doc - ChidS

Hinweis:
Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule).
Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht herunter geladen werden,
unter anderem hunderte von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende:
http://online-media.uni-marburg.de/chemie/chids/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Chemie
Sommersemester 2004
Ausarbeitung zum Experimentalvortrag Organik
Leitung: Prof. Neumüller, Dr. Reiß, Prof. Koert, Prof. Müller
Fette und Öle
Daniela Michel
Herrmannstrasse 1
35037 Marburg
Telefon: 06421 / 933233
E-mail: [email protected]
Inhaltsverzeichnis
Seite
I.
Geschichte und Gewinnung
3
II.
Aufbau und Eigenschaften
7
III.
Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren
15
IV.
Lecithin
18
V.
Verwendung von Fetten
19
VI.
Besonderheiten
21
2
I.
Geschichte und Gewinnung
Fette für die menschliche Ernährung wurden ursprünglich entweder durch das Pressen
fettreicher Pflanzensamen oder aus tierischen Fetten gewonnen. Heute kann man zusätzlich
Fette mit entsprechenden Lösungsmitteln extrahieren.
Bilderklärung: Presse mit einer Olivenmasse zur
Olivenölherstellung
Als streichfähiges Fett sind Butter und Schmalz seit mindestens 2000 Jahren bekannt. Die
Fettversorgung war stets eine wesentliche Grundlage der menschlichen Ernährung, da Fette
die energiereichsten Nahrungsmittel sind.
In den letzten 200 Jahren änderten sich in Europa die Lebensbedingungen jedoch so
nachhaltig, dass davon auch die Ernährungsgewohnheiten und die allgemeine Versorgung der
Bevölkerung mit Fetten beeinflusst wurde: Die industrielle Entwicklung war nun infolge eines
intensiveren Arbeitseinsatzes mit Schichtarbeit und einseitiger schwerer körperlicher
Belastung möglich. Zudem stieg unter anderem durch Verbesserung der hygienischen
Verhältnisse die Lebenserwartung allgemein an. Die Folge: Die Bevölkerungsdichte nahm
deutlich zu, so dass mit der Zeit Fette knapp und immer teurer wurden.
Um die Fettversorgung, insbesondere der französischen Armee zu sichern erteilte Napoleon
der 3. 1866 den Auftrag, ein geeignetes Speisefett zu entwickeln.
Der Wissenschaftler Hippolyte Mége-Mouriés erkannte 1869 durch Experimente, dass Kühe
auch dann Milchfett abgeben, wenn sie zeitweise hungern, das Milchfett also offenbar aus
eigenem Körperfett erzeugen. Er verarbeitete daher Rindertalg mit Magermilch zu einem Fett,
das streichfähig war.
Da tierische Fette jedoch nicht in ausreichender Menge anfielen, begann die Suche nach
anderen Fetten.
Pflanzenfette waren zwar billig und in ausreichender Menge verfügbar, sie hatten jedoch den
Nachteil, dass aus den flüssigen Fetten kein streichfähiges Fett herstellbar war.
Später in der Ausführung wird näher erläutert, wie aus flüssigen Ölen feste Fette hergestellt
werden.
Margarinesorten, die uns geläufig sind:
•
•
•
•
Standardware:
Mischung aus pflanzlichen und tierischen Fetten
Pflanzenmargarine
Diätmargarine
Halbfettmargarinen bzw. fettreduzierte Margarinen
Zunächst ist die Standardware zu nennen. Es handelt sich um eine Mischung aus tierischen
und pflanzlichen Fetten und ist besonders hitzebeständig.
Bei Pflanzenmargarine muss der Fettanteil zu mindestens 97% aus pflanzlichen Fetten
bestehen. Stammt der Fettanteil zu mind. 97% aus dem Öl einer Pflanzenart, so kann der
3
Name der Pflanze bei der Bezeichnung des Erzeugnisses verwendet werden (z. B.
Sonnenblumenmargarine).
Diätmargarinen unterliegen den Forderungen der Diät-Verordnung und dienen besonderen
Ernährungszwecken. So werden beispielsweise Diätmargarinen für eine natriumarme
Ernährung in den Verkehr gebracht.
Halbfettmargarine bzw. Fettreduzierte Margarine wurde als Kalorienreduziertes Lebensmittel
entwickelt, bei dem Fett gegen Wasser ausgetauscht wurde. Auf diesen Packungen muss
wegen des Wasseranteils ein Warnhinweis stehen, da sie ungeeignet zum Kochen, Backen
und Braten ist.
Verbrauch an Nahrungsfetten (in kg pro Kopf, Deutschland)
Jahr
1914/18
1919/23
1950
1960
1970
1993
Margarine
0,50
4,00
8,00
11,00
8,80
8,20
<
<
>
>
>
>
Butter
1,00
5,00
6,10
8,30
8,60
6,80
Zunächst ist ein höherer Verbrauch an Butter zu verzeichnen, bis ca. 1950 erstmals der
Verbrauch bzw. Konsum von Margarine den der Butter übertraf. Einen deutlichen Anstieg
kann man von 1950 bis 1960 erkennen, welcher auf das Wirtschaftswunder zurückzuführen
ist. Die Menschen lebten u. a. was die Nahrungsaufnahme anging im Überfluss. Die
nachfolgende stetige Abnahme ist auf den auch heute noch praktizierten gesunden
Lebenswandel mit weniger Fett zurückzuführen.
Aktueller Pro-Kopf-Verbrauch ist durchschnittlich 12 kg pro Jahr.
Raffination von gebrauchtem Frittierfett
In Deutschland gibt es die Fleischverordnung, die generell das Raffinieren von tierischen
Fetten und die Behandlung von Milchfett verbietet. Dies geschieht nicht zum Schutz des
Verbrauchers sondern wegen protektionistischer Maßnahmen.
Ausnahmen bestehen, wenn es sich um die Herstellung von Margarine oder Futtermittel
handelt.
Man trennt die Raffination in die chemische und die physikalische Raffination, wobei die
chemische R. der konventionelle Weg ist. Die chemische Raffination kann bis zu sechs
Schritte/Stationen durchlaufen, die physikalische, umweltfreundlichere Methode, hingegen
läuft in nur zwei Schritten ab.
Die physikalische Raffination verzichtet auf Seifenspaltung, Fettsäure fällt als Fettsäure aus.
Es fällt fast kein Abwasser an.
Praktisch die gesamte Menge an verkauften Samenölen und –fetten sowie Fischöl wird
raffiniert.
4
Wichtige Schritte der Chemischen Raffination:
1.
2.
3.
4.
Entschleimung (mit Phosphor- und Zitronensäure)
Bleichen
Desodorierung (Dämpfung)
Entsäuerung (Neutralisation)
Versuch 1: Raffination von gebrauchtem Frittierfett
Chemikalien:
50 mL Petrolether
5 g gebrauchtes Frittierfett
5 g Kieselgel (70….230 mesh)
Materialien:
Chromatographiesäule
Waage
Stativmaterial
2 Bechergläser (100 mL)
Glasstab
Messzylinder (50 mL)
Pulvertrichter
Glaswolle
Durchführung:
5 g Kieselgel werden abgewogen und mittels Pulvertrichter auf die - mit Glaswolle unten
verschlossene - Chromatographiesäule gegeben.
In einem 100-mL-Becherglas werden 5 g der Fettprobe in 25 mL Petrolether gelöst und
vorsichtig auf die vorbereitete Säule gegeben. Die Fettlösung fließt langsam durch die
Kieselgelschicht hindurch. Kurz bevor die Lösung in das Kieselgel eingesickert ist, gibt man
weitere 25 mL Petrolether auf die Säule. (Achtung, es kann zu Pfropfbildung kommen!)
Die austretende farblose Lösung wird in einem 100-mL-Becherglas gesammelt.
Auswertung:
Man erhält ein helles Fett, das nicht von ungebrauchtem Frittierfett unterschieden werden
kann. Das gelöste Fett zu Beginn des Versuches weist eine gelbliche Farbe auf. Die
austretende Flüssigkeit ist farblos. Verunreinigungen wurden von der Kieselgelsäule
adsorbiert.
Bei einem anschließenden Abdampfen des Lösungsmittels würde man weißes Fett erhalten.
5
Die Inhaltsstoffe der Margarine:
Pflanzliche
Pflanzliche
Milchfett
Fette / Öle
Farbstoff
ß-Carotin
Emulgatoren
Emulgator
Margarine
Säuerungsmittel
Gelatine
natürliches
Wasser
Aroma
Das Bild ist im Hintergrund mit einer blauen (wässrige Phase) und einer gelben (ölige Phase)
Farbe hinterlegt. Die aufgezeigten Inhaltsstoffe sind, ihrem chemischen Verhalten bzw. ihrem
„Aufenthaltsort“ in der Margarine nach, der passenden Phase zugeordnet. Der Emulgator steht
für die Verbindung der zwei Phasen und bedeckt darum einen Teil der gelben und der blauen
Phase. Auf den Emulgator Lecithin sowie den Farbstoff ß-Carotin wird im Weiteren noch
eingegangen.
Wie könnte eine Strategie zur Analyse der Margarine in der Schule aussehen?
Auftretende Fragen von Schülern könnten unter anderem folgende sein:
Warum ist Margarine gelb-orange gefärbt?
Warum ist nach dem Erhitzen nur eine Phase gelb-orange gefärbt?
oder
Wieso ist der Brotaufstrich trotz des hohen Wasseranteils fest?
Ein möglicher Trennungsgang für die Schule:
Wassernachweis /
Fettnachweis
Ölige Phase
Obere
Phase
Dünnschicht –
Chromatographie
ß-Carotin
Untere
Phase
Wassernachweis /
Fettnachweis
Wässrige
Phase
Biuret-Reaktion
Eiweiß
- Gelatine -
Margarine
6
II.
Aufbau und Eigenschaften
Fett (altgriech.: lipos)
Fette und Öle gehören zur Naturstoffklasse der Lipide. Lipide sind Stoffe, die aus
biologischem Material mit unpolaren oder schwach polaren Lösungsmitteln z. B.
Kohlenwasserstoffen herausgelöst werden können.
Fette und Öle sind Ester der Fettsäuren. Einige sind gesättigt, andere enthalten eine oder
mehrere Doppelbindungen (ungesättigt).
Des Weiteren sind sie Ester mit dem dreiwertigen Alkohol Glycerin. Jede der drei HydroxyGruppen ist mit je einem Molekül einer Fettsäure verestert. Diese entstandenen Ester werden
auch Triglyceride genannt.
Natürliche Fette und Öle sind Gemische verschiedener Triglyceride. Auch im einzelnen
Triglycerid-Molekül können verschiedene Carbonsäuren gebunden sein, wie hier zu sehen:
O
O
O
O
O
1
CH3
CH3
2
O
1 Palmitinsäure
2 Stearinsäure
3 Ölsäure
CH3
3
Eigenschaften von Fetten und Ölen
Zu der Konsistenz kann man zunächst sagen, dass feste Fette mehr langkettige und/oder
gesättigte Fettsäuren haben und flüssige Fette (so genannte Öle) reich an ungesättigten
und/oder kurzkettigen Fettsäuren sind.
Die Erklärung dafür liegt in der cis-Anordnung der C-C-Doppelbindung. Es bilden sich starre
Knicke, die eine parallele Anordnung der Fettmoleküle verhindern. Zudem wirken van-derWaalsche Kräfte mit zunehmender Molekülgröße.
Ursachen für das Ranzigwerden von Fetten liegen in der hydrolytischen Spaltung der
Esterbindungen unter Mitwirkung von Bakterien.
Bei Butter ist das charakteristisch der Geruch nach Buttersäure.
Allgemein sind feste Fette länger haltbar als flüssige Fette, da der Angriff von Luftsauerstoff
auf Öle leichter ist.
Um die Haltbarkeit von Fetten zu erhöhen ist es einerseits möglich ihnen das Wasser zu
entziehen oder andererseits kann man den Luftzutritt verhindern.
Im Jahr 1902 entwickelte der Chemiker Wilhelm Norman ein Verfahren, wodurch die
flüssigen Fette bei Überdruck und in Anwesenheit von Nickel als Katalysator zu festen Fetten
umgewandelt wurden. Dieses Verfahren der Fetthärtung wird später erläutert.
7
Fett als Schutzfunktion
Fette erfüllen Schutzfunktionen im Organismus. Sie dienen dem Wärmeschutz
(Unterhautfettgewebe), bieten Schutz gegen Druck und Stoß (Nierenfett), sie sind Polster für
bewegliche Organe (Augäpfel) und schützen Haut und Haar durch ihre Wasser abstoßende
Wirkung.
Fette zählen zu den energiereichsten Nahrungsmitteln mit einem physiologischen Brennwert
von etwa 40 kJ/g. Im Vergleich haben Kohlehydrate und Eiweiß nur etwa die Hälfte (etwa
17,2 kJ/g).
Fette sind zudem geschmacksträger.
Essentielle Fettsäuren
Sehr wichtig für den menschlichen Körper sind die essentiellen Fettsäuren Linolsäure und
Linolensäure. Diese müssen über die Nahrung aufgenommen werden, da sie nicht vom
Körper selbst synthetisiert werden können.
COOH
Linolsäure
COOH
Linolensäure
Versuch 2: Löslichkeitsversuch
Chemikalien:
Öl
Wasser
Petrolether
Materialien:
2 Reagenzgläser
Reagenzglashalter
2 Stopfen
Durchführung:
Man lege in beiden Reagenzgläsern etwas Öl vor und gebe in das eine Reagenzglas etwas
Wasser (1. RG) und in das andere Reagenzglas etwas Petrolether (2. RG). Nun schüttelt man
beide Reagenzgläser gut durch.
8
Auswertung:
Emulsion
Lösung
Man kann beobachten, dass in dem 1. Reagenzglas eine Phasentrennung erfolgt, im 2.
Reagenzglas kann man keine Phasentrennung beobachten. Das Öl hat sich in dem Petrolether
gelöst.
Ein Blick auf die Strukturformel erklärt diesen Versuch.
O
H
O
H
Wasser
OH
Öl
Octan
Wasser ist ein polarer Stoff, das Sauerstoff-Atom ist δ– geladen und die Wasserstoff-Atome
δ+ geladen sind. Neben dem Wasser ist exemplarisch eine Fettsäure abgebildet. Diese hat
einen länglichen unpolaren Teil (Kohlenstoffkette) und einen kurzen polaren Teil
(Carboxylatgruppe). Öl zählt wegen dem größeren unpolaren Teil zu den unpolaren Stoffen.
Petrolether ist völlig unpolar.
Es gilt: Gleiches löst sich in Gleichem, darum löst sich Öl in Petrolether nicht aber in Wasser.
Löslichkeiten von lipophilen Stoffen
ß-Carotin (E 160 a) wurde erstmals 1831 von Wackenroder aus Karotten isoliert. Karotten
werden im folgenden Versuch zur Demonstration von Löslichkeiten benötigt.
Die Strukturformel von ß-Carotin besteht aus aneinander geknüpften Isopren-Bausteinen
wobei sich an den jeweiligen Enden Iononringe befinden. Die Farbigkeit von ß-Carotin lässt
sich unter anderem durch das stark ausgedehnte π-System erklären. Die konjugierten
Doppelbindungen können über das gesamte Molekül „geklappt“ werden. Das
Absorptionsmaximum liegt bei Lambda = 497 nm, wodurch dem menschlichen Auge Carotin
orange erscheint.
9
Gelborange S (E 110) wird ebenso wie ß-Carotin zum Färben von Lebensmitteln verwendet.
N
N
SO3
+
Na
OH
+
Na
O3S
Versuch 3: Löslichkeit von lipophilen Stoffen
Chemikalien:
Wasser
Öl
Möhren (geraspelt)
Materialien:
2 Reagenzgläser
Becherglas (100 mL)
Bunsenbrenner
Gestell mit Drahtnetz
Durchführung:
Man gibt einige g Möhrenraspel, etwa 70 mL Wasser und einen Schuss Öl in das Becherglas.
Einige mL der Flüssigkeit werden nun in das erste Reagenzglas abgenommen. Man sollte
darauf achten, dass von beiden Phase (Wasser und Öl) etwas abgenommen wird. Für einen
späteren Vergleich Reagenzglas zur Seite stellen.
Nun wird der Inhalt des Becherglases über dem Bunsenbrenner erhitzt und einige Minuten
gekocht. Für gute Ergebnisse muss etwa 10 Min. gekocht werden. Nun nimmt man erneut
eine Probe der Flüssigkeit ab und vergleicht diese mit dem ersten Reagenzglas.
Auswertung:
Nach dem Kochen hat sich die Ölschicht auf dem Wasser orange gefärbt. ß-Carotin, welches
in der Karotte enthalten ist, ist ein lipophiler („fettliebender“) Farbstoff und sammelt sich in
der oberen öligen Phase an. Die untere wässrige Phase weist keine Farbveränderung auf.
vorher nachher
10
Erhitzt man Margarine eine Weile, so trennt sie sich zwei Phasen. Diese Phasen kann man
getrennt voneinander untersuchen.
Versuch 4: H2O-Nachweis
Chemikalien:
CuSO4 (getrocknet) (Im Trockenschrank bei ca. 200 °C getrocknet)
CuSO4 . 5 H2O
Materialien:
3 Reagenzgläser
2 Pipetten (wahlweise Scheidetrichter)
Durchführung:
Von den drei Reagenzgläsern wird eines mit Kupfersulfat-Pentahydrat befüllt, die anderen
zwei Reagenzgläser füllt man mit getrocknetem Kupfersulfat. Reagenzglas 1 dient nur zum
Vergleich. Nun gibt man in RG 2 die obere abgetrennte Phase der zuvor erhitzten Margarine
und in RG 3 die untere Phase. Da dieser Versuch sehr empfindlich ist, müssen die Phasen
sauber getrennt werden!
Auswertung:
In RG 2 kann man beobachten, dass das getrocknete Kupfersulfat von der öligen Phase
umschlossen wird. Es findet dort keine Farbänderung statt (lediglich eine Intensivierung der
bestehenden Farbe). In RG 3 ändert sich nach Zugabe der wässrigen Phase die Farbe. Aus
dem getrockneten Kupfersulfat ist mit Hilfe der unteren Phase durch Hydratation
Kupfersulfat-Pentahydrat rückgebildet worden.
Versuch 5: Fettgehaltvergleich
Chemikalien:
Sudan III (Ceresinrot)
Materialien:
Palmin, Margarine und Halbfettmargarine je 250 g
3 Magnetrührer
3 Rührfische
3 Erlenmeyerkolben (300 mL)
Spatel
Waage
3 Wasserbäder
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Durchführung:
Die Fette werden auf die Erlenmeyerkolben aufgeteilt und geschmolzen (90°C Wasserbad). In
die Schmelze wird nun je eine Spatelspitze Sudan III gegeben. Nach etwa 5 min. Rühren
erfolgt Trennung in wässrige und ölige Phase.
Auswertung:
Nur die ölige Phase ist durch Sudan III rot gefärbt.
N
N
N
N
HO
Sudan III ist ein Azofarbstoff, der lipophil ist und sich demnach nur in der oberen öligen
Phase befindet.
Der Fettgehalt von Palmin: 100%
Butter: 80%
Margarine: 40%
Die Farbintensität ist in diesem Versuch nicht ausschlaggebend, hier wird vielmehr der
H2O-Anteil der in Butter und Margarine enthalten ist verdeutlicht, da der Farbstoff sich
ausschließlich im geschmolzenen Fett befindet. Das Wasser, das in der Margarine und der
Butter enthalten ist, befindet sich am Grunde des Becherglases.
Demonstration:
Fettsäurenachweis mit DC
Triglyceride
Fettsäuren
Cholesterol
Diglyceride
Kokosfett
Fleischwurst
Speiseöl
Margarine
Butter
12
Chemikalien:
Fließmittel: Trichlormethan
Petrolether
Iod
Verschiedene Fette und Öle
DC-Alufolien
Geräte:
Kapillaren
Bleistift
Lineal
Fön
2 DC-Kammern (groß)
Präparategläschen
Spateln
Pasteurpipetten
Pipettenhütchen
Uhr
Waage
1-mL Spritze
saubere Unterlage
Becherglas 50 mL
Bunsenbrenner
Tiegelzange
Durchführung:
Um eine gute Kammersättigung zu erreichen wird gleich zu Beginn der Vorbereitungen die
DC-Kammer mit dem Fleißmittel (ca. 100 mL) befüllt.
Konzentrationen der Proben: 10 mg der Fette bzw. 3 Tropfen der Öle werden in 1 mL
Petrolether gelöst.
Die Fließmittelfront befindet sich 1,5 cm vom unteren Rand entfernt. Die Proben werden
gleichmäßig über die Startlinie verteilt, die äußeren Punkte befinden sich 2 cm vom rechten
bzw. linken Rand. Die Laufzeit beträgt bei einer Laufhöhe von 16 cm etwa 90 Minuten.
Entwicklung des Chromatogrammes:
Das Chromatogramm wird entnommen und vor der Detektion getrocknet. Die Entwicklung
erfolgt in einer mit Ioddampf gesättigten Kammer. Dazu am besten die Iodkörnchen in ein
vorher erwärmtes Becherglas fallen lassen, welches seitlich in der zweiten DC-Kammer steht.
Versuch 6: Nachweis für Fettsäuren
Chemikalien:
Margarine
Ethanolische KOH - Lösung (w = 0,1)
HCl (c = 2 mol/L)
Materialien:
Erlenmeyerkolben 100 mL
Spatel
Waage
Magnetrührer
Rührfisch
Messzylinder
H2O-Bad
Reagenzglas mit Stopfen
Pipette
13
Durchführung:
5 g Margarine in 100 mL Erlenmeyer vorlegen und schmelzen. 30 mL KOH zugeben und
unter ständigem Rühren auf dem Wasserbad erwärmen. Trübung verschwindet nach ca. 10
Minuten.
Eine Probe Seifenlösung wird mit Wasser verdünnt, unter schütteln kommt es zu einer
Schaumbildung. Zur entstandenen Seifenlösung gibt man einige Tropfen HCl. Nach erneutem
Schütteln kommt es zu keiner weiteren Schaumbildung. Es fällt ein weißer Niederschlag aus.
Einen Teil der Seifenlösung benötigt man noch für Versuch 7.
Auswertung:
Carboxylatanion-Bildung
O
1
O O R
O
2
O R
O
R
OH
+ 3 OH-
OH
OH
3
-
+
OOC-R1
OOC-R2
OOC-R3
Allgemeiner Nachweis der Fettsäuren:
O
O
+ Na+(aq) + Cl-(aq)
+ HCl(aq)
R
O
+
R
OH
K +
Na
weiß
Der Einfluss von Hitze auf Fett
Der Einfluss von Hitze auf Fett ist dem größten Teil der Schüler und Eltern bekannt. In der
Küche oder der Pommes-Bude kommen ab und an stechend riechende Dämpfe vor.
Fette können beim Braten oder Frittieren von Lebensmitteln leicht Temperaturen von 200°C
und höher ausgesetzt sein.
Die bevorzugten Angriffsstellen bei Fetten sind die Esterbindungen zwischen Glycerid und
den Fettsäuren sowie die Doppelbindungen der ungesättigten Fettsäuren.
Als Beispiel eignet sich die Entstehung des Aldehyds Acrolein
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Eliminierung:
H
H
OH
H
OH
H
H
H
OH
H
OH
H
- H2O
H
OH
H
H
O
OH
H
H
H
Glycerin
Enol
H
H
H
- H2O
O
H
Acrolein
Es handelt sich um eine Eliminierungsreaktion. Glycerin wird an der OH-Gruppe protoniert,
H2O fungiert als gute Abgangsgruppe. Es entsteht als Zwischenstufe ein Enol und nach
erneuter Wasserabspaltung entsteht das ungesättigte Aldehyd Acrolein.
Bei Acrolein handelt es sich um ein ungesättigtes Aldehyd und von diesem kommt jetzt das
Thema gesättigte und ungesättigte Fettsäuren.
III. Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren
Vorgestellt werden hier beispielhaft nur vier Fettsäuren:
Laurinsäure
Palmitinsäure
COOH
COOH
als gesättigte und
Ölsäure
COOH
Linolsäure
COOH
als ungesättigte Fettsäuren.
In fast allen natürlichen Fettsäuren ist eine gerade Anzahl an Kohlenstoff-Atomen vorhanden.
Betrachtet man die Schmelzpunkte, so ist deutlich zu erkennen, dass die gesättigten
Fettsäuren höhere Schmelzpunkte haben (Smp. °C 44, 63)
im Vergleich zu den ungesättigten Fettsäuren (Smp. °C 13,4 , -5).
Hier wirken wie schon bei der Konsistenz von Fetten und Ölen erläutert bei den gesättigten
Fettsäuren hohe van-der-Waals-Kräfte (zunehmend mit steigender Molekülgröße).
Erneut hindert die cis-Anordnung eine parallele Anordnung der ungesättigten Fettsäuren.
15
Gibt es nur eine Doppelbindung in der Fettsäure so spricht man von einfach ungesättigt, sind
mehrere Doppelbindungen vorhanden von mehrfach ungesättigten Fettsäuren.
Versuch 7: Nachweis der C-C-Doppelbindung
Chemikalien:
Bromwasser
Seifenlösung aus Versuch 6
Natriumthiosulfat-Lösung (zur Sicherheit)
Materialien:
Reagenzglas
Pipette
Reagenzglashalter
Stopfen
Durchführung:
Im Abzug arbeiten !
Man legt etwas Bromwasser in einem Reagenzglas vor.
Nun gibt man eine Probe der Seifenlösung hinzu.
Auswertung:
Nach Zugabe der Seifenlösung wird das vorher bräunliche Bromwasser entfärbt.
Eine Erklärung erfolgt anhand einer allgemeinen Doppelbindung. Wie schon erwähnt sind
ungesättigte Fettsäuren in der Margarine enthalten.
Ungesättigte Fettsäuren:
H
H
δ-
δ+
Br
Br
H
H
+ Br2 (aq)
Rx
R
Rx
y
Ry
π – Komplex
H
C
Rx
H
Br
+
nucleophile
+ Br
C
(aq)
anti-Addition
H
Rx
Br
H
Br R y
Ry
Vicinale Dibromverbindung
Bromoniumion
Die Reaktion wird vereinfacht an einer allgemeinen Doppelbindung erläutert.
Die Br-Br-Bindung ist polarisierbar. Es kommt zunächst zu einer heterolytischen Spaltung der
Br-Br-Bindung. Das Bromid-Anion besitzt einen induzierten Dipol und wird von der
Doppelbindung (π-Elektronenwolke hat nucleophilen Charakter) angezogen. Es bildet sich ein
cyclisches Bromoniumion wobei die Bindungen von den C-Atomen zum Bromid-Ion länger
sind als die Bindung der C-Atome selbst. Es gibt zwei mögliche Angriffsstellen für das zweite
16
Bromid-Ion. Man erhält über eine nucleophile Anti-Addition eine vicinale
Dibromverbindung.
Die Hydrierung von Öl
Die Hydrierung von Öl wird durchgeführt um die Haltbarkeit durch Fetthärtung zu erhöhen.
Die Hydrierung darf nur einen Teil der Doppelbindungen beseitigen, denn Fette ohne
ungesättigte Fettsäuren sind schwer verdaulich, außerdem führt es zum Verlust der
essentiellen Fettsäuren.
Über 90% der Doppelbindungen, die in natürlich vorkommenden Fettsäuren enthalten sind,
haben cis-Konfiguration.
Allgemein werden bei der Hydrierung nicht alle Doppelbindungen hydriert. Ein signifikanter
Anteil wird durch den Katalysator zur entsprechenden trans-Doppelbindung isomerisiert, so
dass Doppelbindungen auf jedem Fall im Endprodukt enthalten sind.
Über die Frage, ob der Genuss von trans-Fettsäuren Einfluss auf unsere Gesundheit hat gibt es
mehrere Studien. In den 60er und 70er Jahren zeigten Studien, dass sich trans-Fettsäuren in
der Zellmembran ansammeln und sich negativ auf die Gesundheit auswirken. Die Forschung
ist diesbezüglich etwas schwierig, da jedes Nahrungsmittel mit trans-Fettsäuren auch
gesättigte Fettsäuren enthält.
Das Verfahren der Fetthärtung beruht darauf, dass einem Teil der in pflanzlichen Fetten
enthaltenen ungesättigten Fettsäuren katalytisch Wasserstoff angelagert wird. Die
ungesättigten Fettsäuren mit niedrigem Schmelzpunkt werden dadurch zu gesättigten
Fettsäuren mit höherem Schmelzpunkt umgewandelt.
+ H2
COOH
Ölsäure
Pd-Kat
COOH
Stearinsäure
Ölsäure
Stearinsäure
Im Labor wurde der
Versuch mit einem
Pd auf Al2O3-Kat.
durchgeführt.
Da dieser sehr fein
verteilt vorliegt, ist
er aus dem Produkt
nicht leicht zu
entfernen.
Smp.: ~ 13 °C
Smp.: ~ 69 °C
17
IV. Lecithin
+
(H3C)3N
O
O
P
O OO
O
O
O
Phospholipid-Molekül
Grenzschicht
Öl
Wasser
Lecithin, wie man hier vereinfacht abgebildet sieht, besteht aus Fettsäuren, einem GlycerinGerüst, einem Phosphorsäure-Teil und einem Cholin-Rest (organische Base). Lecithin gehört
zur Gruppe der Phospholipide und besitzt einen amphiphilen Charakter.
Zu finden ist es unter anderem in Eigelb wie auch im folgenden Versuch gezeigt.
Versuch 8: Emulgiervermögen von Lecithin
Chemikalien:
Eigelb
Öl
Wasser
Materialien:
Reagenzglas
Stopfen
Reagenzglasgestell
Durchführung:
In ein Reagenzglas werden gleiche Teile Öl und Wasser vorgelegt. Zu diesen zwei Phasen
wird ein Eigelb zugegeben und kräftig geschüttelt.
Auswertung:
Es kommt durch das Eigelb zu einer Mischung der beiden Phasen.
Die Fettsäuren bilden den hydrophoben Teil, der Cholin- und Phosphorsäure-Teil bilden den
hydrophilen Anteil. Es kommt zu einer Micellenbildung, hydrophile Reste lagern sich nach
innen, hydrophobe Reste richten sich nach außen aus.
18
(Nach einiger Zeit kommt es zur Trennung, da vermutlich nicht ausreichend Lecithin im
Eigelb vorhanden ist.)
H2O
Öl
V.
Verwendung von Fetten
Herstellung von Seife
Zur weiteren Verwendung von Fetten zählt die Herstellung von Seife. Ein TriglyceridMolekül reagiert mit Hydroxid-Ionen zu Glycerin und Alkalisalzen der Fettsäure.
Schmierseife erhält man bei Anwesenheit von Kaliumsalzen, Kernseife bei der Anwesenheit
von Natriumsalzen.
Versuch 9: Herstellung von Seife
Chemikalien:
Natronlauge (c = 8 mol/L) (160 g NaOH(s) in 500 mL Wasser lösen)
Gesättigte Kochsalzlösung (ca. 150 g NaCl in 500 mL Wasser bei 50-60°C lösen, nach
Abkühlen vom Bodensatz abgießen )
50 g Speisefett (z. B. Palmin)
Duftöl
Materialien:
Becherglas 400 mL
Becherglas 800 mL
Glasstab
Thermometer
Bunsenbrenner
Dreifuß mit Drahtnetz
(oder Magnetrührer mit Thermofühler)
Durchführung:
50 g des Speisefettes werden in einem Becherglas (400 mL) auf ca. 90°C erhitzt. Unter
ständigem Rühren (Glasstab oder Rührfisch) werden 25 mL der Natronlauge zugegeben. Es
wird bei etwa 90°C so lange erhitzt, bis eine zähe Emulsion entstanden ist (etwa 30 min).
Zum Aussalzen der Seife wird im Anschluss die rohe Seifenmasse im Becherglas mit 50 mL
heißem Wasser (90°C) versetzt. Unter Rühren wird erhitzt, bis sich die Seifenmasse ganz
19
aufgelöst hat (evtl. etwas mehr Wasser hinzufügen). Nun werden unter weiterem Rühren ca.
100 – 150 mL der gesättigten Kochsalzlösung zugesetzt. Es bilden sich zwei Phasen, die
obere Phase wird schnell fest (Seife). Zum vollständigen aussalzen lässt man über Nacht
stehen.
Im Becherglas hat sich auf der Flüssigkeitsoberfläche eine feste Seifenschicht gebildet, die
man einfach herausnehmen kann. Ist die Seife noch weich, drückt man sie in einem Tuch aus
und kann sie in eine Form pressen.
Um besonders reine Seife zu erhalten, die man auch zum Waschen verwenden kann, muss
man die Seife erneut aussalzen. Die Rohseife enthält noch zuviel Lauge. Dazu löst man die
Seife in der gerade nötigen Menge heißem Wasser, gibt gesättigte Kochsalzlösung (100 – 150
mL) hinzu und wartet, bis sich die Seife abscheidet. Ist die Seife gelöst, kann man sie
aromatisieren. Hierzu eigenen sich Duftöle, aber auch selbst hergestellte Ester.
Auswertung:
In alkalischer Lösung findet eine Verseifung des Esters statt, die Salze der Fettsäuren fallen
aus, sie stellen die sog. Seife dar.
Mechanismus:
R
O
Na+ OH-
O
R
OR´
OH
OR´
O
+ Na+
+ NaOR´
R
OH
O
R
OK
Na
+ HOR´
Es erfolgt ein nucleophiler Angriff auf das Carbonylkohlenstoff-Atom, daraufhin erfolgt eine
Eliminierung des Alkoholat-Ions, dabei wird gleichzeitig ein Säuremolekül gebildet, welches
im nächsten Schritt das Proton an das Alkoholat-Ion abgibt. Der Austausch des
nucleophileren Alkoholat-Ions durch das weniger nucleophile Hydroxid-Ion kann nur deshalb
erfolgen, da das Alkoholat-Ion durch Protonenaufnahme zum Alkohol-Molekül reagiert und
daher praktisch völlig aus dem Gleichgewicht entfernt wird.
20
VI. Besonderheiten
Vergiftetes Speiseöl in Spanien (1981)
Rapsöl wurde von fliegenden Händlern mit Anilin und Acetanilid vergällt. 300 Menschen
wurden getötet und insgesamt 20000 Personen wurden verletzt.
Es ist nicht genau bekannt, wieso es zu einer solchen Katastrophe kommen konnte,
Vermutungen werden aber in folgender Richtung geführt:
O
H2C
NH2
O O C17H33
200 °C
HC
O
H2C
O
O
+ 3
C17H33
Anilin
C17H33
O
CH2
CH
CH2
C17H33
+ 3
OH
OH
N
OH
H
Ölsäureanilid
Rapsöl besteht zu 60% aus Ölsäure, 20% Linolsäure und 10% Linolensäure.
Ungesättigte Triglyceride reagieren mit dem Vergällungsmittel Anilin unter Spaltung der
Triglyceride und Bildung der Fettsäureanilide.
Das französische Paradoxon
Korreliert der Fettverzehr mit den Herzerkrankungen?
USA
Europa
Frankreich
Fettverzehr
China
Herzerkrankungen
(sehr grobe Skizze!)
21
VII. Literaturverzeichnis
Zeitschriften
Chemie in der Schule (ChidS)
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Seite
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100-104
6-14
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Bücher
K.P.C. Vollhardt, N.E. Schore: Organische Chemie 3. Auflage,
Verlag: Wiley-VCH
Tausch/v. Wachtendonk: Chemie SII
Verlag: C.C. Buchner
Charles E. Mortimer: Das Basiswissen der Chemie 6. Auflage
Georg Thieme Verlag Stuttgart
Internet:
www.olivenoel-info.net
www.chemlin.de/chemie/experimente.htm
www.deutschesmargarineinstitut.de
23