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Facharbeit
aus dem Fach
Chemie
Thema:
Bestimmung und Erklärung der pH-Abhängigkeit der Amylaseaktivität in
einer Lösung eines zur Verfügung gestellten Feinwaschmittels (Feefein).
Name:
Robert Steuck
Kurs:
23Ch Ka Organische Chemie und Biochemie
Inhaltsverzeichnis
1. Beschreibung und Einordnung des Themas in den größeren Sachzusammenhang
Seite 1
1.1 Bestandteile von modernen Waschmitteln
Seite 1
1.2 Stärke
Seite 2
1.3 Amylasenachweis
Seite 3
1.3.1 Photometrie
Seite 3
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 Darstellung der experimentellen Vorbereitung
2.1 Vorversuche
Seite 4
Seite 4
2.1.1 Vorversuch 1: Bestimmung der optimalen Waschmittelkonzentration
Seite 4
2.1.2 Vorversuch 2: Messung des normalen pH-Wertes der Waschmittellösung
Seite 4
2.1.3 Vorversuch 3: Findung einer geeigneten Stärke-Konzentration
Seite 5
2.2 Hauptversuche
Seite 5
2.2.1 Hauptversuch 1: Messung der Amylaseaktivität bei verschiedenen pH-Werten
Seite 5
2.2.2 Hauptversuch 2: Reversibilität der Abnahme der Amylaseaktivität
Seite 6
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3. Versuchsprotokolle
Seite 8
3.1 Vorversuche
Seite 8
3.1.1 Vorversuch 1
Seite 8
3.1.2 Vorversuch 2
Seite 8
3.1.3 Vorversuch 3
Seite 8
3.2 Hauptversuche
Seite 9
3.2.1 Hauptversuch 1
Seite 9
3.2.2 Hauptversuch 2
Seite 10
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4. Deutung der Versuchsergebnisse
Seite 11
4.1 Vorversuche
Seite 11
4.2 Hauptversuche
Seite 11
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5. Kurzfassung der vollständigen Facharbeit
Seite 13
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6. Anhang
Die Abbildung auf dem Titelblatt zeigt den Enzymsubstratkomplex von Amylase und Amylose.
Seite 14
1. Beschreibung und Einordnung des Themas in den größeren Sachzusammenhang
In nahezu allen Waschmitteln sind Enzyme enthalten. Diese haben sich seit den ersten
Experimenten Anfang des 20. Jahrhunderts zu einem grundlegenden und kaum
wegzudenkenden Bestandteil in Waschmitteln entwickelt. Sie werden heute überwiegend
durch gentechnische Verfahren gewonnen.
1.1 Bestandteile von modernen Waschmitteln
Tenside sind der wichtigste Bestandteil aller Waschmittel. Sie verringern die
Oberflächenspannung des Wassers, und erlauben damit Schmutz von den Wäschestücken
abzulösen. Tenside lassen sich nach ihrem Aufbau in ionische und nicht-ionische einteilen.
Zu den ionogenen Tensiden gehören Anionentenside, Kationentenside und amphotere
Tenside. Ihnen gemeinsam ist, dass sie aus einem langkettigen hydrophoben Alkylrest und
einem geladenen hydrophilen Teil aufgebaut sind.
Vergrauungsinhibitoren verhindern die Wiederanlagerung von Schmutz aus der
Waschlauge auf der Wäsche. Die Bedeutung der Wiederablagerung von Schmutz auf der
Wäsche gewinnt erst nach zahlreichen Waschvorgängen an Bedeutung und macht sich in
Form einer grauen Verfärbung der Fasern bemerkbar.
Bleichmittel werden eingesetzt, um unerwünschte Farbflecke und Vergilbungen aus der
Wäsche zu entfernen. Gleichzeitig wirken Bleichmittel auch desinfizierend, können
allerdings auch empfindliche Farben angreifen. Daher enthalten Fein- und Buntwaschmittel
in der Regel keine Bleichmittel und bei Vollwaschmitteln werden diese erst bei höheren
Temperaturen voll wirksam.
Bleichaktivatoren lassen Bleichmittel bereits bei niedrigen Temperaturen wirken.
Optische Aufheller sind in Vollwaschmitteln enthalten. Sie dienen dazu weiße Wäsche
weißer erscheinen zu lassen. Diese Weißmacher setzen sich auf der Wäsche ab, und
reflektieren (unsichtbare) ultraviolette Lichtwellen als violettes Licht. Dies überdeckt den
evt. vorhandenen Gelbstich bzw. Graustich der Weißwäsche.
Verfärbungsinhibitoren verhindern das Verfärben.
Duftstoffe dienen zur Geruchsverbesserung und zur Überdeckung des Laugengeruches.
Enthärter enthärten das Wasser und verhindern Kalkablagerungen in Maschine und
Wäsche.
Waschmittelenzyme bauen Schmutzstoffe ab, indem sie sie spalten. Dies geschieht dadurch,
dass sie die Aktivierungsenergie, die zu einer Spaltungsreaktion nötig ist, senken.
-1-
Da sich die Enzyme dabei selbst nicht verändern reichen geringe Mengen von ihnen als
Waschmittelbestandteile aus. In der Regel sind vier verschiedene Enzyme in einem
Waschmittel enthalten:
-
Amylase ist ein Enzym, welches Stärke in gut lösliche Bruchstücke, die aus Glucose
bestehen, zerlegt. Die Trennung erfolg an jeder zweiten 1.4.-Bindung des
Amylosemoleküls. Die 1.4.-Bindung ist die Verknüpfung zwischen dem 1. und dem
4. C-Atom von zwei Glucosemolekülen, die so eine Kette bilden.
-
Protease spaltet Eiweiß in Peptide und Aminosäuren auf. Dieses Enzym wir erst seit
1991 in Europa eingesetzt.
-
Lipase spaltet Fett. Die Triglyceride werden in fetthaltige Verunreinigungen zerlegt.
-
Cellulase baut beschädigte Baumwollfasern ab und trägt so zur Entfernung von
Schmutz bei.
1.2 Stärke
Stärke besteht, so wie sie in der Natur vorkommt, aus den Komponenten Amylose und
Amylopektin. Diese Komponenten zusammen kommen als Stärkekörner vor, bei denen die
Amylose den Kern und das Amylopektin die Schale bildet.
Amylose (Anhang: Bild 1) besteht aus bis zu 10.000 Glucosemolekülen, die am 1. und 4. CAtom miteinander verknüpft sind. Die Glucosekette windet sich aufgrund von
intramolekularen Wechselwirkungen zu einem Helix, mit ca. 6 Glucosemolekülen pro
Windung. Amylose ist in Wasser gut löslich.
Amylopektin (Anhang: Bild 2), welches der zweite Bestandteil der Stärke ist, besteht aus
denselben Bausteinen. Jedoch findet sich hier eine buschartige Verzweigung kürzerer Ketten
(Anhang: Bild 3). Die Kette selbst ist am 1. und 4. C-Atom miteinander verknüpft. Die
Verzweigungsstellen bilden sich durch weitere Bindungen zwischen dem 1. und dem 6. CAtom. Diese tritt jedoch nur bei ca. jedem 25. Glucosemolekül auf. Amylopektin ist
aufgrund seiner sperrigen Struktur in Wasser nur sehr schlecht löslich.
-2-
1.3 Amylasenachweis
Iod-Stärke-Komplex
Der Nachweis der Enzymaktivität ist von den vier in
Waschmitteln verwendeten Enzymen bei der Amylase am
einfachsten durchzuführen. Man macht sich die Eigenschaften
der Amylose, die das Substrat der Amylase ist, zu nutze. In
Wasser gelöste Amylose bildet zusammen mit dem Indikator
Iod-Iod-Kalium-Lösung einen Iod-Stärke-Komplex der die
Lösung blau färbt. Die helixsförmige Struktur der Amylose
erlaubt es den Iod-Molekülen sich darin abzulagern. Gibt man
nun Amylase dazu, wird die Helixstruktur der Amylose zerstört und die Lösung beginnt sich
zu entfärben, bis sie schließlich farblos ist.
Diese Blaufärbung der Lösung, oder besser gesagt die Lichtabsorption lässt sich durch die
Photometrie in Vergleichswerten ausdrücken.
1.3.1 Photometrie
L
M
K
S
I
Von einer Lichtquelle L werden bestimmte Wellenlängen durch Filter oder Prismen
(Monochromator) M selektiert. Für z.B. orangefarbene Lösungen wird ein Filter der
Komplimentärfarbe blau verwendet. Diese einfarbige Strahlung gelangt zur Küvette K,
einem zylinder- oder quaderförmigen Glasgefäß, in der sich die zu bestimmende Lösung
befindet. Das durch die Küvette fallende Licht wird in seiner Intensität abgeschwächt. Das
Licht gelangt schließlich zum Strahlungsempfänger S (Photozelle) und wird mit der
Intensitätsanzeige I (Elektronik, Computer, Schreiber, Drucker) angezeigt.
Um zu einem Wert zu kommen, wird die Messung zuerst mit dem reinem Lösungsmittel und
anschließend mit der Lösung durchgeführt. Das Photometer subtrahiert den Lichtverlust der
Messung mit dem Lösungsmittel vom Lichtverlust der Messung der Lösung. Das Ergebnis
wird Extinktion genannt und gibt einen einheitslosen Vergleichswert, der über die Größe des
Lichtverlustes Auskunft gibt.
Es gibt auch Photometer, die über zwei Messapparaturen verfügen. Bei diesen Geräten gibt
man in die eine Küvette das pure Lösungsmittel und in die andere die zu testende Lösung.
-3-
2 Darstellung der experimentellen Vorbereitung
2.1 Vorversuche
2.1.1 Vorversuch 1:
Bestimmung der optimalen Waschmittelkonzentration des Feinwaschmittels Feefein
Geräte und Chemikalien: Waage, 100 ml Messkolben, Feefein
Auf der Verpackung des Waschmittels Feefein, ist eine Waschmittelkonzentration für die
Handwäsche angegeben: 30 ml Feefein zu 5 Liter Wasser für die Handwäsche. Dieses
Volumen an Waschmittel wird mit einem 100 ml Messkolben abgefüllt und anschließend
gewogen. Danach werden die Ergebnisse auf eine Wassermenge von 100 ml umgerechnet.
Diese Waschmittelkonzentration wird als Grundlage für alle nachfolgenden Versuche
genommen.
2.1.2 Vorversuch 2:
Messung des normalen pH-Wertes der Waschmittellösung
Geräte und Chemikalien: 300 ml Erlenmeierkolben, 100 ml Erlenmeierkolben, 5 x 100 ml
Bechergläser, Bürette, H2SO4 (0,1 molar), Phenolphthalein, Tropfpipette, pH-Papiere, pHSticks, pH-Flüssigindikator, pH-Meter, Feefein, Waage
Mit den aus Vorversuch 1 erreichten Erkenntnissen wird in einem Erlenmeierkolben 300 ml
Waschmittellösung angesetzt und mittels einer Bürette eine Säure-Base Titration, mit H2SO4
als Säure, durchgeführt. Als Indikator wird Phenolphthalein verwendet. Zur Kontrolle des
pH-Wertes, der aus den Messergebnissen der Titration leicht berechnet werden kann, werden
nun weitere 100 ml Waschmittellösung angesetzt. Diese wird in 5 Bechergläser aufgeteilt
und es werden folgende pH-Messungen durchgeführt:
-
pH-Papiere für mittlere pH-Werte
-
pH-Papiere für hohe pH-Werte
-
einen pH-Stick
-
pH-Flüssigindikator
-
pH-Meter
Die Ergebnisse der verschiedenen Messverfahren werden nun mit dem Ergebnis der Titration
verglichen.
-4-
2.1.3 Vorversuch 3:
Findung einer geeigneten Stärke-Konzentration der Stärkelösung
Geräte und Chemikalien: Erlenmeierkolben, Iod-Iod-Kalium-Lösung, Tropfpipette,
Stoppuhr, Photometer (Anhang: Bild 4), Küvette, Waage, Feefein, Stärke
Es wird für die Endversuche ein Volumenverhältnis zwischen Waschmittel- und StärkeLösung von 1:1 angestrebt um die Berechnungen so einfach wie möglich zu gestalten.
Weiterhin wird die Stärke-Konzentration so gewählt, dass eine Minute nach Beginn der
Reaktion mit dem Enzym im Waschmittel noch eine mit dem Photometer messbare
Lichtabsorption durch den Iod-Stärke-Komplex besteht. Dazu werden Stärkelösungen mit
verschiedenen Konzentrationen angesetzt. Diese Stärkelösungen lässt man jetzt mit der
Waschmittellösung regieren. Nach einer Minute werden zwei Tropfen Iod-Iod-KaliumLösung zugegeben. Nach 60 Sekunden und 90 Sekunden nach Beginn der Reaktion wird mit
dem Photometer die Extinktion gemessen. Um sicher zu gehen, dass die Reaktion nach einer
Minute nicht vollständig abgeschlossen ist, sondern weiter läuft, müssen sich die
Extinktionen unterscheiden. Dies ist wichtig für die Hauptversuche, da die Möglichkeit
ausgeschlossen sein muss, dass die Reaktion schon vor der Messung abgeschlossen ist.
2.2 Hauptversuche
2.2.1 Hauptversuch 1:
Messung der Amylaseaktivität bei verschiedenen pH-Werten
Geräte und Chemikalien: 100ml Erlenmeierkolben, 1, 2, 5, 10 ml Vollpipetten, Waage, 2
Reagenzgläser, Tropfpipette, Iod-Iod-Kalium-Lösung, Küvette, Photometer, pH-Meter,
NaOH, H2SO4, Feefein, Stärke
Die Stärkelösung wird immer in gleicher Konzentration verwendet. Zur Veränderung des
pH-Wertes in der Stärke-Waschmittel-Lösung wird lediglich der pH-Wert des
Lösungsmittels der Waschmittellösung verändert. Dies wird durch Zugabe von geringen
Mengen an H2SO4 für die Senkung des pH-Wertes und NaOH zur Erhöhung des pH-Wertes
erreicht. Das Ansetzen der Waschmittellösung läuft immer gleich ab:
In einen 100ml Erlenmeierkolben wird null bis acht ml H2SO4 bzw. NaOH gefüllt.
Anschließend wird auf 50 ml mit destilliertem Wasser aufgefüllt und zuletzt 0,16g
Waschmittel dazugegeben.
-5-
Es werden 50 ml Waschmittellösung angesetzt, damit die Messung wiederholt werden kann,
falls sie aus zeitlichen Gründen misslingt, oder versehendlich zuviel oder zuwenig Indikator
zugegeben wird. Von den 50 ml Waschmittellösung wird dann 10 ml abpipettiert und in ein
Reagenzglas gegeben. In ein zweites Reagenzglas gibt man 10 ml Stärkelösung. Jetzt wird
die Waschmittellösung in die Stärkelösung gegossen und gleichzeitig die Zeitmessung
gestartet. Das Gemisch wird sofort gut geschüttelt und in eine Rundküvette gegeben. Nach
einer Minute werden 2 Tropfen Iod-Iod-Kalium-Lösung mit einer Tropfpipette dazugegeben
und erneut geschüttelt. Zehn Sekunden später, also 70 Sekunden nach Beginn der Reaktion,
wird mit dem Photometer die Extinktion gemessen. Je niedriger die Extinktion ist umso
höher ist die Amylaseaktivität.
Anschließend wird der pH-Wert des Gemisches gemessen. Dazu werden die 10ml der
Rundküvette und die verbleibenden 10ml aus dem Reagenzglas zusammen in ein Becherglas
gegeben. Mit dem pH-Meter wird jetzt der pH-Wert auf eine Nachkommastelle genau
bestimmt.
2.2.2 Hauptversuch 2:
Reversibilität der Abnahme der Amylaseaktivität
Geräte und Chemikalien: 4 x 100 ml Erlenmeierkolben, Iod-Iod-Kalium-Lösung,
Tropfpipette, NaOH, H2SO4, 10 ml Pipette mit 0,1 ml Skalierung, 25 ml Vollpipette, Feefein,
Stärke, Waage
In Hauptversuch 1 wurde festgestellt, dass die Amylaseaktivität bei Veränderung des pHWertes abnimmt. Jetzt stellt sich die Frage, ob diese Abnahme der Amylaseaktivität durch
eine Denaturierung (Zerstörung) der Amylase, oder durch eine temporäre Hemmung der
Aktivität zustande kommt. Diese Frage kann man nur klären, indem man den pH-Wert der
Waschmittellösung zuerst stark verändert, dann die Aktivität überprüft und anschließend
durch Neutralisation den ursprünglichen pH-Wert wiederherstellt.
-6-
Um die Reversibilität der Abnahme der Amylaseaktivität zu untersuchen, werden 100 ml
Waschmittellösung, mit destilliertem Wasser als Lösungsmittel angesetzt. Diese
Waschmittellösung wird in drei Portionen geteilt:
a. 25 ml Waschmittellösung: Dieser Lösung wird 2,5 ml H2O zugegeben
b. 25 ml Waschmittellösung: Dieser Lösung wird 5 ml H2O zugegeben
c. 50 ml Waschmittellösung: Dieser Lösung wird 5 ml H2SO4 zugegeben und sie wird
anschließend erneut in 2 mal 27,5 ml Portionen geteilt:
c1
Diese Lösung wird nicht weiter verändert
c2
Dieser Lösung wird 2,5 ml NaOH zugegeben, um sie wieder auf den
normalen pH-Wert der Waschmittellösung zu bringen.
Die Waschmittellösungen a, b, c1 und c2 lässt man nun wie in Hauptversuch 1 beschrieben
mit einer Stärkelösung reagieren und führt eine photometrische Messung durch.
Wenn die Extinktionen von c2 und b ungefähr übereinstimmen ist die Hemmung der
Amylaseaktivität, durch die Wiederherstellung des ursprünglichen pH-Wertes möglich und
somit reversibel, da in diesem Fall die Amylaseaktivität der Waschmittellösung mit
normalem pH-Wert eben so groß ist, wie die der Waschmittellösung mit verändertem und
anschließend neutralisiertem pH-Wert. Die Amylase hätte keine Schäden durch die
Veränderung des pH-Wertes ihres Lösungsmitteln erlitten und wäre noch vollkommen
einsatzbereit.
Die Extinktionen aus den Versuchen mit den Lösungen a und c1 werden nur als
Vergleichswerte herangezogen. Ist die Differenz von c1 und a ungefähr so groß wie die
Differenz von c2 und b, ist die Hemmung der Amylaseaktivität, durch die Wiederherstellung
des ursprünglichen pH-Wertes nicht möglich, da dies auf eine irreparable Beschädigung
hinweisen würde.
-7-
3. Versuchsprotokolle
3.1 Vorversuche
3.1.1 Vorversuch 1:
30 ml Feefein entspricht 15,5 g Feefein.
Diese Menge an Feefein ist auf der Verpackung für 5 Liter Waschmittellösung angegeben.
Daraus ergibt sich eine Waschmittelkonzentration von 0,31 g / 100 ml Wasser.
3.1.2 Vorversuch 2:
Ergebnis der Titration: 300 ml Waschmittellösung (0,93 g Feefein gelöst) lassen sich durch
2,9 ml H2SO4 (0,1 Mol H3O+-Ionen / Liter) neutralisieren. Also sind in 300 ml
Waschmittellösung 0,00029 mol OH- -Ionen und in einem Liter 0,00096 mol OH- -Ionen.
Somit ergibt sich ein pOH-Wert von ca. 3. Da der pOH-Wert und der pH-Wert zusammen
immer 14 ergeben ist der pH-Wert 11.
Die pH-Messungen mit den pH-Papieren, pH-Sticks und Flüssig pH-Indikator ergaben alle
einen pH-Wert von ca. 9. Das Ergebnis der Messung mit dem pH-Meter war 9.
3.1.3 Vorversuch 3:
Reaktion der Waschmittellösung (10 ml) mit verschiedenen Stärkelösungen (10 ml):
1. Stärkelösung (1%): Die Extinktion liegt im oberen Viertel des Anzeigebereiches des
Photometers und lässt somit kaum noch Platz für Veränderung.
2. Stärkelösung (0,1%): Die Extinktion liegt nach 60 Sekunden im unteren Viertel des
Anzeigebereiches bei 0,480. 30 Sekunden später bei 0,443.
Bei der zweiten Stärkelösung ist ein vorzeitiger Abschluss der Reaktion ausgeschlossen und
noch genügend Spielraum für eine Extinktionsänderung gewährleistet. Die
Stärkelösungskonzentration von 0,1% wird bei allen Hauptversuchen verwendet.
-8-
3.2 Hauptversuche
3.2.1 Hauptversuch 1:
Veränderung des pH-Wertes des Lösungsmittels der Waschmittellösung. Der pH-Wert wird
nach der Reaktion mit dem pH-Meter gemessen.
Messreihe 1:
Menge an H2SO4 (0,1 mol
Extinktion 70 Sekunden nach
pH-Wert der
/L) im Lösungsmittel der
Beginn der Reaktion mit einer Waschmittel-
Waschmittellösung in ml
0,1 % Stärkelösung
Stärkelösung
0
0,475
9,1
1
0,485
8,6
2
0,503
8,4
3
0,519
8,2
4
0,538
8,1
5
0,612
7,1
6
0,699
6,3
7
0,732
6,2
8
0,773
6,0
Beobachtung: Die Löslichkeit des Waschmittels nimmt bei kleiner werdendem pH-Wert ab.
Messreihe 2:
Menge an NaOH (0,1 mol /L) Extinktion 70 Sekunden nach
pH-Wert der
im Lösungsmittel der
Beginn der Reaktion mit einer Waschmittel-
Waschmittellösung in ml
0,1 % Stärkelösung
Stärkelösung
1
0,530
9,8
2
0,623
10,5
3
0,719
11,2
4
0,833
11,5
5
0,886
11,7
Beobachtung: Der pH-Wert verändert sich stärker als bei Messreihe 1. Ein Rückgang der
Löslichkeit des Waschmittels ist nicht festzustellen.
-9-
Die aus den Messreihen 1 und 2 resultierende Extinktionskurve:
0,9
0,85
0,8
Extinktion
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
0,45
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
10
10,5
11
11,5
12
pH-Wert
3.2.2 Hauptversuch 2:
Extinktionen der verschiedenen Waschmittellösungen:
Waschmittellösung Extinktion 70 Sekunden nach Beginn der Reaktion
a
0,549
b
0,533
c1
0,638
c2
0,542
Die Extinktionen der Versuche mit den Waschmittellösungen b und c2 sind nahezu gleich.
Da beide Waschmittellösungen die gleiche Konzentration haben und die gleiche Menge
Stärke in der gleichen Zeit abgebaut worden ist, ist die Amylaseaktivität der beiden
Waschmittellösungen gleich. Die Umkehrung der Amylaseaktivitätshemmung ist also durch
Wiederherstellung des ursprünglichen pH-Wertes möglich.
-10-
4. Deutung der Versuchsergebnisse
4.1 Vorversuche
Die in Vorversuch 2 durchgeführte Titration und die pH-Messungen sollten eigentlich zum
gleichen Ergebnis führen. Somit wäre es möglich gewesen die Menge an Säure oder Lauge,
die zugegeben werden muss, um einem bestimmten pH-Wert zu erhalten, zu berechnen. Dies
hätte dann zu gleichmäßigen Abständen der pH-Wert, der einzelnen Messungen in den
Hauptversuchen geführt.
Da jedoch die Berechnung des pH-Wertes durch die zugegebene Säure- oder Laugemenge
nicht möglich und somit nicht voraussehbar war, musste das Messverfahren der
Hauptversuche entsprechend abgeändert werden.
Die Veränderung des pH-Wertes erfolgte erst später, weil einige Stoffe im Waschmittel eine
pH-Pufferfunktion haben und so die Bestimmung des pH-Wertes durch Titration nicht
möglich machen.
4.2 Hauptversuch
Wie sich aus der Extinktionskurve erkennen lässt, befindet sich bei dem pH-Wert 9 das
Extinktionsminimum. Das bedeutet, dass die
Stärkekonzentration hier am geringsten ist und somit die
-Amylase
= lys, arg, his
= glu, asp
Amylaseaktivität am höchsten. Dieser pH-Wert ist also das pHOptimum für die im Waschmittel enthaltene Amylase. Bei stark
saurem oder stark basischem pH-Wert wird die räumliche
Struktur des Enzyms verändert. Dies liegt an der pH-Wertabhängigen Ladung einiger funktioneller Gruppen, die freie
Amino- und Carboxylgruppen, mit einem pH-abhängigen
Dissoziationsgrad besitzen:
Die Aminosäuren Lys, Arg und His sind in sauren und neutralen
pH-Bereichen positiv geladen und im basischen neutral, während
die Aminosäuren Glu und Asp im sauren neutral und im neutralen
und basischen pH negativ geladen sind. Da die Ladungen eines
Proteins meist an der Oberfläche liegen und zum Teil eine
bestimmte Tertiärstruktur stabilisieren, wird durch eine pH-Änderung die gesamte
Tertärstuktur des Enzyms und damit seine Wirksamkeit beeinflusst.
-11-
Eine weitere Erklärung für die pH-abhängige Aktivität könnten die funktionellen Gruppen
des aktiven Zentrums sein, die ihre katalytische Eigenschaft durch die saure bzw. basische
Wirkung entfalten bzw. bei einem anderen pH-Wert nicht entfalten können.
Die dreco Werke, die das vorliegender Feinwaschmittel Feefein produzieren, beziehen ihre
Amylase von der Firma Novo-Enzyme. Diese Firma stellt nur zwei verschiedene Arten von
Amylase her, deren Eigenschaften sich zur Verwendung in Feinwaschmitteln eignen:
Termamyl:
Bakteriell hergestellte Amylase mit einem Wirkungsbereich von pH 7 - 11 und 10 - 100°C,
pH-Optimum bei pH 9.
BAN:
Bakteriell hergestellte Amylase mit einem Wirkungsbereich von pH 7 - 9,5 und 10 - 60°C,
pH-Optimum bei pH 8.
Von den beiden Enzymen kommt bei Betrachtung der Extinktionskurve auf den ersten Blick
nur Termamyl in Frage. Das pH-Optimum stimmt überein.
Wenn man die Extinktionskurve aber genauer untersucht, bemerkt man, dass sie im sauren
Bereich wesendlich schwächer ansteigt als im alkalischen. Dies könnte daher kommen, dass
neben Termamyl auch ein Anteil an BAN im Waschmittel enthalten ist.
Ein Grund für die Verwendung eines zweiten Enzyms ist der Kostenfaktor. Die Amylase
BAN ist aufgrund ihres kleineren pH-Wirkungsbereiches und ihres früheren temperaturabhängigen Denaturierungspunktes vermutlich wesendlich günstiger, als Termamyl.
Ein weiterer Grund für die Verwendung von zwei Amylasen ist die Erhaltung der
Waschwirkung auch bei niedrigen Temperaturen. Da die Amylaseaktivität bei ansteigender
Temperatur zunimmt, könnte es sein, dass bei Waschwassertemperaturen über 60°C die
Amylaseaktivität des Termamyl alleine ausreichend ist, um ein zufriedenstellendes
Waschergebnis zu erreichen.
-12-
5. Kurzfassung der vollständigen Facharbeit
Robert Steuck
28.11.03
12.1 Chemie Leistungskurs von Herrn Kaper
Thema:
Bestimmung und Erklärung der pH-Abhänigkeit der Amylaseaktivität in einer Lösung eines
zu Verfügung gestellten Feinwaschmittels.
Experimente:
Die Aktivität eines Enzyms ist durch die Veränderung der Konzentration ihres Substrates
herauszufinden. Zur Bestimmung der Amylaseaktivität wird das Substrat Amylose (Lösliche
Stärke) erst durch einen Indikator angefärbt und dann, eine bestimmte Zeit nach Beginn der
Reaktion mit der Waschmittellösung, seine Konzentration im Lösungsmittel photometrisch
bestimmt. Dies wird bei verschiedenen pH-Werten durchgeführt.
Ergebnisse:
Das pH-Optimum der im Waschmittel enthaltenen Amylase liegt bei pH 9. Bei
Veränderungen des pH-Wertes durch die Zugabe von H2SO4 oder NaOH geht die
Amylaseaktivität zurück, was auf eine Veränderung der räumlichen Struktur der Amylase
zurückzuführen ist. Einige polare Aminosäuren, welche die Tertiärstruktur der Amylase
stabilisieren, verändern ihre relative Position zu den anderen Aminosäuren. Dadurch
verformt sich das aktive Zentrum der Amylase, was eine Einschränkung der
Amylaseaktivität hervorruft.
Diese Hemmung der Amylaseaktivität ist jedoch durch die Wiederherstellung des
eigentlichen pH-Wertes der Waschmittellösung aufzuheben.
-13-
6. Anhang
Bild 1: Amylose (Ausschnitt von oben auf den Helix)
Bild 2: Amylopektin (Ausschnitt)
-14-
Bild 3: Amylopektin
Bild 4: Photometer PF-10
-15-
Literaturverzeichnis
-
„Römpp Lexikon Chemie“: Stichwort Enzyme, 6 Bde., Bd.4, M-Pk von Hermann
Römpp, Jürgen Falbe, Manfred Regitz
-
„Moderne Wasch- und Reinigungsmittel-Umweltwirkungen und
Entwicklungstendenzen“ Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft (Hrsg)
(2001)
-
„Enzyme in Waschmitteln – Die Rolle der Gentechnik – Offene Fragen – offene
Antworten“ Industrieverband Körperpflege- und Waschmittel e.V. (IKW)
-
„Chemie heute – Sekundarbereich II“ Oberstudiendirektor Wolfgang Asselborn,
Saarlouis, Akademischer Direktor Manfred Jäckel, Hannover, Oberstudiendirektor
Dr. Karl T. Risch, Heidelberg, Schroedel Verlag
-
Die Bilder von der -Amylase habe ich mit Hilfe des Browser-Plugins Chemie
gemacht. Diesen Plugin ist auf http://www.mdlchime.com/chime kostenlos
erhältlich.
-
Die Bilder der Amylose- und Amylopektinstrukturen sind von der Webseite
http://www.lsbu.ac.uk/water/hysta.html
-16-
Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Facharbeit selbstständig angefertigt, keine
anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt und die Stellen der Facharbeit, die im
Wortlaut oder im wesentlichen Inhalt aus anderen Werken entnommen wurden, mit
Quellenangabe kenntlich gemacht habe. Der Lehrkraft wurden alle Informationen, die aus
dem Internet bezogen wurden, als vollständiger Ausdruck zur Verfügung gestellt.
Hiermit erkläre ich, dass ich damit einverstanden bin, dass die von mir verfasste Facharbeit
der schulinternen Öffentlichkeit zugänglich gemacht wird.
Datum, Unterschrift
Schule:
Gymnasium am Kattenberge
Schuljahr:
2003/04
Fach:
Leistungskurs Chemie
Schüler:
Robert Steuck
Fachlehrkraft:
Herr Kaper
Ausgabetermin des Themas:
Montag, 06.10.2003
Abgabetermin der Facharbeit:
Freitag, 28.11.2003
Bewertung der Facharbeit in Punkten:
------------------------------------Schüler
------------------------------------Fachlehrer