Guter Geschmack dank Süße und Säure
HPLC-Methoden zur Identifizierung und Quantifizierung von Zuckern und organischen Säuren in Tonicwater und in Gin
Dr. Brigitte Bollig, Shimadzu Europa GmbH
In diesem Artikel wird die Anwendung der HPLC-Analyse zur Bestimmung von Zuckern und organischen Säuren – vor allem in Tonicwater – detailliert beschrieben. Durch die genaue Analyse dieser Komponenten kann man Einblicke in die Faktoren gewinnen, die den Geschmack und die Qualität von Gin Tonic beeinflussen.
Gin Tonic, ein erfrischender Longdrink, hat eine lange Geschichte [1] und genießt weltweit große Beliebtheit. Dementsprechend groß ist der Umsatz mit Tonicwater, welches auch pur gern genossen wird: Ein Marktanalyse-Unternehmen schätzte den globalen Markt auf 1,29 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 und geht von einem Wachstum auf 1,85 Milliarden US-Dollar binnen fünf Jahren aus.[2] Das größte Wachstum wird für den asiatisch-pazifischen Raum erwartet.
Die Produktentwickler der Getränkeunternehmen denken sich immer neue Geschmacksrichtungen aus und hoffen, dass diese den Geschmack der Verbraucher treffen: Die Marktanalysten erwähnen zum Beispiel die Sorten „Himbeer-Rhabarber“, „Wilde Holunderblüte“ und „Damaszener Rose“, die teilweise mit Löwenzahn statt Chinin hergestellt seien.[2]
Ist das Tonicwater der Wahl im Einkaufswagen und später im Kühlschrank gelandet, wird es anschließend klassischerweise mit Gin vermischt: Gin Tonic – die Kombination aus Gin, einem destillierten alkoholischen Getränk, das vor allem durch seine Wacholdernote charakterisiert wird, und Tonicwater, einem kohlensäurehaltigen Getränk mit Bitternote – verdankt den einzigartigen Geschmack einer Vielzahl von chemischen Komponenten. Unter diesen spielen Zucker und organische Säuren eine wesentliche Rolle: Sie tragen maßgeblich zum Geschmacksprofil und zur sensorischen Wahrnehmung des Getränks bei. Der vorliegende Text zeigt Analysemethoden für bestimmte Bestandteile von Tonicwater- und Gin-Proben – wichtig für Hersteller, Prüflabore und Verbraucherschützer. Exakte Messverfahren sind nötig, damit Verbraucher ein wohlschmeckendes und sicheres Getränk erhalten.
Zuckerbestimmung
Zucker sind essenzielle Bestandteile in vielen Getränken, da sie nicht nur Süße verleihen, sondern auch die Balance zwischen den verschiedenen Geschmackskomponenten unterstützen. In Gin Tonic können verschiedene Zuckerarten wie Glucose, Fructose und Saccharose vorkommen, die jeweils unterschiedliche Süßegrade und sensorische Eigenschaften besitzen. Diese Zucker beeinflussen nicht nur den Geschmack, sondern auch die Textur und das Mundgefühl des Getränks. Die genaue Zusammensetzung und Konzentration der Zucker kann durch analytische Methoden wie die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) präzise bestimmt werden.
In neun der zehn untersuchten Tonicwater-Proben war als Süßungsmittel Saccharose deklariert. Nur ein Tonicwater erlangt seine Süße durch eine Kombination aus Fructose und Stevia.
Saccharose, auch als Haushaltszucker bekannt, ist ein Disaccharid, das zu gleichen Teilen aus den Monosacchariden Fructose und Glucose besteht. Durch den niedrigen pH-Wert im Tonicwater wird die Saccharose hydrolytisch in die Monosaccharide gespalten. Aus diesem Grund werden zur Quantifizierung von Zuckern in Tonicwater nur die Monosaccharide Fructose und Glucose bestimmt, deren Summe den Gehalt an Saccharose ergibt.
Bei der chromatographischen Bestimmung von Zuckern gibt es zwei Herausforderungen. Zum einen sind Saccharide durch ihre hohe Polarität nicht mit der üblichen Umkehrphasen-HPLC trennbar, zum anderen besitzen Zucker auch keine chromophoren Gruppen, weshalb eine Detektion mittels UV-Vis nicht möglich ist.
Eine gute Alternative zur chromatographischen Umkehrphasen-Trennung von Zuckern ist die HILIC (Hydrophilic Interaction Chromatography = hydrophile Interaktionschromatographie). Dabei wird eine polare Säule mit typischen Umkehrphasen-Laufmitteln wie zum Beispiel Acetonitril und Wasser verwendet. Die Elutionsstärke der Laufmittel ist im Vergleich zur klassischen Umkehrphasen-Chromatographie vertauscht. So ist Wasser bei der HILIC das stärkere Laufmittel für die Elution der Substanzen von der Säule im Vergleich zu Acetonitril. Das Säulenmaterial besteht meistens aus modifizierten Polymeren. Bei dem hier verwendeten Säulenmaterial handelt es sich um ein Polymer mit funktionellen Aminogruppen.
Als Alternative zu einem UV-Vis-Spektrometer wird der Brechungsindex-Detektor RID-20A von Shimadzu verwendet. Dieser arbeitet auf Basis der Änderung des Brechungsindexes zwischen dem reinen Laufmittel und dem Analyten. Die genauen Analysenbedingungen sind in Tabelle 1 aufgeführt.
| System | Nexera-i |
| Säule | Shodex HILICpak VG-50 4E (4,6 mm x 250 mm) |
| Vorsäule | Shodex HILICpak VG-50G 4A (4,6 mm x 10 mm) |
| Flussrate | 1 ml/min |
| Mobile Phasen | Wasser/Acetonitril 20/80 |
| Säulentemperatur | 40 °C |
| Injektionsvolumen | 5 μL |
| Detektion | RID-20A (Brechungsindex-Detektion) |
| Analysenzeit | 12 Minuten |
Standard und Probenaufarbeitung
Zur Quantifizierung von Fructose und Glucose wurden Lösungen im Konzentrationsbereich 0,25–1,25 mg/ml bzw. 0,25–1,0 mg/ml in der mobilen Phase erstellt (Abbildung 1). Die Probelösungen wurden mit der mobilen Phase im Verhältnis 1:50 verdünnt.
Ergebnisse der Zuckerbestimmung
Die Kalibriergeraden der untersuchten Zucker Fructose und Glucose sind mit einem Wert für die Regression von R2 > 0,999 sehr gut (Abbildungen 2 und 3).
In den neun Tonicwaters, die mit Saccharose deklariert waren, wurde diese auch in der angegebenen Menge gefunden. Die Ergebnisse sind alle sehr ähnlich und liegen zwischen 7,1 und 8,8 g Saccharose pro 100 ml Tonicwater (Abbildung 4 und Tabelle 2). Das nur mit Fructose gesüßte Tonicwater enthält die gleiche Menge Fructose wie die anderen neun Tonicwaters, welche alle mit Saccharose gesüßt wurden und entsprechend noch zusätzlich Glucose enthalten. Die fehlende Süße der Glucose in jenem Tonicwater wurde durch den Zusatz von Stevia ausgeglichen (Anteil laut LC-MS-Analyse: 0,1 mg/ml).
In den Gin-Proben konnten Fructose und Glucose nicht nachgewiesen werden.
| Tonicwater | Glucose [g/100 ml] |
Fructose [g/100 ml] |
Saccharose (berechnet) [g/100 ml] |
| 1 | 3,7 | 4,5 | 8,2 |
| 2 | 3,3 | 3,9 | 7,1 |
| 3 | 3,4 | 4,1 | 7,4 |
| 4 | – | 4,3 | – |
| 5 | 3,2 | 3,8 | 7,1 |
| 6 | 4,1 | 4,8 | 8,8 |
| 7 | 3,3 | 4,0 | 7,3 |
| 8 | 4,0 | 4,8 | 8,7 |
| 9 | 3,9 | 4,7 | 8,6 |
| 10 | 3,9 | 4,8 | 8,7 |
Organische Säuren
Organische Säuren tragen zum sauren Geschmack und zur Frische des Getränks bei und können die Wahrnehmung von Süße und Bitterkeit modulieren. Typische organische Säuren, die in Gin Tonic vorkommen können, sind Zitronensäure, Äpfelsäure und Ascorbinsäure. Diese Säuren sind nicht nur für den Geschmack wichtig, sondern spielen auch eine Rolle für die Stabilität und Haltbarkeit des Getränks. Die HPLC-Analyse ermöglicht es, die Konzentrationen dieser Säuren in Tonicwater-Proben und alkoholfreien Gins genau zu bestimmen.
In allen zehn untersuchten Tonicwater-Proben ist Zitronensäure enthalten. Dies ist eine organische Tricarbonsäure, die zu den Fruchtsäuren zählt. Zitronensäure übernimmt mehrere Funktionen im Tonicwater: Durch deren Zugabe ändert sich der Geschmack und der pH-Wert wird gesenkt, wodurch das Wachstum von Mikroorganismen verringert wird.
Bei zwei Tonicwaters war zusätzlich zur Zitronensäure auch Ascorbinsäure bzw. Äpfelsäure deklariert. Ascorbinsäure wird als Antioxidans in Lebensmitteln eingesetzt.
Organische Säuren sind stark hydrophile Verbindungen, die mit den in der HPLC-Analytik oft verwendeten C18-Säulen schwer zu bestimmen sind. Bei der UV-Detektion haben organische Säuren den Nachteil, dass sie nur im nicht selektiven niedrigen Wellenlängenbereich absorbieren, was zu Störungen durch Verunreinigungen und Laufmittelabsorption führen kann. Daher ist Einfallsreichtum sowohl bei der Wahl von Laufmittel und Säule als auch bei der Detektionsmethode erforderlich, um Analysen mit hoher Empfindlichkeit und hoher Selektivität durchzuführen.
Das Nexera Analysesystem für organische Säuren verwendet die „Nachsäulen-pH-Pufferung mit elektrischer Leitfähigkeitsdetektion“. Organische Säuren werden dabei durch Ionenausschlusschromatographie mit einem sauren Laufmittel getrennt und dann mit einem pH-puffernden Reagenz gemischt, um die Detektionssensitivität zu erhöhen (Abbildung 5). Das System ist für die Analyse von organischen Säuren optimiert, und da die Retentionszeiten sehr stabil sind, ist auch eine qualitative Abschätzung der enthaltenen organischen Säuren bei unbekannten Proben möglich (Tabelle 3).
Standard und Probenaufarbeitung
Da die Konzentrationsbereiche der organischen Säuren nicht bekannt waren, wurde ein Screening mit allen Gins und Tonicwaters durchgeführt. Dabei wurden die Proben unverdünnt injiziert. Mithilfe der im Screening identifizierten Säuren und Konzentrationen wurden im Anschluss Kalibriergeraden für die Quantifizierung erstellt.
| System | Nexera Organic Acid Analysis System |
| Säule | 2 x Shim-pack SCR-102H (300 mm × 8,0 mm I.D., 7 µm) |
| Vorsäule | Shim-pack SCR-102H (50 mm × 6,0 mm I.D.) |
| Flussrate | 0,8 ml/min |
| Mobile Phase | 5 mmol/l p-Toluolsulfonsäure |
| pH-Puffer Reagenz | 5 mmol/l p-Toluolsulfonsäure 20 mmol/l Bis-Tris 1 mmol/l EDTA |
| Säulentemperatur | 40 °C |
| Injektionsvolumen | 10 μL |
| Detektion | CDD (Leitfähigkeitsdetektion) |
| Tonicwater | Zitronensäure [mg/ml] |
Ascorbinsäure [mg/ml] |
Äpfelsäure [mg/ml] |
Essigsäure [mg/ml] |
| 1 | 3.9 | deklariert, aber nicht gefunden | – | gefunden, aber nicht deklariert, ca. 0,1 mg/ml |
| 2 | 3,9 | – | – | – |
| 3 | 3,8 | – | – | – |
| 4 | 5,0 | – | – | – |
| 5 | 3,3 | – | 1,0 | – |
| 6 | 4,4 | – | – | – |
| 7 | 3,9 | – | – | – |
| 8 | 4,2 | – | – | – |
| 9 | 3,9 | – | – | – |
| 10 | 3,9 | – | – | – |
| Alkoholfreier Gin |
Zitronensäure [mg/ml] |
Essigsäure [mg/ml] |
Weinsäure [mg/ml] |
Phosphorsäure [mg/ml] |
| 1 | 0,13 | 0,01 | 0,88 | – |
| 2 | 1,81 | 0,97 | – | – |
| 3 | 0,13 | 0,01 | 0,37 | 0,32 |
Ergebnisse der Bestimmung organischer Säuren
Es wurden Kalibriergeraden für Zitronensäure und Äpfelsäure im Bereich 1,0–5,0 mg/ml erstellt. Die Kalibriergeraden der untersuchten Säuren sind mit einem Wert für die Regression von R2 > 0,999 sehr gut (Abbildungen 6 und 7). Entsprechend der Deklaration ist in allen zehn Tonicwater-Proben Zitronensäure enthalten (Abbildung 8). Die Gehalte liegen zwischen 3,3 und 5,0 mg/ml (Tabelle 4). Ascorbinsäure konnte in keiner Probe nachgewiesen werden, obwohl sie einer Probe deklariert war. Stattdessen wurde Essigsäure detektiert. Da Ascorbinsäure als Antioxidans verwendet wird, ist davon auszugehen, dass sich die Ascorbinsäure durch Oxidation abgebaut hat.
Bei den Gin-Proben konnten nur nennenswerte Ergebnisse für die alkoholfreien Gin-Sorten festgestellt werden. Die hier enthaltenen Säuren sind Zitronen-, Essig-, Wein- und Phosphorsäure (Abbildung 9 und Tabelle 5).
Zur Identifizierung und Quantifizierung geeignet
Die Analysen haben gezeigt, welche spezifischen Zucker und Säuren enthalten sind. Eine Überraschung gab es nur bei einer Tonicwater-Probe: Sie sollte Ascorbinsäure enthalten, die aber nicht nachgewiesen werden konnte. Die hier beschriebenen Verfahren – etwa HILIC (hydrophile Interaktionschromatographie) und die „Nachsäulen-pH-Pufferung mit elektrischer Leitfähigkeitsdetektion“ – eignen sich offensichtlich zur Identifizierung und Quantifizierung von Zuckern und organischen Säuren in Getränken.
In der kommenden Ausgabe: Analyse von Gin-Proben
Im dritten und letzten Teil unserer Serie zu den Inhaltsstoffen von Gin Tonic geht es um weitergehende Möglichkeiten der Gin-Analyse und um die Frage, welcher Gin am besten zu welchem Tonicwater passt.
