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Philipps-Universität Marburg Fachbereich Chemie Wintersemester 2006/07 Seminar: Übungen im Experimentalvortrag Referentin: Anne Wehner Leitung: Prof. Dr. U. Koert, Prof. Dr. B. Neumüller, Dr. P. Reiß 14.05.07 Hinweis: Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule). Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht heruntergeladen werden, unter anderem hunderte von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende: http://online-media.uni-marburg.de/chemie/chids/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html Experimentalvortrag Chemie „Die schokoladigsten Versuche seit es Chemie gibt“ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/34/Chocolate02.jpg/180px-Chocolate02.jpg 1 Inhaltsverzeichnis 1. Die Geschichte des Kakaos – Wie alles begann... S.3 2. Der Kakaobaum S.5 3. Die Kakaosorten S.6 4. Herstellung von Kakaopulver und Schokolade S.8 Experiment 1: Nachweis mit Eisen(III)chlorid 5. Zusammensetzung von Schokolade S.11 6. Inhaltsstoffe von Schokolade S.12 6.1. Zucker Experiment 2: Zuckernachweis mit Tollensreagenz 6.2. Fette Demonstration 1: „Aromatisierte Schokolade Experiment 3: Fettnachweis durch Fettfleckprobe 6.3. Emulgatoren Experiment 4: Wirkungsweise eines Emulgators Demonstration 2: Fett-und Zuckerreif 6.4. Proteine und Aminosäuren Experiment 5: Biuret-Reaktion 6.5. Farbstoffe Experiment 6: Farbvertiefung mit Soda 7. Macht Schokolade high, süchtig und glücklich? S.28 Experiment 7: Brennwert von Schokolade 8. Schulbezug S.32 14. Literatur S.33 2 1. Die Geschichte des Kakaos - Wie alles begann... Wie begann die Geschichte des Kakaobaums? Einer Legende nach heißt es, dass der Gott des Windes und des Mondes, Quetzalcoati, Ameisen dazu beauftragt habe, den Tolteken Kakaobaumsamen zu schicken und ihnen die Zubereitung des Göttertrankes „Xocoatl“ zu lehren. „Xoatl“ bedeutet übersetzt „bitteres Wasser“. Zu Zeiten der Azteken wurden die Kakaobohnen zermahlen, geröstet, mit Wasser angereichert, schaumig gerührt und mit Vanille und Pfeffer gewürzt. Die Azteken mischten den Kakao also nicht mit Milch und Zucker, wie wir es heute tun. Früher war es nur den Priestern, Adeligen und Kriegern erlaubt das bittere Getränk zu sich zu nehmen. Es wurde aus speziellen Gefäßen getrunken, die später als Grabbeigaben genutzt wurden. Dies zeigte deutlich den hohen Stellenwert des Getränks und auch des Kakaos selbst. Bei den Maya und später den Azteken wurde die Kakaobohne sogar als Zahlungsmittel eingesetzt (Bsp.: Truthahn = 200 Kakaobohnen) und auch in Schatzkammern gelagert. Mit der Entdeckung Amerikas entdeckte Christoph Columbus auch den Kakao. Jedoch erkannte er noch nicht den eigentlichen Wert der Kakaobohne. Erst Jahre später als Hernan Cortez 1521 die Azteken besiegte, fingen die Spanier an die Bohnen auch als Zahlungsmittel einzusetzen und zusätzlich mit dem Getränk zu experimentieren. Sie mischten das Getränk mit verschiedenen Gewürzen, vor allem mit Rohrzucker. Dies brachte dann den Durchbruch. Einigen Berichten nach heißt es, dass Cortez, der das Getränk in Mengen trank, den Kakao nach Europa brachte. Im Jahre 1544 wurde zum ersten mal Kakao auf dem spanischen Hof getrunken. Schnell wurde der Kakao zu einem spanischen Nationalgetränk. Und bald darauf verbreitet sich der Kakao in ganz Europa, blieb aber ein Getränk des Adels und der Reichen. Zuerst kam er nach Portugal, dann nach Italien, wo er einige Veränderungen durchmachte. Die italienischen Adeligen gaben dem Getränk Duftstoffe wie Jasmin und Limonen- und Zitronenschalen dazu. 3 Im Jahre 1660 kam der Kakao durch die Heirat der spanischen Infantin Maria Theresa mit Ludwig XIV dann an den französischen Hof. Frankreich führte daraufhin ein Handelsmonopol für Kakao ein, das Getränk blieb aber auch hier zunächst unter den Adeligen. Um 1650 kam die Schokolade dann nach England. Hier machten auch kleine Händler Geschäfte mit den Kakaobohnen und somit konnte jeder, der reich genug war, die Bohnen erwerben. Rasch wurde in den Kaffeehäusern schließlich auch Kakao angeboten. In Deutschland verbreitete der Kakao sich erst später. Der Holländer Jan Jantz von Huesden brachte 1673 in Bremen die Schokolade erstmals öffentlich unter die Leute. Erst im 18./19. Jahrhundert betrieb man Handel mit größeren Mengen von Kakaobohnen in Bremen. Sie waren zunächst noch sehr teuer, sodass sich auch hier nur reiche Adelige Schokolade leisten konnten. Bald darauf wurde auch die anregende, kräftigende Wirkung des Kakaos entdeckt. So war er nicht mehr nur Nahrungsmittel, sondern wurde auch als Medizin eingesetzt. In Apotheken wurde Schokolade noch bis ins 19.Jh. als Aphrodisiakum oder „Kräftigungsmittel“ verkauft. Der damalige Kardinal von Lyon, Alphonse de Richelieu, nahm Schokolade sogar als Mittel gegen Melancholie ein. Zudem wurde Kakao bei der Behandlung von Fieber eingesetzt, da er „kalt und feucht“ war und es nach der mitteralterlichen Ansicht heißt, dass alle Stoffe, wozu auch Lebensmittel gehören, gewisse Eigenschaften besitzen, die sie bei entgegen gesetzten Krankheiten heilend wirken lassen. Oft wurden dem Kakao auch Gewürze zugegeben, die bei der Linderung von Magenschmerzen und Koliken helfen sollten. Da das Kakaogetränk auch noch gut schmeckte, war es als Medikament unter den europäischen Adeligen sehr beliebt. Man war sogar der Meinung, dass es auch „gebrochene Herzen“ heilen könnte. Durch Experimentieren und einigen technischen Neuerungen wurde im 19.Jh. dann erstmals feste Schokolade hergestellt. Zu den ältesten Schokoladenfabriken in Deutschland zählen die im Jahre 1804 von F.A. Miethe gegründeten Halloren 4 Schokoladenfabrik in Halle an der Saale und die in 1823 gegründete Schokoladenfabrik Jordan und Timaeus in Dresden. In der Schweiz galt die in 1819 von Francois-Louis Cailler gegründete Schokoladenfabrik in Vevey als älteste, gefolgt von den schweizer Firmen Philippe Suchard (1824), Lindt und Jean Tobler (1830;Toblerone). Conrad Van Houten entwickelte m Jahre 1828 eine Presse, die die Trennung von Kakaomasse in Kakaobutter und Kakaopulver möglich machte. Das Kakaopulver löste sich nach einer speziellen Bearbeitung – dem Alkalisieren – besser in Wasser und Milch und wurde deshalb ab diesem Zeitpunkt als Trinkschokolade eingesetzt. 1847 wurde die erste richtige Essschokoldae von der englischen Firma „J.S. Fry& Sons“ produziert. 1850 gab man dieser noch Kakaobutter hinzu, um sie zusätzlich zu verfeinern und den Geschmack zu verbessern. 1875 fügte der Schweizer Daniel Peter der Schokolade Milchpulver von Nestlé hinzu. Somit kam zum ersten Mal die beliebte Milchschokolade auf den Markt. Im weiteren Verlauf erfand man langsam aber sicher spezielle Walzen, die zur Verfeinerung der Schokolade dienten. Zudem entwickelte Rudolphe Lindt im Jahre 1879 das Verfahren des Conchierens, wodurch die Schokolade immer feiner, schmelzender und kostbarer wurde. Aber nicht nur das! Das Verfahren eröffnete den Herstellern neue Wege. Durch die Verfeinerung konnte die Schokolade nun auch als Fondantschokolade, für Pralinefüllungen, als Überzug oder für die Produktion von Schokoladenfiguren genutzt werden. Die Schokolade wurde in Chocolaterien, die sich früher direkt am Produktionsort befanden, verkauft. Heute kann man Schokolade in jedem Supermarkt kaufen. Sucht man jedoch besondere Schokolade sucht man am besten in den Café-Chocolaterien in den Städten. Schokolade wude auch zum Spiegelbild der wirtschaftlichen und politischen Situation in Europa. Herrschte Krieg, stieg der Wert der Schokolade, da es nicht mehr möglich war die exotischen Zutaten wie Kakao und Zucker zu importieren. 2. Der Kakaobaum Der Kakaobaum gehört zu den ältesten Kulturpflanzen der Welt. Er stammt ursprünglich aus Mexiko. Wissenschaftlich wird er als Theobroma Cacao L bezeichnet, was sich mit „Speise der Götter“ übersetzen lässt. Der schwedische 5 Wissenschaftler Linné nahm zu seiner Zeit eine Einteilung der Pflanzen vor und gab dem Baum diesen Namen. Der Kakaobaum ist ein Malvengewächs (Familie Malvaceae) und kann eine Größe von 10 bis 15 Meter erreichen. Es existieren aber auch Hybridbäume (Kreuzungen), die auf Plantagen enger gepflanzt werden und circa 2,5 bis drei Meter hoch werden. Nach drei Jahren hat der Kakaobaum eine Größe von 1 bis 1,5 Metern und trägt die ersten Früchte. Erst nach 12 bis 18 Jahren produzieren sie das Maximum an Früchten. Heute werden die Kakaopflanzen nach etwa 20 Jahren gewechselt, theoretisch könnten sie jedoch noch mit 100 Jahren Früchte tragen. Um gut gedeihen zu können benötigt der Kakaobaum einen schweren Boden, gleichmäßige Wärme und eine hohe Boden- und Luftfeuchtigkeit, was man hauptsächlich in den Ländern rund um den Äquator findet. Dort ist es das ganze Jahr über etwa 25°C warm und es regnet sehr viel (ca. 1.800 Millimeter Niederschlag pro Jahr). Der Kakaobaum besitzt große, einfach geformte Blätter. Sie erneuern sich etwa drei bis vier Mal im Jahr. Zudem wachsen am Baum weiß-rötliche Blüten, die das ganze Jahr über blühen und immer wieder neue Früchte hervorbringen. Sie verteilen sich über den ganzen Baum und sitzen selbst am 20 cm dicken Stamm. Dieses Phänomen nennt man Stammblütigkeit oder auch Kauliflorie. Die Blüten werden entweder künstlich befruchtet, was auf vielen Plantagen der Fall ist oder sie werden durch Insekten wie z.B. Mücken bestäubt. Auch die 15 cm bis 25 cm langen und 7 cm bis 10 cm dicken Früchte sitzen am Stamm oder an den Ästen. Im Anfangsstadium sind die ovalgeformten Früchte grün, sie nehmen jedoch nach einiger Zeit eine gelbe bis rotbraune Farbe an. Pro Jahr wachsen etwa 20 bis 30 Früchte am Baum. Im Innern einer Kakaofrucht befinden sich 25 bis 50 weiße bohnenförmige, 2cm lange ind 1 cm breite Samen, die nach der Reife zum Rohkakao verarbeitet werden. Diese Samen enthalten etwa 45 bis 60 Prozent Fett, 14 bis 18 Prozent Eiweiß, sechs bis zehn Prozent Stärke, ein bis drei Prozent Theobromin und eine geringe Menge an Coffein. 3. Die Kakaosorten Man unterscheidet grundsätzlich zwischen vier verschiedenen Kakaosorten, die alle unterschiedliche Charakteren aufweisen: 6 1. Criollo 2. Nacional 3. Forastero 4. Trinitario Criollo Criollo komt ursprünglich aus Südamerika, hier hauptsächlich aus Venezuela. Es gibt zudem auch noch kleinere Vorkommen auf Java und Madagaskar. Criollo ist ein sehr seltener und kostbarer Kakao. Er benötigt besondere Bodenverhältnisse und auch perfekte klimatische Bedingen. Criollo ist also sehr empfindlich und pflegeintensiv. Heute baut man ihn aber trotz diesem Nachteil noch an – wenn auch nur in geringem Anteil. Denn Criollo ist sehr aromatisch und besitzt viele kleine Nebenaromen. Man nennt ihn deshalb auch Würzkakao. In den meisten Fällen wird Criollo heute auf den Plantagen auch mit Forastero gekreuzt, damit er nicht mehr so anfällg für Krankheiten ist. Nacional Der Nacional ähnelt dem Criollo sehr. Er besitzt ein kräftiges Aroma mit blumiger Note. Nacional kommt ausschließlich aus Ecuador. Die heutigen Anbaugebiete liegen in Los Rios, Esmeraldas und Guayas. Nur ein sehr geringer Teil des aus Ecuador kommenden Kakaos ist von der Sorte Nacional-Arriba, die hocharomatisch ist. Forastero Forastero ist der Konsumkakao. Er macht mit 90% den größten Anteil der Weltproduktion aus. Forastero wird hauptsächlich in Brasilien, an der Elfenbeinküste, in Ghana und in Indonesien angebaut. Nur wenige Sorten von Forastero haben einen eigenen Charakter und anenehme Nebenaromen. Forastero ist viel wiederstandsfähiger als die Sorte Criollo und besitzt harte, runde, melonenähnliche Schalen. Ihre Samen haben rötliche Samenlappen. Zudem produziert Forastero mehr Früchte. 7 Trinitaro Trinitaro ist ein sehr seltener Kakao. Er wird aus einer Kreuzung von Criollo und Forastero gewonnen. Ab 1725 wurde der zuvor reine Criollobestand auf der Insel Trinidad durch Krankheiten fast ausgerottet. Danach wurden die Pflanzungen mit der Sorte Forastero wieder aufgeforstet, wodurch eine Kreuzung entstand. Diese neue robuste, ausdrucksvolle und sehr aromatische Sorte wurde dann nach der Insel Trinitaro benannt. Trotz der guten Eigenschaften ist der Anteil an der Weltproduktion eher gering. Heute nutzt man diese Kreuzungen oft dazu, um die Sorte Criollo robuster und die Sorte Forastero aromatischer zu machen. 4. Verarbeitung der Kakaofrucht Zunächst einmal werden die Kakaofrüchte von den Bäumen geerntet, mit Macheten geöffnet und das Fruchtfleisch sowie die Kakaobohnen aus der Schale entfernt. Danach erfolgt die Fermentation. Hierzu werden die Bohnen und das Fruchtfleisch auf Bananenblättern oder in Holzkisten ausgebreitet und bedeckt. Durch die entstehenden hohen Temperaturen (45-50°C) laufen verschiedene biologische und chemische Reaktionen ab. In einem ersten Schritt verflüssigt sich das Fruchtfleisch und verdampft. Das Fruchtfleisch wird somit von den Bohnen getrennt. Damit die spätere Schokolade ihren gewünschten Geschmack hat, ist es notwendig, dass die Bohnen kurz aufkeimen. Jedoch wird die Keimfähigkeit wieder abgetötet, um die Samen lagerfähig zu machen. Zudem geht mit dem Absterben der Bohnen auch ein Teil des bitteren Geschmacks verloren und es werden Vorstufen der späteren Aromastoffe gebildet. Während der Fermentation kommt es zur Braunfärbung der bisher weißlich-gelben Bohnen. Nach der Fermentation werden die bis zu 60 % Wasser enthaltenden Kakaobohnen in der Sonne etwa zwei bis drei Wochen getrocknet, wobei die Bohnen etwa die Hälfte ihres Gewichts verlieren und der Wassergehalt auf ca. 7% reduziert wird. Somit sind die Bohnen deutlich länger haltbar. Zudem entwickeln sich auch hier die Aromastoffe weiter. Nun werden die Kakaobohnen zur Weiterverarbeitung nach Europa verschifft, wo sie gereinigt und thermisch vorbehandelt werden, um die Anzahl der Bakterien zu reduzieren. 8 Schließlich werden die Kakaobohnen bei etwa 100 – 140°C geröstet, wobei die genauen Temperaturen von der Kakaosorte und deren Qualität abhängen. Die Röstzeit variiert je nach Kakaobohne und Temperatur zwischen 15 Minuten und einer Stunde. Während des Röstens wird der Kakaobohne weiter Feuchtigkeit entzogen und ihr Aroma vollständig erschlossen (bis zu 400 Aromastoffe). Experiment 1: Nachweis mit Eisen(III)chlorid Chemikalien: Substanz Gefahrenzeichen R-Sätze S-Sätze FeCl3-Lösung Xn 22-38-41 26-39 Backkakao - - - ention. Wasser - - - (w = 10 %) Geräte: Brenner, Dreifuß, Drahtnetz, Erlenmeyerkolben (250 mL), Gummistopfen, Pasteurpipette, Becherglas (250 mL), Faltenfilter, Glastrichter, Saughilfe, 2 Reagenzgläser, Reagenzglasständer Durchführung: 10 g Kakaopulver werden in einen Erlenmeyerkolben gegeben, mit ca. 100 mL heißem entionisierten Wasser versetzt und aufgelöst. Man filtriert die Suspension und lässt sie abkühlen. Danach füllt man 20 mL der Lösung in ein Demonstrationsreagenzglas und versetzt sie mit ein paar Milliliter Eisen(III)chlorid-Lösung. Das selbe führt man mit einer Blindprobe aus entionisiertem Wasser durch. Auswertung: Im Kakao sind Gerb- und Farbstoffe enthalten, die zur Klasse der Phenolischen Stoffe gehören. Phenolische Stoffe reagieren mit Eisen(III)-Ionen zu farbigen Chelatkomplexen. Man kann dies zum Beispiel auch bei der Herstellung von Eisengallustinte nutzen. 9 O O Fe Fe3+ HO O O O O OH OH HO OH OH Nachdem die Kakaobohnen geröstet wurden, zerkleinert man sie mit Hilfe von Walzen und entfernt die Schalenteile. Man spricht auch vom sogenannten „Kakaobruch“, der schließlich in speziellen Druckreaktionen veredelt wird, wodurch das spätere Conchieren verkürzt, der Geschmack der Schokolade durch Entfernung unerwünschter Geschmacks- und Geruchsstoffe entfernt werden kann. Zudem werden Schimmel- und Hefepilze sowie Mikroorganismen größtenteils abgetötet. Hierbei wird eine Alkalilösung hinzugegeben, wenn man Kakaopulver und eine Lösung aus Zucker, Malz und Salz, wenn man Schokolade herstellen möchte. Zum Schluss wird der Kakaobruch zermahlen, wodurch der Kakaobruch zur flüssigen Kakaomasse wird. Je nachdem, ob man Kakaopulver oder Schokolade herstellen möchte, trennen sich nun die Verarbeitungswege. Betrachten wir einmal die Prozesse zur Herstellung von Kakaopulver etwas näher. Hier ist das Alkalisieren, oder auch „Dutching“ genannt, sehr wichtig. Dabei werden dem Pulver Alkalisalze wie Pottasche oder Natriumcarbonat zugesetzt, damit sich das Fett leichter aus der Kakaomasse trennen lässt. Zudem kann durch das Alkalisieren aber auch der Geschmack und die Farbe des Kakaopulvers verändert werden. Die Alkalisalze könne auch bereits dem Kakaobruch zugefügt werden. Nach dem Alkalisieren wird die Kakaomasse gepresst. Zuvor erhitzt man sie auf ca. 80 – 90°C. Durch den großen Druck der Presse fließt die goldgelbe, klare Kakaobutter heraus, wodurch der Fettgehalt des übriggebliebenen Kakaopresskuchen von 52% auf 10 –20% verringert wird, um Pulver herstellen zu können. Die Kakaobutter kann man für die Herstellung von Schokolade oder von Kosmetikprodukten verwenden. Im nächsten Schritt wird das Kakaopulver durch Instantisieren besser löslich gemacht, indem der Kakaokuchen in einer Dampfphase oder einem wässrigen 10 Aerosolnebel oberflächlich benetzt wird und dadurch verklebt. So lässt sich das spätere Getränkepulver auch in kalter Milch gut mischen, bildet keine Klumpen und setzt sich nicht am Boden ab. Schließlich wird der Presskuchen noch zu feinem Kakaopulver zermahlen und kann nun als Ausgangsmittel für verschiedene Produkte wie Eis, Gebäck, Pudding, Schokogetränke, Soßen etc. dienen. Betrachten wir nun die Prozesse bei der Schokoladenherstellung etwas näher. Zunächst wird die Kakaomasse je nach Rezept mit Kakaobutter, Zucker, Milchpulver und anderen Zutaten etwa 30 Minuten lang vermischt. Es entsteht eine feste, feinkörnige Schokoladenmasse, die nun in einem Raffineur feingewalzt wird. Danach wird die Schokomasse durch das Conchieren noch weiter verfeinert. Dabei wird die Schokolade in der Conche mehrere Stunden lang umgerührt und auf bis zu 90 °C erwärmt, wodurch eine zarte, flüssige Masse entsteht. Das Conchieren hat aber noch weitere Vorteile: zum einen wird die Feuchtigkeit durch Sauerstoff und Wärme verringert und zum anderen werden unerwünschte Geschmacks- und Geruchsstoffe entfernt. Dazu gehören zum Beispiel Aceton, Ethanol und Essigsäure. Das Conchieren wurde besonders durch die Firma Lindt & Sprüngli geprägt, die 1972 die Veredelungsprozesse verbesserte. Nach dem Conchieren wird die Schokolade mit Fettkristallen geimpft, um die Bildung von Fett- und Zuckerreif durch Auskristallisieren der Kakaobutter zu verhindern, und auf etwa 28°C abgekühlt. Schließlich wird die Schokolade in Tafelformen gegossen, damit sie nach dem Abkühlen die gewünschte Form erreicht und verpackt werden kann. 5. Zusammensetzung von Schokolade Halbbitter („Zartbitter“) 48% Kakaomasse 4% Kakaobutter 46% Zucker 11 Weiße 28% Kakaobutter 26 %Milchpulver 46% Zucker Vollmilch 12% Kakaomasse 18% Kakaobutter 22% Milchpulver 46% Zucker 6. Inhaltsstoffe der Schokolade 6.1. Zucker Experiment 2 : Zuckernachweis mit Tollens-Reagenz Chemikalien: Substanz Gefahrenzeichen R-Sätze S-Sätze AgNO3(aq) C, N 34-50/53 26-45-60-61 C 35 26-36/37/39-45 Ammoniak (konz.) C, N 34-50 26-36/37/39-45-61 Kakao mit - - - - - - Glucose (C6H12O6) - - - ention. Wasser - - - (w = 10 %) NaOH(aq) (w = 10 %) Zuckerzusatz (Schovit) Backkakao ohne Zuckerzusatz 12 Geräte: Glasflasche mit Stopfen (braun, 100 mL), Glasstab, Messzylinder (50 mL), Pasteurpipette, Saughilfe, 3 Bechergläser (100 mL), Spatel, 3 Reagenzgläser (sauber, fettfrei), 3 Gummistopfen, Reagenzglasständer, Reagenzglashalter, Becherglas (250 mL), heizbarer Magnetrührer Durchführung: Zunächst wird das Tollens-Reagenz hergestellt. Man mischt je 50 mL Silbernitratlösung und Natronlauge in einer Flasche. Es bildet sich ein SilberoxidNiederschlag. Danach wird solange konzentrierter Ammoniak hinzugegeben, bis sich der Silberoxid-Niederschlag wieder gelöst hat. Nun stellt man in 100-mL-Bechergläsern eine Trinkkakao-, Backkakao- und Glucoselösung her und fült die Lösungen in Reagenzgläser (ca. bis zur Hälfte). Danach gibt man Tollensreagenz hinzu (bis zu ¾ voll) und verschließt die Reagenzgläser mit Gummistopfen. Die Reagenzgläser mit den Lösungen werden nun in einem vorgeheizten, ca. 80° C warmen Wasserbad (250-mL-Becherglas, heizbarer Magnetrührer) erwärmt. Beobachtungen: Bei der Herstellung des Tollensreagenz lässt sich beobachten, dass sich beim Mischen der Silbernitratlösung und der Natronlauge ein brauner Niederschlag ausfällt. Dieser löst sich bei Zugabe von Ammoniak wieder. Lässt man die Reagenzgläser einige Minuten im vorgeheizten Wasserbad stehen, beobachtet man, dass sich in den Reagenzgläsern mit dem Trinkkakao (mit Zucker) und der Glucose ein Silberspiegel an der Innenwand bildet, wohingegen bei dem Reagenzglas mit Backkakao (ohne Zucker) gar nichts passiert. Auswertung: Herstellung Tollensreagenz: Silbernitrat dissoziiert nahezu vollständig in wässriger Lösung. Dabei bilden sich Silber- und Nitrationen: AgNO3(aq) Ag+(aq) + NO3-(aq) 13 Die Silberionen reagieren mit den Hydroxidionen der Natronlauge zu schwerlöslichem Silberoxid, das ausfällt: 2 Ag+(aq) + OH-(aq) Ag2O(s) + H2O(l) Gibt man konzentrierten Ammoniak hinzu, löst sich der Niederschlag wieder. Es bildet sich ein Diaminsilber(I)-Komplexe: Ag2O(s) + 4 NH3 + H2O 2 [Ag(NH3)2]+(aq) + 2 OH-(aq) Tollens-Reagenz ist ein Nachweismittel für reduzierende Substanzen. Dabei werden die Silber(I)-Ionen zu elementaren Silber reduziert. Das Silber setzt sich als Spiegel an der Reagenzglasinnenwand ab. +1 Reduktion: 0 [Ag(NH3)2]+(aq) + e- Ag(s)+ 2 NH3(aq) Tollens-Reagenz oxidiert reduzierende Zucker. Dies sind Zucker mit einer freien Aldehyd- oder Ketofunktion. In der Schokolade ist vor allem Glucose enthalten, die zur Gluconsäure oxidiert wird. H +1 O HO +3 C C H Oxidation: HO OH HO H H OH H OH H + 3 H2O - 2 H3O+ CH 2OH D-Glucose O OH H H OH H OH + 2 e- CH 2OH D-Gluconsäure Hier noch einmal die gesamte Redoxreaktion: 14 +1 Redox: +1 2 [Ag(NH3)2]+(aq) + C5H11O6CHO(aq) + H2O 0 +3 2 Ag(s) + C5H11O6CHOOH(aq) +2 NH3(aq) + 2 NH4+(aq) In der Trinkschokolade ist zusätzlich auch Saccharose enthalten. Saccharose ist ein Disaccharid, das aus den Monomeren Glucose und Fructose zusammengesetzt ist. Die Monomere sind über die reduzierende OH-Gruppe acetalartig verknüpft, sodass dieser Zucker nicht reduzierend wirkt. Dem Backkakao ist kein Zucker zugesetzt. Somit kommt es auch zu keiner Nachweisreaktion mit Tollens-Reagenz. 6.2 Fett Demonstration 1: „Aromatisierte Schokolade“ Chemikalien: Substanz Gefahrenzeichen R-Sätze S-Sätze Schokolade - - - Knoblauch - - - Zimt - - - Nelke - - - Curry - - - Geräte: drei oder mehr verschließbare Glasgefäße Durchführung: Man gibt je ein Stückchen Schokolade in verschiedene Gefäße. Zusätzlich wird in die Gefäße je ein Aroma gebracht (z.B. Knoblauch, Zimt, Nelke, Curry). Danach verschließt man die Gefäße und stellt sie etwa für eine Woche in den Kühlschrank. So verhindert man, dass die Schokolade schmilzt und zudem kann sich der Duft an die Schokolade (an das Fett) besser binden. Danach werden die 15 Schokoladenstückchen ohne Aroma neue Glasgefäße getan, die auf der Unterseite mit dem jeweiligen Aroma beschriftet wurden. Nun kann man mit den Schülern ein Geruchsquiz durchführen. Sie sollen raten, nach was die Schokolade riecht. Auswertung: In der Schokolade ist Fett enthalten, das gut Geruchsstoffe binden kann. Man könnte somit auch von einem indirekten Fettnachweis sprechen. Doch warum bindet Fett Aromastoffe? Die Antwort liegt darin, dass die meisten Aroma- und Geschmacksstoffe fettlöslich (lipophil) sind. Und wir kennen ja alle den bekannten Spruch: „Gleiches löst sich in Gleichem“. Im Alltag macht sich dies oft bemerkbar, wenn man Produkte wie zum Beispiel Butter im Kühlschrank offen liegen lässt. Nach einiger Zeit nehmen sie den Geschmack von anderen starkriechenden Produkten annehmen. Zudem ist es oft so, dass beispielsweise „Diätschokolade“ nicht so gut schmeckt wie normale Schokolade. Dies liegt einfach daran, dass durch den verringerten Anteil des Fettes auch ein Großteil des Geschmacks verschwindet. Experiment 3: Fettnachweis durch Fettfleckprobe Chemikalien: Substanz Gefahrenzeichen R-Sätze S-Sätze Kakaobohne - - - Geräte: Filterpapier, Mörser, Pistill, Petrischale Durchführung: Man zermörsert eine Kakaobohne auf einem Filterpapier, das in einen Mörser gelegt wurde. Das Filterpapier wird danach gegen das Licht gehalten und herumgereicht. Beobachtungen: Auf dem Filterpapier sieht man deutlich Fettflecke. Besonders gut sind sie zu erkennen, wenn man das Filterpapier gegen das Licht hält. Auswertung: 16 Diese indirekte Fettfleckprobe weist darauf hin, dass eine Kakaobohne viel Fett enthält. Sie setzt sich sogar zu über 50 % aus Kakaobutter zusammen. Kakaobutter enthält hauptsächlich Triglyceride (97% „Fett“ = Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerol mit Fettsäuren). Zudem sind noch freie Fettsäuren (0,5-2 %), unverseifbare Stoffe (0,2-0,5 %), Wasser (0,01-0,03 %), Asche (0,006-0,02 %) und Purine (0,005-0,03 %) enthalten. Am häufigsten findet man in der Kakaobutter die ungesättigten Fettsäuren Öl- (32 %) und Linolsäure (2 %) sowie die gesättigten Fettsäuren Stearin- (31 %) und Palmitinsäure (24 %), die die folgende Struktur aufweisen: Linolsäure: Abb. Linolsäure: http://de.wikipedia.org/wiki/Linols%C3%A4ure Ölsäure: Abb. Ölsäure: http://de.wikipedia.org/wiki/%C3%96ls%C3%A4ure Stearinsäure: Abb. Stearinsäure: http://de.wikipedia.org/wiki/Stearins%C3%A4ure Palmitinsäure: Abb. Palmitinsäure: http://de.wikipedia.org/wiki/Palmitins%C3%A4ure 17 6.3 Emulgatoren Emulgatoren sind grenzflächenaktive Stoffe und besitzen eine polare, wasserlösliche (hydrophile) und eine unpolare, fettlösliche (lipophile) Seite. Sie sorgen für ein Absinken der Grenzflächenspannung (Oberflächenspannung) und bewirken damit die Stabilisierung von Emulsionen. Eine Emulsion setzt sich aus mehreren ineinander verteilten Bestandteilen zusammen. Diese Bestandteile sind einzeln im reinen Zustand flüssig. Emulsionen bilden sich, wenn sich eine (oder mehrere) Flüssigkeit in einer anderen Flüssigkeit, in der sie sich nicht löst, fein verteilt. Dabei werden Tröpfchen gebildet. Sie besitzen einen Durchmesser zwischen etwa 10 Nanometer und 0,1 Millimeter liegt. Am häufigsten handelt es sich bei den nicht mischbaren Komponenten um wässrige Lösungen und Öle. Man unterscheidet zwischen Öl-in-Wasser-Emulsion (O/W-Emulsion) und Wasserin-Öl-Emulsion (W/O-Emulsion). Eine O/W-Emulsion setzt sich aus Öltröpfchen, die im Wasser verteilt sind, zusammen. Im umgekehrten Fall spricht man von einer W/O-Emulsion. Im Alltag trifft man auch des öfteren auf Emulsionen. Beispielsweise ist die Milch eine O/W-Emulsion. Butter dagegen ist eine W/O-Emulsion. Emulsionen werden dadurch erzeugt, dass man mit mechanischer Energie (Rühren, Schlagen, Ultraschall etc.) auf die Flüssigkeiten einwirkt. Dies kennen wir zum Beispiel von der Butterherstellung. Dabei kommen jedoch häufig sehr instabile flüssig/flüssig-Systeme zustande, da die kleinen Tröpfchen sich zu größeren zusammenzulagern möchten. Um die Emulsionen zu stabilisieren, fügt man deswegen Emulgatoren wie z. B. Lecithin zu. Experiment 4: Wirkungsweise eines Emulgators Chemikalien: Substanz Gefahrenzeichen R-Sätze S-Sätze Speiseöl - - - Paprikapulver - - - der - - - - - - Lecithin (aus Apotheke) Wasser 18 Geräte: Filterpapier, Trichter, Becherglas (250 mL), Glasstab, 2 Demonstrations- reagenzgläser, 2 Stopfen, Demonstrationsreagenzglasständer, Löffel Durchführung: Zunächst wird das Speiseöl in einem Becherglas mit Paprikapulver angefärbt und filtriert, um die Schwebstoffe zu entfernen. Danach gibt man etwas von dem Öl in zwei Reagenzgläser. Beide werden nun mit Wasser befüllt (auf ca ¾). Zum Schluss wird in eines der Reagenzgläser ca. 1 Löffel Lecithin gegeben, die Reagenzgläser werden mit Stopfen verschlossen und gut geschüttelt. Beobachtungen: In dem Reagenzglas ohne Lecithin bilden sich zwei Phasen aus, während sich in dem Reagenzglas mit Lecithin die beiden Phasen Öl und Wasser vermischen. Auswertung: Das Wasser bildet die untere Phase und Öl die obere Phase, da letztere eine geringere Dichte als Wasser besitzt und oben schwimmt. Es gibt Stoffe die fettliebend (lipophil) sind und sich somit in Fetten lösen können. Im Gegensatz dazu existieren wasserliebende (hydrophile) Stoffe, die sich in Wasser lösen können. Aufgrund dieser Eigenschaft bilden sich bei dem Versuch im Reagenzglas ohne Lecithin zwei Phasen aus. Es gibt jedoch die Möglichkeit, die Stoffe mischbar zu machen, indem man einen Emulgator (in unserem Fall Lecithin) hinzugibt. 19 Ein Emulgator dient als „Vermittlungsstoff“ zwischen Wasser und Fett, da er einerseits einen fettliebenden (lipophilen) Teil, andererseits ein wasserliebendes Ende besitzt. Die Flüssigkeit muss jedoch gut geschüttelt oder gerührt werden, da der Emulgator nur an Grenzflächen aktiv sein kann. So können sich möglichst viele Teilchen vermischen. Der Emulgator Lecithin dient mit seiner fettliebenden Eigenschaft (lipophile Fettsäureketten) und seiner wasserliebeden Eigenschaft (hydrophile Phosphorsäureester-Gruppen) als Vermittlungsstoff zwischen Wasser und Fett bei der Schokoladenherstellung. Struktur des Lecithin: Sobald man Lecithin zum Kakao gibt, werden Zucker und Kakao von einer fettliebenden (lipophilen) Schicht umschlossen. Sie können sich somit gleichmäßig in der Kakaobutter verteilen. Es entsteht eine Emulsion, eine sich bildende Masse, die nun besser in ihre Form gegossen werden kann. Wenn der Emulgator zum Beispiel durch Hitze zerstört wird, bilden sich schnell Zucker- und Fettkristalle aus. Man bezeichnet dies auch als „Zucker- bzw. Fettreif“. Hierzu eine Demonstration: Demonstration 2: Fett-und Zuckerreif Chemikalien: Substanz Gefahrenzeichen R-Sätze S-Sätze 50g Schokolade - - - Wasser - - 20 Geräte: Möglichst hitzebeständiges Glasgefäß (z.B. einen 250 ml Rundkolben), Herdplatte, Topf für Wasserbad, Holzzange oder Handtuch Durchführung: Man gibt etwa 50 g Schokolade in en Glasgefäß und erhitzt anschließend im Wasserbad bei ca. 60°C solange, bis die Schokolade geschmolzen ist. Die flüssige Schokolade wird daraufhin im Gefäß hin- und hergeschwenkt, um sie gleichmäßig zu verteilen. Danach wird das Gefäß in den Kühlschrank gestellt, damit der Vorgang schneller vonstatten geht. Beobachtung: Zunächst ist die Oberfläche der Schokoladenmasse einheitlich braun, jedoch bilden sich nach einiger Zeit Kristalle aus. Sie breiten sich über das gesamte Gefäß hin aus. Man spricht hierbei auch von Kristallisation. Sobald die Kristallisation einmal angestoßen ist, lässt sie sich nicht mehr rückgängig machen. Erklärung Fettreif: Bei den dunklen Flecken handelt es sich um herausgelöste Zuckerkristalle (Zuckerreif) und bei den hellen Flecken um sich bildende Fettkristalle (Fettreif). Der Fettreif bildet sich, da der Emulgator (Lecithin) nicht hitzestabil ist. Sobald man Schokolade also erwärmt oder in die Sonne legt, wird der Emulgator teilweise zerstört und das Fett fällt aus. Erklärung Zuckerreif: Ähnliches gilt auch für den Zucker. DerZucker ist hydrophil und löst sich also besser in Wasser als in Fett. Durch das Kondenswasser im Kühlschrank werden geringe Mengen Zucker herausgelöst und lagern sich als Kristalle auf der Oberfläche ab. 21 Zur Verhinderung des Fettreifs in der Schokoladenindustrie impft man die Masse vor dem Erkalten mit Musterkristallen. Beim Abkühlen bindet das Fett dann an diese vorgegebenen Strukturen an und kristallisiert in gewünschter Form aus. 6.4 Proteine und Aminosäuren Experiment 5: Biuret-Reaktion Chemikalien: Substanz Gefahrenzeichen R-Sätze S-Sätze Schokoladenlösung - - - Dest. Wasser - - - Natronlauge (1M) Kupfersulfatlösung Geräte: Reagenzgläser, Reagenzglasständer Durchführung: Es werden ca. 10g Schokoladenraspeln in einen Erlenmeyerkolben gefüllt und mit ca. 100 ml heißem entionisierten Wasser versetzt und aufgelöst. Die Suspension wird filtriert. 20ml der erkalteten Lösung werden in ein Demonstrationsreagenzglas gegeben und mit ein paar ml Kupfersulfatlösung versetzt. Danach werden einige Tropfen Natronlauge hinzugegeben. Das gleiche geschieht mit einer Blindprobe aus Wasser. Beobachtung: Die Blindprobe ist leicht hellblau gefärbt, während die Schokoladenlösung eine dunkelblaue bis violette Farbe erhält. Auswertng: Die Peptide und Proteine (langkettige Ppolypeptide) in der Schokoladenlösung reagieren mit Cu2+ im alkalischen Medium unter Bildung eines blauvioletten Komplexes. Das Peptid muss mindestens drei Peptidbindungen besitzen. 22 Die Aminosäuren in der Schokoladenlösung bilden mit Cu 2+-Ionen einen dunkelblauen Komplex . Das Experiment zeigt deutlich, dass in Schokolade freie Aminosäuren enthalten sind. Diese befinden sich in den Kakaobohnen. Dabei enthalten fermentierte Kerne mit etwa 12,3 % mehr Aminosäuren als unfermentierte Kerne (ca. 2,5%). Zu den freien Aminosäuren zählen Tyrosin, Iso-Leucin, Threonin, Agrinin, Asparaginsäure, Cystein, -Aminobuttersäure, Lysin, Methionin, Phenylanalin, Leucin, Glutaminsäure und Histidin. Tyrosin Abb. Quellen: Iso-Leucin Threonin http://de.wikipedia.org/wiki/Tyrosin http://de.wikipedia.org/wiki/Isoleucin http://de.wikipedia.org/wiki/Threonin 23 In der Schokolade befinden sich ebenfalls Proteine (Eiweiße). Bisher wurden Prolamin, Globulin, Glutein, und Albumin nachgewiesen. Allerdings sind sie nicht so gut löslich, was bedeutet, dass sie schwer zu identifizeren sind. Deshalb kann man ihren Anteil an der fettfreien Trockenmasse fermentierter Kakaokerne nur schätzen (ca. 20 – 24 %). 6.5 Farbstoffe Die Kakaobohne enthält auch Farbstoffe. Zu diesen gehören beispielsweise die Anthocyane. Anthocyane sind wasserlösliche Pflanzenfarbstoffe und kommen in nahezu allen höheren Pflanzen vor. In der Kakaobohne sorgen sie für eine rötliche Färbung. Anthocyane lassen sich noch mal unterteilen in die zuckerfreien Anthocyanidine (Aglycone) und die Anthocyane (Glycoside). Beide Stoffgruppen gehören zu den Flavonähnlichen Stoffen, den Flavonoiden, die wiederum eine Klasse der Polyphenole darstellt. Wichtige Gruppen der Flavonoide sind Flavanone, Flavone, Flavonole, Flavanole, Anthocyanidine und Isoflavone: 24 Abb.: http://www.bfel.de/nn_784008/SharedDocs/Publikationen/ka__pflanzenstoffe/ Flavonoide,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/Flavonoide.pdf Auch Gerbstoffe kommen in der Kakaobohne vor. Sie lassen sich teilweise von den Catechinen (Flavan-3-ole) ableiten. Catechine sind kleine, fettlösliche Substanzen und gehören ebenfalls zur Gruppe der Flavonoide. Sie kommen in fast allen Pflanzen vor, so auch in den fetthaltigen Samen von Kakaobohnen. In Kakao findet man u.a. die zwei Diastereomere Catechin und Epicatechin: (+)-Catechin (-)-Epicatechin Abb.: http://www.axxora.com/files/formula/lkt-c0277.gif http://www.axxora.com/files/formula/lkt-e6231.gif Die potenten sekundären Pflanzenstoffe finden sich im Kakaoanteil, das erklärt ihren hohen Gehalt in Bitterschokolade. 100 Gramm Zartbitterschokolade enthalten 53,3 mg Catechine, eine Tafel Milchschokolade liefert 15,9 mg. Für die typisch braune Farbe des Kakaos sind Phlobaphene zuständig. Sie entstehen bei der Lagerung von Gerbstoffen und sind im Gegensatz zu diesen hochkondensiert und wasserunlöslich. 25 Experiment 6: Farbvertiefung mit Soda Chemikalien: Substanz Gefahrenzeichen R-Sätze S-Sätze Na2CO3 Xi 36 22-26 Backkakao - - - - - Entfärbersalz mit Xn Dithionit und Soda ention. Wasser - Geräte: Brenner, Becherglas (250 mL), Erlenmeyerkolben (250 mL), Gummistopfen, Glasstab, Löffelspatel, Dreifuß, Drahtnetz, Glastrichter, Faltenfilter, 3 Reagenzgläser, Reagenzglasständer Durchführung: Man stellt aus 10 g Kakaopulver und 100 mL heißem entionisierten Wasser in einen Erlenmeyerkolben eine Kakaolösung her. Die Suspension wird filtriert und abgekühlt. Danach gibt man in jedes Reagenzglas 20 mL der erkalteten Lösung. Dabei dient ein Reagenzglas zum Farbvergleich. Die restlichen zwei Reagenzgläser werden mit einem Löffel Soda bzw. einem Löffel Entfärbersalz versetzt. Beobachtungen: Bei der Lösung mit Entfärbersalz ist keine Farbveränderung zu beobachten, während die mit Soda versetzte Lösung eine dunklere Farbe erhält. Auswertung: Die Farbe vertieft sich bei Zugabe von Soda, da phenolische Stoffe dissoziieren. wie z.B. Cyanidin. 26 OH OH O OH - H+ HO O HO + O + +H OH OH OH OH OO - H+ HO O + H+ OH OH Dithionit reduziert die Farbstoffe zum Teil und verhindert so eine Farbänderung. Reduktion: OH OH OH OH +1 + O HO 0 HO +1 OH O 0 + 2 e- + 2 H2O OH -1 + 2 OH- -2 OH OH Oxidation: +3 +4 S2O4-(aq) + 4 OH-(aq) SO32-(aq) + 2 H2O + 2 e- Redox: 2 Cyanidin + 3 S2O42-(aq) + 8 OH-(aq) 2 Catechin + 6 SO32-(aq) + 2 H2O 27 7. Macht Schokolade „high“, süchtig und glücklich? 7.1. Phenylethylamin (PEA) Phenylethylamin ist neben dem Theobromin einer der wichtigsten Wirkstoffe in der Schokolade. Es gehört zur Gruppe der Alkaloide und bewirkt einen Anstieg des Blutzuckerspiegels und hat zudem eine anregende Wirkung auf das Zentralnervensystem. Ähnliche Derivate sind der Neurotransmitter Dopamin, die Aminosäure Phenylalanin und der körpereigene Stoff Adrenalin. Wenn man verliebt ist, schüttet der Körper Phenylethylamine aus, das sind Botenstoffe. Schokolade bewirkt also so eine Art „Verliebtheitseffekt“. Diese Stoffe befinden sich aber z.B. auch in Käse. Abb.: http://de.wikipedia.org/wiki/Phenylethylamin 7.2. Anandamid Anandamid ist das Ethanolaminderivat der Arachidonsäure. Es ist in der Lage an die Cannabinoid-Rezeptoren des Endocannabinoid-Systems anzudocken, an die auch das THC der Cannabis-Pflanze bindet. Somit hat sie auch einen ähnlichen Effekt wie das Cannabis: es wirkt berauschend. Man fühlt sich leicht, beflügelt und glücklich. Jedoch ist der Anteil an Anandamid sehr gering, sodass man mindestens 300 Tafeln auf einmal zu sich nehmen müsste, um dieselbe Wirkung zu erreichen wie Cannabis. Zudem wird Anandamid schon nach 30 Minuten wieder abgebaut. Abb.: http://de.wikipedia.org/wiki/Anandamid 28 7.3. Serotonin Serotonin wird auch 5-Hydroxytryptamin oder Enteramin genannt und ist ein Indolamin. Zusammen mit Neurotransmittern Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin gehört es zur Gruppe der Monoamine. Serotonin nimmt die Funktion eines Gewebshormons bzw. eines Neurotransmitters im Zentralnervensystem, Darmnervensystem, Herz-Kreislauf-System und im Blut ein. Es beeinflusst zum Beispiel den Druck in den Blutgefäßen. Serotonin hilft zudem dem Gehirn, Glücksgefühle überhaupt erleben zu können. Der Mensch weist sogar leichte Depressionen auf, wenn dem Körper Serotonin fehlt. Sobald man Süßes wie zum Beispiel Schokolade zu sich nimmt, wird Serotonin im Körper gebildet. Mit der Zunahme von Zucker steigert sich der Blutzuckerspiegel und es wird Insulin freigesetzt, was bewirkt, dass Tryptophan in die Gehirnzellen aufgenommen wird. Tryptophan sorgt schließlich für eine Serotoninbildung. Serotonin ist ein Alkaloid mit Tryptamin-Struktur: Abb.: http://de.wikipedia.org/wiki/Serotonin 7.4. Theobromin und Koffein Theobromin und Koffein gehören zur Gruppe der Methylxanthine. Beide Stoffe sind vor allem in Kakao enthalten, der Mengenanteil ist aber so gering, dass sie keine Gefahr für den Körper darstellen. Ungesüßtes Kakaopulver enthält beispielsweise etwa 1-3% Theobromin. Die Stoffe sind jedoch nur ungefährlich für den Menschen, da sie im Gegensatz zu Tieren ein spezielles Abbauenzym besitzen. Die Wirkung von Theobromin und Koffein im menschlichen Körper sind relativ ähnlich, jedoch hat Koffein einen stärkeren Effekt. Beide machen den Körper wach und munter. 29 Theobromin stimuliert das zentrale Nervensystem an, erweitert die Blutgefäße und wirkt somit mild und dauerhaft anregend, aber auch stimmungsaufhellend. Koffein löst viele verschiedene Effekte aus: es regt das Zentralnervensystem an, erhöht die Herztätigkeit, die Pulssteigerung und den Blutdruck, erweitert die Bronchien, steigert die Harnbildung, regt die Peristaltik des Darmes an und verringert die Blutfließgeschwindigkeit im Gehirn und im Darmbereich. Koffein Theobromin Abb.: http://de.wikipedia.org/wiki/Koffein Abb.: http://de.wikipedia.org/wiki/Theobromin 7.5. Fett und Zucker Fett und Zucker in der Schokolade liefern viel Energie. Sie stärken also den Körper und lösen eine positive psychologische Wirkung aus. Allgemeine chemische Struktur von Fett Desoxy-Zucker Abb.: http://de.wikipedia.org/wiki/Fett Abb.: http://www.oci.unizh.ch/edu/lectures/ material/AC_BII/Kap14/14.8.1.gif Experiment 7: Brennwert von Schokolade Chemikalien: Substanz Gefahrenzeichen R-Sätze S-Sätze Zartbitter - - 30 Schokolade Speiseöl - - - 1 Ei - - - Geräte: Stativ, Rundklammer, Metalldeckel, Metallpfännchen, Stativklammer, Bunsenbrenner Durchführung: Am unteren Ende des Stativs wird die Rundklammer befestigt. Auf sie wird ein Metalldeckel gelegt. Oberhalb des Metalldeckels wird das Metallpfännchen befestigt. Ein Stück vorgekühlte Zartbitterschokolade wird auf den Metalldeckel gelegt. Mit dem Bunsenbrenner wird die Schokolade zum Brennen gebracht. Wenn sie leicht verkohlt ist, wird sie noch einmal in den Kühlschrank gelegt. Nun kann die Schokolade leicht entzündet werden. Die brennende Schokolade auf dem Metalldeckel wird unter das Pfännchen gestellt. In das Pfännchen wird nun etwas Öl gegeben. Wenn das Öl leicht erhitzt ist, wird ein rohes Ei in die Pfanne geschlagen. Beobachtung: Mit ein wenig Fingerspitzengefühl bringt man die Schokolade zum Brennen. Die beim Verbrennen freiwerdende Wärmeenergie reicht aus, um ein Spiegelei zu braten. Auswertung und Anmerkung: Um den Energiegehalt von Lebensmitteln zu messen, werden heute Kalorimeter verwendet. Kalorimeter funktionieren nach folgendem Prinzip: der zu untersuchende Stoff wird in einem Gefäß, dass sich in einem mit Wasser gefüllten isolierten Gefäß bindet, verbrannt. Dabei wird Energie frei, die als Wärmeenergie an das Wasser abgegeben wird. Mit Hilfe eines Thermometers wird die Wassererwärmung gemessen. Aus der Differenz dieses Temperaturwerts zur Ausgangstemperatur bestimmt man die zur Erwärmung notwendige Energiemenge. Im menschlichen Körper werden die Nahrungsmittel selbstverständlich nicht dergestalt verbrannt, sondern vielmehr mittels verschiedener Enzyme zu einfacheren 31 Molekülen abgebaut. Dabei wird Energie frei, die entweder als Wärmeenergie oder für energiebenötigende Prozesse im Körper genutzt werden kann. Zu den wichtigsten Energielieferanten in der menschlichen Ernährung zählen Fett und Zucker, die ja reichlich in Schokolade enthalten sind. Um die enthaltende Energie anschaulich zu machen, können die Stoffe wie hier in diesem Experiment einfach verbrannt werden. 8. Schulbezug Das Thema Schokolade kann im Unterricht fächerübergreifend eingesetzt werden, sei es in Geschichte, in Biologie bei der Darstellung der Komplexität von Nahrungsmitteln und der Behandlung der Nahrungsgrundbausteine (Kohlenhydrate, Fette und Eiweiß) oder in Chemie bei der Besprechung wichtiger, essentieller Inhaltsstoffe und chemischer Vorgänge. „Schokolade“ stellt ein Thema mit großem Alltagsbezug dar. Denn in der Regel ist der Schokoladenkonsum unter den Schülern relativ hoch. Somit ist es wichtig, dieses Thema anzusprechen. Zudem wird dadurch die Motivation der Schüler gesteigert. 32 9. Literatur Bücher/ Zeitschriften: Dickhaut, Sebastian: Schokolade. Gräfe und Unzer. München. 1998. S.4-23 Hengartner, Thomas/ Merki, Christoph M. (Hg.): Genußmittel: ein kulturgeschichtliches Handbuch. Campus Verlag. Frankfurt/Main [u.a.]. 1999. S. 117-139 Juchelka, Sigrid/ Bader, Hans J.: Schokolade aus der Sicht der Chemie. In: Frankfurter Beiträge zur Didaktik der Chemie. Band I. Thun. Frankfurt/ Main. 1998. S.43-74 Matissek, Reinhard/ Schnepel, Frank/ Steiner, Gabriele: Lebensmittelanalytik. Grundzüge. Methoden. Anwendungen. Springer-Verlag. Berlin [u.a.]. 1989. S. 120 Nuhn, Peter: Naturstoffchemie: mikrobielle, pflanzliche und tierische Naturstoffe. 2. neu bearb. u. erw. Aufl. Hirzel. Stuttgart. 1990. S. 541-543 Schwedt, Georg: Experimente mit Supermarktprodukten. Eine chemische Warenkunde. 2. korr. u. akt. Aufl.. Wiley-VCH. Weinheim. 2003 Internetquellen: http://dc2.uni-bielefeld.de http://de.wikipedia.org http://www.chocoland.de http://www.diabsite.de http://www.feel-beauty.de/Journal/Schokolade/schokolade.html http://www.geschichte-der-schokolade.de/index.html http://www.infozentrum-schoko.de http://www.theobroma-cacao.de http://www.uni-koeln.de/ew-fak/Chemie/schulen/material_schoko.htm 33
