Fettbestimmung in Milchprodukten

Mikrowellenunterstützte gravimetrische Analyse nach dem Weibull-Stoldt-Verfahren

  • Tabelle 1: Milchprodukte mit den Durchschnittsfettgehalten der Referenzverfahren im Vergleich zur Mikrowellenmethode und den Präzisionsdaten r und R.Tabelle 1: Milchprodukte mit den Durchschnittsfettgehalten der Referenzverfahren im Vergleich zur Mikrowellenmethode und den Präzisionsdaten r und R.

Die Referenzverfahren zur gravimetrischen Fettbestimmung in Milch und Milchprodukten sind die Methoden nach Weibull-Stoldt als Universalmethode, Röse-Gottlieb für Milch und Schmid-Bondzynski-Ratzlaff für Käse. Um die Eignung der mikrowellenunterstützten Fettextraktion nach Weibull-Stoldt als Standardverfahren zu überprüfen, wurden die Analyseergebnisse von Fettbestimmungen der verschiedenen Verfahren miteinander verglichen.

Gravimetrische Verfahren
Bis heute kann auf diese gravimetrischen Untersuchungsverfahren nicht verzichtet werden, da sie zur Herstellung von Referenzstandards, insbesondere für die Kalibrierung der Infrarotspektrometer in milchwirtschaftlichen Betriebslaboren, benötigt werden. Weiter dienen sie zum Erhalt gerichtsfester Analysenwerte bei Amtlichen Untersuchungen.

Bei allen drei Referenzmethoden zur Fettbestimmung in Milch und Milchprodukten wird die Fettkügelchenhülle mit geeigneten Chemikalien zerstört, wodurch der emulgierte Zustand des Fettes aufgehoben wird. Das freigesetzte Fett wird dann mit Fettlösemitteln extrahiert. Nach Überführung der Extraktionslösung erfolgt das Verdampfen des Lösemittels und die gravimetrische Auswertung des Fett-Rückstandes. Die Referenzverfahren unterscheiden sich in der Art des Aufschlussmittels und in der Methodik des Extrahierens. Alle drei klassischen Referenzmethoden besitzen eine hohe Präzision, sind allerdings sehr zeitaufwendig und mit einem hohen Arbeitsaufwand sowie großem Chemikalienverbrauch verbunden. Eine Methode, die mit geringerem Zeit- und Chemikalienaufwand vergleichbare Ergebnisse erzielen kann, wäre daher wünschenswert.

Mikrowellenunterstützte Fettextraktion
Jeweils etwa 3 g Probe werden in die Aufschlussbecher der Druckbehälter des Mikrowellensystems eingewogen und mit 10 ml Säure und 25 ml Fettlösemittel versetzt. Als Säure/Fettlösemittel wurden die Kombinationen Schwefelsäure / Cyclohexan und Salzsäure / Petroleumbenzin benutzt. Bei fettarmen Produkten kann die Einwaage bis auf 15 g erhöht werden. Nach dem Verschließen der Druckbehälter und Einstellen in die Mikrowelle laufen dort die Fetthydrolyse und Fettextraktion parallel bei 140 °C innerhalb von 45 Minuten ab.

Die Aufschlusszeit kann, in Abhängigkeit von der Probe, angepasst werden. Nach der Abkühlzeit von 15 Minuten bis auf 35 °C liegt die Probe in einem Zweiphasensystem vor, wobei sich das gelöste Fett in der oberen organischen Phase befindet. Aus dieser oberen organischen Phase wird ein Aliquot von etwa 10 mL abgenommen und in eine tarierte Aluschale eingewogen. Das Lösemittel wird im Abdampfrotor verdampft, die Aluschalen zurückgewogen und der ­Fettgehalt der Probe mit dem Auswerteprogramm automatisch erfasst und berechnet.

Bei Fetten mit sehr geringem Wassergehalt, wie z. B. Butterschmalz, muss der Aufschlussbecher mit dem darin enthaltenen Säure-/Fettlösemittelgemisch für fünf Minuten bei 2000 g zentrifugiert werden. Dies dient der vollkommenen Wasserabtrennung vom Fettlösemittel vor der Entnahme des Aliquots.

Validierung der mikrowellen-unterstützten Fettextraktion
Zur Validierung der Fettbestimmungsmethode mit der Mikrowellenanlage wurden sechs verschiedene Milchprodukte ausgewählt, deren Fettgehalte vorab mit den jeweiligen Referenzverfahren bestimmt wurden.

Die Präzisionsdaten der Reproduzierbarkeit [r] und Vergleichbarkeit [R] wurden aus der Standardabweichung einer jeweiligen 10-fach Bestimmung ermittelt, wobei als Säure / Fettlösemittel die Kombination Schwefelsäure / Cyclohexan zur gleichzeitigen Hydrolyse mit Extraktion verwendet wurde.

Die Differenz der Fettgehalte zwischen den Referenzmethoden und der Mikrowellenmethode liegen nahe der zulässigen Abweichung (Vergleichbarkeit R) der jeweiligen Referenzverfahren. In der Präzision und Richtigkeit ist die Mikrowellenmethode mit den Referenzmethoden vergleichbar.

Die Untergrenze des Arbeitsbereiches der Mikrowellenmethode ist bei 0,5 g Einwaage erreicht, ermittelt mit einem Milchmischgetränk aus Magermilch. Die Obergrenze des Arbeitsbereiches liegt herstellerbedingt bei 15 g Einwaage.

Die Nachweisgrenze des Mikrowellenverfahrens von 0,03 % Fett wurde mit einer Magermilch bestimmt.

Vorteile
Bei den klassischen Referenzmethoden zur Fettbestimmung sind für die verschiedenen Probenarten unterschiedliche Standardmethoden anzuwenden. Wird mit der Mikrowellentechnik nach dem Weibull-Prinzip gearbeitet, so können mit einem einzigen Verfahren alle verschiedenen Probentypen analysiert werden.

Durch den gleichzeitigen Ablauf von Fetthydrolyse und Extraktion sowie dem schnellen Abdampfen des Lösemittels von der Fettphase, ergibt sich eine deutliche Reduzierung der Analysenzeit und des Arbeitsaufwandes. So konnten 12 Proben innerhalb von vier Stunden Gesamtanalysenzeit bestimmt werden. Dabei sind für den manuellen Arbeitsaufwand lediglich zwei Stunden notwendig. Beim klassischen Referenzverfahren ist insgesamt die dreifache Zeit aufzuwenden.

Zudem entfallen bei der Mikrowellen-Anwendung das zeitaufwendige Freiwaschen des Fettlösemittels von Säureresten und das Trocknen der Proben vor jeder Extraktion. Das wiederum erhöht die Effizienz zusätzlich. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der Chemikalienbedarf. Dieser beträgt im Vergleich zu den Referenzverfahren etwa ein Drittel, da auf die mehrfache Fettextraktion, wie sie bei den Referenzverfahren vorgeschrieben ist, verzichtet werden kann. Das trägt zu einer deutlichen Reduzierung des Chemikalienverbrauch und den Kosten bei. Von Bedeutung ist auch die Arbeitssicherheit. Bei der Mikrowellentechnik wird der Probenraum der Mikrowellenanlage permanent kontrolliert abgesaugt und stellt somit eine geringere Arbeitsplatzbelastung und Brandgefahr durch Lösemitteln dar.

Fazit
Mit der mikrowellenunterstützten Fettextraktion werden nahezu identische Fettgehalte wie mit den etablierten Referenzmethoden nach Weibull-Stoldt, Schmid-Bondzynski-Ratzlaff und Röse-Gottlieb erhalten. Dabei werden die Analysenzeiten, der Arbeitsaufwand und der Chemikalienverbrauch deutlich vermindert und die Arbeitssicherheit erhöht.
Die Validierung der Methode der mikrowellenunterstützten Fettextraktion erfolgte im Rahmen einer Bachelorarbeit am Land-wirtschaftlichen Zentrum Baden-Württemberg - Milchwirtschaft Wangen.

Literatur
Bakri R.: Untersuchungen zur mikrowellenunterstützten gravimetrischen Fettbestimmung in Milch und Milchprodukten im Vergleich zur Referenzanalytik, Bachelorthesis, Hochschule Hannover, Fakultät II, Abteilung Bioverfahrenstechnik, 2014

Autoren
Bsc of engineering Rana Bakri
Bad Mergentheim

Prof. Dr. rer. nat. Hermann Frister
Abteilungsleiter Chemie
Hochschule Hannover, Fakultät II,
Abteilung Bioverfahrenstechnik

Dr. rer. nat. Christine Wiedemann
Referatsleiterin Instrumentelle Analytik
Landwirtschaftliches Zentrum Baden-Württemberg - Milchwirtschaft Wangen

Dr. rer. nat. Walter Strohmar
Referatsleiter Allgemeine Chemie
Landwirtschaftliches Zentrum Baden-Württemberg - Milchwirtschaft Wangen

Weitere Beiträge zum Thema: www.git-labor.de/category/tags/lebensmittelanalytik

 

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Am Maierhof 7
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Telefax: 07522/71502

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