Geschichte und Analyse von Vitamin C (Ascorbinsäure)
03.04.2023
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«Trink Orangensaft, der ist gut, weil er Vitamin C enthält!» Diesen oder einen ähnlichen Satz haben wohl die meisten Menschen schon in ihrer Kindheit gehört. Vitamin C, auch Ascorbinsäure oder L-Ascorbinsäure genannt, ist ein essentieller Nährstoff, den der Mensch nicht selbst herstellen kann. Wir verlassen uns auf externe Quellen wie frisches Obst und Gemüse, um es zu erhalten. Da Vitamin C antioxidative Eigenschaften hat, wird es auch oft als Konservierungsmittel für Lebensmittel verwendet. Dieser Blogartikel behandelt die Geschichte von Vitamin C und einige der verschiedenen Analysemethoden, die zur Bestimmung von Vitamin C in verschiedenen Produkten verwendet werden.
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Die Geschichte von Vitamin C ist eng mit der gefürchteten Krankheit Skorbut verbunden, die früher die häufigste Todesursache bei Seeleuten war. Vasco da Gama hatte bereits die heilende Wirkung von Zitrusfrüchten bemerkt, und die Behörden empfahlen die Verwendung von Zitronensaft oder anderen pflanzlichen Lebensmitteln, um Skorbut vorzubeugen.
1747 war es jedoch der britische Marinearzt James Lind, der in einem kontrollierten Experiment bestätigte, dass Zitrusfrüchte Skorbut vorbeugen können. Für seinen Versuch teilte er zwölf Skorbut-kranke Matrosen in sechs Gruppen ein und behandelte jede Gruppe unterschiedlich. Zwei Wochen lang erhielten die Studienteilnehmer entweder Apfelwein, Vitriol-Elixier (eine Mischung aus Schwefelsäure und Alkohol), Essig, Meerwasser, eine Paste aus Knoblauch, Senfkörnern und anderen Gewürzen sowie ein Getränk mit Gerstenwasser oder zwei Orangen und eine Zitrone. Nur die Gruppe, die Orangen und Zitronen erhielt, wurde geheilt [1]. Infolgedessen befahl die britische Marine allen ihren Schiffen, eine konstante Versorgung mit Saft aus europäischen Zitronen mitzuführen. Was Lind nicht wusste, war, dass die medizinischen Eigenschaften der Zitrusfrucht auf ihrem hohen Vitamin-C-Gehalt beruhten.
In den folgenden Jahrhunderten wurden weitere Lebensmittel genannt, von denen bekannt war, dass sie Skorbut vorbeugen können. Man bezeichnete sie als Antiskorbutikum, abgeleitet vom mittelalterlichen lateinischen Wort für Skorbut: «scorbutus». Dazu gehörten neben Zitrusfrüchten zum Beispiel Sauerkraut, das James Cook auf seiner langen Reise nach Hawaii seine Mannschaft essen ließ.
1912 führte Casimir Funk das Konzept der Vitamine als essentielle Nahrungsbestandteile ein. Der sogenannte Antiskorbutfaktor galt bald als «wasserlösliches Vitamin C». Vitamin C wurde erstmals 1928 von dem ungarischen Wissenschaftler Albert Szent-Györgyi aus tierischen Nebennieren isoliert. Er nannte diese Substanz Hexuronsäure und vermutete darin den Anti-Skorbut-Faktor, der Skorbut verhindert.
1932 kamen Albert Szent-Györgyi und Joseph Svirbely zu dem Schluss, dass Hexuronsäure tatsächlich Vitamin C ist. Dies wissen wir, weil Svirbely zuvor einen Brief an seinen ehemaligen Mentor King geschickt hatte, in dem er die Entdeckung ankündigte. Nur wenige Wochen vor Ihnen hatte Charles G. König in den USA dieselbe Idee. Ein erbitterter Prioritätsstreit entbrannte in den folgenden Jahren [2].
Walther N. Haworth identifizierte 1933 die chemische Struktur von Vitamin C. Er und Szent-Györgyi schlugen vor, L-Hexuronsäure ascorbic acid zu nennen, auf Deutsch Ascorbinsäure. «A» bedeutet nein auf Lateinisch und «scorbic» bezieht sich auf Skorbut. Für diese Entdeckung wurden 1937 Albert Szent-Györgyi mit dem Nobelpreis für Physiologie und Medizin und ebenfalls 1937 Walter Norman Haworth mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.
Heutige Verwendung von Vitamin C
Unsere täglich notwendige Vitamin-C-Zufuhr wird heute in der Regel durch frisches Obst und Gemüse in unserer Nahrung gedeckt. Darüber hinaus ist Vitamin C als Nahrungsergänzungsmittel und als kostengünstiges Over-the-Counter (OTC)-Medikament erhältlich. OTC-Arzneimittel sind Medikamente, die rezeptfrei in Apotheken gekauft werden können. Es wird auch als Lebensmittelkonservierungsmittel in Produkten wie Brot, Marmelade, Wein oder sogar Fleisch verwendet, da seine antioxidativen Eigenschaften das Verderben der Lebensmittel verhindern. Vitamin C wird mit den E-Nummern E300–E305 für die Säure selbst sowie für verschiedene Ascorbatsalze und -ester bezeichnet.
Ascorbatsalze werden auch in Kosmetika und Körperpflegeprodukten verwendet, wo diese Salze als Antioxidantien wirken und den Abbau des Produkts verlangsamen. Ascorbinsäure wird auch in der Fotoproduktion, Wasserreinigung, Kunststoffherstellung und Fluoreszenzmikroskopie verwendet [3].
Zur Sicherung der Qualität pharmazeutischer Produkte und zur Einhaltung des Lebensmittelkennzeichnungsrechts ist es notwendig, den Vitamin-C-Gehalt in Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten zu bestimmen. Im nächsten Abschnitt werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt, wie Vitamin C in verschiedenen Matrices bestimmt werden kann.
Vitamin C-Analyse durch Titration
Vitamin C wird häufig mittels Titration analysiert, wobei entweder 2,6-Dichlorphenol-indophenol (DCPIP) oder Jod als Titriermittel verwendet werden. Beide unterliegen einer Redoxreaktion mit Ascorbinsäure. Ascorbinsäure (C6H8O6) wird zu Dehydroascorbinsäure (C6H6O6) oxidiert, während DCPIP zu DCPIPH oder und Jod zu Jodid reduziert wird. Abbildung 1 zeigt die Reaktionsgleichung für die Titration von Ascorbinsäure mit DCPIP.
Bei Fruchtsäften ohne Fruchtfleisch kann die Bestimmung direkt ohne Probenvorbereitung durchgeführt werden. Bei Säften mit Fruchtfleisch, festen Lebensmitteln und anderen Produkten auf Frucht- und Gemüsebasis muss die Ascorbinsäure zunächst extrahiert werden.
Um eine Oxidation der Ascorbinsäure vor der Titration zu verhindern, wird der Probe häufig Metaphosphorsäure zugesetzt. Der Endpunkt der Titration kann entweder photometrisch oder bivoltametrisch bestimmt werden.
Die photometrische Titration mit DCPIP macht sich zunutze, dass DCPIP lachsfarben ist, während DCPIPH2 farblos ist. Bei der Jodtitration wird Stärke als Indikator verwendet, die sich bei Jodüberschuss blauschwarz verfärbt. Bei Verwendung eines photometrischen Sensors wie der Optrode, kann der Endpunkt für beide Titriermittel zuverlässig bestimmt werden.
Abbildung 2 zeigt eine beispielhafte Titrationskurve für die Titration von Ascorbinsäure in Blutorangensaft mit DCPIP.
Bei der bivoltametrischen Titration wird ein Strom zwischen zwei polarisierbare Elektroden im Titriergefäss angelegt und das resultierende Potential gemessen. Wenn die Ascorbinsäure in der Probe vollständig oxidiert ist, fällt das Potential abrupt ab und zeigt damit den Endpunkt der Titration an. In Tabelle 1 unten sind verfügbare Applikationen für verschiedene Probentypen aufgeführt.
Tabelle 1. Verfügbare Applikationen für die Analyse von Ascorbinsäure durch Titration in verschiedenen Arten von Proben mit verschiedenen Titriermitteln.
| Probe | Standard | Titriermittel | Applikationen |
|---|---|---|---|
| Säfte und Vitaminpräparate | AOAC 967.21 | DCPIP | |
| Produkte auf Obst- und Gemüsebasis | ISO 6557-2 | DCPIP | |
| Vitamin- und Multivitaminkapseln, Tabletten, Lösungen zum Einnehmen | USP<580> | DCPIP | |
| Säfte und Vitaminpräparate | – | Jod (I2) | AN-T-162 |
| Milchpulver | – | DCPIP | AN-T-171 |
| Wein | – | Kaliumjodat (KIO3) | AB-225 |
Vitamin C-Bestimmung durch Polarographie
Vitamin C kann mit hoher Sensitivität polarographisch analysiert werden. Die Polarographie ist eine Sonderform der Voltammetrie, die eine flüssige Arbeitselektrode verwendet, wie z. B. eine tropfende Quecksilbertropfenelektrode (DME). Während der Analyse wird der zwischen zwei Elektroden in der Probenlösung fließende Strom gemessen, während die angelegte Spannung allmählich erhöht wird.
Bei der polarographischen Messung wird Ascorbinsäure zu Dehydroascorbinsäure oxidiert. Gemüse- und Fruchtsäfte können direkt analysiert werden, während Tabletten und Vitaminpräparate zu einem für die polarographische Messung geeigneten Probenaliquot verdünnt werden müssen. Lebensmittel- und andere feste Proben erfordern vor der Analyse die Extraktion der Ascorbinsäure.
Der Gehalt an Ascorbinsäure wird durch Standardaddition bestimmt, wobei die Originalprobe mit einer Ascorbinsäure-Standardlösung versetzt wird. Abbildung 3 zeigt ein Polarogramm und eine Eichkurve zur Bestimmung von Ascorbinsäure in Orangensaft. In Tabelle 2 sind verfügbare Applikationen für verschiedene Probentypen aufgeführt.
Tabelle 2. Verfügbare Applikationen für die Analyse von Ascorbinsäure mittels Polarographie.
| Probe | Applikationen |
|---|---|
| Frucht- und Gemüsesäfte | |
| Vitaminkapseln, Tabletten, Lösungen zum Einnehmen | |
| Nahrungs-, Genuß- und Futtermittel |
Vitamin C Bestimmung durch Ionenchromatographie
Die Ionenchromatographie (IC) ist eine weitere geeignete Analysemethode zur Bestimmung von Ascorbinsäure in Proben, insbesondere wenn auch andere organische Säuren (z. B. Apfel-, Essig- oder Zitronensäure) analysiert werden müssen. Vitamin C in einer Probe wird bei Verwendung von IC als Ascorbat-Anion bestimmt. Ionenausschlusschromatographie (IEC) wird verwendet, um das Ascorbat von anderen Anionen schwacher Säuren wie Citrat oder Acetat zu trennen.
Tabletten, Vitaminpräparate und Lebensmittelzusatzstoffe können nach Verdünnung direkt mit IC analysiert werden. Für fruchtfleischhaltige Säfte wird die Inline-Dialyse verwendet, um Partikel aus der Probe zu entfernen. Diese Inline-Probenvorbereitungstechnik wird angewendet, um die Trennsäule und das IC-System zu schützen.
Abbildung 4 zeigt ein Chromatogramm zur Analyse von Ascorbat sowie Malat in Fruchtsaft unter Verwendung von Metrosep Organic Acids – 250/7,8-Säule, Leitfähigkeitsdetektion mit inverser Suppression (LiCl) und Metrohm Inline-Dialyse zur Probenvorbereitung. In Tabelle 3 sind verfügbare Applikationen für verschiedene Probentypen aufgeführt.
Tabelle 3. Verfügbare Applikationen für die Analyse von Ascorbinsäure durch Ionenchromatographie.
| Probe | Applikationen |
|---|---|
| Frucht- und Gemüsesäfte | AN-O-032 |
| Vitamintabletten | AN-O-007 |
| Lebensmittelzusatzstoffe | AN-O-024 |
Zusammenfassung
Die Geschichte von Vitamin C ist mit dem Zeitalter des Segelns und Entdeckens sowie der gefürchteten Krankheit Skorbut verbunden. Linds Entdeckung der Vorteile von Zitrusfrüchten begründete eine praktikable Behandlung. Die Arbeit von Szent-Györgyi in den 1920er und 1930er Jahren führte zur Identifizierung von Ascorbinsäure als Vitamin C. Heute ist Skorbut eine Krankheit der fernen Vergangenheit, da Vitamin C allgegenwärtig und aus frischem Obst und Gemüse leicht erhältlich ist. Aufgrund seiner antioxidativen Eigenschaften wird es auch als Nährstoff zur Unterstützung unserer Gesundheit und als Lebensmittelkonservierungsmittel verwendet.
Titration, Voltammetrie und Ionenchromatographie sind drei effektive Methoden zur Analyse von Vitamin C in verschiedenen Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten. Es gibt viele weitere Analyten in Säften, Lebensmitteln oder pharmazeutischen Proben, die mit diesen Techniken analysiert werden können. Schauen Sie sich unseren Application-Finder an, um die richtige Analyse für Ihre Laboranforderungen zu finden.
Referenzen
[1] Hughes, R. E. James Lind and the Cure of Scurvy: An Experimental Approach. Med Hist 1975, 19 (4), 342–351.
[2] Albert Szent-Györgyi. Profiles in Science. https://profiles.nlm.nih.gov/spotlight/wg (abgerufen am 09.02.2023).
[3] Ascorbic Acid. Chemical Safety Facts. https://www.chemicalsafetyfacts.org/chemicals/ascorbic-acid/ (abgerufen am 1. März 2023).
