Fettkennzahlen
Zur Charakterisierung der Zusammensetzung und des Zustandes von Fetten und Ölen existiert eine Reihe von Kennzahlen. Einige der Methoden zur Bestimmung dieser sogenannten Fettkennzahlen sind nicht mehr im allgemeinen Gebrauch und werden deshalb auch nicht mehr von der Deutschen Gesellschaft für Fettwissenschaft überarbeitet[1]. Da eine qualitativ und quantitativ exakte Charakterisierung der chemischen Struktur der in Fetten und Ölen enthaltenen freien und in Monoacylglycerolen, Diacylglycerolen und Triacylglycerolen gebundenen Fettsäuren jedoch äußerst aufwändig ist, finden die aus einfachen chemischen Untersuchungen hervorgehenden Fettkennzahlen in Forschung und Praxis oftmals noch pragmatische Anwendungen. Eine exakte Bestimmung der Fettsäure-Zusammensetzung der Triacylglycerole ist mittels gas- und flüssigkeitschromatographischer Methoden möglich[2,3]. Zu weiteren Methoden der Fettanalytik siehe Fette und Öle.
Verseifungszahl
(Abkürzung VZ). Nach DIN EN ISO 3657: 2020-07 diejenige Menge Kaliumhydroxid in mg, die unter festgelegten Bedingungen erforderlich ist, um 1 g einer Probe zu verseifen. Die VZ ist eine übliche Fettkennzahl für Öle, Fette, Harze und Lösemittel[4]. Sie dient in der Lebensmittelanalytik zur Charakterisierung von Fetten und Ölen, hat hier allerdings eine geringere Bedeutung als früher.
Das Prinzip der Bestimmung der VZ beruht auf der Freisetzung der über Ester-Bindungen an Alkohole, oftmals Glycerol, gebundenen Fettsäuren durch die Zugabe starker Basen (Abbildung 1). Dieser Vorgang wird Verseifung genannt, da aus den entstehenden Fettsäure-Anionen mit dem passenden Gegenion (z. B. Kalium) Seifen gewonnen werden können. Die zugegebene Lauge muss dabei mit dem Fett mischbar sein, weshalb oftmals ethanolische Laugen, z. B. Kaliumhydroxid (KOH) verwendet werden.
Die Menge an KOH, die zur Verseifung von 1 g Probe nötig ist, steigt mit der Anzahl der zu spaltenden Ester-Bindungen. Sind nun viele Ester mit kurzkettigen Fettsäure-Resten enthalten, wird mehr KOH zur Verseifung von 1 g Probe benötigt, als wenn viele Ester mit langkettigen (schweren) Fettsäure-Resten enthalten sind (vgl. Tabelle). Die VZ ist damit ein Maß für die mittlere Molmasse der in Triacylglycerolen gebundenen Fettsäuren eines Fettes oder Öles.
Verfahren zur Bestimmung finden sich z. B. in Literatur[4]. In der Regel wird die Fettprobe mit einem Überschuss alkoholischer Kalilauge unter Rückflusskochung erhitzt. Anschließend wird die nicht verbrauchte Menge KOH durch Titration mit einer starken Säure bestimmt.
Eine Übersicht über die VZ verschiedener Fette und Öle bietet die Tabelle.
Iod-Zahl
(Abkürzung IZ; auch Jod-Zahl, JZ). Maßzahl für den Grad der Ungesättigtheit einer Verbindung. Mit ihr lässt sich in einem Fett oder Öl der Gehalt an olefinischen Doppelbindungen und damit der Gehalt an ungesättigten Fettsäuren abschätzen. Die IZ wird konventionell bei der Fettanalytik bestimmt. Eine kritische Auseinandersetzung mit den Vor- und Nachteilen der Methode liefert Knothe[5].
Das Prinzip der Methode beruht darauf, dass Halogen-Verbindungen an Kohlenstoff–Kohlenstoff-Doppelbindungen addieren (Abbildung 2). Je mehr Doppelbindungen in einem Fett oder Öl vorkommen, desto mehr Iod kann formal addiert werden und desto höher ist die IZ (vgl. Tabelle, z. B. Rapsöl und Kokosfett).
Genauer gibt die IZ an, wieviel g Halogen, als Iod berechnet, von 100 g Probenmaterial unter definierten Versuchsbedingungen gebunden werden. Die IZ ist charakteristisch für eine Fett- oder Ölart und kann zur Identifizierung mit herangezogen werden. Fette mit höherer IZ haben in der Regel einen geringeren Schmelzpunkt sowie eine höhere Polymerisierungsneigung als Fette mit kleiner IZ.
Es gibt zahlreiche verschiedene Ausführungsformen der Bestimmung, die sich im Wesentlichen im verwendeten Halogenierungsreagenz unterscheiden. Arthur von Hübl, der die IZ im Jahr 1884 einführte[6], verwendete eine alkoholische Iod-Lösung unter Zusatz von Quecksilberchlorid, welches zur in-situ-Bildung von Iodchlorid führt. Reines elementares Iod lagert sich nicht an olefinische Doppelbindungen an. Die wichtigsten Methoden sind die nach Hanuš (Reagenz: Iodmonobromid), Kaufmann (Reagenz: Brom) und Wijs (Reagenz: Iodmonochlorid)[7]. Die Probe wird heute z. B. in einem Gemisch aus Cyclohexan und Eisessig (früher Trichlormethan) gelöst, anschließend wird das Halogen zugegeben. Durch Zugabe von Kaliumiodid-Lösung wird das nicht verbrauchte Halogen umgesetzt, wobei aus dem Iodid des zugesetzten Kaliumiodids elementares Iod freigesetzt wird und dann mit Thiosulfat-Lösung zurücktitriert werden kann. Auf diese Weise wird die Menge des nicht verbrauchten Halogens bestimmt, woraus bei bekannter Menge des zu Beginn zugegebenen Halogens auch die verbrauchte, d. h. die vom Fett aufgenommene Menge des Halogens berechnet werden kann. Bei der Hydrier-IZ erfolgt die Bestimmung über die Wasserstoff-Aufnahme.
Die IZ ist auch eine bewährte Maßzahl für die Fähigkeit zur oxidativen Härtung von Ölen und Alkydharzen (siehe auch trocknende Öle). IZ von >170 weisen auf schnell trocknende Öle wie z. B. Leinöl, IZ von <100 auf nicht trocknende Öle wie Olivenöl und Alkydharze hin (siehe auch Öle).
Eine Übersicht über die IZ verschiedener pflanzlicher Fette und Öle bietet die Tabelle.
Säurezahl
(Abkürzung SZ). Die SZ wird durch Titration einer Lösung eines Fettes in einem Gemisch aus Diethylether und Ethanol bestimmt. Sie dient zur Bestimmung des Gehalts an freien organischen Säuren in Fetten und Ölen und in Lösemitteln bzw. Weichmachern: Die SZ gibt an, wieviel mg Kaliumhydroxid zur Neutralisation von 1 g der Probe verbraucht wird[8]. In der Amtlichen Sammlung werden drei Varianten der Bestimmung beschrieben (Verfahren mit heißem Ethanol oder mit kaltem Lösemittelgemisch unter Verwendung eines Indikators sowie ein potentiometrisches Verfahren)[8]. Die SZ dient insbesondere zur Qualitätsbeurteilung von nicht raffinierten pflanzlichen Ölen, z. B. kaltgepresstem Olivenöl.
Säuregrad
Der Säuregrad ist die Menge an 1 m Kaliumhydroxid-Lösung in mL, die zur Neutralisation von 100 g Fett verbraucht wird (DIN 10316: 2000-08).
Die ähnlich definierte Neutralisationszahl (Nz), die nicht nur die organischen Säuren, sondern den Gesamtsäuregehalt erfasst, dient zu dessen Bestimmung in Mineralfetten und -ölen (DIN ISO 6618: 2015-07).
Hydroxyl-Zahl
(OH-Zahl; Abkürzung OHZ; DIN EN ISO 4629-1. 2016-12; in angloamerikanischen Untersuchungen identisch mit der Acetyl-Zahl): Die analytische Methode, die zur Bestimmung der OH-Zahl verwendet wird, erfasst Hydroxyfettsäuren, Fettalkohole, Mono- und Diacylglycerole und ihre Derivate sowie freies Glycerol.
Zur Bestimmung werden die Hydroxy-Gruppen mit Acetanhydrid acetyliert; die dabei freiwerdende Essigsäure wird durch Titration mit Kaliumhydroxid-Lösung erfasst. Somit gibt diese konventionelle Maßzahl der Fettanalytik an, wieviel mg Kaliumhydroxid der Essigsäure-Menge äquivalent sind, die von 1 g Substanz bei der Acetylierung gebunden wird. Die Probe wird im Allgemeinen mit Essigsäureanhydrid-Pyridin gekocht, und die entstehende Säure mit Kaliumhydroxid-Lösung titriert.
Die Hydroxyl-Zahl, die zur Beurteilung von Reaktionsharzen, Wachsen, Fetten, Ölen, Lösemitteln usw. dient, ist verwandt mit der Acetyl-Zahl[9,10].
Esterzahl
(Abkürzung EZ). Die EZ wird nicht bestimmt, sondern ergibt sich aus der Differenz von Verseifungszahl und Säurezahl (VZ – SZ = EZ). Sie gibt an, wieviel Kaliumhydroxid zur Verseifung der in 1 g Fett enthaltenen Ester notwendig ist.
Buttersäure-Zahl
(Abkürzung BsZ). Die BsZ entspricht der Menge (in mL) 0,1 m Kaliumhydroxid-Lösung, die zur Neutralisation der unter festgelegten Bedingungen aus 5 g Fett erhaltenen flüchtigen Fettsäuren erforderlich ist. Diese Zahl bzw. die Halbmikro-Buttersäure-Zahl (Abkürzung HBsZ) diente lange Zeit zur Bestimmung des Anteils von Butterfett bzw. von Fremdfett in Milchfett (siehe Milch). Für reines Milchfett wurde eine mittlere BsZ von 20 zugrunde gelegt (Schwankungsbreite 17–23). Aus der BsZ kann der tatsächliche Buttersäure-Gehalt (im Mittel 3,7 Gewichtsprozent) jedoch nicht berechnet werden, dieser ist mittels Gaschromatographie bestimmbar. In der Amtlichen Sammlung findet sich eine Methode zur Bestimmung der HBsZ in feinen Backwaren[11]. Heute bestimmt man Fremdfette in Milch mittels gaschromatographischer Triacylglycerol-Analyse[12-14].
Reichert-Meissl-Zahl (Polenske-Zahl)
Sie sind weniger gebräuchliche Kennzahlen, die ebenfalls auf der titrimetrischen Bestimmung wasserdampfflüchtiger Fettsäuren beruhen. Der Chemiker Emil Reichert publizierte die Methode zur Bestimmung 1879[15], während Emerich Meissl eine verbesserte Version von Reicherts Methode veröffentlichte[16]. Der Zahlenwert gibt das Volumen von 0,1 m Natriumhydroxid-Lösung in mL an, das zur Neutralisation der aus 5 g Fett oder Öl abdestillierten flüchtigen Fettsäuren erforderlich ist (in der Regel unter 1).
Peroxid-Zahl
(Abkürzung POZ). Kennzahl zur Erfassung des Gehalts an peroxidischen Gruppen eines Fettes oder Öles. Sie beschreibt den Oxidationszustand von Fetten und Ölen, wodurch eine Beurteilung des oxidativen Fettverderbs (vgl. Autoxidation, Lipoxygenase) ermöglicht wird. Nach der DIN EN ISO 27107:2010-08 werden die „Milli-Äquivalente Sauerstoff je Kilogramm Fett“ (Einheit mEq/kg) bestimmt.
Methodisch wird die Probe zunächst mit einer sauren Kaliumiodid-Lösung im Überschuss versetzt. Die in der Probe enthaltenen Hydroperoxide und Peroxide oxidieren dann das Kaliumiodid zu elementarem Iod, wobei das Verfahren nach Wheeler in der Kälte, das nach Sully in siedendem Lösemittel arbeitet:
R–OOH + 2 I− + 2 H3O+ → R–OH + I2 + 3 H2O
Das entstandene Iod wird anschließend unter Einsatz von Stärke als Indikator mit Thiosulfat-Lösung rücktitriert[17].
Eine alternative Bestimmungsmethode ist der sogenannte Eisen-Test, der auf der Oxidation von Eisen(II) zu Eisen(III) durch die Fett-Peroxide beruht[18-20]. Das entstandene Eisen(III) wird photometrisch nach Zugabe von Thiocyanat (SCN−) als Eisen(III)-thiocyanat bei 500–510 nm erfasst. Eine Abwandlung des Eisen-Tests verwendet im Rahmen der sogenannten FOX-Methode (FOX: ferrous oxidation xylenol orange) den Farbstoff Xylenolorange, der mit Fe3+ einen Komplex bildet, welcher bei 540–600 nm absorbiert und so eine photometrische Bestimmung ermöglicht[21]. Zudem stehen FTIR-spektroskopische Verfahren[22] (siehe IR-Spektroskopie) und NIR-spektroskopische Verfahren[23] (siehe NIR-Spektroskopie) zur Bestimmung der POZ zur Verfügung. Ferner existieren schnelle NMR-spektroskopische Methoden (siehe NMR-Spektroskopie) zur Bestimmung der POZ zur Verfügung, die allerdings die entsprechende instrumentelle Ausstattung voraussetzen[24].
Die sensorische Beschaffenheit eines Fettes ist nicht zwingend mit der Höhe der POZ korreliert, da diese während des oxidativen Verderbs von Fetten und Ölen zunächst ansteigt und nach Erreichen eines Maximums wieder abfällt.
Alternative Methoden zur Bestimmung des Oxidationsstatus eines Fettes sind die Rancimat-Methode und der Thiobarbitursäure-Test, siehe auch Ranzigkeit.
Unverseifbares
(Unverseiftes). In der Analytik der natürlichen Fette und Öle gebräuchliche Bezeichnung für Stoffe wie Sterole, Kohlenwasserstoffe, Wachse, Fettalkohole, Carotinoide usw., die der Verseifung widerstehen. Der bei natürlichen Fetten und Ölen im allgemeinen nur geringe Anteil an Unverseifbarem (0,2 bis 2 %, eine Ausnahme stellt unter anderem Sheabutter dar, die 3,6–10 % Unverseifbares enthält) besteht bei tierischen Fetten hauptsächlich aus Cholesterol, bei pflanzlichen aus Phytosterolen und fettlöslichen Vitaminen (siehe auch Fette und Öle). Das Unverseifbare kann auch Fremdbestandteile (z. B. Mineralöle und Biozide) enthalten. In der Amtlichen Sammlung findet sich ein Verfahren mit Hexan-Extraktion[25] und ein Verfahren mit Diethylether-Extraktion[26].
Anisidin-Zahl
Diese Zahl ist ein Maß für die Menge an Aldehyden und Ketonen in tierischen und pflanzlichen Fetten und Ölen. Definiert wird sie als die hundertfache Extinktionserhöhung bei 350 nm einer Prüflösung nach Reaktion mit p-Anisidin unter festgelegten Bedingungen[27]. Grundlage der Bestimmung ist die Kondensation von p-Anisidin mit Aldehyden und Ketonen zu Schiffschen Basen, welche bei 350 nm absorbieren und somit eine kolorimetrische Bestimmung ermöglichen. Zur Bestimmung der Anisidin-Zahl wurden auch 1H-NMR-Methoden (siehe NMR-Spektroskopie) vorgeschlagen[28].
Literatur
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