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Chemie | Chemische Analytik | Konzentrationsbestimmung von pflanzlichen Farbstoffen

Das Auge isst mit - Messung der Farbkonzentration bei der Herstellung von Lebensmittelfarbe

Das erste, was wir an einem Produkt wahrnehmen, ist die Farbe. Speziell in Bezug auf Lebensmittel weckt sie bestimmte Erwartungen an den Geschmack und hat Einfluss auf unsere Kaufentscheidung. Um Farberwartungen an Produkte zu erfüllen, einen lebensmitteltypischen Geschmack erkennbar zu machen, oder eine gleichbleibende, standardisierte Farbe bei Produkten aus Rohstoffen mit wechselnder Qualität und Farbstärke zu erzielen, werden oft Lebensmittelfarbstoffe eingesetzt. Je nach ihrer Herkunft unterscheidet man natürliche, naturidentische und künstliche (synthetische) Farbstoffe.

Konsumenten bevorzugen natürliche Farbstoffe

Aufgrund eines steigenden Bewusstseins der Verbraucher für gesunde Ernährung, hat die Verwendung natürlicher Lebensmittelfarbstoffe in den letzten Jahrzehnten erheblich an Bedeutung gewonnen. Natürliche Farbstoffe werden als authentischer und qualitativ hochwertiger empfunden. Zur Färbung von Konfitüren, Obstkonserven oder Speiseeis zum Beispiel werden daher oft bevorzugt pflanzliche Farbstoffe wie Anthrachinone, Anthocyane, Betalaine, Carotinoide, Chlorophylle und Flavonoide zugesetzt.

 

Annatosamen, aus denen der pflanzlicher Farbstoff Carotinoid gewonnen wird

Die Herausforderung

Natürliche Rohstoffe variieren in ihrer Zusammensetzung

Natürliche Farbstoffe, wie rot-violett färbende Anthocyane, kommen nahezu in allen höheren Pflanzen, meist in den Blüten und Früchten, aber auch in den Blättern und Wurzeln vor. Der genaue Gehalt des in der Pflanze vorhandenen Farbstoffanteils ist jedoch schwankend. Während der Weiterverarbeitung des isolierten Farbstoffes zu Farbextrakten und Lebensmittelfarbe muss daher die Intensität des pflanzlichen Farbstoffes gemessen und der Farbwert bestimmt werden. Farbkonzentrationen werden mittels Photometrie ermittelt. Das zu messende Beerensaftkonzentrat hat jedoch eine sehr hohe optische Dichte und kann nicht direkt als Probe für die Messung verwendet werden. So werden bei der Verarbeitung des Pflanzenfarbstoffes Anthocyan, zum Beispiel, Saftproben zur Zwischen- und Endkontrolle zunächst mit Wasser und anschließend mit einer Pufferlösung verdünnt, um ausschließlich die gewünschte rote Farbe zu bestimmen. Diese Vorgehensweise der Probennahme, -vorbereitung und -analyse ist mit sehr viel Arbeits- und Materialaufwand verbunden.

Herausforderung

Präzise und effiziente Konzentrationsmessung natürlicher Farbstoffe bei der Herstellung von Lebensmittelfarbe

 

Einsatzbereich

Online-Prozessüberwachung mittels NIR-Spektroskopie bei der Herstellung natürlicher Lebensmittelfarbe

Anwendungsbereich

Isolierung von Farbkonzentrat aus Beerensaft

Verfahren

  • NIR-Spektroskopie
  • NIR-Messung
  • Optische Verfahren

Lösung

  • NIR-Spektroskopie

  • Online-Messungen

  • Abgeschwächte-Total-Reflexions-Messungen (ATR)

Vorteile

  • Höhere Produktqualität
  • Optimale Prozesssteuerung
  • Hoher analytischer Informationsgehalt

Die Applikation

Bei der Herstellung von Lebensmittelfarbe aus natürlichen Farbstoffen werden die Farbpigmente selektiv aus den verwendeten Rohstoffen extrahiert. Hierzu werden die Beeren ausgepresst, der Saft mittels Ultrafiltration eingedickt, sprühgetrocknet und als hochkonzentrierte Essenz weiterverwendet. Der Farbstoff wird dann als Pulver oder Paste vertrieben.

Die Lösung

Analyse von NIR-Spektren zur Trenderkennung

Schematische Darstellung einer ATR Messung

Einfacher als im Labor ist die Bestimmung der Farbstoffkonzentration inline direkt im Prozess unter Einsatz einer spektroskopischen Tauchsonde.  Diese Art der Messung ermöglicht eine effiziente Bestimmung des Farbstoffgehaltes des Beerensaftkonzentrates ohne vorherige Verdünnung der Probe. Eine Labormessung zur Bestätigung der mit der Sonde ermittelten Farbwerte ist somit nur noch als Endkontrolle notwendig.Aufgrund der hohen optischen Dichte und starker Absorption des konzentrierten Farbstoffes, ist die Verwendung herkömmlicher UV/VIS-Absorptionsmessungen bei dieser Anwendung jedoch ausgeschlossen. Das Spektrometer würde nur ein Rauschen ohne erkennbare Spektren registrieren. Eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu überwinden, ist der Einsatz einer Messmethode auf Basis von abgeschwächter Totalreflexion (ATR).

Mit der Hellma ATR Sonde sind auch Messungen von stark absorbierenden Flüssigkeiten möglich

Bei einer ATR Messung wird das Prisma der Sonde vom Medium umströmt und abhängig von der optischen Dichte des Mediums wird das Messsignal bei jeder Reflexion an der Grenzschicht zwischen Medium und Prisma abgeschwächt (evaneszentes Feld). Diese Methode erlaubt die Messung von stark absorbierenden Proben, bei denen Messungen in Transmission nicht möglich wären, da Totalabsorption auftreten würde.

Für ATR-Messungen, bei denen sehr hohe Messpräzision gefragt ist, hat Hellma die „Katana XP“ ATR Sonde im Angebot. Sie zeichnet sich durch einen monolithischen, hochpräzisen Messkopf aus, der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse garantiert. Aufgrund ihres hygienischen Designs und kompakter Bauform ist sie leicht und direkt im Reaktionsbehälter flexibel integrierbar.

Hellma ATR Sonde »Katana XP«

Vorteile dieser Lösung für die Anwendung

Durch spektroskopische Inline-Farbwertmessungen werden die Messzeiten verkürzt und das Fehlerrisiko durch das Entfallen von manueller Probenentnahme und Probenvorbereitung minimiert. Langfristig werden Material- und Personalkosten gespart, weil Zwischenprüfungen mittels Laboranalytik infolge der Prozessoptimierung entfallen.

Weitere Informationen zur Produktlösung:

Katana XP