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Mit einem Menü durch
die Organische Chemie
Einleitung
Der Mensch:
Ein Allesfresser ?!
Bild aus Marburger Mensa
0. Übersicht
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Übersicht
1. Definition Nahrungsmittel
2. Klassifizierung
3. Vorspeise
4. Hauptgericht
5. Nachspeise
6. Schulrelevanz
1. Definition
Nahrungsmittel
Deutsche Basis-Verordnung Lebensmittelrecht
(VO 178/2002, Artikel 2):
Lebensmittel (früher
Nahrungsmittel) sind alle
Stoffe oder Erzeugnisse, die
dazu bestimmt sind […],
dass sie in verarbeitetem,
teilweise verarbeitetem oder
unverarbeitetem Zustand
von Menschen
aufgenommen werden.
2. Klassifizierung
7 Nahrungsmittelgruppen
Vorspeise
Hauptgericht
Nachspeise
3. Vorspeise
Vorspeise:
Baguette mit
„Lachs-Kaviar“
à la
Ferran Adrià
3. Vorspeise: Baguette
Das Baguette
• Französisches Stangenweißbrot
Inhaltsstoffe:
• Weizenstärke aus Weizenmehl
• Hefe
• Kochsalz
• Wasser
3. Vorspeise: Baguette
Demo 1: Stärkeabbau durch Speichel
Bitte probieren Sie...!
3. Vorspeise: Baguette
Stärke:
Aufbau:
• Amylose: (10 - 30 %)
Lineare Kette mit helicaler
Struktur; α-1,4-glycosidisch ...
verknüpft
OH
O H
H
H
OH
OH
OH
1
H
O H
H
4 OH
O
H
1
H
OH
H
...
H
OH
...
OH
O H
H
H
O
4
OH
OH
OH
1
4
OH
1
H
O
H
OH
6 CH 2
O H
H
O H
H
H
H
OH
OH
H
O
H
H
O
H
H
O H
H
1
H
O
OH
n
OH
H
OH
H
O
OH
O H
H
H
O
OH
• Amylopektin (70 - 90 %)
Stark verzweigt; α-1,6und α-1,4-glycosidisch
verknüpft
4 OH
O
H
O H
H
H
O
O
H
OH
n
H
OH
...
...
3. Vorspeise: Baguette
Demo 1: Auswertung
• Durch längeres Kauen von Brot: süßer Geschmack
Erklärung:
• Brot enthält Stärke, die durch ein Enzym im Speichel
teilweise abgebaut wird
• Abbauprodukt schmeckt süß
3. Vorspeise: Baguette
Das Speichel-Enzym α-Amylase:
Steckbrief:
• Ptyalin: Hydrolase
• pH-Optimum: 6,9
(Homo sapiens)
• (stabil bis pH = 4; im Magen
inaktiviert, da pH < 2)
• Cosubstrat: Ca2+-Ionen
• Proteinfaltung:
α-Helix, β-Faltblatt, Schleifen
• Aktives Zentrum in Mitte (Tonne), (α, β)-8 Faß
Spaltung
3. Vorspeise: Baguette
Spaltung durch α-Amylase:
• Endoenzym, spaltet α-1-4-, überspringt α-1-6-Bindungen
OH
OH
H
OH
...
H
O H
H
O H
H
H
1
4
OH
H
O
O
H
OH
O
H
...
OH
• Spaltung in Maltose und größere Grenzdextrine,
Verdauung im Dünndarm (Maltase)
• Warum schmeckt Maltose süß?
3. Vorspeise: Baguette
Physiologie des süßen Geschmacks
• Maltose wird von Geschmacksrezeptoren erkannt
• Insgesamt 5 Grundqualitäten: süß, sauer, salzig, bitter,
(köstlich „umami“)
süß
sauer
salzig
bitter
Papille
• Geschmacksqualität „süß“ überwiegend auf Zungenspitze
3. Vorspeise: Baguette
V1: Stärke-Smiley
• Agar = strukturgebendes Heteropolysaccharid aus Rotalgen
• Darin: Stärke-Amylose-Helix
• Einlagerung von Polyiodid-Ionen (I3-, I5-, I7-…)
Iod-Stärke-Reaktion:
Blau durch CT-Komplex
(schematisch)
• Amylose-Helix der Stärke wird durch α-Amylase gespalten
Negative Nachweisreaktion mit Lugol´scher Lösung an
Stellen der Einspeichelung
3. Vorspeise: Baguette
V2: Fehling-Probe
• Überprüfen der Reduktionswirkung der Abbauprodukte
O
H2O
OH
H
O
O
OH
R
HO
H
H
H
OH
H2
H
OH 2
HO
Cu
HO
O
H
O
H
H
O
OO
H 2O
blau
(schematisch)
4-
+ 5 OH-(aq)
(aq)
O
O
O
O
O Cu +2
O
Abbauprodukt:
z.B. Maltose
H
O
O
O
OH
O (aq)
O
Cu +2
H
OH
+1 H + + 2
O
+2
O
O
(aq)
(aq)
blau
OH
H
+1
OH
R
HO
H
H
H
+3 O
OH
O
+ Cu2O(s)
(aq)
rostrot
+
2 C4H4O62- (aq) + 7 H2O
3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
„Lachs-Kaviar à la Ferran Adrià“
2 Zitate:
• „Ferran Adrià serviert Gemüse als Gelatine und würzt
Speisen auch mal mit Holzkohle. In Barcelona
versucht der verrückteste Koch auf Erden seinen
Beruf neu zu erfinden- in einer Küche, die ein Labor
sein könnte.” Wolfgang Lechner (Die Zeit: “Der
Chemiker“ )
• „Die magischen Rezepte sind jene, die die einen
ekelhaft finden und die anderen fantastisch…“
(Ferran Adrià)
Hier: Frei nach diesem Motto…
• „Lachs-Kaviar“ aus farblosem Alginat, mit E 110
3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
V3: Darstellung von E 110
1.) Bildung des Nitrosylkations:
HO
N
O
+
H
+
H O
+
H
N
N
O
+
O
- H 2O
2.) Herstellung des Diazoniumsalzes: Diazotierung
O
O
HO
S
NH2
+
N
+
0°C
O
+
O
O
S
O
S
N
N
H
N-Nitroso-Verbindung
O
H
O
N
-H
O
HO
HO
N
H
N-Nitroso-Verbindung
O
+
HO
S
O
N
+
O
OH
N
HO
H
S
+
N
- H 2O
O
Diazonium-Ion
N
3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
3.) Azo-Kupplung:
+
Na O
-
O
S
O
O
+
N
+
N
S
elektrophile Substitution
O
-
Na
+
-H
O
+
+
Na OOH
Nu-
O
S
O
O
Gelborange S (E 110)
N
N
S
O
OH
Na
O
+
3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
Azofarbstoff E 110 (Gelborange S)
• Charakteristisch: Azogruppe (–N=N–)
+
Na O-
O
S
O
O
N
N
S
Na
O
+
O
OH
• Farbigkeit: n
π*-Übergang + ausgedehntes
delokalisiertes π-e--System
• ADI: 0 - 2,5 mg/kg (WHO)
3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
V4: Kaviar aus Alginat
Alginate: Polysaccharide aus Braunalgen
Bausteine: Uronsäuren (Guluronsäure, Mannuronsäure)
Gelbildung : Ca2+-Bindung durch Polyguluronat-Sequenzen
-OOC
OH 1
α
4
-OOC
O
O-
O
...O
OH
O
Ca2+
O
OH
1
α
H
O
4
-OOC
OH
H
H
H
O...
O
OH
Ca2+
O H
HO
OH
OH
OH
1
OH
Guluronat
Jedes Ca2+-Ion: Koordination von 4 Guluronat-Resten (
Eierschachtelmodell
Ca2+
Ca2+
Ca2+
(Dimere)
)
3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“
Alginate in der Lebensmittelindustrie
• Häufiger Lebensmittelzusatzstoff (E 400 - 404)
Beispiele:
Einsatzbereich
Ausgenutzte Eigenschaft
Puddings, Mousse,
Cremefüllungen,
restrukturierte Lebensmittel
Gelbildung
Eis, Milchmixgetränke,
Suppen, Soßen, Mayonnaise
Verdickung, Stabilisierung
von Emulsionen
Schutzüberzüge für Fisch und Filmbildung
Fleisch
4. Hauptgericht
Hauptgericht:
Schweinefilet
an neuen
Kartoffeln
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Was ist Fleisch?
• Skelettmuskelgewebe mit Fettund Bindegewebe
• Fleischbestandteile:
Proteine
Fette
Kohlenhydrate (Glycogen: α-1-6-Glucose)
Mineralstoffe
Wasser
• Pro Kopf: 60 - 80 kg/a (Industrieländer)
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Fleischzartmacher
Inhaltsstoffe:
•
•
•
•
Enzym: Papain
Kochsalz + Gewürze
Trennmittel: SiO2
Pflanzliches Öl
Wirkung des Fleischzartmachers:
• Proteolytisches Enzym Papain entfaltet Kollagen
• Kollagen wird abgebaut, Aminosäuren freigesetzt
• Partiell denaturiertes Kollagen = Gelatine
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Demo 2: Enzymwirkung von Papain
• RG 1: Gelatine + Papaya
• RG 2: Gelatine + Fleischzartmacher
• RG 3: Gelatine + Zitrone (Blindprobe)
Carica papaya
4. Hauptgericht: Schweinefilet
V5: Aminosäure-Nachweis mit Ninhydrin
Bruttoreaktion:
O
O
-
-
O
R
2
O
O
+
+ H3N
-
N
O
-H+
O
H2O
O
O
H2O
Ruhemanns Purpur
Farbstoff-Anion
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Reaktionsmechanismus
(stark verkürzt)
O
O
O
Indan-1,2,3-trion
OH
H2O
-H 2O
OH
O
O
O
O
COOH
O
δ-
δ+
+
H2N
HO
OH
O
Halbaminol
R
N
H
H
O
R
H
O
O
O
O
H
H
OH
O
H
R -H2O
N
H
O
R
H
O
H
N
KET
KET
N
R
-CO2
E1
cb
O
OH
4. Hauptgericht: Schweinefilet
O
H
O
R
H
H2O
N
NH2
n. A.
+
R
O
Aminoketon
OH
Aldehyd
OH
O
O
NH2
δO
+
O
via:
s.o.
δ+
N
-H 2O
-2H
+
O
O
OH
O
O
-
O
O
N
O
O
O
N
-
O
Ruhemanns Purpur
O
Chromophor: (Kreuzkonjugation), λmax = 570 nm
-O
-
4. Hauptgericht: neue Kartoffeln
V6: Die Kartoffelschrift
Elektrolytischer Stärkenachweis
Anode: Oxidation
2
-1
I-(s/aq)
0
I2(aq) + 2 e-
I2(aq) + I-(aq)
I3-(aq)
Kathode: Reduktion
+1
2 H2O + 2 e-
I
I
I-
0
H2(g) + 2 OH-(aq)
• Polyiodid-Ionen werden in Amylose-Helix eingelagert
• Blaufärbung durch CT-Komplex
5. Nachspeise
Nachspeise:
Obstsalat
5. Nachspeise: Obstsalat
Demo 3: Enzymatische Bräunung
• Apfelraspeln mit Ascorbinsäure oder Zitronensaft
• Phenoloxidase: Optimum bei pH = 7
Enzymatische Bräunung abhängig von:
• Polyphenoloxidase
• Sauerstoff
• Polyphenolvorkommen: 0,1 - 1% (Apfel)
OH
OH
OH
O
OH
COOH
HO
OH
O
NH2
Dopa
Quercetin
OH
5. Nachspeise: Obstsalat
Enzymatische Bräunung
OH
OH
O
OH
1/2 O2
COOH
NH2
COOH
L-Tyrosin
O
O
1/2 O2
COOH
NH2
COOH
Dopa
NH2
HO
Dopachinon
O
COOH
COOH
H N H
HO
O
O
N
H
Dopachrom
Leukodopachrom
Dopachinon
O
N
H
O
COOH
O
Melanine
N
H
Indolchinone
O
N
H
Polymerisation
5. Nachspeise: Obstsalat
V7: Reduktionswirkung von Ascorbinsäure
Reduktion:
+3
+2
2 Fe3+(aq) + 2 e-
2 Fe2+(aq)
Oxidation:
OH
OH
+1
O
HO
+1
O
+2
O
OH
HO
O
O
+ 22 HH++(aq)++22 ee-+
+2
OH
O
Dehydroascorbinsäure
Ascorbinsäure (Vitamin C)
Bildung von Turnbulls Blau:
+3
+2
+2 +3
K3[Fe(CN)6](aq) + Fe2+(aq)
K[FeFe(CN)6](aq)
rotes Blutlaugensalz
Turnbulls Blau
„Demo 4“:
Geschmack von Obstsalat
Guten Appetit!
6. Schulrelevanz
Nahrungsmittel im Lehrplan
Grundlage: Hessischer Lehrplan für das Fach
Chemie an Gymnasien (G8)
• GK / LK 11G.2 Naturstoffe
- Fette
- Kohlenhydrate
- Aminosäuren, Peptide, Polypeptide
Eigenschaften
Reaktionen
Nachweise
• GK / LK 12G.2 Wahlthema Angewandte Chemie
- Nahrungsmittel (Herstellung, Analyse, Struktur,
im Organismus, Inhaltsstoffe)
Abbau
Ende
5. Nachspeise: Obstsalat
Struktur des Turnbulls Blau:
+3
+2
K+
(aq)
+ [Fe(CN)6
]4-
(aq)
+
Fe3+
+3 +2
(aq)
K[FeFe(CN)6] (aq)
Lösliches Berliner Blau
+2 +3
3 [FeFe(CN)6
+3 +3 +2
]-
(aq)
+
Fe3+
(aq)
Fe[FeFe(CN)6]3 (s)
Unlösliches Berliner Blau
Struktur von K[FeFe(CN)6]:
5. Nachspeise: Obstsalat
Melaninsynthese:
5. Nachspeise: Obstsalat
Melanin:
Gr. „melas“= schwarz,
düster
H
N
O
Polymerisierte Indole
O
O
O
H
N
N
H
O
O
Schwarzbraune
Pigmente
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Reaktionmsmechanismus:
1.) Kondensation zwischen AS als N-Nucleophil und mittlere
Carbonylgruppe:
O
O
R
O
OH
O
+ NH 2
R
-
H
OH
+
N
O
O
H
O
O
2.) Bildung eines Immonium-Ions:
O
O
H
R
O
R
OH
N
+
~H
NH
+
O
H
O
O
OH
+
O
OH-
4. Hauptgericht: Schweinefilet
3.) Zwitterion-Bildung und E1cb-analoger Zerfall:
O
R
N
O
OH
+
O
+
HO
-
- H2O
N
- H 2O
H
N
O-
O
O
R
+
...
+
O
N
H
- CO 2
H
O
+
Zwitter-Ion
O
R
O-
H
O
O
R
O
H
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Mesomere Grenzstrukturen
O
O
R
-
C
R
+
+
N
H
N
H
H
O
O
Azomethinylid
4.) Bildung eines Immonium-Ions:
O
R
-
C
OH
H
H
+
H
+
+
N
N
H
O
R
H
O
H
4. Hauptgericht: Schweinefilet
4.) Hydrolyse:
R
OH
OH
H
+
N
~H
H
R
H2O
NH2
+
O
H
Aminoketon
O
+
Aldehyd
O
5.) Kondensation von Aminoketon und Ninhydrin:
H O
2
O
OH
NH2
O
+
O
∆
O
O
OH
-
+
NH
H
O
O
Imin
O
4. Hauptgericht: Schweinefilet
O
OH
O
-
H2O
+
NH
-H
H
O
+
O
O
-
-
O
N
O
O
Ruhemanns Purpur
Chromophor:
(Kreuzkonjugation)
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Vom Kollagen zur Gelatine
• Kollagen: Bindegewebsprotein, (20 – 25 % des Proteins)
• Charakteristische AS-Zusammensetzung: Gly, Pro, Hyp
Aufbau: 3 Peptidketten
Tripelhelix
Kollagen:
Kollagen-Tripelhelix
• Quervernetzungen zwischen Lysin werden aufgebrochen
• Je weniger Quervernetzungen, desto zarter Fleisch
• Aminosäuren werden freigesetzt
4. Hauptgericht: Schweinefilet
H
H
O
N
δ
+
O
δ-
H
O
O
COOH
O H
O
R
H
N
O
H
O
COOH
R
H
O
O H
H
H
O
-H2O
N
H
COOH
R
O
O
O
H
-H+
H
H
R
H O
O
O
N
H
R
H O
O
COOH
O
R
O
O
N
H
COOH
R
O
O
H
N
N
+H+
-CO2
N
H
R
H O
O
O
N
H
R
O
H
4. Hauptgericht: Schweinefilet
O
O
O
H
N
H
H
R
O
N
+H2O
N
H
R
H
O
O
R
O
H
H
H
O
H
H
H
N
-R
R
O
NH 2
O
H
O
O
O
O
O
O
H O
H
N
+
O
N
H
O
H
O
H
NH 2
H
H
O
O
O
O
H
O
H
4. Hauptgericht: Schweinefilet
O
O
O
-H+
N
O
O
O
H
O
N
O
O
O
O
N
O
O
…
N
O
Ruhemanns Purpur
O
O
3. Vorspeise
Molekulare Mechanismen der
Geschmackserkennung
Süß:
• größte Variabilität in Struktur der süßschmeckenden
Moleküle
• Künstliche Süßstoffe: meist Zufallsentdeckungen
• Strukturelle Gemeinsamkeiten:
- 2 polare Substituenten
- 1 nucleophile/ 1 elektrophile Gruppe
• Rezeptor-Bindungsareal: hydrophobe Tasche mit
korrespondierenden Gruppen
3. Vorspeise
Signaltransduktion: süß
•
•
•
•
•
•
•
G-Protein-gekoppelte Transduktionskaskade
Ligand bindet an Rezeptor
G-Protein aktiviert Adenylatcyclase
Dadurch wird ATP in cAMP umgewandelt
cAMP aktiviert Proteinkinase
Phosphorylierung von K+-Kanal
K+-Kanal wird geschlossen
Depolarisation
4. Hauptgericht: Schweinefilet
V6: Modellversuch „Das Brataroma“
H2S-Nachweis mit Bleiacetatpapier
• Aus schwefelhaltigen AS wird H2S(g) gebildet
H2S(g) + Pb2+(aq) + 2 H2O
PbS(s) + 2 H3O+(aq)
(schwarzbraun)
4. Hauptgericht: Schweinefilet
Braten von Fleisch
Maillard-Reaktion: (nach L.C. Maillard; 1912)
•
•
•
•
nicht-enzymatische Bräunungsreaktion
Temperaturabhängig
Vielfältige Reaktionsprodukte (nicht vollständig geklärt)
Bräunung: Aminosäuren reagieren mit reduzierenden
Zuckern (Glycin + Glucose)
• Aromabildung: aromaintensive Verbindungen aus
schwefelhaltigen Aminosäuren (Methionin, Cystein)
• Beispiel: H2S
2. Klassifizierung
Anteil der Nahrungsmittel an der
Ernährung:
Vorspeise
Hauptgericht
Nachspeise