Post on 06-Apr-2016
Experimentalvortrag OCExperimentalvortrag OC
AlginateAlginate und Carrageenaneund Carrageenane
AndreaAndrea OstOst
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Gliederung
1. Algen – eine kleine Einführung
2. Alginat– Gewinnung– Aufbau– Eigenschaften– Anwendung
3. Carrageenan
4. Schulrelevanz
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1. Algen – eine kleine Einführung
Algen• Definition: ein- bis vielzellige, im Wasser lebende,
eukaryontische, pflanzenartige Lebewesen mit etwa 80000 Arten=> unglaubliche Vielfalt!
• Einzeller
• Mehrzeller
Kieselalge
Schraubenalge
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1. Algen – eine kleine Einführung
Algen• Vielzeller
– ähnlicher Aufbau wie Landpflanzen (Wurzel, Spross, Blätter)
• älteste Pflanzen unseres Planeten
• betreiben Photosynthese– enorm wichtige
Sauerstoffproduzenten!
• Verwendung: Nahrungsmittel und industriell
• „Wichtigster Rohstoff der Zukunft“
Riesentang
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1. Algen – eine kleine Einführung
Demo 1Haptischer Vergleich
6
1. Algen – eine kleine Einführung
Beobachtungen
• Landpflanze: - feste, starre Struktur- bricht bei Krafteinwirkung
• Alge: - flexible Struktur- sehr biegsam- glibberig, schleimig
=> Was verursacht diesen Unterschied?
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2. Alginat
Festigkeit der Landpflanzen• Gerüstsubstanz: Cellulose-Moleküle
=> Ausbildung von Wasserstoff-Brückenbindungen
O
HO O
OH
OHO
HO O
OH
OH
n
8
2. Alginat
Zusammenlagerung zu Strängen durch H-Brücken
9
2. Alginat
Flexibilität der Braunalgen• Zellwände bestehen auch aus Cellulose • Aber: Einbettung in Alginate (gelöst oder in Gelform)
Was sind Alginate?Kurzdefinition: „Alginate sind Polysaccharid-Derivate,
die als Strukturkomponenten in den Zellwänden von Braunalgen vorkommen.“
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2. Alginat - Gewinnung
Gewinnung
Ernte der Braunalgen
Behandlung mit verd. HCl (aq)
Behandlung mit verd. Na2CO3 –
Lsg
Ausfällen mit konz. CaCl2
– Lsg
Waschen mit verd. ethanol.
HCl (aq)
Fester Rückstand: Alginsäure
In Lösung: Natriumalginat
Fester Rückstand: Calciumalginat
Fester Rückstand: Wasserhaltige
Alginsäure
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AufbauBausteine der Alginate:
• Verknüpfung: β-1,4- bzw. α-1,4-glycosidisch
• Monosaccharideinheiten pro Makromolekül: 100-3000
• Gegenionen: Alkali- und Erdalkalimetallkationen
2. Alginat - Aufbau
O
H
OH
OH
HH
OOC
H
HO
HO
H
O
OH
H
OH
H
OH
H
H
OH
OOC
H
β-D-Mannuronat α-L-Guluronat
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Was sind Uronate?• Uronate sind Salze der Uronsäuren• Uronsäuren entstehen aus Oxidation der endständigen
CH2OH-Gruppe von Aldosen (min. 4 C-Atome)
2. Alginat - Aufbau
CH2OH
HHO
HHO
OHH
OHH
O H
COOH
HHO
HHO
OHH
OHH
O H
COO
HHO
HHO
OHH
OHH
O H
D-Mannose D-Mannuronsäure D-Mannuronat
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Struktur der Polysaccharidmoleküle• 1,4 verknüpftes β-D-Mannuronat (MM-Block)
• 1,4 verknüpftes α-L-Guluronat (GG-Block)
2. Alginat - Aufbau
O
O
O
O
OHOOC
O
HO
OOC
OHO
OH
OOC
OHO
OH
O
O
O
OOC OH
OH
OH
O O
OOC
OH O
O
O
OOC OH
OH
OH
O
OOC
OH
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Polysaccharidmoleküle• Alternierende Sequenzen (MG- und GM-Blöcke)
2. Alginat - Aufbau
O
O
OH
O
OOC
OH
OOOC
OHO
OH
OO
OOC
HO
OH
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Eigenschaften
• Stabilisieren Emulsionen und Suspensionen• Bilden Gele
• Physiologisch unbedenklich=> als Lebensmittelzusatzstoffe zugelassen
E400 Alginsäure E403 Ammoniumalginat E401 Natriumalginat E404 Calciumalginat E402 Kaliumalginat E405 Propylenglykolalginat
2. Alginat - Eigenschaften
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Versuch 1Salatsoße
2. Alginat - Eigenschaften
17
Salatsoße
• Emulsion (Öl in Wasser)• Suspension (Kräuter in Öl und Wasser)
2. Alginat - Eigenschaften
Kräuter
Öl
Wasser
Entmischen
Wasser
Öl
Kräuter
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Stablisierende Wirkung des Alginats1. Alginat erhöht Viskosität der wässrigen Phase
=> Kinetischer Effekt
2. Bildung von elektrisch geladenen Filmen an den Berührungsflächen
• Alginat: kein typisches grenzflächenaktives Molekül
• Polare Carboxylat-Gruppen• Nicht völlig unpolarer Rest• Trotzdem: Ausrichtung kommt zustande
=> Dispergierte Tropfen/Teilchen stoßen sich ab
2. Alginat - Eigenschaften
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2. Alginat - Eigenschaften
Öl-Tröpfchen/ Feststoff-Partikel
Alginat-Molekül mit Polyanionencharakter
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Molekulare Küche• Bedient sich des Alginats
und seiner Eigenschaften
Ferran Adrià• Spanischer Koch• Eigenes Restaurant „El Bulli“• „Die magischen Gerichte sind jene, die die einen ekelhaft
finden und die anderen fantastisch.“ (F. Adrià)
„Ferran Adrià gilt als der innovativste, der kreativste, der verrückteste Koch auf Erden.“ (Die ZEIT)
2. Alginat - Eigenschaften
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Versuch 2Herstellung von Melonenkaviar
2. Alginat - Eigenschaften
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2. Alginat - Eigenschaften
Herstellung von Kaviar• Gelbildung beginnt sofort beim Eintauchen der
Natriumalginat-Tropfen in die CaCl2 – Lösung
• Kurze Aushärtungszeit: nicht durchhärten lassen!
CaCl2 – Lösung
Natrium- alginat
Natriumalginat - Lösung
Calciumalginat - Gel
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2. Alginat - Eigenschaften
Gelbildung• Verantwortlich sind Polyguluronat-Sequenzen • Durch Chelatisierung von Ca2+-Ionen
Zusammenlagerung der GG-Blöcke zweier Moleküle• Ca2+-Ionen in entstandenen Hohlräumen von 10
Sauerstoffatomen koordinativ gebunden
O
O
O
OOC OH
O
OH
O O
C
OH
OO
HO
O
O
OOC OH
O
OH
O
C
OH
OO
HCa2+ Ca2+
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2. Alginat - Eigenschaften
GelbildungSchematisch
Natriumalginat - Sol Calciumalginat - Gel
Ca2+-Ionen
inkohärent kohärent
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2. Alginat - Anwendungsgebiete
AlginateLebensmittel -
industrie
Papierindustrie Textilindustrie
Biotechnologie
MedizinPharmazieKosmetik
Wasser -aufbereitung
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Demo 2Restrukturierte Paprika
2. Anwendungsgebiete
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Anwendungsgebiet Pharmazie• Alginat zur Herstellung eines Medikaments gegen
Sodbrennen
Sodbrennen• Rückfluss von Magensaft in die Speiseröhre durch
Fehlfunktion des Schließmuskels• Magensaft: pH 0,9 bis 1,5
– Greift Schleimhaut an– Brennende Schmerzen in der Speiseröhre– Entzündungen, Geschwüre, Blutungen– Vorstufe von Krebs durch Schleimhautveränderung
2. Alginat - Anwendungsgebiete
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Versuch 3Alginatmedikament gegen
Sodbrennen
2. Anwendungsgebiete
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Reaktionsgleichung (exemplarisch für MM-Blöcke)
2. Alginat - Anwendungsgebiete
Poly-β-D-Mannuronat
Poly-β-D-Mannuronsäure
O
OO
OHOOC
OHO
OOC
OHO
OHn
+ 2n H3O+(aq)
O
OO
OHHOOC
OHO
HOOC
OHO
OHn
+ 2n H2O
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Reaktionsgleichung
• Entstandenes CO2 wird im Gel mit eingeschlossen und
verschafft Auftrieb!
2. Alginat - Anwendungsgebiete
HCO3-(aq) + H3O+
(aq) CO2 (g) + 2 H2O
CO32-
(aq) + 2 H3O+(aq) CO2 (g) + 3 H2O
↑
↑
31
2. Alginat - Anwendungsgebiete
Vorteile NachteileWirksamer Schutz
vor Reflux (mech. Barriere)
Kein optimaler Schutz in der
NachtKeine
NebenwirkungenEinnahme nach
dem Essen
Schnelle Wirkung
Langanhaltender Schutz Alginatmedikament
„verschließt“ Mageneingang
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Anwendungsgebiet Medizin
Zahnmedizin nutzt Alginat für Zahnabdrücke
• Dentalabdruckmasse auf Alginat- Basis seit 1942 auf dem Markt
• Einfache Handhabung (Anrühren mit Wasser)• Kurze Wartezeit durch schnelle Gelbildung• Gesundheitlich unbedenklich• Keine Schleimhautreizung• Kostengünstig• Inhaltsstoffe: Alginat, CaSO4 . H2O,
Na4P2O7, ZnO, Kieselgur
2. Alginat
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Versuch 4Dentalabdruck
2. Anwendungsgebiete
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Reaktionsgleichungen
Verzögerung der Ca2+– Freisetzung durch den Retarder
Kontrollierte Bildung des Calciumalginat – Gels
pH- Modifikator ZnO
2. Alginat - Anwendungsgebiete
2 Ca2+(aq) + P2O7
4-(aq) Ca2P2O7 (s)
2 (GG)n2n -
(aq) + 4n Na+(aq) + Ca2+
(aq)
[Ca(GG)2]n2n -(s) + 4 n Na+
(aq)
↓
O2-(aq) + H2O 2 OH-
(aq)
P2O74-
(aq) + H2O HP2O73-
(aq) + OH-(aq)
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Anwendungsgebiet Medizin
Wundauflagen aus Calciumalginat - Fasern
• Herstellung: Einbringen von Na-Alginat durch feine Düsen in ein CaCl2-Bad, Verweben der Fasern
• Zur Behandlung von nässenden/blutenden Wunden• Fasern nehmen Wundflüssigkeit auf und quellen• Austausch der Calcium- durch Natrium-Ionen • Durch Gemisch von Alginat-Sol und -Gel ideales Milieu
für Heilung• Kein Verkleben mit der Wunde• Leichtes Entfernen
2. Alginat - Anwendungsgebiete
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Wundauflagen aus Calciumalginat - Fasern
2. Alginat - Anwendungsgebiete
Gelbildung
Hydrophile Ca-Alginat-Fasern
Quellvorgang
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Demo 3Alginat – Wundauflage
2. Anwendungsgebiete
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Nachweis des Alginats in der Wundauflage
1. Schritt
2. Alginat - Anwendungsgebiete
Alginsäure - Gel
OO
O
OOC OH
O
OH
O O
C
OH
O O
HO
O
O
OOC OH
O
OH
O
C
OH
O O
HCa2+ Ca2+ + n H3O+(aq)
OO
O
HOOC OH
OH
OH
O O
HOOC
OH O
O
O
HOOC OH
OH
OH
O
HOOC
OH + n H2O + n Ca2+(aq)
Calciumalginat - Gel
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Nachweis des Alginats in der Wundauflage
2. Schritt
2. Alginat - Anwendungsgebiete
O
O
O
HOOC OH
OH
OH
O O
HOOC
OH O
O
O
HOOC OH
OH
OH
O
HOOC
OH + n HCO3-(aq)
O
O
O
OOC OH
OH
OH
O O
OOC
OH O
O
O
OOC OH
OH
OH
O
OOC
OH + n CO2 (g) + n H2O
Alginsäure - Gel
Alginat - Lösung
↑
40
Nachweis des Alginats in der Wundauflage
3. Schritt
2. Alginat - Anwendungsgebiete
Alginat - Lösung
Calciumalginat - Gel
OO
O
OOC OH
OH
OH
O O
OOC
OH O
O
O
OOC OH
OH
OH
O
OOC
OH+ n Ca2+
(aq)
OO
O
OOC OH
O
OH
O O
C
OH
O O
HO
O
O
OOC OH
O
OH
O
C
OH
O O
HCa2+ Ca2+
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Anwendungsgebiet Biotechnologie• Immobilisierung von Biokatalysatoren
– Biokatalysatoren werden „[...] unter Erhalt ihrer Aktivität [...] mit chemischen und/oder physikalischen Methoden [...] in einem definierten Raumbereich so festgehalten [...], daß Mehrfachverwendung bzw. Dauereinsatz möglich wird [...]“ (Gomoll/Berger 1994, S. 449).
• Matrixeinschluss in Calciumalginat – Gel• Engmaschig genug, um Auswaschung zu verhindern• Diffusion von Substrat und Reaktionsprodukt nahezu
unbehindert
2. Alginat - Anwendungsgebiete
42
Anwendungsgebiet Biotechnologie
Immobilisierung von Hefe-Zellen
2. Alginat - Anwendungsgebiete
Alginat - Lösung Calciumalginat - Gel
43
Versuch 5Schaumweinherstellung
2. Anwendungsgebiete
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2. Alginat - Anwendungsgebiete
O
O O
OHHO
HOHOH2C
OH
OH
CH2OH
CH2OH
+ H2O
O
OHOH
HO
HOHOH2C
+O
OHHO
HOHOH2C
OH+
O
CH2OH
OH
OH CH2OH
OH+
OHO
OH
OH CH2OH
OH
Saccharose
β-D-Glucopyranose (32%)
β-D-Fructofuranose (16%) β-D-Fructopyranose (34%)
α-D-Glucopyranose (18%)
[Invertase]
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2. Alginat - Anwendungsgebiete
O
OHOH
HO
HOHOH2C
2O
CH3
O
O
CH3
OH
2
H
CO2
CH3
OH
H
H2
NADH + HNAD
α-D-Glucose
GlykolysePyruvat
Pyruvat-Decarboxy-
lase
Alkohol-Dehydrogenase
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2. Alginat - Anwendungsgebiete
C6H12O6 (aq) 2 C2H5OH(aq) + 2 CO2 (g)Hefe, 37°C
Gesamtgleichung:
↑
Nachweis von Kohlendioxid:
Ba2+(aq) + 2 OH-
(aq) + CO2 (g) BaCO3 (s) + H2O↓
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2. Alginat - Anwendungsgebiete
Anwendungsbeispiele
• Flaschengärung– Abtrennung der Hefe nach Gärung aufwendig– Alginatperlen leicht abtrennbar, keine Trübung
• Behandlung von Diabetes– Insulinproduzierende Inselzellen in Mikrokapseln– Immobilisation bietet Schutz vor Angriff durch
körpereigene Immunzellen– Ende der täglichen Insulin-Injektionen (?)
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Carrageenan• Polysaccharid – Derivat • Gewinnung aus Rotalgen
• Eigenschaften:– Stabilisator– Gelbildner
• Einsatzbereiche:– Lebensmittelindustrie (E 407)– Kosmetikindustrie– Pharmaindustrie
3. Carrageenan
Chondrus crispus Irish Moss
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Aufbau• Alternierende Copolymere vom Typ (AB)n
• Viele Carrageenan-Typen (hauptsächlich ι, κ, λ)
3. Carrageenan
O
RHO
R
OH
CH2OH
O
H2C
O
HOOH
R
OOH
OSO3
HO
HO
H2C
OSO3
Baustein A
Baustein B
β-D-Galactose-
Sulfat
α-D-Galactose-
Derivat
R = OH, OSO3
50
Versuch 6
Nachweis von Carrageenan in Lebensmitteln
3. Carrageenan
51
3. Carrageenan
Farb+ =
N
S N
CH3
CH3N
CH3
H3C
N
S N
CH3
CH3N
CH3
H3C
N
S N
CH3
CH3N
CH3
H3C
N
S N
CH3
CH3N
CH3
H3C
türkis blauviolett(k-Carr)n
2n-(aq) + 2n Farb+
(aq) [k-Carr(Farb)2]n (aq/s)
(k-Carr)2- =O
OO
OH
OSO3
O
H2C
O
OH
OCH2OH
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Hessischer Lehrplan G8• 10 G Alkanole – alkoholische Gärung
• GK 11.2 Kohlenstoffchemie II (Polysaccharide) Korrelation Struktur und Eigenschaft
• LK 11.2 Kohlenstoffchemie II (Gerüststoffe, nachwachsende Rohstoffe)
• LK 12.1 Katalysatoren/ Enzymkinetik• GK/LK 12.2 Grenzflächenaktive Stoffe, Nahrungsmittel,
Umweltchemie
4. Schulrelevanz