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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 Unterricht 1 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).

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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).

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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