Mit einem Menü durch die Organische Chemie
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Mit einem Menü durch die Organische Chemie
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Mit einem Menü durch die Organische Chemie. Einleitung. Der Mensch: Ein Allesfresser ?! Bild aus Marburger Mensa. 0. Übersicht. Übersicht. Menü:. Definition Nahrungsmittel Klassifizierung Vorspeise Hauptgericht Nachspeise Schulrelevanz. 1. Definition. Nahrungsmittel. - PowerPoint PPT Presentation
Transcript of Mit einem Menü durch die Organische Chemie
Mit einem Menü durch die
Organische Chemie
Der Mensch: Ein Allesfresser ?!
Bild aus Marburger Mensa
Einleitung
Übersicht
1. Definition Nahrungsmittel
2. Klassifizierung
3. Vorspeise
4. Hauptgericht
5. Nachspeise
6. Schulrelevanz
Menü:
0. Übersicht
Nahrungsmittel 1. Definition
Deutsche Basis-Verordnung Lebensmittelrecht (VO 178/2002, Artikel 2):
Lebensmittel (früher Nahrungsmittel) sind alle Stoffe oder Erzeugnisse, die dazu bestimmt sind […], dass sie in verarbeitetem, teilweise verarbeitetem oder unverarbeitetem Zustand von Menschen aufgenommen werden.
7 Nahrungsmittelgruppen2. Klassifizierung
VorspeiseHauptgericht
Nachspeise
3. Vorspeise
Vorspeise:
Baguette mit
„Lachs-Kaviar“ à la Ferran Adrià
Das Baguette3. Vorspeise: Baguette
• Französisches Stangenweißbrot
Inhaltsstoffe:
• Weizenstärke aus Weizenmehl
• Hefe
• Kochsalz
• Wasser
Demo 1: Stärkeabbau durch Speichel
3. Vorspeise: Baguette
Bitte probieren Sie...!
O
O
HH
H
OH
H OH
H
CH2
O
HH
H
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
O
OH
H OH
H
OH
O O ......
O
O
HH
H
OH
H OH
H
OH
O
O
HH
H
O
OH
H OH
H
OH
...
n
Stärke:Aufbau:
• Amylose: (10 - 30 %) Lineare Kette mit helicaler Struktur; α-1,4-glycosidisch verknüpft
• Amylopektin (70 - 90 %) Stark verzweigt; α-1,6- und α-1,4-glycosidisch verknüpft
3. Vorspeise: Baguette
O
O
HH
H
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
O
OH
H OH
H
OH
O O ......
n
1 4 1 4
11
1
6
4
4
• Durch längeres Kauen von Brot: süßer Geschmack
Erklärung:
• Brot enthält Stärke, die durch ein Enzym im Speichel teilweise abgebaut wird
• Abbauprodukt schmeckt süß
3. Vorspeise: Baguette
Demo 1: Auswertung
Das Speichel-Enzym α-Amylase:
Steckbrief:
• Ptyalin: Hydrolase• pH-Optimum: 6,9
(Homo sapiens)• (stabil bis pH = 4; im Magen
inaktiviert, da pH < 2)
• Cosubstrat: Ca2+-Ionen• Proteinfaltung:
α-Helix, β-Faltblatt, Schleifen
• Aktives Zentrum in Mitte (Tonne), (α, β)-8 Faß
3. Vorspeise: Baguette
Spaltung
• Endoenzym, spaltet α-1-4-, überspringt α-1-6-Bindungen
• Spaltung in Maltose und größere Grenzdextrine, Verdauung im Dünndarm (Maltase)
• Warum schmeckt Maltose süß?
O
HH
H
O
OH
H OH
H
OH
... O
O
O
HH
OH
H OH
H
OH
...
H
Spaltung durch α-Amylase:3. Vorspeise: Baguette
1 4
• Maltose wird von Geschmacksrezeptoren erkannt
• Insgesamt 5 Grundqualitäten: süß, sauer, salzig, bitter, (köstlich „umami“)
• Geschmacksqualität „süß“ überwiegend auf Zungenspitze
3. Vorspeise: Baguette
Physiologie des süßen Geschmacks
süß sauer salzig bitter Papille
V1: Stärke-Smiley• Agar = strukturgebendes Heteropolysaccharid aus Rotalgen
• Darin: Stärke-Amylose-Helix
• Einlagerung von Polyiodid-Ionen (I3-, I5
-, I7-…)
• Amylose-Helix der Stärke wird durch α-Amylase gespalten
Negative Nachweisreaktion mit Lugol´scher Lösung an Stellen der Einspeichelung
3. Vorspeise: Baguette
(schematisch)
Iod-Stärke-Reaktion:
Blau durch CT-Komplex
blau
(aq)
+ 2 + 5 OH-(aq)+1
+ 7 H2O
OH
OOH
HH
H
H
HOHR
OH
OH
OOH
HH
H
H
OOHR
OH
rostrot
+ Cu2O + 2 C4H4O62-
(aq)+ 3
+1
O
H O
OH
O O
O
Cu
O
H
O O
HO
O
OH
H
4-
V2: Fehling-Probe• Überprüfen der Reduktionswirkung der Abbauprodukte
3. Vorspeise: Baguette
Abbauprodukt: z.B. Maltose
blau(schematisch)
(aq)
(s)
+2Cu
O
OO
OH
OH
O
H2O
O
O
O
O
Cu
H2O
HO
HOH2O
OH2
+2
+2
+
(aq)
(aq)
(aq)
„Lachs-Kaviar à la Ferran Adrià“2 Zitate:
• „Ferran Adrià serviert Gemüse als Gelatine und würzt Speisen auch mal mit Holzkohle. In Barcelona versucht der verrückteste Koch auf Erden seinen Beruf neu zu erfinden- in einer Küche, die ein Labor sein könnte.” Wolfgang Lechner (Die Zeit: “Der Chemiker“ )
• „Die magischen Rezepte sind jene, die die einen ekelhaft finden und die anderen fantastisch…“ (Ferran Adrià)
Hier: Frei nach diesem Motto…
• „Lachs-Kaviar“ aus farblosem Alginat, mit E 110
3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
S
O
O
OH N
H
N O
N-Nitroso-Verbindung
H+
S
O
O
OH N
H
N+
OH
- H2OS
O
O
OH N+
N
Diazonium-Ion
V3: Darstellung von E 1103. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
2.) Herstellung des Diazoniumsalzes: Diazotierung
N OOH + H+
N OO+
H
H N+
O- H2O
1.) Bildung des Nitrosylkations:
S
O
O
OH NH2 + N+
O0°C
-H+ S
O
O
OH N
H
N O
N-Nitroso-Verbindung
SO
O
O-
OH
Na+
+ S
O
O
O-
NN+
Na+
-H+
elektrophile Substitution
Na+
SO
O
O-
OH
N N S
O
O
O-Na
+
3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
3.) Azo-Kupplung:
Gelborange S (E 110)
Nu-
Azofarbstoff E 110 (Gelborange S)• Charakteristisch: Azogruppe (–N=N–)
• Farbigkeit: n π*-Übergang + ausgedehntes delokalisiertes π-e--System
• ADI: 0 - 2,5 mg/kg (WHO)
3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
Na+
SO
O
O-
OH
N N S
O
O
O-Na
+
V4: Kaviar aus Alginat3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
Alginate: Polysaccharide aus Braunalgen
Bausteine: Uronsäuren (Guluronsäure, Mannuronsäure)
Gelbildung : Ca2+-Bindung durch Polyguluronat-Sequenzen
Jedes Ca2+-Ion: Koordination von 4 Guluronat-Resten ( )
Eierschachtelmodell (Dimere)Ca2+Ca2+Ca2+
O
...O
OH
OH
O
-OOC
O
OH
OH
-OOC
O
O
OH
OH
O...
-OOC
1
1
14
4
α
α
Ca2+ Ca2+
O
OH
HHOH
H
H
OH OH
H
O -O
Guluronat
Alginate in der Lebensmittelindustrie
• Häufiger Lebensmittelzusatzstoff (E 400 - 404)
Beispiele:
3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
Einsatzbereich Ausgenutzte Eigenschaft
Puddings, Mousse, Cremefüllungen, restrukturierte Lebensmittel
Gelbildung
Eis, Milchmixgetränke, Suppen, Soßen, Mayonnaise
Verdickung, Stabilisierung von Emulsionen
Schutzüberzüge für Fisch und Fleisch
Filmbildung
4. Hauptgericht
Hauptgericht:
Schweinefilet an neuen
Kartoffeln
Was ist Fleisch?4. Hauptgericht: Schweinefilet
• Skelettmuskelgewebe mit Fett- und Bindegewebe
• Fleischbestandteile:
Proteine
Fette
Kohlenhydrate (Glycogen: α-1-6-Glucose)
Mineralstoffe
Wasser
• Pro Kopf: 60 - 80 kg/a (Industrieländer)
FleischzartmacherInhaltsstoffe:
• Enzym: Papain• Kochsalz + Gewürze• Trennmittel: SiO2
• Pflanzliches Öl
Wirkung des Fleischzartmachers:
• Proteolytisches Enzym Papain entfaltet Kollagen
• Kollagen wird abgebaut, Aminosäuren freigesetzt
• Partiell denaturiertes Kollagen = Gelatine
4. Hauptgericht: Schweinefilet
• RG 1: Gelatine + Papaya• RG 2: Gelatine + Fleischzartmacher• RG 3: Gelatine + Zitrone (Blindprobe)
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Demo 2: Enzymwirkung von Papain
Carica papaya
4. Hauptgericht: Schweinefilet
V5: Aminosäure-Nachweis mit Ninhydrin
Ruhemanns Purpur
Farbstoff-Anion
Bruttoreaktion:
O
O
O
NH3+
O
O-
R
+
O
O-
N
O
O
OH2 OH2
2
-
-H+
Reaktionsmechanismus(stark verkürzt)
4. Hauptgericht: Schweinefilet
O
O
O
H2O
-H2O
O
O
OH
OH
O
O
OH
N
H
O
H
R
OH
O
O
H
N
H
R
KET
O
N
H
R
OH
O
O
O
+
COOH
NH2 R
H
O
O
OH
N
H
OOH
R
H
δ+δ-
Indan-1,2,3-trion
Halbaminol
-H2O
-CO2
E1 cb
KET
4. Hauptgericht: SchweinefiletO
N
H
R
OH
O
NH2
OH
+O
H
RH2O
O
NH2
OH
+
O
O
O
-H2O
-2H+
O
N
O
OO
-
-O
N
O
OO
-
O
N
O
O
-O
Aminoketon Aldehyd
Ruhemanns Purpur
Chromophor: (Kreuzkonjugation), λmax = 570 nm
n. A.
via: s.o.
δ+δ-
V6: Die KartoffelschriftElektrolytischer Stärkenachweis
Anode: Oxidation
2 I-(s/aq) I2(aq) + 2 e-
I2(aq) + I-(aq) I3
-(aq)
Kathode: Reduktion
2 H2O + 2 e- H2(g) + 2 OH-(aq)
• Polyiodid-Ionen werden in Amylose-Helix eingelagert• Blaufärbung durch CT-Komplex
4. Hauptgericht: neue Kartoffeln
-1 0
+1 0
I-I
I
5. Nachspeise
Nachspeise:
Obstsalat
Demo 3: Enzymatische Bräunung
• Apfelraspeln mit Ascorbinsäure oder Zitronensaft• Phenoloxidase: Optimum bei pH = 7
Enzymatische Bräunung abhängig von:• Polyphenoloxidase• Sauerstoff• Polyphenolvorkommen: 0,1 - 1% (Apfel)
5. Nachspeise: Obstsalat
Quercetin
OH
COOH
NH2
OH
Dopa
OH
OH
O
OH
OOH
OH
5. Nachspeise: Obstsalat
Enzymatische Bräunung
Melanine
OH
COOH
NH2
1/2 O2
OH
COOH
NH2
OH1/2 O2
O
COOH
NH2
O
O
O NH
COOH
O
O NH
L-Tyrosin Dopa Dopachinon
Dopachinon Leukodopachrom Dopachrom
PolymerisationIndolchinone
O
ON
COOH
HH
OH
OH NH
COOH
O
O NH
COOH
O
OH
OH HO
OHO
O
O
O HO
OHO
+ 2 H+ + 2 e-
V7: Reduktionswirkung von Ascorbinsäure5. Nachspeise: Obstsalat
K3[Fe(CN)6](aq) + Fe2+(aq) K[FeFe(CN)6](aq)
rotes Blutlaugensalz Turnbulls Blau
Bildung von Turnbulls Blau:+3 +2 +2 +3
Dehydroascorbinsäure
+ 2 H+(aq) + 2 e-
Reduktion:
2 Fe3+(aq) + 2 e- 2 Fe2+
(aq)
Oxidation:
+3 +2
+1+1 +2 +2
Ascorbinsäure (Vitamin C)
„Demo 4“: Geschmack von Obstsalat
Guten Appetit!
Nahrungsmittel im Lehrplan
Grundlage: Hessischer Lehrplan für das FachChemie an Gymnasien (G8)
• GK / LK 11G.2 Naturstoffe
- Fette - Kohlenhydrate - Aminosäuren, Peptide, Polypeptide
• GK / LK 12G.2 Wahlthema Angewandte Chemie
- Nahrungsmittel (Herstellung, Analyse, Struktur, Abbau im Organismus, Inhaltsstoffe)
6. Schulrelevanz
Eigenschaften Reaktionen Nachweise
Ende
Struktur des Turnbulls Blau:
K[FeFe(CN)6] (aq)K+ (aq) + [Fe(CN)6]4-
(aq) + Fe3+ (aq)
+2 +3 +3 +2
Lösliches Berliner Blau
3 [FeFe(CN)6]- (aq) + Fe3+
(aq) Fe[FeFe(CN)6]3 (s)
+3
Unlösliches Berliner Blau
+2 +3 +3 +2
Struktur von K[FeFe(CN)6]:
5. Nachspeise: Obstsalat
Melaninsynthese:
5. Nachspeise: Obstsalat
Melanin:
O
O
NH
O
O NH
O
O
NH
Schwarzbraune Pigmente
Gr. „melas“= schwarz, düster
Polymerisierte Indole
5. Nachspeise: Obstsalat
1.) Kondensation zwischen AS als N-Nucleophil und mittlere Carbonylgruppe:
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Reaktionmsmechanismus:
2.) Bildung eines Immonium-Ions:
O
O
O
+ NH2
O
OH
R
O
O
O-
N+
R
O
OH
H
H
H+
O
O
O
NH
R
O
OH
HR
O
OHO
O
N+
H+ OH-
~
4. Hauptgericht: Schweinefilet
3.) Zwitterion-Bildung und E1cb-analoger Zerfall:
R
O
OHO
O
N+
H- H2O
+ OH-
R
O
O-O
O
N+
H
Zwitter-Ion
R
O
O-O
O
N+
H- CO2
O
O
N+
R
HH
- H2O
...
4. Hauptgericht: Schweinefilet
4.) Bildung eines Immonium-Ions:
O
O
N+
R
HH
O
O
N+
H
C-
R
H
O
O
N+
H
C-
R
HH
+
O
OH
N+
H
R
H
Mesomere Grenzstrukturen
Azomethinylid
4. Hauptgericht: Schweinefilet
O
OH
N+
H
R
HH2O
H+
O
OH
NH2 + O
R
H
4.) Hydrolyse:
Aminoketon Aldehyd
5.) Kondensation von Aminoketon und Ninhydrin:
∆
O
OH
NH+
O-
H
O
OImin
OH2
O
OH
NH2 +
O
O
O
~
4. Hauptgericht: Schweinefilet
O
OH
NH+
O-
H
O
O
H2O
- H+
O
O-
N
O
O
Ruhemanns Purpur
Chromophor: (Kreuzkonjugation)
-
Vom Kollagen zur Gelatine
• Kollagen: Bindegewebsprotein, (20 – 25 % des Proteins)• Charakteristische AS-Zusammensetzung: Gly, Pro, Hyp
Aufbau: 3 Peptidketten Tripelhelix
• Quervernetzungen zwischen Lysin werden aufgebrochen• Je weniger Quervernetzungen, desto zarter Fleisch• Aminosäuren werden freigesetzt
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Kollagen:
Kollagen-Tripelhelix
O
O
O
N
H
H R
H
COOH O
O
N
O
H
RHCOOHH
O
O
N
O H
H
RHCOOH
+H+
δ+ δ-
O
O
O
N
H
H R
H
COOH O
O
N
O
H
RHCOOHH
O
O
N
O H
H
RHCOOH
+H+
δ+ δ-
O
O
N
O H
H
RHCOOH
H
NH
HR
COOH
O
O
N
O
O
HR
OOH
-H2O -H+
O
O
N
O H
H
RHCOOH
H
NH
HR
COOH
O
O
N
O
O
HR
OOH
-H2O -H+-H2O -H+
N
O
O
HR
OOH
N
O
O
HR
OOH
N
O
O
H
RH
-CO2N
O
O
HR
OOH
N
O
O
HR
OOH
N
O
O
H
RH
-CO2
4. Hauptgericht: Schweinefilet
+H2ON
O
O
H
RH
O
O
H
NH
R
O
O
H
N
H
R
OH
H
+H2ON
O
O
H
RH
O
O
H
NH
R
O
O
H
N
H
R
OH
H
O
O
H
N
H
R
O
H
HR
H
O
O
O
H
NH2
O
OH
NH2
-
O
O
H
N
H
R
O
H
HR
H
O
O
O
H
NH2
O
OH
NH2
-
O
OH
NH
H
O
O
O
O
OH
N
H
H
O
O
O
+
O
OH
NH
H
O
O
O
O
OH
N
H
H
O
O
OO
OH
NH
H
O
O
O
O
OH
N
H
H
O
O
O
+
4. Hauptgericht: Schweinefilet
O
OH
N
O
O
O
O
N
O
O
- H +
O
OH
N
O
O
O
O
N
O
O
- H +
O
O
N
O
O
O
O
N
O
O
R u h e m a n n s P u r p u r
O
O
N
O
O
O
O
N
O
O
R u h e m a n n s P u r p u r
…
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Molekulare Mechanismen der Geschmackserkennung
Süß:• größte Variabilität in Struktur der süßschmeckenden
Moleküle• Künstliche Süßstoffe: meist Zufallsentdeckungen• Strukturelle Gemeinsamkeiten:- 2 polare Substituenten- 1 nucleophile/ 1 elektrophile Gruppe• Rezeptor-Bindungsareal: hydrophobe Tasche mit
korrespondierenden Gruppen
3. Vorspeise
Signaltransduktion: süß
• G-Protein-gekoppelte Transduktionskaskade• Ligand bindet an Rezeptor• G-Protein aktiviert Adenylatcyclase• Dadurch wird ATP in cAMP umgewandelt• cAMP aktiviert Proteinkinase• Phosphorylierung von K+-Kanal• K+-Kanal wird geschlossen
Depolarisation
3. Vorspeise
V6: Modellversuch „Das Brataroma“
H2S-Nachweis mit Bleiacetatpapier
• Aus schwefelhaltigen AS wird H2S(g) gebildet
H2S(g) + Pb2+(aq) + 2 H2O PbS(s) + 2 H3O+
(aq)
(schwarzbraun)
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Braten von Fleisch
Maillard-Reaktion: (nach L.C. Maillard; 1912) • nicht-enzymatische Bräunungsreaktion• Temperaturabhängig • Vielfältige Reaktionsprodukte (nicht vollständig geklärt)• Bräunung: Aminosäuren reagieren mit reduzierenden
Zuckern (Glycin + Glucose)• Aromabildung: aromaintensive Verbindungen aus
schwefelhaltigen Aminosäuren (Methionin, Cystein)
• Beispiel: H2S
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Anteil der Nahrungsmittel an der Ernährung:
2. Klassifizierung
Hauptgericht
Nachspeise
Vorspeise
