Versuch: Charakterisierung von Speiseölen

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1 1 Institut für Lebensmittelchemie Praktikum Technologie 1 Vorbemerkung Versuch: Charakterisierung von Speiseölen Speiseöle sind Fette und gehören daher zur Stoffgruppe der Lipide. Die Lipide sind im Unterschied zu anderen chemischen Stoffgruppen nicht ausschließlich durch ihre chemische Zusammensetzung definiert, sondern durch ihre Eigenschaft, unpolar oder nur wenig polar zu sein. Zu den Lipiden gehören neben den Fetten (chemische Bezeichnung: Triglyceride bzw. Triacylglycerole) Wachse, Steranabkömmlinge (z.b. tierische und pflanzliche Sterine), Terpene (z.b. Carotinoide), Phosphatidsäureabkömmlinge (z.b. Lecithin), Glyceroglykolipide, Sphingolipide, fettlösliche Vitamine u.a. Die Fette und so auch die Öle sind Gemische gemischter Triglyceride. Ihre Eigenschaften, der Gebrauchswert der Fette und der ernährungsphysiologische Wert werden durch die Fettsäurezusammensetzung und die Anordnung der Fettsäuren im Triglyceridmolekül bestimmt. Öl ist eine triviale Bezeichnung für ein Fett, das bei Zimmertemperatur flüssig ist. Öle enthalten im Wesentlichen langkettige Fettsäuren. Entscheidend für den niedrigen Schmelzpunkt ist der Anteil an ungesättigten Fettsäuren. Die wichtigsten ungesättigten Fettsäuren sind die Ölsäure, die Linolsäure und die Linolensäure: Ölsäure Linolsäure Linolensäuren Ölsäure 18:1 (9); ω9-familie Linolsäure 18:2 (9,12); ω6-familie (essentiell) α-linolensäure 18:3 (9, 12, 15); ω3-familie γ-linolensäure 18:3 (6, 9, 12); ω6-familie Die Doppelbindungen sind cis-konfiguriert und zwei oder mehr Doppelbindungen in einem Molekül sind isoliert angeordnet (nicht konjugierte Fettsäuren). Die Zählung der Doppelbindung erfolgt entweder klassisch, ausgehend vom C-Atom der Carboxylgruppe, oder vom Ende der Fettsäurekette (ω-zählung). Pflanzliche Öle lassen sich über ihre ungesättigten Fettsäuren charakterisieren. Der Anteil an mehrfach ungesättigten Fettsäuren bestimmt den Ernährungswert, da Fettsäuren der ω6- Familie essentiell sind. Die technische Eigenschaft des Trocknens eines Öls wird ebenfalls durch den Anteil an mehrfach ungesättigten Fettsäuren bestimmt (Leinöl wird als trocknendes und Mohnöl als halbtrocknendes Öl bezeichnet). Die Eigenschaft, dass trocknende und halbtrocknende Öle beim Stehen an der Luft zur Trocknung neigen (Firnisbildung), ist an Reaktionen gebunden, an denen die Doppelbindungen beteiligt sind. Zusammenfassend werden die Reaktionsabläufe als autoxidativ und der Gesamtablauf als Autoxidation be-

2 2 zeichnet. Charakteristisch für diese Reaktionsabläufe ist, dass dabei die isolierten Doppelbindungen in thermodynamisch stabilere konjugierte Systeme umgewandelt werden (konjugierte Fettsäuren). Solche Prozesse finden in unterschiedlichem Ausmaße, nicht nur bei der Lagerung an der Luft, sondern auch bei der Raffination, vor allem bei der Bleichung, statt. (13) (11) (9) CH 3 -(CH 2 ) 4 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-(CH 2 ) 7 - RO 2 * ROOH (13) (9) -CH=CH-C*H-CH=CH- -C ( * ) H-C ( * ) H-C ( * ) H-C ( * ) H-C ( * ) H- (13) (11) (9) -CH-CH=CH-CH=CH- -CH=CH-CH-CH=CH- -CH=CH-CH=CH-CH- O 2 (I) (II) (III) Die Peroxyldiensäuren (I) und (III) sind konjugierte Systeme. Aus den Peroxylradikalen bilden sich nach einem Radikalkettenmechanismus die entsprechenden Hydroperoxysäuren, die dann weiter zu Ketoverbindungen, Aldehyden, dimeren, oxidimeren, peroxidimeren und schließlich zu polymeren Produkten weiter reagieren können. Praktikumsaufgabe 1. Berechnen Sie für zwei Speiseöle die durchschnittliche Anzahl Doppelbindungen im Fettmolekül. 2. Weisen Sie in den Speiseölen konjugierte Doppelbindungen nach. Zur Berechnung der durchschnittlichen Anzahl Doppelbindungen im Fettmolekül eines Fettes benötigt man die (VZ) und die Jodzahl (JZ) des Fettes. Die VZ ist die Menge an Kaliumhydroxid in mg, die zur Verseifung (alkalisch katalysierte Hydrolyse der Triglyceride) von 1,000g Fett benötigt wird. Aus der VZ lässt sich die mittlere molare Masse des Fettes berechnen. Die Fettprobe wird in einem Überschuss an ethanolischer Kaliumhydroxidlösung verseift, und die nicht verbrauchte Menge an Kaliumhydroxid wird mit Säure zurücktitriert. Die JZ ist die Menge an Halogen in g, bezogen auf Jod (Iod), die von 100g Fett oder Fettsäure gebunden wird. Zur Ermittlung der JZ wird nach der Methode von Kaufmann das gelöste Fett mit einem Überschuss an Brom versetzt und das nicht zur Addition an die Doppelbindungen benötigte Brom bestimmt. Die Differenz entspricht dem addierten Halogen; es wird als Jod berechnet. Die Rücktitration des Broms erfolgt jodometrisch, dazu wird eine, durch das überschüssige Brom aus einer Kaliumjodidlösung freigesetzte, äquivalente Menge Jod mit Natriumthiosulfat titriert. Br 2 + R 1 -CH=CH-R 2 R 1 -CHBr-CHBr-R 2 Br J - J Br - 2- J S 2 O 3 2J S 4 O 6

3 3 Der Nachweis konjugierter Doppelbindungen in Fetten erfolgt durch UV-Absorption am Spektrophotometer. Die Maxima der Triglyceride mit gesättigten, einfach ungesättigten bzw. den isolierten mehrfach ungesättigten Fettsäuren liegen im kurzwelligen Bereich unter 200 nm. Die Konjugierung verschiebt die Absorption in den langwelligeren Bereich: Absorptionsmaximum Absorptionsmaximum typischer Banden konjugierte Diene ca. 232nm konjugierte Triene nm 258nm, 268nm, 279nm konjugierte Tetraene nm Die deutliche Erfassung der konjugierten Diene bei ca. 232nm ist, bei geringer Dienkonzentration im Fett, durch die Überlagerung mit den Absorptionsbanden im kurzwelligeren Bereich erschwert. Die Fette müssen stark verdünnt werden oder es wird ein Differenzspektrum gegen eine Lösung aus Stearinsäuremethylester aufgenommen. Die Absorption von Stearinsäuremethylester ist mit der Absorption eines Fettes vergleichbar, das keine konjugierten Doppelbindungen enthält. Im Differenzspektrum wird die Absorption der gesättigten Fettsäuren und Isolenfettsäuren kompensiert, und dadurch wird auch eine schwach ausgeprägte Dienbande im Bereich von 230 bis 240nm deutlich sichtbar. (Da die Absorptionskurven der Stearinsäuremethylesterlösung und der Öllösung nicht vollständig parallel verlaufen, verschieben sich die Differenzen der Absorptionen - und damit auch das scheinbare Maximum der Dienbande - mit Abnahme der Ölkonzentration zu längeren Wellenlängen.) Chemikalien und Geräte Analysenwaage, Wägegefäß Rundkolben 250mL, NS29 2 Rückflusskühler 2 Heizer, geeignet für den 250-mL-Rundkolben 2 Korkring 2 Vollpipette 25mL, 10mL Bürette 25mL oder 50mL Siedesteine, Gummifinger zum Anfassen der heißen Kolben, Stoppuhr Kaliumhydroxidlösung, ethanolisch ca. 0,5mol/L Salzsäure 0,5 mol/l (0,5N) Phenolphthalein 1%ig in Ethanol (Tropfflasche) Analysenwaage, Wägegefäß Erlenmeyerkolben 300mL, NS29 mit Glasstopfen 2 Miniaturbechergläser, Tropfer, Stoppuhr 2 Mensur 10mL (Chloroform) Mensur 25mL oder Dispenser (Kaliumjodidlösung) Vollpipette 25mL, 10mL Bürette 25mL oder 50mL Chloroform (trocken über Natriumsulfat) Bromlösung, methanolisch nach Kaufmann Kaliumjodidlösung 10%ig Natriumthiosulfatlösung 0,1mol/L Stärkelösung 1%ig

4 4 Spektrophotometrischer Nachweis konjugierter Doppelbindungen Spektralphotometer Quarzküvetten (Suprasil I) nm, Schichtdicke 1cm oder 0,5cm mit 2 Abdeckung Analysenwaage Maßkolben 10mL, Tropfer 2 Stearinsäuremethylester 1%ige Lösung in Hexan Hexan Durchführung: Ca. 2g Speiseöl werden auf 5mg genau in den Rundkolben eingewogen (kleines Becherglas mit Rückwaage). In den Kolben werden dann 25,0mL ethanolische Kalilauge pipettiert und einige Siedesteine zugegeben. Die Mischung wird 60Min lang unter Rückfluss erhitzt, wobei vor allem am Anfang gelegentlich vorsichtig umgeschwenkt wird. Anschließend wird die noch heiße Verseifungslösung mit Tropfen Phenolphthaleinlösung versetzt und mit der 0,5N Salzsäure bis zum Verschwinden der Rotviolettfärbung titriert (Verbrauch Hauptversuch). Im Blindversuch wird die ethanolische Kalilauge mit der Salzsäure ohne Speiseöl titriert. Für den Blindversuch genügen auch 10mL ethanolische Kalilauge. Der Verbrauch wird dann mit 2,5 multipliziert. In einem Mikrobecherglas werden 0,1... 0,2g Speiseöl auf 0,5mg genau eingewogen. Das Mikrobecherglas mit dem Öl wird in den Erlenmeyerkolben gegeben, in 10mL Chloroform wird das Öl gelöst und mit 25,0mL methanolischer Bromlösung nach Kaufmann versetzt. Der Kolben wird verschlossen und 1Stunde lang unter Lichtausschluss stehengelassen. Es werden anschließend 15 ml Kaliumjodidlösung hinzugegeben, und die freigesetzte Jodmenge wird mit Natriumthiosulfatlösung zunächst bis zur Gelbfärbung und nach Zugabe von ca. 1mL Stärkelösung bis zur Farblosigkeit titriert (Vorsicht! Man kann sehr leicht übertitrieren). Für den Blindversuch (ohne Speiseöl) genügen 10mL Bromlösung. Der Verbrauch wird dann mit 2,5 multipliziert. Spektrophotometrischer Nachweis konjugierter Doppelbindungen Stellen Sie sich eine ca. 0,25%ige (w/v) Lösung des Speiseöls in Hexan her. Es werden dazu 25mg Speiseöl in einen 10-mL-Maßkolben eingewogen und mit Hexan aufgefüllt. Nehmen Sie zunächst das Spektrum der 0,25%igen Lösung des Speiseöls im Bereich von 200 nm nm gegen Hexan auf. Vergleichen Sie das Spektrum mit dem der 1%igen Stearinsäuremethylesterlösung und beurteilen Sie, ob die gewählte Konzentration zur Bildung eines Differenzspektrums geeignet ist. Wenn erforderlich, dann stellen Sie sich eine neue Öllösung in Hexan her. Das Differenzspektrum wird dann rechnerisch mit Hilfe der Gerätesoftware erstellt. Am Spektrophotometer erfolgt eine Einweisung. Auswertung: Die molare Masse der Kalilauge beträgt 56,1g. Entsprechend der Definition berechnet sich die VZ:

5 5 ( b a) N 561, VZ =, mit E b Verbrauch Salzsäure im Blindversuch in ml a Verbrauch Salzsäure im Hauptversuch in ml N Normalität der Salzsäure E Einwaage in g Die Atommasse von Jod beträgt 126,91g. Entsprechend der Definition berechnet sich die JZ: ( b a) N 126, 91 JZ =, mit E 10 b Verbrauch Natriumthiosulfatlösung im Blindversuch in ml a Verbrauch Natriumthiosulfatlösung im Hauptversuch in ml N Normalität der Natriumthiosulfatlösung E Einwaage in g Zur Berechnung der durchschnittlichen Anzahl Doppelbindungen im Fettmolekül ermitteln Sie zunächst aus der VZ die mittlere Molmasse des Fettes. Gehen Sie dabei davon aus, dass 3Mole Kaliumhydroxid 1Mol Triglycerid (Fett) verseifen (Molmasse von Kaliumhydroxid 56,1g). Die Anzahl Doppelbindungen ergibt sich dann aus der Annahme, dass 1 Doppelbindung 1Molekül Jod addiert (Molmasse von Jod 253,82g). VZ und JZ werden als arithmetrische Mittelwerte einer Doppelbestimmung mit einer Kommastelle angegeben. Zur Berechnung der durchschnittlichen Doppelbindungszahl werden die Mittelwerte von VZ und JZ verwendet. Die Angabe erfolgt gerundet ohne Kommastelle. Bewerten Sie das Vorkommen konjugierter Doppelbindungen qualitativ. Ist der Wert der Extinktionsdifferenz einer 1%igen Öllösung in Hexan zur 1%igen Lösung von Stearinsäuremethylester größer als 1,2, so ist eine Autoxidation des Öls zu vermuten, vor allem, wenn auch Trien- oder Tetraenbanden nachweisbar sind.