Dosen mit Kick: die Wissenschaft von Energydrinks Teach article

Übersetzt von Inci Aydin. Wenn Sie jemals einen Energydrink als Stärkungsmittel kaufen, wissen Sie, was drin steckt? Hier verwenden wir Laborchemie, um es herauszufinden.

Schauen Sie in die Regale eines jeden lokalen Nachbarschaftsladens, und Sie werden eine zunehmende Anzahl von „Energydrinks“ finden, die alle eine verbesserte Leistungsfähigkeit in Sport und anderen Aktivitäten versprechen, was einen starken Eindruck auf viele Jugendliche macht. Aber was steckt in diesen Getränken, und wieviel davon? Sind sie nur teure Zuckerlösungen – oder können sie tatsächlich gefährlich sein?

In diesem Artikel zeigen wir, wie Sie mithilfe der Labortechniken Chromatographie und Kolorimetrie einige der Bestandteile von Energydrinks und ihre Konzentrationen herausfinden können. Da fortschrittliche Techniken eingebunden werden, sind diese Übungen am besten für ältere Schüler (14-19 Jahre) geeignet und dauern zusammen etwa 3-4 Stunden. Wenn Ihre eigene Schule nicht über die gesamte benötigte Ausstattung verfügt, können Sie sich vielleicht mit anderen Schulen vernetzen: diese Übungen funktionieren gut als eine Kollaboration.

Vorbereitung: Lesen der Etiketten

Hersteller müssen die Inhaltsstoffe von Energydrinks auf der Verpackung (Abbildung 1) oder einer Website auflisten, also beginnen wir mit dieser Aufgabe ohne Chemie. Später werden wir die Angaben des Herstellers mit den Laborergebnissen vergleichen.

Der Bestandteil in Energydrinks mit der größten Wirkung ist Koffein, was auch in anderen Getränken wie Tee, Kaffee und Coca-Cola® vorkommt. Seine Wirkung als Anregungsmittel ist gut bekannt. In dieser vorbereitenden Übung recherchieren und vergleichen die Schüler die Koffeinkonzentrationen in verschiedenen Getränken und berechnen wie viele Portionen benötigt würden, um schädliche Nebenwirkungen zu verursachen. Wir schlagen vor, den Schülern 30-60 Minuten für diese Übung zu geben.

Materialien

• Internetzugang für die Recherche
• Notizbücher zur Dokumentation der Ergebnisse

Durchführung

Bitten Sie die Schüler, folgendes alleine oder in einer Gruppe zu machen:

1. Erstellt eine Liste mit etwa fünf Energydrinks, insbesondere solche, die als koffeinhaltig beworben werden. Schließt als Vergleich Kaffee (in Form eines einfachen Espressos) ein.
2. Nutzt das Internet, um die Bestandteile, einschließlich Koffein, jedes Getränks zu recherchieren. Notiert die Koffeinmenge in einer einzelnen Dose oder Flasche und pro 100 ml, falls angegeben. Falls nicht, notiert das Volumen der Dose oder Flasche, sodass man die Koffeinkonzentration herleiten kann (wir werden sie in einem der Experimente benutzen).
3. Nutzt das Internet, um die Koffeindosis, bei der schädliche Nebenwirkungen zu erwarten sind, herauszufinden. Hängt diese von irgendwelchen anderen Faktoren ab, z.B. Körpergewicht, oder davon, ob der Verbraucher ein Erwachsener oder ein Kind ist?
4. Erstellt eine Tabelle, die die folgenden Eigenschaften für jedes Getränk aufzeigt:

• Liste der Inhaltsstoffe
• Koffeinmenge in einer Dose
• Wie vielen einfachen Espresso dies entspricht
• Wie viele Dosen man trinken müsste, um schädliche Nebenwirkungen zu riskieren.

Diskussion

Diskutieren Sie diese Ergebnisse in der Klasse. Was folgern die Schüler über die Inhaltstoffe und Sicherheit von Energydrinks? Könnten sie jemanden töten?

Unsere Recherche hat ergeben, dass eine durchschnittliche Dose (250 ml) Energydrink etwa 80 mg Koffein enthält, was der Menge in einem einfachen Espresso (60-100 mg) ähnelt. Das ist nahe an der Dosis, die wahrscheinlich Nebenwirkungen verursacht (100-160 mg).

Extrahieren des Koffeins

Jetzt gehen wir zu der praktischen Chemie über: Extraktion des Koffeins und anderer organischer Bestandteile aus dem Energydrink, und dann die Identifikation des Koffeins mithilfe von Dünnschichtchromatographie. Diese Tätigkeit dauert 1,5-2 Stunden.

Materialien

Für die Extraktion

• 50 ml Energydrink
• 2 x 15 ml organisches Lösungsmittel, das sich leicht verflüchtigt, wie z.B. Essigsäureethylesther (Ethylacetat)
• 10 ml von einer 1 M Lösung eines geeigneten Alkalis, z.B. Natriumcarbonat
• 10 g wasserfreies Magnesiumsulfat (zum Trocknen)
• Drehverdunster, falls vorhanden
• Universelles Indikatorpapier
• Scheidetrichter
• Filterpapier
• 100 ml Becher
• Messzylinder
• Glasstab zum Rühren 

Für die Chromatographie

• Stationäre Phase: Dünnschichtchromatographieplatten, vorbeschichtet mit Kieselgel, etwa 10 cm x 5 cm
• Eluent (mobile Phase): 10 ml einer Mischung aus 30% Ameisensäure (Methansäure) und Essigsäure-n-butylester (Butylacetat)
• Probe mit purem Koffein (dient als Referenzpunkt), hergestellt durch Lösen einer Spatelspitze Koffein in 2-3 ml Ethanol
• UV-Lichtquelle

Durchführung

1. Nehmt 50 ml Energydrink und fügt es zu 9 ml einer 1 M Natriumcarbonat-Lösung in einem Becher hinzu.
2. Prüft mit dem Indikatorpapier, ob der pH-Wert der Lösung zwischen 8 und 10 liegt. Wenn nicht, stellt den pH ein, indem ihr etwas mehr Alkali oder Energydrink hinzufügt.
3. Schüttet diese Lösung in einen Scheidetrichter und gebt 15 ml Essigsäureethylesther dazu. Schüttelt das Gemisch gut und lasst es dann stehen, sodass sich die wässrige Phase und organische Phase trennen.
4. Lasst die wässrige Phase (untere Schicht) abfließen, dann sammelt die organische Phase (die obere Schicht) in einem sauberen Becher (Abbildung 3).
5. Fügt weitere 15 ml Essigsäureethylesther zu dem Becher mit der organischen Phase hinzu und wiederholt die Prozedure aus Schütteln und Sammeln der organischen Phase.

6. Entfernt das Wasser von der organischen Phase, indem ihr das wasserfreie Magnesiumsulfat dazu gebt (Abbildung 4).

7. Falls vorhanden, verdampft das Lösungsmittel aus der organischen Phase mit dem Drehverdunster. Die Temperatur des Wasserbads sollte 40°C betragen. Sobald das Lösungsmittel verdampft ist, wird ein weißes Pulver zurückbleiben – dieses ist das Koffeinextrakt. Falls ihr keinen Drehverdunster habt, macht mit dem noch in dem Lösungsmittel gelösten Koffeinextrakt weiter.
8. Jetzt seid ihr bereit, eure Probe zu analysieren. Falls ihr das Lösungsmittel verdampft habt, gebt 1 ml Essigsäureethylesther zum Koffeinextraktpulver, um es wieder zu lösen.
9. Um die Chromatographie zu beginnen, bereitet die 10 ml Eluent vor und schüttet dieses Gemisch in einen Elutionsbehälter (oder einen Becher mit einer Abdeckung).
10. Macht auf einer Chromatographieplatte einen Fleck mit der puren Koffeinlösung (als Referenz) und einen anderen Fleck mit der Koffeinextrakt-Lösung.
11. Erlaubt der Chromatographie fortzuschreiten (Abbildung 5; 10-15 Minuten), und entfernt dann vorsichtig das Chromatogramm.

12. Schaut euch schließlich das Chromatogramm unter UV-Licht an, sodass die Flecken sichtbar werden (Abbildung 6). Was seht ihr?

Diskussion

Nach der praktischen Arbeit kann die gesamte Klasse ihre Ergebnisse diskutieren. Versuchen Sie die folgenden Fragen:

• Warum befindet sich das Koffein während der Extraktion in der Flüssigkeit und nicht auf dem Filterpapier? (Das Koffein löst sich in dem Lösungsmittel.)
• Warum verwenden wir ein organisches Lösungsmittel und nicht Wasser für die Extraktion? (Zucker und Mineralien lösen sich im Wasser, während sich Koffein besser in organischen Lösungsmitteln löst.)
• Warum ist UV-Licht notwendig, um das Koffein auf dem Chromatogramm zu sehen? (Koffein ist farblos, aber seine chemischen Bindungen absorbieren Licht im nahen UV-Bereich.)

Bei manchen Getränken werden auf dem Chromatogramm neben Koffein andere Flecken unter UV-Licht sichtbar sein, welche die Schüler anhand der Liste der Inhaltsstoffe zu identifizieren versuchen können. Wahrscheinliche Verbindungen sind Vitamine B₃ (Pyridoxin) und B₆ (Niacin), da einige Bindungen (Abbildung 7) dieser Verbindungen auch Licht im nahen UV-Bereich absorbieren.

Prüfung der Konzentration

In dieser letzten Übung verwenden wir eine andere chemische Methode – Kolorimetrie -, um die Koffeinkonzentration in einem Energydrink herauszufinden und diese mit der beworbenen Zahl zu vergleichen. Erlauben Sie 60-90 Minuten für diese Übung.

Die Strategie hier ist, einen Satz Referenzlösungen mit unterschiedlichen, bekannten Koffeinkonzentrationen zu benutzen und die Absorption des Energydrinks mit diesen Werten mithilfe eines Kalibrationsgraphen zu vergleichen.

Materialien

• Energydrink (mindestens 20 ml)
• Referenzlösungen mit purem Koffein in destilliertem Wasser mit den Konzentrationen 5, 10, 20 und 50 mg/l (jeweils mindestens 20 ml)
• Destilliertes Wasser
• Kolorimeter, das empfindlich gegenüber Wellenlängen zwischen 250 nm und 380 nm (nahes UV) ist
• 20 ml Messkolben
• Pipette
• Waage und Waagschalen

Durchführung

1. Kalibriert das Kolorimeter mit destilliertem Wasser.
2. Messt mit dem Kolorimeter die Absorption jeder Referenzlösung bei 271 nm und protokolliert diese Ablesungen. (Koffein absorbiert diese Wellenlänge sehr stark; Abbildung 8.)

3. Erstellt einen Kalibrationsgraphen, indem ihr die Absorption bei 271 nm gegen die Koffeinkonzentration auftragt und die Punkte mit einer Ausgleichsgerade verbindet.

4. Verdünnt das Getränk um einen Faktor von 20 mithilfe eines Messkolbens und einer Pipette. (Die Absorption von Koffein in normalen Konzentrationen ist zu hoch, um vom Kolorimeter genau gemessen werden zu können.)
5. Messt die Absorption des verdünnten Getränks bei 271 nm.
6. Schätzt die Koffeinkonzentration des verdünnten Getränks anhand der von euch erstellten Kalibrationskurve ab. Multipliziert den Wert mit 20, um die Koffeinkonzentration in mg/l in dem unverdünnten Getränk abzuschätzen.
7. Vergleicht dieses Ergebnis mit der Koffeinkonzentration, die die Hersteller angeben (stellt sicher, dass ihr in jedem Fall dieselben Einheiten verwendet). Sind sie gleich? Falls nicht, könnt ihr euch mögliche Gründe dafür vorstellen? Hat der Hersteller betrogen?

Diskussion

Bitten Sie die Schüler, ihre Ergebnisse bezüglich der Koffeinmenge in verschiedenen Energydrinks in einer Klassendiskussion zu vergleichen.

Dann diskutieren Sie ihre Ergebnisse im Vergleich zu den veröffentlichten Angaben der Hersteller. Waren irgendwelche experimentellen Ergebnisse höher als die veröffentlichten?

Um dies zu erklären, sollten die Schüler an den ersten Teil des Experiments zurück denken, wo das Chromatogramm einige Verbindungen – typischerweise die Vitamine B₃ und B₆ – neben Koffein aufzeigte. Tatsächlich absorbieren auch diese Verbindungen Licht der Wellenlänge 271 nm, sodass sie die Absorption des Energydrinks bei dieser Wellenlänge erhöhen. Wenn die Absorption des Getränks verwendet wird, um die Koffeinkonzentration mithilfe des Kalibrationsgraphen zu ermitteln, ist die Ablesung folglich höher als ein Maß für Koffein allein.

Koffein und das Gehirn

Energydrinks sind aufgrund ihrer Vermarktung und Verbindung zu Sport und körperlicher Ausdauer beliebt. Aber können sie auch beeinflussen, wie unser Gehirn arbeitet, indem sie unsere mentalen Fähigkeiten stimulieren?

Wenn Sie wissen möchten, wie Sie dies untersuchen können, können Sie im Abschnitt mit weiterführendem Material zwei Klassenraum-Experimente herunterladen, die geistige Mobilität durch Messung der Bedenk- und Reaktionszeiten bewerten^w1. Eines ist eine Nummernabgleichsaufgabe, das andere eine Fangaufgabe.

Danksagung

die von Science on Stage, dem Netzwerk von europäischen Lehrkräften, die Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik (MINT) unterrichten, und das anfangs im Jahre 1999 von EIROforum, dem Herausgeber von Science in School, eingeführt wurde. Der gemeinnützige Verein Science on Stage bringt MINT-Lehrkräfte aus ganz Europa zusammen, um Unterrichtskonzepte und praktische Tipps zur Umsetzung unter begeisterten Kollegen aus 25 Ländern auszutauschen.

Bei Science on Stage Workshops sowie Diskussionen via E-Mail arbeiteten 20 Lehrkräfte aus 15 europäischen Ländern für 18 Monate zusammen, um 12 Unterrichtseinheiten zu entwickeln, die zeigen, wie Fußball im Physik-, Chemie-, Biologie-, Mathematik- oder Informatikunterricht eingesetzt werden kann. Diese Einheiten wurden dann 2016 von Science on Stage Deutschland als iStage 3 – Fußball im MINT-Unterricht^w2 veröffentlicht. Das Projekt wurde von SAP unterstützt.

Die Folgetätigkeit von iStage 3 ist die Europäische MINT Liga, zu der die Leser eingeladen sind, sich anzuschließen und anzutreten, um der Europäische MINT Champion zu werden^w3.