Blikjes met een kick: de wetenschap achter energiedranken Teach article

Vertaald door Piet Das. Als je ooit een energiedrankje als opkikkertje koopt, weet je dan wat erin zit? We gebruiken hier laboratoriumscheikunde om dat uit te zoeken.

Kijk eens in de schappen van een lokale supermarkt en je ziet een toenemend aantal ‘energiedranken’, die allemaal betere prestaties beloven bij sporten en andere activiteiten – en ze spreken veel tieners sterk aan. Maar wat zit er in die drankjes en hoeveel? Zijn het alleen dure suikeroplossingen – of zouden ze echt gevaarlijk kunnen zijn?

In dit artikel laten we zien hoe je enkele ingrediënten van ”energiedranken” en de concentraties er van kunt uitvogelen met behulp van laboratoriumtechnieken als chromatografie en colorimetrie. Vanwege de geavanceerde technieken waarmee je werkt, zijn deze activiteiten het meest geschikt voor oudere scholieren (leeftijd 14-19), en ze nemen samen ongeveer 3-4 uur in beslag. Als je eigen school niet alle benodigde apparatuur heeft, kun je misschien contact opnemen met andere scholen: de activiteiten zijn erg geschikt voor  samenwerking met anderen.

Voorbereiding: de labels lezen

Fabrikanten moeten de ingrediëntenlijst van energiedranken op de verpakking vermelden (figuur 1) of op een website zetten, dus daarmee beginnen we, zonder enige scheikunde te gebruiken. Later zullen we de fabrieksinformatie met de laboratoriumresultaten vergelijken.

Het ingrediënt in energiedranken, dat het grootste effect heeft, is cafeïne, die ook in andere dranken zit, zoals thee, koffie en Coca-Cola®. Het effect ervan als  genotmiddel is bekend. In deze voorbereidende activiteiten, onderzoeken leerlingen en vergelijken ze de cafeïne concentraties in verschillende dranken en werken uit hoeveel porties nodig zouden zijn om schadelijke bijwerkingen te veroorzaken. Wij stellen voor om 30-60 minuten toe te staan voor deze activiteit

Materialen

• Toegang tot het Internet om het onderzoek uit te voeren
• Schriften om gegevens vast te leggen.

Werkwijze

Vraag je leerlingen om het volgende te doen, alleen of in een groepje:

1. Maak een lijstje van ongeveer vijf energydranken, vooral degene die worden gepromoot omdat ze cafeïne bevatten. Gebruik ook koffie (zoals een enkele espresso) ter vergelijking.
2. Gebruik het internet om de ingrediënten van elk drankje te onderzoeken, inclusief cafeïne. Noteer de hoeveelheid cafeïne in een enkele blikje of flesje of per 100 ml, indien vermeld. Als dat niet het geval is, noteer dan het volume van het blikje of flesje, zodat u de cafeïneconcentratie kunt bepalen (we zullen dit in een van de experimenten gebruiken).
3. Gebruik internet om de cafeïnedosis te achterhalen waarbij schadelijke bijwerkingen worden verwacht. Is dit afhankelijk van andere factoren, bijvoorbeeld lichaamsgewicht, of dat de consument een volwassene of een kind is?
4. Maak een tabel met de volgende kenmerken voor elke drank:

• Ingrediëntenlijst.
• Hoeveelheid cafeïne in een blikje
• Met hoeveel enkele espresso’s je dit kunt vergelijken.
• Hoeveel blikjes je zou moeten drinken om schadelijke bijwerkingen te riskeren.

Discussie

Bediscussieer de resultaten met de klas. Wat concluderen de leerlingen over de ingrediënten van energiedranken en hoe veilig ze zijn?

In ons onderzoek vonden we dat een gemiddeld blikje (250 ml) van een energiedrankje ongeveer 80 mg cafeïne bevat, vergelijkbaar met de hoeveelheid in een enkele espresso (60-100 mg). Dit ligt dicht bij de dosis die waarschijnlijk bijwerkingen veroorzaakt (100 – 160 mg).

Cafeïne extraheren

Nu gaan we over tot praktische scheikunde; het extraheren van cafeïne en andere organische stoffen uit energiedranken en daarna de cafeïne identificeren met behulp van dunne laag chromatografie. Deze activiteit neemt 1,5 – 2 uur in beslag.

Materialen

Voor de extractie

• 50 mL van een energiedrank
• 2 x 15 mL van een organisch oplosmiddel dat gemakkelijk verdampt, b.v. ethylethanoaat (ethylacetaat).
• 10 mL van een 1 M van een passende alkalische oplossing, b.v. natriumcarbonaat.
• 10 g wateropnemend magnesiumsulfaat (om te drogen)
• Rotatieverdamper, indien beschikbaar
• Universeel indicator papier
• Scheitrechter
• Filter papier
• 100 mL bekerglazen
• Maatcilinder
• Glazen roerstaafje

Voor de chromatografie

• Stationaire fase: dunne laag chromatografieplaten die gecoat zijn met silica gel, van ongeveer 10 cm x 5 cm
• Loopvloeistof (mobiele fase):10 mL van een mengsel van 30% methaanzuur (mierenzuur) en 50% butylnatriumethanoaat (butylacetaat)
• Een monster pure cafeïne (om als referentiepunt te dienen), gemaakt door een spatelpuntje cafeïne op te lossen in 2-3 mL ethanol.
• UV lichtbron

Werkwijze

1. Neem 50 mL van de energiedrank en voeg deze toe aan 9 mL van een 1 M oplossing van natriumcarbonaat in een bekerglas.
2. Controleer met behulp van het indicator papier of de pH van de oplossing tussen 8 en 10 ligt. Zo niet, pas de pH aan door het toevoegen van een beetje meer alkalische oplossing of  energiedrank.
3. Giet deze oplossing in een scheitrechter en voeg 15 ml ethylnatriumethanoaat toe. Schud het mengsel goed en laat het zich zetten, zodat de waterige fase en de organische fase zich van elkaar scheiden.
4. Laat de waterige fase (onderste laag) weglopen, verzamel daarna de organische fase (de bovenste laag) in een schoon bekerglas (figuur 3).
5. Voeg nog 15 ml ethylnatriumethanoaat toe aan het bekerglas dat de organische fase bevat en herhaal de operatie, schud en verzamel daarna de organische fase.

6. Verwijder het water uit de organische fase door toevoeging van het watervrije magnesiumsulfaat (figuur 4).

7. Verdamp het oplosmiddel uit de organische fase met behulp van de rotatieverdamper, als je er een hebt. De temperatuur van het waterbad moet 40°C zijn. Zodra het oplosmiddel is verdampt, houd je een wit poeder over-dit is het cafeïne-extract. Als je niet beschikt over een rotatieverdamper, ga dan verder naar de volgende stap waarbij het cafeïne-extract nog steeds is opgelost in het oplosmiddel.
8. Nu ben je klaar om je monster te analyseren. Als je het oplosmiddel verdampt, voeg dan 1 ml ethylnatriumethanoaat toe aan het cafeïne extract poeder om het opnieuw op te lossen.
9. Om te kunnen beginnen met de chromatografie, bereid je de 10 ml van de loopvloeistof  en giet dit mengsel in een elutietank (of een bekerglas met een deksel).
10. Maak op een chromatografieplaat een plek met behulp van de pure cafeïne-oplossing (als referentie) en een plek waarop je de cafeïne-extractoplossing doet.
11. Laat de chromatografie verdergaan (figuur 5; 10-15 minuten), en verwijder vervolgens voorzichtig het chromatogram.

12. Bekijk tot slot het chromatogram onder Uv-licht, zodat de vlekken zichtbaar worden (figuur 6). Wat zie je?

Nabespreking

Na het praktische werk, kan de hele klas bespreken wat ze uitgevonden hebben. Probeer de volgende vragen:

• Waarom vind je de cafeïne bij de extractie in de vloeistof en niet op het filtreerpapier? (De cafeïne lost op in het oplosmiddel.)
• Waarom gebruiken we een organisch oplosmiddel voor de extractie in plaats van water? (Suikers en mineralen lossen op in water, maar cafeïne is een organische verbinding.)
• Waarom is er UV-licht nodig om de cafeïne op het chromatogram te zien? (Cafeïne is niet gekleurd, maar zijn chemische bindingen absorberen licht het nabije UV-spectrum).

Voor sommige drankjes zijn er andere plekken zichtbaar onder Uv-licht op het chromatogram en ook cafeïne, die studenten kunnen proberen te identificeren uit de lijst met ingrediënten van de drank. Waarschijnlijke verbindingen zijn de vitamines B3 (pyridoxine) en B6 (niacine), omdat sommige van de bindingen (figuur 7) in deze verbindingen ook licht absorberen in het nabije UV-spectrum.

De concentratie testen

In deze laatste activiteit gebruiken we een andere chemische techniek – colorimetrie – om de concentratie van cafeïne in een energiedrank te berekenen en dit te vergelijken met de geadverteerde figuur. Reken 60-90 minuten voor deze activiteit.

De werkwijze hier is om een reeks referentieoplossingen van cafeïne te gebruiken in verschillende bekende concentraties en om de absorptie van de energiedrank te vergelijken met deze waarden via een kalibratiegrafiek.

 Materialen

• Energiedrank (tenminste 20 mL)
• Referentieoplossingen van pure cafeïne in gedestilleerd water met concentraties van 5, 10, 20 en 50 mg/L (tenminste 20 mL van elk)
• Gedestilleerd water
• Colorimeter die gevoelig is voor golflengtes tussen 250 nm en 380 nm (nabij UV licht)
• Maatkolf van 20 mL
• Pipet
• Weegschaal en schaaltje om mee te wegen.

Werkwijze

1. Calibreer de colorimeter met gedestilleerd water
2. Meet de absorptie bij 271 nm van elke referentieoplossing met behulp van de colorimeter en noteer deze waarden. (Cafeïne absorbeert zeer sterk bij deze golflengte, figuur 8)

3. Gebruik de resultaten om de kalibratiegrafiek te tekenen die de absorptie bij 271 nm koppelt aan de cafeïneconcentratie, waarbij een rechte lijn van de best passende tussen de punten wordt getrokken (figuur 9).

4. Verdun de drank met een factor 20 met een maatkolf en pipet. (In normale concentraties is de absorptie van cafeïne te hoog om met de colorimeter nauwkeurig te kunnen meten.)
5. Meet de absorptie van de verdunde drank bij 271 ml.
6. Bereken met de ijkcurve die je hebt getrokken de cafeïneconcentratie van de verdunde drankoplossing. Vermenigvuldig dit met 20 om een schatting te vinden van de cafeïneconcentratie van de oorspronkelijke energiedrank in mg/l.
7. Vergelijk dit resultaat met de cafeïneconcentratie zoals aangegeven door de fabrikanten (zorg ervoor dat je in beide gevallen dezelfde eenheden gebruikt). Zijn ze hetzelfde? Zo nee, kun je mogelijke redenen bedenken waarom dit zo is? Heeft de fabrikant je bedrogen?

Discussie

Vraag studenten bij een nabespreking in de klas om hun resultaten van de hoeveelheid cafeïne in verschillende energiedranken met elkaar  te vergelijken.

Bespreek daarna wat ze hebben gevonden als ze hun resultaten vergelijken met wat de fabrikanten hebben opgegeven. Waren er resultaten uit de experimenten bij die hoger waren dan de resultaten die zijn gepubliceerd?

Om dit uit te leggen moeten studenten terugdenken aan het eerste deel van het experiment, waarbij sommige andere stoffen dan cafeïne werden onthuld door het chromatogram – meestal de B3- en B6-vitamines. In feite absorberen deze verbindingen ook bij een golflengte van 271 nm, dus verhogen ze de absorptie van de energiedrank bij die golflengte. Dus wanneer de absorptie van de drank wordt gebruikt om de cafeïneconcentratie te vinden via de kalibratiegrafiek is de aflezing hoger dan deze zou moeten zijn als een maat voor de cafeïne alleen.

Cafeïne en de hersenen

Energiedranken zijn populair vanwege hun bekendheid en associatie met sport en fysiek uithoudingsvermogen. Maar kunnen ze ook invloed hebben op de manier waarop onze hersenen werken door stimulatie van onze mentale vermogens?

Als je meer wilt weten over manieren om dit te onderzoeken, kun je twee experimenten in de klas downloaden van de aanvullende materiaal sectie^w1, waarin mentale lenigheid wordt beoordeeld door het meten van denk- en reactietijden. De ene is een taak voor het matchen van nummers, de andere een pakkende taak.

Dankwoord

Dit artikel is gebaseerd op een activiteit die is gepubliceerd in Science on Stage, het netwerk voor Europese leraren in natuurwetenschappen, technologie, techniek en wiskunde (STEM), dat oorspronkelijk in 1999 werd gelanceerd door EIROforum, de uitgever van Science in School. De non-profitvereniging Science on Stage brengt docenten in de natuurwetenschappen uit heel Europa samen om onderwijsexperts en beste praktijken uit te wisselen met enthousiaste collega’s uit 25 landen.

Tijdens Science on Stage workshops, evenals bij discussies via e-mail, werkten 20 leraren uit 15 Europese landen samen gedurende 18 maanden om 12 onderwijseenheden te ontwikkelen die laten zien hoe voetbal kan worden gebruikt in de natuurkunde, scheikunde, biologie, wiskunde of IT-lessen. Deze eenheden werden vervolgens in 2016 door Science on Stage Germany gepubliceerd als iStage 3 – Football in Science Teaching^w2. Het project werd ondersteund door SAP.

De vervolgactiviteit van iStage 3 is de European STEM League, waar lezers worden uitgenodigd om zich aan te sluiten en mee te dingen om de Europese STEM Champion^w3 te worden.