Extraktionsmethoden in der Fettanalytik
Historische Entwicklung der Fettanalytik
Wie auch die Protein- und Faserbestimmung, ist die Gesamtfettbestimmung ein wichtiger Bestandteil der Nährwertanalyse und Qualitätsbewertung von Lebens- und Futtermitteln, da Fette zu den wichtigsten Energielieferanten für Mensch und Tier zählen. Doch nicht nur in der Lebens- und Futtermittelbranche spielt die Ermittlung des Fettgehaltes eine wichtige Rolle, auch in der verarbeitenden Industrie wird der Fettgehalt in Rohstoffen zur Beurteilung der Eignung für bestimmte Verarbeitungsprozesse und im Rahmen der Qualitätskontrolle ermittelt. Sogar in der Umweltbranche wird der Fettgehalt in Wasser und Abwasser zur Bewertung der Gewässerreinheit bestimmt.
Ein großer Teil der Fette und Fettbegleitstoffe, die analysiert werden müssen, ist jedoch chemisch und physikalisch gebunden. Deshalb ist für eine Gesamtfettbestimmung ein Aufschluss der Probe nötig. Im Laufe der Zeit haben sich hierfür verschiedene klassische nasschemische Methoden entwickelt, die eine erstaunliche Langlebigkeit zu Tage bringen. Denn obwohl es mittlerweile auch moderne Schnellbestimmungsmethoden wie NIR (Nahinfrarot Spektroskopie) oder NMR (Nuclear Magnetic Resonance) gibt, sind die nasschemischen Methoden immer noch die Referenzmethoden in der Fettanalytik.
Übersicht der historischen Entwicklung der nasschemischen Fettanalytik
| Aufschluss | Extraktion | Auswertung | Name | Einführung |
|---|---|---|---|---|
| Kein | Fest-flüssig Extraktion | Gravimetrisch | Soxhlet | 1879 |
| Salzsäure Hydrolyse | Fest-flüssig Extraktion | Gravimetrisch | Weibull-Stoldt | 1892 |
| Alkalische Hydrolyse (Ammoniak) | Fest-flüssig Extraktion | Gravimetrisch | Röse-Gottlieb (Mojonnier) | 1893 |
| Schwefelsäure Hydrolyse | Fest-flüssig Extraktion | Gravimetrisch | Gerber | 1938 |
Im Allgemeinen kann für die Gesamtfett- oder Rohfettbestimmung zwischen Referenzmethoden, chemischen Schnellmethoden und spektroskopischen Schnell- bzw. Sekundärmethoden unterschieden werden. Als Referenzmethoden gelten jedoch die klassischen, gravimetrischen und nasschemischen Verfahren.
Dabei fallen die gravimetrischen und nasschemischen Verfahren alle unter die Kategorie der Fest-Flüssig-Extraktionen:
Fest-flüssig Extraktion
Bei der Fest-flüssig-Extraktion wird ein Stoff oder eine Stoffgruppe mithilfe eines flüssigen Lösungsmittels gezielt aus einem Feststoffgemisch isoliert. Die klassische Heißextraktion, bei der die Probe in eine Cellulose Hülse überführt und anschließend in kochendem Lösungsmittel positioniert wird, war die erste Extraktion dieser Art. Allerdings ist eine vollständige Extraktion der Probe bei der Heißextraktion in der Regel nicht möglich, da sich ein Gleichgewicht zwischen Lösungsmittel und Probe einstellt. Die in der Lebens- und Futtermittelbranche herrschenden Regulierungen und Normen wurden im Laufe der Zeit jedoch immer strikter, weshalb das Interesse an präziseren und effektiveren Verfahren zur Fettextraktion stetig wuchs. Deshalb wurde die klassische Heißextraktion immer weiter entwickelt, wodurch wiederum neue Fest / Flüssig-Extraktionen entstanden sind. Die drei bekanntesten Fest / Flüssig-Extraktionen sind
- die Soxhlet Extraktion,
- die Butt und Twisselmann Extraktion und
- die Randall-Extraktion.
Soxhlet Extraktion
Im Jahre 1879 hat Franz von Soxhlet eine Glasapparatur zur kontinuierlichen Fettextraktion entwickelt. Diese sogenannte Soxhlet-Apparatur ermöglicht die automatische Durchführung von mehreren Extraktionszyklen mit einer Probe.
Dabei wird das Lösungsmittel in einem Kolben bis zum Siedepunkt erhitzt, woraufhin der Lösungsmitteldampf über ein Seitenrohr bis in den Kühler steigt. Dort kondensiert der Dampf und tropft anschließend in die Extraktionskammer. In dieser Kammer befindet sich die zu extrahierende Probe in einer Cellulose Hülse. Das zurücktropfende Lösungsmittel sammelt sich in der Extraktionskammer bis zur Höhe der Siphonbiegung, worüber es dann zusammen mit dem gelösten Extrakt durch die Saug-Heberwirkung in den unteren Kolben zurückgeführt wird. Durch die kontinuierliche Wiederholung dieses Vorganges, kann letztlich eine quantitative Extraktion erreicht werden. Im Anschluss an die Extraktion muss das Lösungsmittel dann in einer separaten Apparatur abgetrennt und das isolierte Fett für die Auswaage getrocknet werden.
Im Vergleich zur klassischen Heißextraktion, bei der die Extraktion der Probe direkt in siedendem Lösungsmittel stattfindet, ist die Temperatur in der Extraktionskammer geringer, was den Extraktionsprozess in der Soxhlet-Apparatur deutlich zeitaufwendiger macht. Dabei hängt der Zeitaufwand einer quantitativen Soxhlet-Extraktion von der zu extrahierenden Probe ab und kann bis zu 8 Stunden oder sogar mehr betragen.
Und obwohl es heutzutage deutlich schnellere Extraktionsverfahren gibt, bei denen die Extraktion der Probe dann wieder direkt in siedendem Lösungsmittel stattfindet, ist die Soxhlet-Methode noch immer die am häufigsten beschriebene Methode zur Fettbestimmung in Futter- und Lebensmitteln.
Butt und Twisselmann Extraktion
Eine Weiterentwicklung und gleichzeitige Vereinfachung der klassischen Soxhlet-Methode stellt die Butt-Apparatur aus dem Jahr 1914 dar (links). In dieser Apparatur fallen, im Vergleich zur Soxhlet-Apparatur die Seitenrohre weg und die Probe wird in einem geraden Rohr extrahiert.
Bei der Butt-Extraktion sitzt die Cellulose Hülse mit enthaltener Probe oberhalb des zu erhitzenden Lösungsmittels, die heißen Lösungsmitteldämpfe ziehen also an der Probe vorbei und kommen dadurch in direkten Kontakt mit ihr. Danach steigen die Dämpfe zum Kühler auf, kondensieren dort und fließen durch die Probe zurück in den Kolben. Dabei wird die Probe kontinuierlich durch die Dämpfe und das zurücktropfende Lösungsmittel extrahiert. Durch den kontinuierlichen Extraktionsprozess bei höheren Temperaturen, kann die Probe in der Regel innerhalb weniger Stunden vollständig extrahiert werden.
Nach Abschluss der Extraktion wird das Lösungsmittel aus dem extrahierten Fett durch Destillation und anschließende Vakuumtrocknung entfernt und das extrahierte Fett ausgewogen. Der Twisselmann-Extraktor (rechts) – eine Weiterentwicklung des Butt-Rohrs – hat zusätzlich noch einen Absperrhahn zur Abtrennung des Lösungsmittels zwischen dem Probenbehälter und dem Kühler. Nach abgeschlossener Extraktion kann so der Absperrhahn geschlossen und das Lösungsmittel zurückgewonnen werden.
Randall-Extraktion
Das Prinzip der Randall-Extraktion kombiniert die Schnelligkeit der Heißextraktion, mit der Effizienz der Twisselmann- bzw. Butt-Extraktion. Dieses Prinzip wird auch im SOXTHERM verwendet und ist schematisch in der folgenden Abbildung dargestellt:
Heiß-Extraktion (Randall-Prinzip) (1)
Lösungsmittelverdampfung (2)
Dampfextraktion (Butt Extraktion) (3)
Lösungsmittelverdampfung (4)
Trocknen (5)
Im ersten Schritt befindet sich die Extraktionshülse mit Probe direkt im kochenden Lösungsmittel (1). Dadurch kann ein Großteil des zu extrahierenden Fettes sehr schnell – üblicherweise in 30 Minuten – extrahiert werden. In einem zweiten Schritt wird der Lösungsmittelstand abgesenkt, sodass die Hülse mit Probe nicht mehr in das flüssige Lösungsmittel eintaucht (2). Dadurch wird verhindert, dass sich ein Gleichgewicht des gelösten Fettes zwischen Probe und Lösungsmittel einstellt. Im dritten Schritt wird die Probe im heißen Lösungsmitteldampf bzw. durch das zurücktropfende Lösungsmittel extrahiert (3). Die Dauer dieser zweiten Extraktionsphase ist stark vom Probentyp abhängig, liegt aber üblicherweise bei ca. 1 Stunde. Nach Abschluss der zweiten Extraktionsphase, wird das Lösungsmittel weiter verdampft und zurückgewonnen (4). So kann es wiederverwendet werden, was nicht nur Ressourcen, sondern auch Kosten einspart. In einer letzten Phase kann abschließend noch eine schonende Trocknung durchgeführt werden (5). Die gesamte Extraktion dauert üblicherweise ca. 2 Stunden, ist also deutlich schneller als das klassische Soxhlet-Verfahren.
Flüssig-flüssig Extraktion
Das Prinzip der Flüssig-flüssig-Extraktion basiert auf unterschiedlichen Löslichkeiten zweier nicht mischbarer Lösungsmittel. Üblicherweise wird hierfür ein polares (z.B. Diethylether) und ein unpolares Lösungsmittel (z.B. Petroleumether) verwendet. Die Extraktion der Probe funktioniert dann nach dem Grundsatz „Gleiches löst sich in Gleichem“: Die polaren Komponenten aus der Probe lösen sich also im polaren Lösungsmittel, während sich die unpolaren Komponenten im unpolaren Lösungsmittel lösen. Beispiele für apparative Umsetzungen sind der Scheidetrichter oder das Mojonnierrohr.
SFE - Supercritical Fluid Extraction
Bei der überkritischen Fluidextraktion (SFE) wird das Extraktionsmittel von der Probenmatrix getrennt, wobei überkritische Flüssigkeiten als Extraktionslösungsmittel verwendet werden. Die Extraktion erfolgt in der Regel aus einer festen Probenmatrix, kann aber auch aus flüssigen Proben erfolgen. SFE kann sowohl als Probenvorbereitungsschritt für analytische Zwecke als auch in größerem Maßstab eingesetzt werden. Dabei wird es entweder zur Entfernung unerwünschter Stoffe aus einem Produkt angewandt, wie zum Beispiel das Entkoffeinieren von Kaffee, oder zur Gewinnung eines gewünschten Produktes, wie zum Beispiel die Gewinnung ätherischer Öle.
Kohlendioxid (CO2) ist die am häufigsten verwendete überkritische Flüssigkeit. Die Extraktionsbedingungen für superkritisches Kohlendioxid liegen oberhalb der kritischen Temperatur von 31°C und des kritischen Drucks von 74 bar. Innerhalb dieser Bedingungen verhält sich CO2 wie eine Flüssigkeit und ist so in der Lage als Lösungsmittel zu dienen und lösliche Komponenten aus der Probenmatrix zu lösen. Im Anschluss wird das Extrakt wieder auf Normalbedingungen gebracht, wobei sich das CO2 verflüchtigt und entfernt wird.
