Getränke! Technologie & Marketing 2/2021

TECHNIK UND TECHNOLOGIEN | Sauerstoffmessung
Abb. 1 | Gesamtsauerstoffgehalt (TPO)
im Gebinde
Abb. 3 | Ausfallraten bei unterschiedlichen Sauerstoffgehalten
Abb. 4
Total Package Oxygen (TPO)
Kopfraumsauerstoff
gelöster
Sauerstoff
Anteil defekter Dosen [%]
vergangene Tage seit der Abfüllung [d]
< 2 ml Luft pro Dose (330 ml)
> 18 ml Luft pro Dose (330 ml)
Abb. 1: Gesamtsauerstoffgehalt (TPO) als Summe der Einzelsauerstoffgehalte in der Flüssigkeit und in der Gasphase.
Abb. 3: Ausfallraten von Getränkedosen bei unterschiedlichen Sauerstoffgehalten. Die Anzahl defekter Dosen ist gegen die Zeit aufgetragen. Jeweils 20 handelsübliche
330 ml-Dosen mit angekratzter Schutzschicht wurden mit Getränken mit niedrigem Sauerstoffgehalt (blaue Punkte) bzw. mit hohem Sauerstoffgehalt
(olivgrüne Punkte) befüllt und bei einer konstanten Temperatur von 37 °C gelagert. Stärker als bei anderen Materialien stellt der TPO-Gehalt in Metalldosen
also eine Gefahr für die Qualität und die Haltbarkeit des Getränks und des Gebindes dar. Dies muss daher streng überwacht werden [2] .
Abb. 4: Gerät zur Bestimmung des gelösten Sauer stoffs, des Kopfraumsauerstoffs und des Gesamtsauerstoffgehaltes TPO 5000. Optional bestimmt das Gerät
mit Hilfe des Moduls CarboQC (im Vordergrund) den Anteil an gelöster Kohlensäure in Getränken. Durch robuste Konstruktion und Schutzklasse IPX3 kann
es direkt am Füller eingesetzt werden. Dort zählt jede Sekunde, wenn der Gesamtsauerstoffgehalt für die Freigabe benötigt wird. In Kombination mit einem
CO 2
-Messgerät lässt sich ein weiterer wichtiger Qualitätsparameter für die Getränkeindustrie bestimmen. Grafiken und Foto: Anton Paar Germany GmbH
Eine alleinige Messung des gelösten
Sauerstoffgehaltes ist daher
nicht ausreichend zur Beurteilung
der Getränkequalität.
Am Ende des Tages reagiert der
gesamte Sauerstoff mit den Inhaltsstoffen,
zunächst der gelöste
Sauerstoff und nach dessen
Verzehr auch der Kopfraumsauerstoff
(nach Äquilibrierung).
Sauerstoffmessung
in der Flüssigkeit
und in der Gasphase
Zur einfachen und schnellen
Messung von gelöstem, aber
auch gasförmigem, Sauerstoff
haben sich optochemische Sensoren
bewährt, die auf der Auslöschung
(Quenching) von Licht
in Anwesenheit von O 2
-Molekülen
beruhen. Die Sensoren
bestehen aus einer LED-Lichtquelle
(Sender), einer Farbstoffschicht
und einer Photodiode
(Empfänger) mit Farbfilter. Die
Sensoren arbeiten zerstörungsfrei,
ohne Elektrolyte oder sonstige
Chemikalien und sprechen
schnell an.
Wenn kein Sauerstoff anwesend
ist (siehe Abb. 2a), dann
nimmt der Farbstoff (roter Kreis)
das von der LED emittierte Licht
(Photonen) auf. Er wird in einen
höheren Energiezustand angeregt
(gelber Kreis), aus dem er
nach kürzester Zeit unter Aussendung
von Licht wieder in
den Grundzustand zurückkehrt.
Da das zurückgesandte
Licht eine andere Farbe hat, ist
es möglich, es vom ursprünglich
eingesetzten Licht durch den
Farbfilter vor dem Empfänger
zu unterscheiden.
Ist Sauerstoff im Getränk enthalten
(siehe Abb. 2b), so absorbiert
der Farbstoff (roter
Kreis) weiterhin das ausgesendete
Licht und gelangt in einen
angeregten Energiezustand
(gelber Kreis). Die zusätzliche
Energie kann nun aber auf ein
Sauerstoffmolekül (blaue Kreise)
übertragen werden, statt in
Form von Licht abgestrahlt zu
werden, wie dies in Abwesenheit
von Sauerstoff geschieht.
Je mehr Sauerstoff vorhanden
ist, desto weniger Licht fällt auf
die Photodiode – der Sauerstoff
hat die Emission ausgelöscht.
Der besondere Einfluss
von Sauerstoff in Dosen
Getränke werden in unterschiedlichen
Gebinden ausgeliefert:
Stille, nichtkarbonisierte
Getränke kommen teilweise
in Schläuchen, Mineralwasser
oft in PET-Flaschen, alkoholische
Getränke häufig in Glasflaschen
vor, für Softdrinks und
Referenzen:
[1]
VILACHA C. and UHLIG K., 1984. Die Messung niedriger Gesamtsauerstoffgehalte im abgefüllten Bier.
Brauwelt, 18, 754-758.
[2]
JANSSEN G. and BIEBERNIK K., 2019. Oxygen – The importance of Measurement in Soft Drinks.
Soft Drinks International – October/November 2019, 74-77
Biere werden auch Metalldosen
eingesetzt. Diese Dosen leiden
auf der einen Seite besonders
stark unter Sauerstoff, auf der
anderen Seite ist der Kopfraum
in diesen Gebinden aufgrund
der nach innen gewölbten Form
des Deckels bzw. des Bodens
der Dose schwer zugänglich.
Der Kopfraumsauerstoff befindet
sich bei einer gefüllten Getränkedose
in dem ringförmigen
Raum am Rand der Dose
oberhalb des Getränks. Er ist für
eine Messung nicht ohne Weiteres
erreichbar.
Hohe Sauerstoffgehalte können
zu einem metallischen Fehlgeschmack
des Getränkes und
selbst zur Beschädigung der
Wand führen. Dosen mit beschädigter
Innenwand (zum
Beispiel durch Stöße oder Produktionsfehler)
zeigen bei hohen
Sauerstoffgehalten bereits
nach wenigen Tagen signifikante
Schäden bis hin zur
Perforation (siehe Abb. 3, olivgrün).
Dosen mit niedrigen Gesamtsauerstoffgehalten
sind
dagegen über Wochen stabil
(siehe Abb. 3, blau).
Für den Versuch wurde die
Schutzschicht von handelsüblichen
330 ml-Dosen vorsätzlich
beschädigt, um die Alterung zu
beschleunigen. Die Dosen wurden
außerdem mit viel (>18 ml
pro Dose) beziehungsweise wenig
(< 2 ml pro Dose) Luft mit
einem natürlichen Sauerstoffgehalt
von etwa 21 % versetzt.
Abbildung drei zeigt, dass bereits
nach einer Woche die Hälfte
der Dosen mit hohem Sauerstoffgehalt
(olivgrüne Punkte)
Schäden aufwies. Nach etwa
drei Wochen sind alle Dosen defekt,
während sämtliche Gebinde
mit niedrigen Sauerstoffgehalten
(blaue Punkte) noch intakt
sind.
Messtechnik vom
Getränkespezialisten
Ein ausgeklügelter Entnahmeprozess
der Gasphase ist unabdingbar,
damit der gesamte
Kopfraum von Dosen
erfolgreich auf seinen Sauerstoffgehalt
überprüft werden
kann. Der Spezialist für die Gelöstgasanalyse
in Getränken,
die Anton Paar GmbH aus Graz,
löst dieses Problem, wie folgt:
Zunächst sticht das TPO-Messgerät
TPO 5000 die Dose auf
der Unterseite an (und damit
nicht in der Nähe des empfindlichen
Öffnungsmechanismus)
und entnimmt ihr ein definiertes
Flüssigkeitsvolumen. Dieser
vergrößerte Kopfraum wird anschließend
abgepumpt und der
darin befindliche Sauerstoff bestimmt.
Danach wird der gelöste
Sauerstoff im Getränk bestimmt
und aufaddiert. Das
Gerät reinigt sich danach selbstständig
und ist für die nächste
Probe bereit.
Mehr Informationen
www.anton-paar.com
Getränke! 01 | 2021 | 33