English China

Dichtebestimmung Dichtemessung bei Lebensmitteln

Autor / Redakteur: Stephan Rückold* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Dichte von flüssigen Lebensmitteln ist ein wichtiger Parameter für die Produktgüte. Daher gehört die Dichtemessung zur routinemäßigen Qualitätskontrolle. Lesen Sie, welche unterschiedlichen Größen gemessen werden können.

Firmen zum Thema

Abb. 1: Das Dichtemessegerät DMA 5000 benötigt 40 Sekunden für die Messung einer Probe.
Abb. 1: Das Dichtemessegerät DMA 5000 benötigt 40 Sekunden für die Messung einer Probe.
( Bild: Anton Paar )

Die Messung der Dichte, also des Verhältnisses der Masse einer Substanz zu ihrem Volumen, ist ein wichtiger Parameter bei der Produktcharakterisierung. Seine Bestimmung reicht bis in das dritte vorchristliche Jahrhundert zurück. Der Heureka-Ausruf von Archimedes und die Geschichte seines Tauchversuchs, um die Echtheit einer Goldkrone zu überprüfen, sind bis heute überliefert.

Der arabische Gelehrte Alhazen beschrieb im 11. Jahrhundert ein dem heutigen Aräometer ähnliches Dichtemessgerät und erstellte damit die erste Dichtetabelle. Im Mittelalter wurden bereits einfache Dichtespindeln mit darauf eingravierten Skalen für bestimmte Lebensmittelapplikationen verwendet. Diese wurden dann im 18. Jahrhundert von dem Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit und dem Chemiker und Pharmazeuten Antoine Baumé zu den heute bekannten Aräometern optimiert.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

Insbesondere durch die Temperaturabhängigkeit des Volumens einer Substanz und der damit einhergehenden Notwendigkeit genauer Temperierung stoßen konventionelle Dichtemessmethoden an ihre Grenzen.

Über 40 Jahre Dichtemessung bei Anton Paar

1967 wurde von Anton Paar das erste digitale Messgerät zur Dichtebestimmung von Flüssigkeiten nach dem Biegeschwingerprinzip am Markt vorgestellt. Bei dieser Art der Dichtebestimmung wird eine U-förmige Messzelle mit Probe befüllt und zur Schwingung angeregt. Die Resonanzfrequenz des U-Rohrs ändert sich in Abhängigkeit der Dichte der eingefüllten Probe. Die Dichte wird also über die Messung der sich einstellenden Resonanzfrequenz ermittelt.

Typisch für die Dichtebestimmung nach dem Biegeschwingerprinzip ist die hohe Messgenauigkeit und die Vielfalt möglicher Anwendungen. Deshalb sind diese Messgeräte gerade in der Lebensmittelindustrie sehr beliebt. Sie werden für die schnelle Produktcharakterisierung, für die Überprüfung vorgegebener Spezifikationen oder für die Füllmengenkontrolle gemäß Fertigpackungsverordnung eingesetzt.

Dichte kombiniert mit anderen Messgrößen

Der kombinierte Einsatz der Dichtebestimmung mit weiteren physikalischen Messgrößen wie Brechungsindex, Schallgeschwindigkeit, Polarimetrie und NIR-Messtechnik ergibt eine beeindruckende Applikationsvielfalt.

Der Brechungsindex, oft auch als Brechzahl bezeichnet, ist eine physikalische Größe aus der Optik und bezeichnet die Brechung einer elektromagnetischen Welle, meist Licht der Wellenlänge 589 nm, beim Übergang zwischen zwei Medien. Dabei ist nach dem Snelliusschen Gesetz der Brechungsindex das Verhältnis zwischen den Phasengeschwindigkeiten des Lichtes in beiden Medien. Der Brechungsindex ist eine charakteristische Kenngröße für Medien und dient häufig der Bestimmung von Konzentrationen in Flüssigkeiten. Als Messgerät wird ein Refraktometer verwendet. In einem Refraktometer wird die Probe auf dem Messprisma mit einer LED beleuchtet und der Grenzwinkel der Totalreflexion mit einem hochauflösenden optischen Sensor-Array gemessen. Daraus wird der Brechungsindex ermittelt.

Die Schallgeschwindigkeit [m/s] ist die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen in einem Medium ausbreiten. Die Messung erfolgt über die Laufzeitbestimmung zwischen Sender und Empfänger eines Schallsignals. Weil sie ebenfalls eine charakteristische Kenngröße für Medien ist, kann sie zur Bestimmung von Konzentrationen in Flüssigkeiten genutzt werden.

Polarimeter messen die optische Aktivität einer Substanz. Beim Durchgang von lediglich in einer Ebene schwingenden, sprich polarisierten Lichtwellen, durch optisch aktive Substanzen, ändert sich die Schwingungsebene des polarisierten Lichts. Diese Drehung der Schwingungsebene, gemessen in Grad (°), ist eine charakteristische Kenngröße optisch aktiver Substanzen und dient der Reinheits- und Konzentrationsbestimmung.

Anton Paar hat eine neue Methode zur Alkoholbestimmung entwickelt und patentiert, mit der Alkohol in verschiedenen Getränken einfach und schnell bestimmt werden kann.

Je nach Getränketyp existieren verschiedene Modelle für Bier, Wein und Spirituosen. Die patentierte Alcolyzer-Methode basiert auf einer Nahinfrarot-Absorption, wobei in einem hochspezifischen Spektralbereich gemessen wird. Auf diese Weise wird der Einfluss anderer Probenbestandteile auf die Messung eliminiert. Diese neue Messmethode erfordert im Gegensatz zu traditionellen NIR-Anwendungen keine probenspezifische Justierung und Kalibrierung mehr.

Der CO2-Gehalt wird mit dem CarboQC bestimmt, einem tragbaren, robusten Messinstrument für die Bestimmung von gelöstem CO2 in Getränken. Die Analyse basiert auf der patentierten Methode der mehrfachen Volumenexpansion, die den Einfluss anderer gelöster Gase wie Luft oder Stickstoff eliminiert. Das Messinstrument ist hochgenau, einfach zu bediene n, benötigt nur geringe Probenvolumina und liefert Resultate in weniger als zwei Minuten.

Tabelle 1 gibt einen Überblick über verschiedene Lebensmittel und Getränke und die Vielfalt von Anwendungen der beschriebenen Größen.

*S. Rückold, Anton Paar Germany GmbH, 73760 Ostfildern/Deutschland,

(ID:246067)