die Bestimmung des freien und des gesamten Kohlenhydratgehalts vorbereitet. Bild 3 zeigt die Messung des Gehalts der freien Kohlenhydrate für eine der Proben. Bild 4 veranschaulicht die Bestimmung des Gesamtgehalts der gleichen Probe nach der Hydrolyse.

Tabelle 1: Reproduzierbarkeit (n = 5) für Peakfläche und Retentionszeit. © Knauer

Tabelle 2 fasst die ermittelten Mengen für den freien und den gesamten Kohlenhydratgehalt in den Instantkaffeeproben zusammen. Der Masseverlust wurde bei der Berechnung berücksichtigt. Um falsche Deklarationen zu vermeiden, nach denen verfälschte Produkte als 100 % reiner löslicher Kaffee deklariert werden, regelt die ISO 24114:2011-04 die Kriterien für die Echtheit von Instantkaffeeprodukten [4]. Dafür wird der Gesamtgehalt von zwei Indikator-Kohlenhydraten, Xylose und Glucose, betrachtet. Die Spezifikationsgrenze für den Gesamtgehalt an Glucose liegt bei 2,46 % und 0,45 % für den Gesamtgehalt an Xylose. Beide gemessenen Proben zeigen ähnliche Mengen für den Gehalt an freien Kohlenhydraten und Gesamtkohlenhydratgehalt. Die Werte für die beiden Indikator-Kohlenhydrate liegen innerhalb der Spezifikationsgrenze von ISO 24114:2011-04. Somit können die gemessenen Proben als reiner löslicher Kaffee bezeichnet werden.

Tabelle 2: Gehalt an freien Kohlenhydraten und Gesamtkohlenhydratgehalt in Proben. © Knauer

Fazit

Die genannte adaptierte Methode mit einer polymerbasierten Kationenaustausch-Säule in der Ionenform Pb2+ und gepulster amperometrischer Detektion eignet sich für die Analyse von Kohlenhydraten in Instantkaffee und zur Überprüfung der Authentizität von löslichen Kaffeeprodukten. Die Verwendung der NaOH-Nachsäulenzugabe ermöglicht den Einsatz von Polymersäulen und damit die Analyse eines sehr breiten Konzentrationsbereichs auf ein und derselben, sehr langlebigen Säule.

Quellen:

  1. A. Instant coffee: Good or bad? https://www.healthline.com/nutrition/instant-coffee-good-or-bad#what-it-is (December 11, 2019).
  2. 11292:1995(E) Instant coffee – Determination of free and total carbohydrate contents – Method using high-performance anion-exchange chromatography. https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:11292:ed-1:v2:en (December 11, 2019).
  3. Scientific. Carbohydrate analysis in instant coffee according to adapted ISO method 11292:1995. https://antecscientific.com/downloads/notes/food/220_006_01%20-%20Carbohydrate%20Analysis%20in%20Instant%20Coffee.pdf (December 11, 2019).
  4. 24114:2011-04 Instant coffee – Criteria for authenticity. https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:24114:ed-1:v1:en (December 11, 2019).
  5. 10764-4:2007-03 Analysis of coffee and coffee products – Determination of loss in mass of soluble coffee – Part 4: Method for soluble coffee and soluble coffee products by heating under atmospheric pressure (routine method) (2007).

AUTORINNEN
Juliane Böttcher, Mareike Margraf, Kate Monks
KNAUER Wissenschaftliche Geräte GmbH
www.knauer.net

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