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V23 Die enzymatische Bräunung
Fach Klasse Überthema Feinthema Zeit
Chemie Q4 Nahrungsmittelzusatzstoffe Antioxidantien 24 h
Zusammenfassung
Bei dem Versuch wird im Versuchsteil a) die braungefärbte, wässrige Lösung einer
zerkleinerten Kartoffel mit Ascorbinsäure versetzt. Im Versuchsteil b) werden
Stückchen eines Apfels auf ihr Braunwerden in Wasser, Ascorbinsäurelösung und
Multivitaminsaft hin untersucht.
Einordnung in den Unterricht1
Der Versuch ist nach dem hessischen Lehrplan G8 der Qualifikationsphase Q4 dem
Wahlthema angewandte Chemie zuzuordnen. Dort kann er zum Unterrichtsinhalt
Nahrungsmittel und genauer Zusatzstoffe oder Konservierung durchgeführt werden.
Als Vorwissen sind Kenntnisse aus den Halbjahren E2 und Q1, in denen es um
Redoxreaktionen, die Oxidationsprodukte der Alkanole und aromatischen
Kohlenwasserstoffverbindungen geht, erforderlich. Die SuS können anhand des
Versuches wiederholen wie Redoxreaktionen aufgestellt werden und wie
Oxidationszahlen in organischen Verbindungen bestimmt werden. Überdies muss, um
den Aufbau von Vitamin C zu verstehen, auf die Zuckerchemie aus Q2 Bezug genommen
werden. Zudem sollten den SuS der Begriff und die Funktion eines Enzyms geläufig sein.
Da das Braunwerden von Äpfeln ein Phänomen des Alltags ist, sollte es den SuS Spaß
machen sich die Chemie dahinter zu erarbeiten.
1 Vgl. Hirt, A.: Lehrplan Chemie (2010).
Der Versuch
Die Durchführung2
a) Die enzymatische Bräunung der Kartoffel
Abbildung 1: Materialien und Versuchsaufbau für den Versuchsteil a).
Eine geschälte Kartoffel wird mithilfe eines Küchenmixers, Pürierstabs oder einer Reibe
zu einem Brei zerkleinert. Zu dem Brei werden 100 mL Wasser gegeben und umgerührt.
Nun wird ein Teil davon in zwei Schnappdeckelgläser filtriert. Eines wird mit einem
Löffel Ascorbinsäure (Vitamin C) versetzt.
b) Die enzymatische Bräunung eines Apfels.
Abbildung 2: Links: Übersicht über die für den Versuch benötigten Materialien. Rechts: Versuchsaufbau.
Zwei Gläser werden bis zur Hälfte mit Wasser gefüllt, ein drittes bis zur Hälfte mit
Multivitaminsaft. Nun wird in einem der beiden Wassergläser ½ Teelöffel Ascorbinsäure 2 Vgl. Lehmeyer, K., Sommer, K.: Wie wirkt ACE-Saft?. In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie. 15/2004. S.38.
gelöst. Anschließend wird ein Apfel in kleine Stücke geschnitten und in jedes der drei
Gläser ein Apfelstückchen gelegt. Die Proben werden über Nacht stehen gelassen und
am nächsten Tag miteinander verglichen. Die einzelnen Beobachtungen werden notiert
und fotografiert.
Die Beobachtung
a) Beim Zerkleinern der Kartoffel ist eine braune Verfärbung des Breis zu beobachten.
Mit der Zeit wird diese immer stärker. Nach Zugabe von Wasser und Umrühren des
Gemischs ist auch das Wasser braun gefärbt. Überdies ist noch ein weißer körniger
Feststoff zu erkennen. Sobald im Schnappdeckelglas zu der braunen Kartoffellösung
Ascorbinsäure gegeben wird, hellt sich die Lösung stark auf, bis sie hellgelb
erscheint.
Abbildung 3: Links. Braunwerden der zerkleinerten Kartoffel nach 5 Minuten. Rechst: Braunwerden der Kartoffel nach 10 Minuten.
Abbildung 4: Links: Zugabe von Ascorbinsäure zu braunem Kartoffelwasser. Rechts: Vergleich von unbehandeltem Kartoffelwasser (Links), mit Kartoffelwasser, zu dem Ascorbinsäure gegeben wurde (Rechts).
b) Das Apfelstückchen im Glas mit Wasser verfärbt sich mit der Zeit braun. Im
Wasserglas mit Ascorbinsäure ist keine Farbänderung zu erkennen. Auch im Glas mit
Multivitaminsaft entsteht keine braune Verfärbung des Apfelstücks.
Abbildung 5: Versuchsergebnis nach 16 Stunden. Das Apfelstückchen im Wasser hat sich braun verfärbt. Die anderen beiden Stücke haben ihre ursprüngliche Farbe behalten.
Entsorgung
Die Reste der Kartoffel und des Apfels können in den Biomüll entsorgt werden. Die
restlichen Flüssigkeiten in den Abfluss oder in die Toilette gegeben werden.
Fachlicher Hintergrund
Versuche die auftretende Bräunung der Kartoffel und des Apfels zu erklären!
Tipp: Stichwort enzymatische Bräunung.
Kartoffeln, Äpfel und auch andere Früchte, die nach dem Schneiden an der Luft liegen
gelassen werden, verfärben sich mit der Zeit braun. Dies konnte im Versuch sehr gut
beobachtet werden und dieses Phänomen kennt bestimmt auch jeder, der schon einmal
einen Apfel gegessen hat. Bei der Braunfärbung läuft eine enzymatische Oxidation ab.
Für diesen Vorgang sind Luftsauerstoff, bestimmte Enzyme und diphenolische
Inhaltsstoffe erforderlich. Durch die Enzyme werden die diphenolischen Verbindungen
oxidiert, die dem Betrachter braun erscheinen.
OH
OH
R
+ 1/2 O2(g)
O
O
R
+ H2O
Dihydroxyphenol
Polyphenoloxidase
Als Substrat für die Phenoloxidase dienen eine Reihe verschiedener gewebeeigener
Phenole. Diese werden an der Reaktion in unterschiedlichem Ausmaß, abhängig von
ihrer Struktur und Menge, beteiligt.3 Um eine Modellreaktion aufstellen zu können, wird
als phenolische Ausgangssubstanz Hydrochinon angenommen. Für Hydrochinon finden
sich keine Beschränkungen im Schulgebrauch, daher lässt es sich auch für weitere
Modellexperimente im Unterricht verwenden.4 Überdies ist es im Vergleich zu anderen
phenolischen Verbindungen ungefährlicher und in Wasser löslich. Wird Hydrochinon
durch Luftsauerstoff unter Katalyse oxidiert, so entsteht Chinon. Dieses hat eine gelbe
bis braune Farbe und erklärt somit die beobachtete Bräunung.
3 Vgl. Vamos, L., Gajzago, I.: Messung der enzymatischen Bräunung von Obst mit dem Spektralkolorimeter „Spekol“.. Zentralforschungsinstitut für Lebensmittelindustrie, Budapest VR. Ungarn. (1974). In: Molecular Nutrition – Food Research. Volume 18/Issue8. S. 765-773. 4 Vgl. Unfallkasse Hessen, Frankfurt (Hrs.): Bezler, H.J., Hildebrandt, V.: Hessisches Gefahrstoff Informations System Schule (Hessgiss). V13 2008/2009.
OH
OH
Polyphenoloxidase+ 1/2 O2(g)
O
O
+ H2O
HydrochinonChinon
farblos gelb bis braun
+1 +2
+2+1
0 -2
Bei dieser Redoxreaktion wird damit Hydrochinon zu Chinon oxidiert und Sauerstoff
reduziert.5
Oxidation:
+ 2e-
OH
OH
+1
+1
O
O
+2
+2
+ 2 H+
Reduktion:
1/2 O2(g) H2O
0 -2
+ 2e-
+ 2 H+
Informiere dich über Ascorbinsäure, wie sieht sie aus und wie wirkt sie?
Ascorbinsäure, die oft allgemein Vitamin C genannt wird, ist das Lacton der 2-Oxo-L-
gulonsäure.
5 Vgl. Lehmeyer, K., Sommer, K.: Wie wirkt ACE-Saft?. In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie. 15/2004. S.36-37.
O
HOH
CH2OH
O
OH H
H OH
OH
HOH
OH
OH O
O-
O+
HOH2C
OH
OH O
OO
HOH2C + OH2
2-Oxo-L-Gulonsäure 2-Oxo-Form der Ascorbinsäure
Lacton
Sie kommt naturgemäß in Pflanzen und Tieren vor. Die Produktion von Vitamin C bei
Tieren erfolgt in der Leber ausgehend von D-Glucose über einen vierstufigen
Syntheseweg. Beim Menschen, einigen Affenarten, Meerschweinchen und Vögeln fehlt
ein Enzym, die sogenannte L-Gulonolacton-Oxidase, um Vitamin C aufzubauen. Daher
muss der Mensch Vitamin C mit der Nahrung zu sich nehmen.6 In großen Mengen
kommt es in Hagebutten7 und in der Acerolakirsche vor.
Tabelle Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument.-1: Vitamin C-Gehalt in einigen Lebensmitteln.8
Lebensmittel Vitamin C-Gehalt in mg/100 g
Acerolakirsche 1700
Hagebutten 1400
Paprika 140
Brokkoli 115
Orange 45
Apfel 12
Kartoffel, gekocht 12
Zwiebel 7
6 Vgl. Vollhardt, C.P.K., Schore, N.E.: Organische Chemie. S.1312. 7 250-1400 mg/100 g. 8 Vgl. Stahl, A., Heseker, H.: Fort-& Weiterbildung- Basiswissen aktualisiert. Vitamin C. Physiologie, Vorkommen, Analytik, Referenzwerte und Versorgung in Deutschland. In: Ernährungsumschau. Forschung & Praxis. URL: http://www.ernaehrungs-umschau.de/media/pdf/pdf_2010/03_10/EU03_2010_134_140.qxd.pdf. Letzter Zugriff am 10.10.2011.
1928 isolierte SZENT-GYÖRGYI aus verschiedenen Pflanzensäften das Anti-Skorbut-
Mittel, dass dann als Ascorbinsäure, welches für antiskorbutische Säure steht,
bezeichnet wurde. 1933 wurde die Struktur aufgeklärt und durch ihre Synthese 1934
bestätigt. Die Ascorbinsäure kann in vier möglichen Isomeren vorkommen, allerdings
besitzt davon nur die L-(+)-threo-Ascorbinsäure die physiologische Wirkung.
O
OH OH
O
OH
OH
H O
OH OH
O
OH
OH
H HO
OH OH
O
OH
OH
HO
OH OH
O
OH
OH
L-Ascorbinsäure (S,R) D-Ascorbinsäure (R,S) L-Isoascorbinsäure (S,S) D-Isoascorbinsäure (R,R)
(S)(R) (S)(S)
(S)(R)(R) (R)
, , ,
Die wichtigen Strukturmerkmale der Ascorbinsäure sind ihr -Lactonring und die
Endiolgruppe. Diese ist zum einen durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert und
zum anderen dadurch, dass sich die Doppelbindung mit der Carbonyl-Gruppe in
Konjugation befindet.9
L-Ascorbinsäure
HH
O
O O
OOH
OH
H
1
23
4
5
6
Die L-Ascorbinsäure reagiert in wässriger Lösung sauer,10 da die Hydroxygruppe des
Endiols am C3 leicht deprotoniert werden kann. Dies liegt an der
Mesomeriestabilisierung des so gebildeten Anions.11
9 Nuhn, P., Wessjohann L.: Naturstoffchemie- Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe. 4. Auflage. Stuttgart 2006. S.129. 10 pK1 = 4,1; pK2 = 11,8. 11 Vgl. Wollrab, A.: Organische Chemie, eine Einführung für Lehramts- und Nebenfachstudenten. S. 782-783.
O
OH OH
O
OH
OH
H
L-Ascorbinsäure
O
O-
OH
O
OH
OH
H
- H+ O
O OH
O-
OH
OH
H
+ H+
-
Mesomerie des Hydrogenascorbatanions
Im pH-Bereich von 6-8 liegt überwiegend dieses Monoanion vor. Im stark basischen
Milieu kann ein weiteres Proton abgespalten werden, sodass ein zweifach negativ
geladenes Anion entsteht.
O
O O-
O-
OH
OH
H
2-
O
O-
OH
O
OH
OH
H
- H+
+ H+
O
O-
O-
O
OH
OH
H
Hydrogenascorbatanion Ascorbatanion
Da die Ascorbinsäure in zwei Stufen dissoziiert, lassen sich auch zwei Reihen von Salzen
aus den Anionen Hydrogenascorbat und Ascorbat bilden.
Weiterhin kann Vitamin C leicht durch Oxidation über eine radikalische Zwischenstufe
in die Dehydroascorbinsäure übergehen.
O
OH OH
O
OH
OH
H
- e-, H
+
+ e-, H
+
- e-, H
+
+ e-, H
+
L-Ascorbinsäure L-Semidehydroascorbinsäure L-Dehydroascorbinsäure
2,3-Endiol-Form
O
OH O
O
OH
OH
HO
O O
O
OH
OH
H
In diesem Redoxsystem liegt die physiologische Wirkung begründet. Im neutralen oder
alkalischen Milieu wird die gebildete Dehydroascorbinsäure leicht gespalten. Diese
Reaktion ist irreversibel, sodass dabei gebildete 2,3-Dioxo-L-gulonsäure als Edukt für
die weitere Zersetzung zu Endprodukten wie Oxalsäure, die über die Niere
ausgeschieden wird, dient.12 Eine Übersicht über den Vitamin-C-Stoffwechsel im
menschlichen Körper gibt das folgende Schaubild vereinfacht wieder.
Abbildung 6: Vitamin C Stoffwechsel beim Menschen.13
Im Organismus fungiert Vitamin C zum Beispiel als Reduktionsmittel oder aber als
Radikalfänger. Ebenfalls spielt es bei verschiedenen Biosynthesen im Körper, zum
Beispiel von Kollagen, als Cofaktor eine wichtige Rolle.14
12 Vgl. Nuhn, P., Wessjohann L.: Naturstoffchemie- Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe. S.129. 13 Vgl. Stahl, A., Heseker, H.: Fort-& Weiterbildung- Basiswissen aktualisiert. Vitamin C. Physiologie, Vorkommen, Analytik, Referenzwerte und Versorgung in Deutschland. In: Ernährungsumschau. Forschung & Praxis. URL: http://www.ernaehrungs-umschau.de/media/pdf/pdf_2010/03_10/EU03_2010_134_140.qxd.pdf. Letzter Zugriff am 10.10.2011. 14 Vgl. Nuhn, P., Wessjohann L.: Naturstoffchemie- Mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe. S.129.
Zufuhr:
Vitamin C
100 mg/Tag
Absorption: Gastrointestinaltrakt
Na+-Ionen-abhängiger Transport; einfache
Diffusion
Absorption: Körperzellen, Blut
Na+-Ionen-abhängiger Transport; einfache
Diffusion
Speicherung:
in allen Körperzellarten
Elimination: Niere
Oxalsäure, Dioxogulonsäure,
Dehydroascorbinsäure und Ascorbinsäure