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Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
Phillips-Universität-Marburg Fachbereich Chemie LA
15 561 UE - Übungen im E xperimentalvortrag für LAK Leitung: Butenuth, Gerstner, Perst
Referent: Andreas Noll
Vortrag vom 24.01.1996
Protokoll
zum
organischen Experimentalvortrag mit dem
Thema:
"Kaffee"
WS 1995/96
Inhaltsverzeichnis
• Definition 3
• Geschichte und Verbreitung 3
• Botanik 3
• Röstkaffee 4
• Aufbewahrung und Verpackung 5
• Inha.ltstoffe 5
- Coffein 5
- Säuren 6
- Proteine 7
- Kohlenhydrate 7
- Trigonellin 8
- Mineralstoffe 8
• Versuchsbeschreibungen 9
- V 1: Röstprozess 9
- V2: Nachweis von Coffein 11
- V3: Nachweis von Chlorogensäure 12
- V4: Nachweis von Aminosäuren 13
- V5: Nachweis von Zucker 14
- V6: Nachweis von Trigonellin 15
- V7: Nachweis von Kalium '..15
• Ergänzungsversuche: (nicht im Vortrag durchgeführt) 16
- EV 1: Bestimmung der Gesamtsäure 16
- EV2: Leitfähigkeitsmessung zur Aufgußkontrolle 16
• Literatur 18
Kaffee
Definition
• Ganzer oder zerkleinerter Samen (roh oder geröstet) von Pflanzen der Gat- tung Coffea, der von der Fruchtschale vollständig und von der Samen- schale (Silberhäutchen) nach Möglichkeit befreit ist.
• Das daraus zubereitete Getränk.
• Name wahrscheinlich von der arabischen Bezeichnung "kahwa".
Geschichte und Verbreitung
• Heimat des Kaffeebaums: äthiopisches Hochland in Ostafrika
• Im 13. oder 14. Jhr. Anbau in Jemen
• Verbreitung durch Mekkapilger in der gesamten moslemischen Welt
• 1630 erste Schiffsladung in Venedig
• Starke Verbreitung von Kaffeehäusern in ganz Europa (1677 in Hamburg, erstes in Deutschland)
• Verbreitung über die ganze Welt im Zuge der eruopäischen kolonialen Ausdehnung
• Das wichtigste Kaffeeexportland heute ist Brasilien (1994: 25% WeItex- portanteil), wo schon seit 1750 intensiv Kaffee angebaut wird. (Kolumbien 17%, Indonesien 8%, Rest< 5%)
• Kaffee ist Welthandelsprodukt Nr. 2
Botanisches zur Kaffeepflanze (Kaffeebaum)
• Familie der Rubiaceae (Rötegewächse)
• mehr als 80 bekannte Arten; von wirtschaftlicher Bedeutung jedoch nur 2:
Coffea Arabica (70 %), C. canephora (Handel nur C. robusta) (30%)
• Höhe: 3 -15 m; Anbau: 2 - 3 m (strauchartig)
• lederartige, immergrüne, kurzstielige Blätter
• weiße, jasminähnliche duftende Blüten
• kirschenähnliche Streinfrüchte (0 ca. 1,5 cm) mit zwei Stein kernen (Samen,
Kaffeebohne
Kaffeebohnen)
Fruchtfleisch (Endosperm)(Mesokarp, ~-
pulpa)
Fruchthülle (Epikarp)
Pergamenthaut (Endokarp)
Silberhäutchen ( Tegument)
• Wachstumsbedingungen: mittlere tropische Höhenlagen, Durchschnitts- temperaturen von 17 - 23°C, nicht zu feucht
• Allgemein ist Robusta schnellwüchsiger, ertragreicher und widerstandsfä- higer gegen Schädlinge als Arabica
• Arabica gilt als geschmacklich hochwertigere Sorte
Röstkaffee - Röstung
< 250°C; optimale Karamelbildung, Sinken des Wassergehalts auf 1,5 - 3,5%
3. Zersetzung:
4. Vollrösfung:
• Genußmittel erst durch thermische Behandlung
• tiefgreifende Veränderungen; äußerlich erkennbar durch Volumenzu- nahme (50 - 100 %J, Gewichtsminderung oder Einbrand (13 - 25 %), Struktur- und Farbveränderung und Ausbildung eines typischen Aromas
• vier Hauptphasen während des Röstprozesses:
1. Trocknung: > 50°C; Eiweiß gerinnt, Wasser verdampft 2. Entwicklung: >100°C; beginnende Bräunung nach Art einer
Schwelung der org. Substanz
> 150°C; Volumenvermehrung durch gasförmige Produkte (H 20, C02, CO)
180 - 200°C; "Krachen", Auftreten des Kaffeearomas
• Kennzeichnend für den Röstprozeß ist die Abnahme alter und das Auftreten neuer Inhaltsstoffe
• Wärmeübertrag durch Kontaktröstung (alt), Konvektion (Heiße Luft oder Flammenabgase) und Mischformen
• Auftretende Dämpfe und Zellfragmente werden durch Exhaustoren abge- saugt
• gewünschter Röstgrad ist sehr unterschiedlich
• der geröstete Kaffee wird verlesen (Handarbeit oder fotoelektronisch) um Fehlbohnen zu entfernen
Aufbewahrung und Verpackung
• Haltbarkeit Rohkaffee 1-3 Jahre; Röstkaffee nur 8-10 Wochen; gemahlener Kaffee unter Sauerstoffabschluß 6-8 Monate, nach Öffnung nur noch 1-2 Wochen
• Wirkung: Rückgang des Röstaromas und Auftreten einer ranzigen Aroma- note; Abhilfe: Kühlung, sowie Ausschluß von Sauerstoff und Wasserdampf
Inhaltsstoffe des Kaffees
0 CH 3
I
CH~ N
OlN
IN J
CH 3 (1,3,7-Tri,methyl-2,6-purindion)
Coffein
• Hauptursache der physiologischen Wirkung des Kaffees
• 1820 erstmals vom Chemiker Runge auf Anregung Goethes isoliert
• Coffein sublimiert ab ca. 178°C; (Smb: 234-240°C)
• Löslichkeit in Wasser ist stark temperaturabhängig (50% / 100°C)
• Stimulierend Wirkung auf ZNS; beseitigt Müdigkeit, hebt die Stimmungslage, verkürzt die Reaktionszeit und wirkt schwach harntreibend
• Zu etwa 30% für die Bitterkeit verantwortlich
• Entcoffeinierung heute mit überkritischem C02 (Kritischer Punkt bei 31 ,06°C und 7,38 MPa)
Säuren
• Der pH-Wert des Kaffeegetränks wird durch die Säuren bestimmt und ist für den Geschmack sehr wichtig (siehe auch Ergänzungsversuch 1)
• Geschmacksempfinden bei verschiedenen pH-Werten:
wäßrig 5,&
Zigarrengeschmack - Indoncsia Rob.
5,6 nach
bitter
---1;--
Geschmack optimal leichte
Säure - - - g ; l t l 'ST!l~C
kraf'ugeSaure
(Milchgerinnt)
5,4 - Karnerun Rob.
- Uganda Roh. urig.
- Madagaskar Roh.
5.~ - Uganda Roh. gcw
5.0 - Rrasil Ar.
- Colurnbiu Ar.
- Kcnya Ar 4,H
4.6
• Haupflüchtige Säuren: Ameisen- und Essigsäure (0,4%)
• Nichtflüchtige Säuren: Weinsäure, Brenztraubensäure und Zitronensäure (0,4%) und die mengenmäßig wichtigste Säure(n), die Chlorogensäure(n) (3,7%)
Zusammensetzungen der Chlorogensäure(n):
R
1HO-1'~CH=CH
\ - , '-C0
2HI R
1H H
RJO~H \R~6
Rlo C02H
H
H OH
Chinasäure n-Chlorogensaure
~etJchlorogensäure
Kryptochlorogensäure 3.4-Dicaffeoylcrunasäure 3 ..5-Dicaffeoylchinasäure 4 ..5-Dicaffeoylchinasäure
H
~H I H X X H X
x = Rest einer Hvdroxvzimtsaure
• Die noch etwas anregende Wirkung von entcoffeinierten Kaffee wird auf die Chlorogensäure zurückgeführt.
• Beim Rösten wird die C. zu 30 - 70% in flüchtige Bestandteile abgebaut:
:t:
Ö
U ::t::o
- - - +
oy A
::c 0
:c
Proteine / Aminosäuren
• der Gehalt an Gesamtprotein im Kaffee nimmt beim Rösten ab (5 - 42%), da besonders die reaktiven Aminosäuren (Arginin, Cystin, Lysin ...) stark ab- nehmen; stabilere Aminosäuren (z. B. Alanin) nehmen hingegen relativ zu
• Freie Aminosäuren sind im Röstkaffee nur in Spuren vorhanden
• Aminosäuren mit Kohlenhydraten wandeln sich im Zuge sog. MailJard-Re- aktionen zu vielen Geschmacks-, Aroma-, und Farbstoffen um, die für den Röstkaffee charakteristisch sind
Kohlenhydrate
• während im Rohkaffee 6-7 % Saccharose vorliegen, so wird sie zum größten Teil während des Röstens abgebaut (Maillard-R.)
• reduzierende Zuckerarten sind nur in geringen Mengen vorhanden
• Polysaccharide (aus Galaktose, Arabinose und Mannose) haben den größ-
ten Massenanteil im Roh- und Röstkaffee
• Kohlenhydrate sind wichtige Ausgangsstoffe vor allem für die Farbenstoffe durch MaiJlard-Reaktion, und teilweise durch Karamefisierung (MeJanoidine;
Molekulargewichte von 5000 - 10000 haben)
Trigonellin
(3-Carboxy-l-methyl- pyridiniumhydroxid)
~ coo "
• Trigonellin kommt im Rohkaffee zu 6 - 12 g /Kg vor
• Röstabbau ca. 75 %
• Entstehende flüchtige Stoffe u.a. Pyridin
• Als physiologisch wichtiges Produkt entsteht die als Vitamin wirkende Nico- tinsäure (Niacin), 1 Tasse Kaffee enthält etwa ein Zehntel des Tagesbedarfs
• ca. 0,02 % im Röstkaffee
• Zersetzung während des Röstens:
O r,
~N RMineralstoffe
COOH
COOCHJ
CH) C
2Hs
H
eHO
• Kationen: Kalium(l,l %), gefolgt Calcium und Magnesium (je 0,2%), nur in Spuren Natrium, wenn nicht durch Seewasser verunreinigt
• Anionen: Phosphat (0,2%) und Sulfat (0,1%)
V ersuchsbeschreibu ngen
Versuch 1
Während dieses Versuches sollen Rohbohnen geröstet werden. Dabei wer- den die Hauptröstgase (H 20, C0 2, CO) nachgewiesen. Weiterhin können Einbrand und Volumenzunahme bestimmt werden . Der Versuch ist in der Vor- bereitung viermal ohne Prob leme gelungen, mißlang aber während des Vor- trages: In der Apparatur enstand ein Überdruck, so daß nicht mehr die ge- samten Gasprodukte durch die "Nachweisapparaturen" gelangten.
versuchsmatetial:
Dreihalskolben (500 mL), 5 Gaswaschflaschen, Schmelzrohr, Spiegelbrenner (Bunsenbrenner) , Thermometer, Heizpilz (Ölbad und Magnetrührer), jede Menge Stativmaterial (Doppelmuffen , Klammern, Stative etc), entsprechende Verbindungsstücke (Glasrohre , Schläuche), zwei Hebebühnen, Sichierungsfe- dem und Schlauchschellen.
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Seite 9
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Versuchsskizze:
Chemikalien:
Konz. Schwefelsäure, Filterpapier getränkt mit CoCb, (gesättigt), PdC12-Lsg (gesättigt)
Anmerkung: vielleicht reicht eine verdünntere Ba(OH):c-Lsg., da sehr viel C02 entsteht und damit auch BaC03, das im Vortrag wahrscheinlich zu Verstop- fung führte und damit zu Überdruck.
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Theorie zu Versuch 1
Bestimmung von Einbrand und Volumenzunahme:
[15]Es werden 75g Rohkaffeebohnen abgewogen und mit einem Meßzylinder deren Volumen bestimmt. Nach dem Rösten werden das Gewicht und das Volumen erneut bestimmt. Einbrand und Volumenzunahme berechnet sich nach folgenden Formeln:
Vo/umenzunahme VZ[%j:
Volumen gecöstet [mL]
VZ = + - - - -
Volumen ungeröstet [mL]
Einbrand E [%]:
- 1 * 100
Gewicht ungeröstet - Gewicht geröstet E = - - - -
Gewicht ungeröstet
Nachweisreaktionsgleichungen für die Röstgase:
Nachweis von H20 mit Coba/t-(//}-ch/ond·
* 100
blau rosa
Nachweis von C02 mit Battumhydroxld:
Ba(OH)2 + C02
weiß
Nachweis von CO mit Palladiom-tltl-ctvond:
PdCI2 + H20 + CO Pd + 2 HCI + C02
Versuch 2 (2,3,5]
In diesem Versuch wird aus der Probe Röstkaffee (oder andere Proben), weI- che zuerst entfettet und getrocknet wurde, Coffein sublimiert. Die Probe wird auf einem Uhrengtas ausgebracht und mit einem zweiten abgedeckt, an dem das Coffein sublimieren wird. Anschließend wird mit der "Murexidprobe"
Coffein positiv nachgewiesen und negativ bestätigt.
Versuchsmateria/:
Sublimation: Bunsenbrenner, Dreifuß und Drahtnetz (ohne springt ev. das Uhr- englas), 2 Uhrengläser.
Nachweis: 4 PorzellanschaJen(Nr. 1 bis 4), Wasserbad.
Chemikalien:
Konz. HCI, 30% H202, konz. HN03, Harnsäure oder besser Xanthin., Konz. NH3 • Versuchsdurchführung zur Murexidprobe:
Von der sublimierten Substanz wird jeweils ein .Spctelspitzchen" in die Porzel- lanschalen 1 und 2 gegeben. Auf die Probe in PS 1 werden jeweils 2 Tropfen konz. HCI und H202 gegeben; auf die Probe in PS 2 werden 2 Tropfen konz.
HN03 gegeben. Anschließend werden beide Porzellanschalen in ein Wasser- bad gegeben und es wird bis zur Trockene eingedampft.
In die Porzellanschaten 3 und 4 werden jeweils ein .Spctelspitzchen" der Harnsäure oder des nicht methylierten Xanthins (im ggs zu Coffein, Theobro- min oder Theophyllin) gegeben. Auch diese PS werden wie oben mit den oben erwähnten Substanzen versetzt und eingedampft.
Der Rückstand wird in den PS 1,3 u. 4 rotorange sein und in der PS 2 blaßgelb.
Die Rückstände werden nun mit 1-2 Tropfen konz. NH3 versetzt. Die positiven Nachweise (1 ,3,4) ergeben ein kirschrote Färbung, die negative Probe (2) er- gibt keine Färbung.
Reaktionsateictn/nqen:
i\ ~ ); R
f\ )\1
~"~t~N ,~~
~
R:::: C~} : (0(,( e i ~
~ ~ ~
R:::: ~ ~ KQilfh~V1
o o ()
Versuch 3
[14JDurch Einführung einer Nitrosogroppe soll die Chlorogensäure nachgewiesen werden , indem eine tiefdunkelrote Färbung auftritt.
v'ersuchsmoteriol:
Reagenzglas, Reagenzglasklammer.
Chemikalien:
Konz. HCI, NaN02-Lösung (10%) in Wasser, verdünnte Natronlauge.
Versuchsdurchführung:
Ein wäßriger Auszug der Rohkaffeebohnen wird mit 2 T ro p fe n HCI angesäuert und mit 2 mL NaN02-Lösung versetzt. Es tritt eine gelborange Färbung ein und es entweichen Stickoxide . Mit Natronlauge wird nun alkalisch gemacht und es tritt die tiefdunkelrote Fäbung auf.
Reaktionsgleichung:
(Der Mechanismus und das Produkt erschienen mir (mit Rücksprache einiger Organiker) am Wahrscheinlichsten.)
N(f<JJ°). {~(Q -f> )JO(J) 17
-(.1ft)
Versuch 4
[3.12]Es handelt sich hier um den sog. Ninhydrin-Nachweis, wobei sich eine violette Färbung als Nachweis der Am inosäuren ergibt.
Versuchsmaterial:
Reagenzglas, Reagenzglasklammer, Wasserbad.
Chemikalien:
Ninhydrin-Lösung in Wasser (Ninhydrin = 2,2-Dihydroxy-l ,3-ind a ndio n)
Versuchsdurchführung:
Als Reagenz wird eine Spatelspitze Ninhydrin in 10 mL Wasser gelöst. Die Rea- genz wird in ein Gemisch aus Wasser und Rohkaffebohnen (grob zerkleinert) gegeben. Beim Erwärmen im Wasserbad tritt eine violette Färbung auf.
Reaktionsg/eichung:
- - - p -~20
<1 + ~ 1 0
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~ 1'J' - (~ -"-'I"X '- .
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