Alkoholische Gärung von Zucker-V001
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KantonsSchuleOlten Fachschaft Chemie Alkoholische Gärung von Zuckern Aufgabe: Jede Gruppe führt die Gärungsversuche mit einer Zuckerart (Glucose, Fructose, Maltose, Saccharose oder Lactose) durch. Die Zuckerart wird den Gruppen vor den Versuchen zugeteilt. Pro Zuckerart sind parallel 3 Versuche bei 3 unterschiedlichen Temperaturen (Raumtemperatur, 30°C, 40°C) durchzuführen. Achtung: gutes Zeitmanagement! Chemikalien: 1 2 3 4 5 6 7 20 20 20 20 20 20 mL mL mL mL mL mL Glucose 8% w/v (aq) Fructose 8% w/v (aq) Maltose 8% w/v (aq) Saccharose 8% w/v (aq) Lactose 8% w/v (aq) Backhefe 10% w/v (aq) Wasser Sicherheit: Stoff 1 Glucose 2 Fructose 3 Maltose 4 Saccharose 5 Lactose 6 Bachkhefe 7 Wasser R + S Sätze ----------------------------- R-Sätze S-Sätze R-Sätze S-Sätze R-Sätze S-Sätze R-Sätze S-Sätze R-Sätze S-Sätze R-Sätze S-Sätze R-Sätze S-Sätze R-Sätze: --- S-Sätze: --- Apparatur Temperaturschrank Temperaturschrank Erlenmeyerkolben Gärungssaccharometer nach Einhorn 30°C 40°C 100 mL C:\ChemieversucheDatenbank\A\Versionen\Alkoholische Gärung von Zucker-V001.docx 1 1 1 / Zuckerlsg. 3 / Zuckerlsg. Seite 1 von 5 © by Kanti Olten Ausführung: • Mische im Erlenmeyerkölbchen 20 ml deiner Zuckerlösung (8%) mit 20 ml der Hefelösung (10%). • Fülle je 10 ml des gut geschwenkten Gemisch in die Gärungsröhrchen, so dass der senkrecht nach oben zeigende Glasarm vollständig gefüllt ist. Sobald das Gärungsröhrchen gefüllt ist beginnt die Messung, das heisst ihr müsst ab diesem Zeitpunkt die Zeit messen. (Es ist klar, dass für die Messreihen bei 30°C und 40°C das Gärungsröhrchen im entsprechend temperierten Trockenschrank stehen muss) • Im regelmässigen Abstand von 5 Minuten ist am Gärungsröhrchen die entstehende Gasmenge abzulesen. (temperierte Trockenschränke nicht länger als notwendig offen halten!) und zu protokollieren. • Die abgelesenen Gasmengen sind auf dem Laptop in die vorbereitete Excel Tabelle einzutragen. Am Schluss können die entsprechenden Verläufe ausgedruckt werden. Dies ist das eigentliche Ergebnis des Versuchs. • Diskutiere die Diagramme (was passiert überhaupt? Welches Gas entwickelt sich? Woraus entsteht dieses Gas? Gibt es einen Temperatureffekt? Wenn ja, welchen und wie ist er zu erklären? etc.) • Vergleiche das Diagramm deiner Gruppe mit dem Diagramm anderer Gruppen, die einen anderen Zucker verwendet haben. Diskutiere die beobachteten Unterschiede. • Welche Enzyme sind für die Gärung verantwortlich, und wo in den Hefezellen findet die Gärung statt? Wie lassen sich die Geschwindigkeitsunterschiede der CO2 Bildung in unseren Experimenten erklären? Wovon hängt die Geschwindigkeit der Bildung von CO2 ab? Welche Enzyme sind dabei involviert? Entsorgung: Sämtliche Lösungen können über den Ausguss entsorgt werden. C:\ChemieversucheDatenbank\A\Versionen\Alkoholische Gärung von Zucker-V001.docx Seite 2 von 5 © by Kanti Olten Hintergrundinformationen zu: Alkoholische Gärung von Zuckern (Die folgenden Textauszuge stammen grösstenteils aus Wikipedia und sind von mir redigiert worden) Biochemische Grundlagen Enzymatische Reaktionen Im ersten Schritt der alkoholischen Gärung, der Glykolyse, wird ein Molekül Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat umgesetzt. Daneben entstehen zwei Moleküle Adenosintriphosphat (ATP) aus zwei Molekülen Adenosindiphosphat (ADP) und zwei Phosphatresten (Pi). Zusätzlich werden zwei Moleküle NAD+ (Nicotinamidadenindinukleotid) zu zwei Molekülen NADH reduziert. Das heißt, sie nehmen jeweils zwei Elektronen und ein Proton auf. Bis hierher entspricht der Stoffwechselweg dem der Zellatmung. Anschließend wird von jedem Molekül Pyruvat ein Molekül Kohlenstoffdioxid durch das Enzym Pyruvatdecarboxylase abgespalten. Als Cofaktor dient bei dieser Reaktion Thiaminpyrophosphat, ein Verwandter des Vitamin B1. Das in diesem Schritt entstehende Acetaldehyd ist für den Organismus sehr giftig und wird im folgenden Schritt sofort weiterverarbeitet. Das katalysierende Enzym Alkoholdehydrogenase enthält ein Zink-Ion, welches die Carbonylgruppe am Acetaldehyd polarisiert. Dadurch können zwei Elektronen und ein Wasserstoffproton vom NADH auf das Acetaldehyd übertragen werden, wodurch es zu Ethanol reduziert wird. Sowohl die Glykolyse als auch die zwei Folgereaktionen finden im Cytoplasma der Zelle statt. C:\ChemieversucheDatenbank\A\Versionen\Alkoholische Gärung von Zucker-V001.docx Seite 3 von 5 © by Kanti Olten Die Netto-Reaktionsgleichung lautet wie folgt: In Worten: Glucose + 2 Adenosindiphosphat + 2 Phosphat ergibt 2 Ethanol + 2 Kohlenstoffdioxid + 2 Adenosintriphosphat Das Enzym Alkoholdehydrogenase stellt Ethanol aus Acetaldehyd her, katalysiert aber auch die Rückreaktion. Während der alkoholischen Gärung läuft zum größten Teil die erste Reaktion ab. Der entstandene Ethanol wird anschließend von den Zellen an die Umgebung abgegeben. Die Umsetzung von Ethanol zu Acetaldehyd dagegen findet beispielsweise bei der Entgiftung von Ethanol in der Leber statt. Acetaldehyd ist giftig und neben Fuselölen der Hauptgrund für Kopfschmerz und Übelkeit nach heftigem Alkoholgenuss (der berühmte „Kater“). Acetaldehyd wird vom Enzym Acetaldehyddehydrogenase zu Essigsäure oxidiert. Bei der Hefe-gestützten anaeroben Gärung entstehen als unerwünschte Nebenprodukte Methanol und Fuselalkohole wie Butanol, Amylalkohol und Hexanol. Ihre Bildung verläuft aber nicht nach dem hier beschriebenen Stoffwechselweg, sondern zum Beispiel über den Abbau von Aminosäuren. Im Körper wird Methanol vom Enzym Alkoholdehydrogenase zum sehr giftigen Formaldehyd oxidiert. Trinkt man viel minderwertigen Alkohol (mit hohem Methanolgehalt), so entsteht im Körper entsprechend viel Formaldehyd, das dann Proteine, wie die hochempfindlichen Sensoren im Auge, schädigt und im schlimmsten Fall zu Muskelkrämpfen, Erblindung und schließlich zum Tod führen kann. Energiebilanz Da unter anoxischen (sauerstofffreien) Bedingungen die normale Zellatmung nicht arbeitet, ist die einzige Energiequelle für Hefe unter diesen Bedingungen die Glykolyse mit ATP-Bildung durch Substratphosphorylierung. Sie liefert pro Molekül Glucose 2 Moleküle ATP. Im Vergleich dazu würde die Zellatmung 38 Moleküle ATP produzieren. Würde der Abbau von Glucose beim Pyruvat stoppen, so käme der Prozess bald zum Erliegen, da durch den NAD+-Verbrauch in der Glykolyse ein NAD+-Mangel eintreten würde. NAD+ liegt in der Zelle nur in Spuren vor und muss ständig regeneriert werden. Dazu wird in der alkoholischen Gärung Pyruvat decarboxyliert und der dadurch entstandene Acetaldehyd mit NADH zu Ethanol reduziert, wobei NADH zu NAD+ oxidiert wird. Nimmt man die gesamte Reaktionsfolge von der Glucose bis zum C:\ChemieversucheDatenbank\A\Versionen\Alkoholische Gärung von Zucker-V001.docx Seite 4 von 5 © by Kanti Olten Ethanol, so entsteht kein energiereiches NADH. Andere Substrate Neben Glucose können auch andere Einfachzucker durch die Glykolyse und damit auch durch die alkoholische Gärung verarbeitet werden. Jedoch haben die meisten Hefen eine besondere Affinität zu Glucose (sie sind „glucophil“), so dass z.B. bei der alkoholischen Gärung von Traubenmost, der Glucose und Fructose in gleichen Teilen enthält, bevorzugt die Glucose abgebaut wird. Ist der fertige Wein dann noch restsüß, d.h. ist nicht aller Zucker zu Alkohol abgebaut worden, besteht der Großteil des verbliebenen Zuckers aus Fructose. Dies ist insbesondere für Diabetiker von Interesse. Neben Einfachzuckern können auch Zweifachzucker verarbeitet werden, sofern Enzyme vorhanden sind, die sie in ihre Bestandteile aufspalten. So wird Saccharose von der Saccharase in ihre Bestandteile Glucose und Fructose zerlegt, die wie bereits beschrieben in die Glykolyse eingehen. Ebenso wird mit Lactose verfahren, die von dem Enzym β-Galaktosidase in Galaktose und Glucose gespalten wird. Gleiches gilt für Polysaccharide. Um etwa Stärke aus Getreide zu nutzen, werden die Samen zum Keimen gebracht. Das pflanzeneigene Enzym Amylase spaltet die Stärke in Maltose, welche wiederum von der Hefe verarbeitet werden kann. C:\ChemieversucheDatenbank\A\Versionen\Alkoholische Gärung von Zucker-V001.docx Seite 5 von 5 © by Kanti Olten
