Vorteile der Karl-Fischer-Titration

Wasserbestimmung in Schokolade

Wie man den Wassergehalt in Schokolade mit der Karl-Fischer-Titration bestimmt und welche Vorteile das Verfahren bietet, beschreibt eine Spezialistin von Metrohm.

Der Wassergehalt von Schokolade und deren Zwischenprodukten hat aus verschiedenen Gründen einen großen Einfluss bei der Produktion und muss daher genau bestimmt werden.

© shutterstock, xpixel

Der Wassergehalt in der Schokolade bestimmt weitgehend den Geschmack, die chemischen und physikalischen Eigenschaften sowie die Haltbarkeit des Produkts. Speziell bei der Verarbeitung zur Schokoladentafel ist die Bestimmung des Wassergehalts von entscheidender Bedeutung, da die Fließeigenschaften der Schokoladenmasse von deren Wassergehalt beeinflusst werden. Aus diesen Gründen ist ein genaues und möglichst einfaches Verfahren zur Wasserbestimmung erforderlich. Die Methode der Wahl ist die Karl-Fischer-Titration (kurz: KFT). Die KFT basiert auf der Reaktion von Wasser mit Iod und Schwefeldioxid in Gegenwart eines kurzkettigen Alkohols, z. B. Methanol, und einer organischen Base (RN) gemäß den folgenden Gleichungen:

(1) CH3OH + SO2 + RN → [RNH]SO3CH3
(2) H2O + I2+ [RNH]SO3CH3 + 2 RN → [RNH]SO4CH3 + 2 [RNH]I

(Die Rückreaktionen erfolgen in geringerem Maße.)

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Inhaltsstoffe in Schokolade
Schokolade ist nicht gleich Schokolade, es gibt sie in vielen verschiedenen Varianten und Sorten. Je dunkler die Farbe, desto höher ist der Kakao-Anteil. Neben der Kakaomasse variieren auch die Anteile für Zucker, Kakaobutter und Milchpulver. Einige Sorten enthalten neben der Schokoladenmasse auch Früchte, Nüsse, Getreideflakes, Kekse und Cremefüllungen.

Aktuelle KF-Methoden
Auf der Suche nach einer geeigneten Karl-Fischer-Methode zur Wasserbestimmung in Schokolade, wird man schnell fündig. Es gibt Empfehlungen zur Analysentechnik und detailreiche Erläuterungen zur Durchführung, allerdings wird in keiner Vorschrift unterschieden um welchen Schokoladentyp es sich handelt. Empfehlungen zu Zusatz von Formamid oder Zugabe von Chloroform werden gegeben, sowie Erwärmen der Titrationsvorlage auf 50 °C, um eine bessere Löslichkeit zu erreichen. Mindestrührzeiten zwischen 2 und 5 Minuten werden vorgeschlagen, um sicherzustellen, dass die Probe sich während der Bestimmung in der Vorlage löst. Ratschläge zur Zerkleinerung der Schokolade vor und während der Bestimmung, z. B. mit einem Homogenisator, sind zu finden.

Wassergehalte in verschiedenen Schokoladenmustern. (Quelle: Metrohm)

Voraussetzung einer störungsfreien Wasserbestimmung nach KF
Die Wasserbestimmung nach Karl Fischer (KF) ist dann problemlos, wenn das gesamte Probenmaterial rasch und homogen im Lösungsmittel suspendiert wird. Methanol, das üblicherweise in der KFT verwendet wird, ist deshalb als Lösungsmittel nur bedingt geeignet. Schokolade besteht im Wesentlichen aus Kakaomasse, Kakaobutter, Milchpulver und Zucker und bildet keine Lösungen oder stabile Suspensionen mit Methanol oder anderen üblichen Karl-Fischer-Lösungsmitteln. Die fetthaltigen Zutaten wie Kakaobutter, Kakaomasse und das im Milchpulver enthaltene Milchfett benötigen einen lipophilen Lösungsvermittler, um komplett in Lösung zu gehen, während sich die polaren Komponenten wie Zucker in hydrophilen Lösungsmitteln lösen lassen. Die KF-Titration erfordert jedoch immer noch ein alkoholisches Medium, z. B. Methanol oder ein KF-Lösungsmittel, damit die Reaktion ablaufen kann. Bei Mischungen aus lipophilen und hydrophilen Lösungsmitteln würde sich der positive Effekt aufheben, und die Löslichkeit wäre nicht gegeben. Mit Chloroform wird ein Lösungsmittel zugesetzt, das den Fettanteil gut löst, was für fetthaltige Schokoladenproben, z. B. Kuvertüre, vorteilhaft ist. Wird Formamid zur Vorlage hinzugegeben, begünstigt es das Auflösen des Zuckeranteils, was für zuckerreiche Proben wie Milchschokolade besser ist. Aber es lassen sich nicht alle Bestandteile in Lösung bringen. Der sehr fein gemahlene pflanzliche Anteil im Kakaopulver, der aus Zellulose besteht, lässt sich weder in Methanol noch durch Zusatz eines anderen Lösungsmittels für die Karl-Fischer-Titration auflösen.

Bei der Titration von Schokolade, gemäß den Methoden in der Literatur, zeigen die Titrationskurven eine deutlich verzögerte Endpunkterkennung. Nach der Titration der freigesetzten Feuchtigkeit setzt sich der Reagenzverbrauch fort, was auf eine verzögerte Wasserabgabe aus der schwerlöslichen, zellulären Kakaomatrix oder auf Iod verbrauchende Nebenreaktionen hindeutet. Zu beobachten ist, dass dieser Mehrverbrauch an Titriermittel mit der Einwaage und dem Kakaoanteil der Probe ansteigt. Eine Entfernung der Zellmatrix durch Zentrifugieren der Probenlösung hat keinen Einfluss auf den Titriermittelverbrauch, deshalb kann die erste Hypothese widerlegt werden. Im Gegensatz dazu müssen einige gelöste Kakaobestandteile mit dem Iod reagieren, das die Anwesenheit von Wasser vortäuscht.

Um das Ausmaß der Nebenreaktion zu ermitteln, wird, nachdem erstmalig der Endpunkt erreicht und das aus der Probe freigesetzte Wasser abtitriert wurde, die zugegebene Titriermittelmenge über definierte Zeiträume ausgewertet. Dieser Titriermittelverbrauch wird überwiegend durch die Nebenreaktion verursacht. Die Grafik zeigt deutlich die Abhängigkeit der Nebenreaktion vom Kakaoanteil der Schokoladensorte und der Titrationsdauer. Eine große Rolle spielt zusätzlich noch die eingewogene Probenmenge.

Nebenreaktionen für 1 g Einwaage in Abhängigkeit von Zeit und Schokoladensorte (Drift nach Abtitration des Wassers; Integrationszeit: 6 Minuten). © Metrohm

Häufig können Nebenreaktionen durch Verwendung spezieller Reagenzien unterdrückt oder verringert werden. Eine Überprüfung unter Verwendung von KF-Reagenz für Ketone zeigt, dass diese Nebenreaktion weder reduziert noch unterdrückt werden kann, also dieses Reagenz nicht geeignet ist.

Verfahren ohne halogenierte Kohlenwasserstoffe
Metrohm hat ein Verfahren entwickelt, welches auf halogenierte Kohlenwasserstoffe verzichtet, die Probeninhaltsstoffe sequenziell löst und zudem noch komplett automatisierbar ist. Die Besonderheit besteht in der Verwendung von Petroleumbenzin als halogenfreies Lösungsmittel, ein Gemisch aus aliphatischen Kohlenwasserstoffen, das nicht umweltgefährdend ist und keine homogene Mischung mit den anderen KF-Lösungsmitteln bildet, sondern bei der KFT in einer zweiten Phase vorliegt.

Ablauf des Verfahrens

  • Eine definierte Menge zwischen 0,5 und 1,5 g an geraspelter Schokolade wird direkt in Probengefäße eingewogen und verschlossen.
  • 14 ml Petroleumbenzin werden in das Probengefäß dosiert.
  • Innerhalb einer Minute werden unter Rühren die lipophilen Bestandteile wie Kakaobutter und Milchfett gelöst.
  • 12 ml Formamid werden zugegeben, so dass die Petroleumbenzin-Phase mit dem gelösten Fett unterschichtet wird.
  • Innerhalb einer weiteren Minute werden nun die hydrophilen Bestandteile wie Zucker gelöst.
  • 10 ml Methanol werden hinzugefügt.
  • Unter kräftigem Rühren wird der Wassergehalt titriert und zeitkontrolliert abgebrochen.
  • Nach der Titration des freigesetzten Wassers wird die durch die Nebenreaktion induzierte Drift bestimmt und rechnerisch berücksichtigt.
  • Die Wassermenge in den verwendeten Lösungsmitteln (Arbeitsmedium ohne Probe) wird zuvor über eine Blindwertbestimmung ermittelt und rechnerisch berücksichtigt.
  • Das aktuelle Wasseräquivalent (Titer) wird zuvor unter gleichen Bedingungen mit handelsüblichem Standard bestimmt.

Sequenzielle Extraktion
Durch Zugabe zweier nicht mischbarer Lösungsmittel, nämlich eines lipophilen Lösungsmittels, das Fette löst, und nachfolgend eines hydrophilen Lösungsmittels, das Zucker löst, gelingt das Auflösen beider gegensätzlicher Probenbestandteile. Methanol wird für die Karl-Fischer-Reaktion benötigt, nicht aber für das Lösen von Probenbestandteilen. Es wird deshalb erst kurz vor der Titration zudosiert. Das Vorliegen eines Zweiphasensystems stört die KF-Reaktion nicht, wie Vergleichsmessungen zeigen.

Früchte, Nüsse, Getreideflakes, Kekse & Co
Sind Schokoladenproben mit weiteren pflanzlichen Produkten versetzt, wie z. B. Trauben oder Nüssen, ist die sequenzielle Extraktion nicht mehr ausreichend. In diesen Fällen wird mit einem Dispergierer gearbeitet, der das stückige Probenmaterial nach dem Rotor-Stator-Prinzip zerkleinert. Dabei werden diese Bestandteile vom Dispergierwerkzeug erfasst und mit den bei hohen Umdrehungszahlen des Rotors auftretenden Kräften durch die seitlichen Schlitze des Stators gepresst, dadurch zerkleinert und durchmischt.

Der Dispergierer kann in moderne KF-Systeme integriert werden und über diese automatisch gesteuert werden.

Bei der Wassergehaltsbestimmung mit volumetrischer Karl-Fischer-Titration mit dem Analysesystem Omnis von Metrohm wird das Karl-Fischer-Reagenz automatisch aus der Titrierzelle zu- und abgeführt. Das System kann mit Dosiermodulen, Titrationsmodulen und Probenroboter erweitert werden. © Metrohm

Automation
Die Analysen für die Bestimmung des Wassergehaltes nach KF in Schokolade mit einem Stand-Alone-Titrator sind mit hohem personellem Aufwand verbunden, erfordern die Titration in der Wärme und bedingen einen hohen Verbrauch an halogenierten Kohlenwasserstoffen.

Im Gegensatz dazu lässt sich das Verfahren mit der sequenziellen Extraktion einfach automatisieren. Es benötigt keine halogenhaltigen Lösungsmittel, erlaubt die Quantifizierung der Nebenreaktionen und ist leicht anwendbar auf Wasserbestimmungen in zucker- und fetthaltigen Matrices.

Der Anwender wiegt lediglich Schokolade in ein Probengefäß ein und stellt dieses auf den Autosampler. Die Zudosierung der erforderlichen Reagenzien erfolgt ebenso automatisch wie die anschließende Karl-Fischer-Titration. Neben der kompletten Automation profitiert der Anwender davon, dass weniger gefährlichere Lösungsmittel zum Einsatz kommen.

Applikationen für die Lebensmittelanalytik
Mehr als 2 000 Applikationen für die chemische Analytik stehen im Application Finder zum kostenlosen Download bereit unter www.metrohm.com/de-de/applikationen. Detaillierte Informationen sind im Poster 8.000.6030 „Automatische Wassergehaltsbestimmung in Schokolade“ zu finden.

AUTORIN
Birgit Faas
Produktmanagerin Karl-Fischer-Titration
Deutsche METROHM GmbH & Co. KG, Filderstadt birgit.faas@metrohm.de
www.metrohm.de

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