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4. Die Stress-Faktoren für Vitamin C und der Einfluss von Cyclodextrin 4.1. Der Faktor Luft Vitamin C-Lösungen altern alleine durch längeres Stehen an Luft. Wir wollten die Verluste quantitativ erfassen und prüfen, ob β-Cyclodextrin Verluste minimieren kann. Es wurden nach stöchiometrischen Berechnungen pro 10 mg Vitamin C immer ca. 130 mg β-CD bzw. 65 mg α-CD verwendet. Wir ließen Vitamin C-Lösungen mit und ohne CD bis 14 Tage an Luft stehen und prüften von Zeit zu Zeit den Vitamin C-Gehalt. Abb. 5 zeigt, dass die Vitamin C-Abnahme schon nach 2 Stunden 4,8% beträgt. β-Cyclodextrin kann diesen Verlust komplett verhindern. Über 2 Wochen steigen die Einbußen kontinuierlich bis auf fast 30%. Die β-Cyclodextrin- Lösungen sind nicht ganz verlustfrei. Die Vitamin C-Verluste können allerdings um ca. 50% reduziert werden. Verschiedene Grade des Lufteintrages simulierten wir auf dem Magnetrührer über eine Zeit von 30 Minuten und durch Einstellen der Rührgeschwindigkeit. Das Ergebnis in Abb. 6 zeigt den Einfluss auf die Vitamin C-Zerstörung und die konservierende Wirkung von Cyclodextrin. Diese Einbußen treten bereits bei Raumtemperatur auf. Später haben wir die Vitamin C-Lösungen 1 Stunde bei 60°C gerührt. Die Verluste belaufen sich hier bei schwachem Rühren auf 53%. Bei hoher Rührgeschwindigkeit sind es beachtliche 76%. 4.2. Der Faktor Temperatur Wir waren sicher, dass auch die Temperatur einen Einfluss auf die Vitamin C-Stabilität hat. Die Ergebnisse dieser Reihe zeigt Abb. 7. Bei 80°C bleiben von 10 mg Vitamin C noch 5,76 mg übrig. 4.3. Der Faktor Cyclodextrin In einer weiteren Reihe sollte der Vitamin C-Schutz aller vorliegenden Cyclodextrine erfasst werden. Der Vitamin C-Gehalt der Lösungen wurde nach 60 Minuten bei 80°C titrimetrisch erfasst. Das Ergebnis zeigt die Tabelle 3. Alle drei Cyclodextrine können die Vitamin C-Verluste deutlich senken. Einen kleinen Vorteil hat das β-Cyclodextrin. Das ist gut so, denn es war lange Zeit als einziges Cyclodextrin für den Einsatz in Lebensmitteln zugelassen. Aus diesem Jugend forscht Abb. 5: Vitamin C-Verluste beim Stehen wässriger Lösung und die Schutzfunktion von β-Cyclodextrin Abb. 6: Vitamin C-Verluste beim Rühren bei Raumtemperatur und die Schutzfunktion von β-CD Abb. 7: Vitamin C-Verluste in wässriger Lösung in Abhängigkeit von der Temperatur (Dauer: 1h) ohne CD α-CD β-CD γ-CD Vitamin C-Gehalt [mg] 8,10 9,48 9,65 9,48 Vitamin C-Verlust [%] 19 5,2 3,5 5,2 Tab. 3: Vitamin C-Verluste bei 80°C mit verschiedenen Cyclodextrinen ausgehend von 10 mg Vitamin C 21 Young Researcher
22 Junge Wissenschaft 87 // 2010 Jugend forscht rund beschränken wir uns hier nahezu ausschließlich auf β-Cyclodextrin. In einer späteren Phase unserer Arbeit stellten wir einen Großteil des Untersuchungsprogramms auch mit α-CD nach. Die Ergebnisse decken sich weitgehend mit den bei β-CD erhaltenen. 4.4. Der Faktor Zeit Schon bei 4.1. wird ersichtlich, dass nicht nur der Faktor Luft, sondern auch der Faktor Zeit über den Vitamin C-Verlust entscheidet. Bei der folgenden Untersuchungsreihe erhitzten wir jeweils 200 mL der wässrigen Vitamin C-Lösungen 5, 10, 20 und 30 Minuten lang in getrennten Bechergläsern auf der Herdplatte bis zum Sieden. Mit Erreichen der Siede- temperatur wurde die Stoppuhr eingeschaltet. Danach ließen wir die Lösungen abkühlen, füllten sie in einen Messkolben und glichen die Kochverluste durch Zugabe von Wasser aus. Dann wurden 50 mL-Proben titriert. In dieser Reihe sollten nochmals die verschiedenen Cyclodextrine zum Einsatz kommen. Die Werte differieren nicht stark. β-Cyclodextrin ist leicht im Vorteil. Diese Daten sind in Abb. 8 grafisch Abb. 8: Vitamin C-Gehalt in siedenden Lösungen in Abhängigkeit von der Zeit mit und ohne β-CD Abb. 9: Vitamin C-Verluste in Lösungen verschiedener pH-Werte mit und ohne β-CD Tab. 4: Vitamin C Gehalte und Verluste in Abhängigkeit von der Kochzeit bei Zugabe verschiedener Cyclodextrine dargestellt. Auch mit Cyclodextrin zeigt Vitamin C in siedendem Wasser Verluste, die mit der Kochzeit steigen. Bei 10 Minuten Kochzeit kann β-Cyclodextrin sie jedoch um 83% reduzieren. 4.5. Der Faktor pH-Wert Uns interessierte auch die Frage, ob die Stabilität des Vitamin C vom pH-Wert der Lösung beeinflusst werden kann. Hier war die Bestimmung des Vitamin C-Gehaltes über die Säure-Base- Titration nicht mehr die Methode der Wahl, weil die pH-Werte mit Puffersystemen eingestellt wurden, die den Endpunkt der Bestimmung maßgeblich beeinflussen. Also griffen wir zum Tillmans-Reagenz und titrierten mit einer eingestellten 2,6-Dichlorphenolindophenolnatrium-Lösung. Da wir schon bei 10-minütigem Stehen der Lösung einen erheblichen Vitamin C-Verlust feststellten, hielten wir es nicht für nötig, zu erhitzen oder gar zu kochen. Wir sehen, dass das Vitamin C vor allem im alkalischen Milieu ganz besonders labil ist (siehe Abb. 9). Nach 1 Stunde betragen die Verluste schon über 90%, während sie im Sauren erst bei ca. 20% liegen. Bei kleinen pH-Werten, also im sauren Bereich, funktioniert der Schutz durch Cyclodextrine wesentlich besser als im basischen Bereich. 4.6. Der Faktor Licht In der Lebensmittelchemie wird Vitamin C als lichtempfindlich eingestuft. Es wird berichtet, dass die Vitamin C-Verluste von Gemüse 65% betragen können, wenn man es über drei Stunden dem Sonnenlicht aussetzt [6]. Da uns Jahreszeit bedingt kein intensives Sonnenlicht zur Verfügung stand, bestrahlten wir wässrige Lösungen von Vitamin C mit und ohne β-Cyclodextrin-Zusatz über drei Stunden mit einer UV-Lampe und bestimmten den Vitamin C-Gehalt. Das Zeit 5 min 10 min 20 min 30 min Gehalt [mg] Verlust [%] Gehalt [mg] Verlust [%] Gehalt [mg] Verlust [%] Gehalt [mg] Verlust [%] ohne CD 8,95 10,5 7,90 21 6,94 30,6 6,26 37,4 α-CD 10,00 0 9,29 7,1 8,70 13 7,91 20,9 ß-CD 10,00 0 9,65 3,5 8,93 10,7 8,15 18,5 γ-CD 9,84 1,6 9,37 6,3 8,45 15,5 7,69 23,1
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