PowerPoint-Vortrag, ppt 2,8 MB

Lebensmittelchemische
Experimente für
Schülerübungen
Oder: Warum schmecken Gummibärchen rot?
AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth
Sie erfahren heute etwas darüber...
1. Warum ich es für sinnvoll halte,
Kenntnisse über Lebensmittel im CU
zu vermitteln,
2. welcher Art die Kenntnisse sein
sollen, die ich meine und
3. wie ich mir die Vermittlung über
Rezepte vorstelle.
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Begründung für Lehrer
Benjamin Kiesewetter argumentierte 1996 in Berlin,
dass er im Chemieunterricht:
„ ...gesundheitsgefährdendem Stress
und Angstattacken ausgesetzt sei, da er
gegen seinen Willen Lehrstoff pauken
müsse, von dessen Nutzlosigkeit er
überzeugt sei;
er fürchte, dass seine Wissbegierde und
Lernfähigkeit getötet oder zerstört
würde...“
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Begründung
Lieferwagen fliegt bei
Glatteis aus der Kurve =
kein Physikunfall!
Unfall.
Brauner Zucker ist
gesund = Biologie.
Dabei platzt ein 100-LiterTank Reinigungsmittel =
Chemieunfall.
Weißer Zucker ist
ungesund = Chemie.
„Ich mag keine Chemie in
der Nahrung.“
„Hast Du nicht etwas,
damit der Obstsalat nicht
braun wird?“
Diese Widersprüche lassen sich
nicht mit
noch mehr Fachwissen Chemie
aus der Welt schaffen!
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Das Entfaltungsmodell
ES
Fachliche Perspektiven
und Strukturen
WI
R
Kommunikation über
Erfahrungen und Begriffe
ICH
Subjektive Erfahrungen
und Vorstellungen
Dann von der Fachsystematik aus (traditionelle fachliche Sicht)
Zitrone schmeckt sauer
pH-Wert messen
Erst von Erfahrungen des
Lernenden aus (neue
lerntheoretische Sicht)
Säure-Base-Konzepte
Quelle: Schorch / Wagner in: Konkrete Fachdidaktik Chemie, Oldenbourg, München 2002
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Beispiel: Erstkontakt mit Chemie...
...Beschreibung einer einführenden
Unterrichtseinheit
zum Lernbereich „Aufgabenbereich eines
Chemikers“
Aufgabe, Bsp. Realschule, Jgst. 9
http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/erstbegeg/erstbegegnung.htm
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Reaktionen der Schüler
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Brausepulver als Gemisch
große Kristalle:
Zitronensäure
Saccharose
„weisses“ Pulver:
Hydrogencarbonat
Aroma auf Lactat
Süssstoff
farbige Körnchen:
Farbstoff
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Hilfe durch die Zutatendeklaration
Zucker
Säure
Farbstoff
Zucker Säuerungsmittel: Weinsäure
NatriumhydrogencarbonatSüßstoff
Aroma Farbstoff
NaHCO3
Aroma
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Süßstoff
Vom Untersuchen zum Herstellen
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Das selbst hergestellte Produkt:
1. Diskutieren Sie: sollen
Farbstoffe ‘rein oder
nicht?
2. Führen Sie durch: mit
und ohne Farbstoff in
untersch. Gruppen
(Schüler wissen nicht,
dass es sich um ansonsten identische
Rezepte handelt), mit
Colasirup bzw. Aromen.
3. Diskutieren Sie:
welche „Sorte“
schmeckt besser?
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Lernfelder im „Zusammenhang“
Mischen
und
Trennen
Brause
chemische
Reaktion
Säuren
und
Basen
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Sie sind ja schließlich zum arbeiten hier!
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Die 100-Euro-Frage.
Welche Wurst (alle drei: Göttinger) ist frisch?
A
C
B
D: gar
keine?
Sie denken falsch,
Antwort ist aber
richtig.
Kann schon sein.
Sie sehen richtig,
Antwort ist aber
falsch.
Sie sehen falsch,
Antwort ist auch
falsch.
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Die Logik
Gebrühtes Fleisch ist grau.
Wiener sind nicht grau.
Sie sind aber (ab)gebrüht.
Folglich?
Ähnliches Beispiel: Brot
Welches der Brote ...
... ist am gesündesten?
Was haben wir gelernt?
• Etwas über die Rolle von Farbstoffen in
Lebensmitteln
• Dass es zwei Farbstofftypen gibt:
- solche, die im Verlauf der Herstellung
entstehen (Maillard-Produkte bzw. Reduktionsprodukte aus natürlichem Umfeld) und
- als Farbstoffe zugesetzte (z.B. Backfarben)
• Grenzen unseres Erfahrungswissens =
Ansatzpunkt für den fachlichen Unterricht
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Die besondere Erkenntnis
Besteht der Verbraucher auf einer
bestimmten Farbe, kriegt er sie.
Etwas offen ist noch:
Wann und wo entsteht die
unverrückbare Vorstellung davon,
wie ein Produkt auszusehen hat?
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Beispiel: Herstellung von Fruchtgummi
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Ein Rezept in der Chemie
Zutaten für 500g Fruchtgummi „Himbeere“:
Man nehme:
175g
140g
50g
135ml
10g
35Tr.
5Tr.
Invertzucker
Zucker
Gelatine
Wasser
Äpfelsäure
Himbeeraroma
Lebensmittelfarbe
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Essen im Chemiesaal...
... mit Vergnügen!
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Mehrwert: Technologie
Problemstellung:
1. Das Produkt muss wirklich gummiartige
Konsistenz haben und über eine längere Zeit
behalten. (Lösung: Invertzucker)
2. Wie formt man eine flüssige, gummiartige,
stark klebende Masse?
(Lösung: Stärkebett)
http://www.haribo.de/exclusiv/geburt/geburt01_rgt.html
http://www.jellybelly.com/About/Tours/Virtual_Tour.htm#step1
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Fruchtgummi mit Pektin
Man nehme:
• Invertzucker
• Apfelpektin
• Zucker
• Wasser
• Citronensäure (Lösung)
• tri-Natriumcitrat (Puffer)
• Himbeeraroma
• Lebensmittelfarbe
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Obstpektin ≠ Citruspektin
• 95%  -(1,4)-Polygalacturonsäuremethylester
(20-80% verestert)
• Faltblatt
• 5% Glc, Dal, Xyl...
• E 440a
• Pufferung nötig – Gelierpunkt wird über pH und
Zuckergehalt gesteuert
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Projektschema Fruchtgummi
Alkanol
Carbonsäure
5x
Saccharose
Wasser
Katalysator
Säure
Reaktionsgemisch
Invertzucker
2x Destillation
Reste der Edukte
+ Nebenprodukte
Ester
Saccharose
5 Ester
2x Schlüsselv.
7x
Gelatine
"Körper"
4x Aromaverst.
2x Lösemittel
naturidentisches
Aroma
Säure
Farbstoff
Mischen
Gießen
Aroma
Fruchtgummi
fachübergreifende
Aktivitäten
marktreifes
Produkt
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Die 1000-Euro-Frage.
Wonach schmecken die grünen Haribo-Gummibärchen?
A: nach Kiwi
B: nach Apfel
C: nach Erdbeere
D: nach Waldmeister
Sie kommen ja nicht einmal über die
100 Euro hinaus, wie wollen Sie da Millionär werden?
Stimmt nich‘! Grünes Shampoo schmeckt nach Apfel!
Stimmt auch nich‘! Is‘ doch keine Brause!
Rrrrrichtig! Sie sind aber gut!
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Die ganz gemeinen Chemiker:
Geräusch (z.T. Knochenleitung)
Visueller Eindruck: Glanz, Größe,
Farbe, Form
synchron
Geruch: Aroma
Geschmack: sauer, süß, salzig, bitter, umami, „Nr.6“
Mundgefühl: adstringierend, brennend, kühl, warm,
Muskel- und Gelenkbewegung, Konsistenz, Textur
Vorerfahrung
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http://www.gummibaeren-forschung.de/
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Was haben wir gelernt?
• Invertzucker ist ein Saccharoseprodukt
(Stoffartumwandlung, also „Chemie“)
• Gesamtzuckergehalt sehr hoch,
Fettgehalt 0 (Null) (Vorsicht: Werbung!)
• Trick, wie man eine klebrige Masse in
Form bringt.
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Beispiel: Bonbons mit / ohne Zucker
Bonbons sind Gläser:
Kochtemperatur
reine Sac-Lösung
Trockenmasseanteil
100,2 °C
10 %
101,8 °C
50 %
113,3 °C
85 %
137,7 °C
98 %
Schlangenkochmaschine
2m
Quelle: Bosch
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Kleinschlauchbeutelmaschine
Quelle: Bosch
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Rezepte
Zutaten für jeweils 100g Bonbons
Zuckerbonbons Isomaltbonbons
60g Zucker
23ml Wasser
17g Invertzucker
1g Citronensäure 1g
2Tr.
2Tr. Farbstoff
10Tr.
10Tr. Aroma
100g
Isomalt
Physiol. Brennwert:
ca. 50%
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Isomalt
CH2OH
CH2OH
H C OH
HO C H
HO C H
HO C H
H C OH
H C OH
CH2OH
H C OH
OH
O
OH
CH2OH
OH
O
CH2
O
OH
Isomalt GPS
H C OH
OH
CH2
O
OH
Isomalt GPM
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Bonbons aus Isomalt sind:
• Gesünder für die Zähne
nicht kariogen
• Besser für die Figur
geringer physiologischer Brennwert
• Besser für die Industrie
hoher Preis
• Einfacher durch Schüler herzustellen
kein Karamellisieren oder Kleben
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Lehrer und ihr Produkt
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Was haben wir gelernt?
• Isomalt ist ein Saccharoseprodukt
(Stoffartumwandlung, also „Chemie“)
• Zuckerfrei heißt nicht wirklich zuckerfrei
• „Zucker“ ist nicht pauschal ungesund
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Beispiel: Herstellung von Eiskrem
...ein etwas komplexeres Thema
zum Lernbereich „Kohlenhydrate“
bzw. „(Fett)Ersatzstoffe“
Ausgangspunkt: Deklaration
Emulgator
Stabilisator
Natürliches Aroma
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Ziele:
1. Umsetzen einer wohlschmeckenden
Rezeptur in der Zusammensetzung, wie
sie für Handelsprodukte verwendet wird.
2. Verstehen der Wirkung bedeutender
Zusatz- und Ersatzstoffe.
3. Werten der Wirkung dieser Stoffe.
4. Übertragen der Erkenntnisse auf
Alltagssituationen.
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„Stabilisator: Johannisbrotkernmehl“
OH
OH
OH
O
RO
O
HO
OR
RO
OR
O
HO
OH
O
OH
O
O
OH
O
OH
OR
OH
RO
O
O
OR
O
HO
OH
OR
O
OR
O
HO
O
O
O
HO
R=CH2COONa
= Carubin
• -(1,4)-Polymannose-Polyether mit
-(1,6)-Galactose-Ether-Verzweigungen
• Mannose : Galactose = 2 : 1
• Anordnung der Gal-Reste in Paaren oder Tripletts.
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OR
O
O
Ein Eiskrem-Rezept aus der Chemie
Zutaten für 500g Schoko-Eiskrem „Regina“:
250ml
170ml
36g
2P.
0,7g
16g
2g
10g
Milch (3,5%)
Sahne (30%)
Zucker
Vanillinzucker
Johannisbrotkernmehl
Magermilchpulver
Tegomuls
Kakaopulver
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Chemische Fabrik „Johannisbrotbaum“
Stabilisatorenproduktion
durch
Ceratonia
siliqua L.,
(Habitus)
Wenig
stabile
Lage von
Bettina
wagneriana
M.
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Vom Produzenten zum Produkt...
Blatt
Frucht
weibl.
Blüte
Ceratonia siliqua L
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Die Zutaten im Bild
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Was stabilisieren Stabilisatoren?
• Konsistenz (Eiskrem tropft nicht / kaum)
• Feuchtigkeitsgehalt (kleine Kristalle)
• Emulsionen (Fetttröpfchen in Wasser)
• Luftblasen in Flüssigkeit (über Gelbildung)
• Mundgefühl („sahnig“ trotz wenig Fett)
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Stabilisatoren in Eiskrem
• Johannisbrotkernmehl („Baum“)
E410
• Guarkernmehl („Baum“)
E412
• Carrageen (Algen)
E407
• Alginat (Algen)
E400• Pektin (Obsttrester)
E440
• Gelatine (Schweineschwarten)
--• Na-Carboxymethylcellulose (mod. Cellulose) E460• Flunder-AFP (Fisch – Anti Freeze Protein)
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Die 10.000-Euro-Frage
Wie viel wiegt die Familienpackung mit 1 Liter Eiskrem?
A: ca. 500g
B: ca. 800g
C: ca. 1000g
D: ca. 1100g
Nah dran, aber doch vorbei.
Sie denken richtig, das Ergebnis aber falsch!
Sie denken noch richtiger, das Ergebnis ist aber
trotzdem falsch!
Genau! Das Wochenende ist geritzt!
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Erweiterung
Zutaten für 500g Schoko-Eiskrem „Regina“:
250ml
170ml
36g
2P.
0,7g
16g
2g
10g
1100
Milch (3,5%)
380ml
Sahne (30%)
50ml
Zucker
36g
Vanillinzucker
2P.
Johannisbrotkernmehl
0,7g
Magermilchpulver
16g
Tegomuls
2g
Kakaopulver
10g
Inulin (Fibruline)
50g
Brennwert in kJ/100g 530 = 48%
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t
Am Rande: Fettersatzstoffe
Auf Basis von Kohlenhydraten
- in:
• Fibruline (Polyfructosan) - Backwaren, Joghurt
• Nutrifat C (Stärke) - Tiefkühldess., Mayonnaise
• AVICEL (Cellulose) - Salatdressing
Andere Basis, in Deutschland nicht verwendet
bzw. nicht zugelassen:
• Simplesse (Proteinbasis)
• Olestra (synthetisch: Polyester)
• Polysiloxane (Silikon)
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Eiskrem in Gruppenarbeit
1. - Emulgator
5. - Ei
2. - Stabilisator
6. + Farbstoff
3. vollst. Vanille
7. vollst. Vanille
4. vollst. Schoko
8. vollst. Schoko
9. vollst., Schoko,
brennwertreduziert
10. vollst., Frucht,
(frische Früchte)
(industr.) Eiskrem
(ital.) Einfacheis
10*3=30
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Eiskrem in der Lehrerfortbildung
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Was haben wir gelernt?
• Stabilisator (Johannisbrotkernmehl) ist ein
Naturprodukt (also keine „Chemie“)
• Eiskrem ist zur Hälfte Luft (Aufschlag)
• Der Fettanteil von Eiskrem ist recht hoch
• Inulin ist ein Fettersatzstoff aus der Natur
• Aussagen gewinnt man durch
Experimente, in denen man immer nur
einen Faktor variiert.
t
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Beispiel: Aromen
...ein Thema zum Lernbereich „Ester“
bzw. „Aromastoffe / Lebensmittelaromen“
Zutatendeklarationen 1
Nitritpökelsalz
Modifizierte Stärke
Johannisbrotkernmehl
Guar
Xanthan
Aromen
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Zutatendeklarationen 2
Modifizierte Stärke
gehärtetes pflanzliches Fett,
Sahnepulver
Mononatriumglutamat
Süßmolkenpulver
Aroma
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Die 58 wichtigsten Aroma-Komponenten
von Ananas sativa L.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
4-OH-3,5-dimethoxybenzald.
Ethyl-4-acetoxyhexanoat
2-Butoxyethanol
Methyl-trans-3-hexenoat
Ethyl-2-methylbutanoat
Methyl-2-methylpropanoat
Phenol
4-Hydroxybenzaldehyd
Methylheptanoat
Ethyl-5-acetoxyhexanoat
Ethyl-3-hydroxyhexanoat
Ethyl-4-acetoxyoctanoat
Ethyloctanoat
Isobutylethanoat
(S)-2-Methylbutansäure
Chloroform
(S)-4-Hydroxyoctansäurelacton
5-Hydroxyhexansäurelacton
Vanillin
Hexansäure
Isopentanol
Ethylpropoanoat
Propylethanoat
Methyl-trans-octenoat
Copaen
Ethyl-trans-3-hexenoat
Methyl-cis-4-decenoat
Ethyl-3-acetoxyoctanoat
Methyl-3-hydroxyhexanoat
Methyl-2,4-hexadienoat
0,08 ppm
0,076
0,074
0,07
0,07
0,06
0,054
0,05
0,05
0,05
0,05
0,042
0,04
0,04
0,04
0,04
0,01-0,04
0,03
0,023
0,023
0,023
0,02
0,006-0,02
0,015
0,015
0,015
0,014
0,013
0,012
0,011
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
Hexanal
Benzaldehyd
2-Pentanon
Ethyl-2-propenoat
Methylpropanoat
Methyl-3-methylbutanoat
3-Methyl-2-pentanol
Isopentylethanoat
(R)-4-Hydroxydecansäurelacton
2-Pentanol
Methyl-4-acetoxyoctanoat
Ethylpentanoat
Ethyl-2-methylpropanoat
Methyl-3-hexenoat
Ethyl-trans-2-hexenoat
(R)-4-Hydroxydodecansäurelacton
(R)-4-Hydroxyheptansäurelacton
(R)-4-Hydroxynonansäurelacton
(S)-4-Hydroxyheptansäurelacton
(S)-4-Hydroxynonansäurelacton
1,trans,-3,trans-5,cis-8-Undecatetraen
1,trans-3,cis-5-Undecatrien
(S)-4-Hydroxydecansäurelacton
Ethyl-(methylthio)-ethanoat
Allylhexanoat
1,trans,-3,cis,-5,cis-8-Undecatetraen
1,trans-3,trans-Undecatrien
(S)-4-Hydroxydodecansäurelacton
Es folgen weitere 225 nicht genau
quantif. Aromen-Komponenten.
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0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,009
0,009
0,008
0,007
0,007
0,006
0,006
0,006
0,005
0,005
0-0,003
0,002
0,002
0,0017
0,001
0,001
0,001
0,001
<0,0005
<0,0005
<0,0005
<0,0005
<0,0005
t
Rezept „Andrea 4“
Rolle: Lösemittel
Nr. Name
Gef. Menge
1
Ethanol w=96%
2
Propylenglycol
F
AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth
6 ml
4 ml
Rezept „Andrea 4“
Rolle: Schlüsselverbindungen
Nr. Name
Gef.
Menge
3
Allylhexanoat (Pos. 55!)
T, F
1 ml
4
Methyl-(3-methylthiopropanoat)
F
1 Tr.
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Rezept „Andrea 4“
Rolle: Körper
Nr. Name
Gef. Menge
5
Ethylbutanoat (Buttersäureethylester)
25 Tr.
6
Ethylhexanoat
Xi
7
3-Methylbutylethanoat
F, Xi 18 Tr.
8
Ethylethanoat
F
8 Tr.
9
Ethyl-2-methylbutanoat
F
19 Tr.
10 Ethylpropanoat
F
18 Tr.
11 4-Hydroxyhexansäurelacton
Xi, F
AkadOR W. Wagner, Didaktik der Chemie, Universität Bayreuth
11 Tr.
4 Tr.
Rezept „Andrea 4“
Rolle: Aromaverstärker
Nr. Name
Gef.
Menge
12 3-Hydroxy-2-methyl-4-pyron
Xn
gr. Spatelsp.
13 Vanillin
Xn
gr. Spatelsp.
14 2,5-Dimethyl-4-hydroxy-3(2H)-furanon
kl. Spatelsp.
15 Orangenöl, süß
13 Tr.
Summe der Mengen:
V(max.)=15 ml
Gesamtpreis bei Mindestbezugsmengen:
EUR 170.-
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Die 100.000-Euro-Frage:
Woher stammt „natürliches Aroma Erdbeere“?
A: von einem Pilz
B: aus Erdbeeren
C: aus natürlichen
Stoffen gemischt
D: aus Trockenfrüchten
Nein, nein, tschüss, Million.
Sie denken richtig, das Ergebnis ist aber (wie erwartet)
falsch!
Das denken viele, das macht das Ergebnis aber nicht
richtiger!
Genau!
Sie fahren wahrscheinlich heute mit dem Taxi heim!
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Klassifizierung von Aromen
1. synthetisch: Stoffmischung gibt es in der Natur
nicht; Red Bull, Bubble-Gum
2. naturidentisch: Stoffe sind synthetisch, Mischung
ist erfolgt, aber nur solcher Stoffe, die in den
biologisch gewachsenen Aromen ebenfalls enthalten
sind. Erdbeere, Kirsch, Ananas.
3. natürlich:
A: „natürliches Aroma ...“ wird von natürlichen (!)
Organismen hergestellt; Erdbeeraroma durch Pilze
B: „natürliches Erdbeeraroma“ wird aus
ursprünglichen Produzenten extrahiert;
Erdbeeraroma aus Erdbeeren
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Zusammenfassung
1. Warum im CU Kenntnisse über
Lebensmittel vermitteln:
• Wo denn sonst?
• Zusammenarbeit mit Hauswirtschaft
• Mehr Alltagsrelevanz als konz. H2SO4
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Zusammenfassung
2. Art der Kenntnisse: z.B.
• Inhaltsstoffe
• Zusatzstoffe
• Technologie
• Unterschied zwischen Chemie
(Stoffartumwandlung) und Physik
(Zustandsänderung)
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Zusammenfassung
3. Vermittlung über Rezepte:
• Alltagsrelevanz: wo ist ein Schüler häufiger, in
der Küche, auf der Baustelle (Zement, Kalk) oder im
Aluminiumwerk?
• Bieten ein Mindestmaß an Offenheit:
Variation von Zutaten, kreatives Gestalten
• Ergebnisse attraktiv, plakativ und
professionell.
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Meine Schlussfolgerungen
1. Auch mit Lebensmitteln kann man
Chemie unterrichten.
2. Kommunizieren kann man nicht nur
über Formeln.
3. Es ist auch dann Chemie,
wenn es Spaß macht und gut
schmeckt.
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Die 1.000.000-Euro-Frage!
Wer zahlt das Preisgeld aus?
A: Kultusministerium
SH
B: Herr Lindner
C: IQSH
D: der Vortragende
Sie denken zwar richtig, hilft aber nix, denn es hat
schon den Vortragenden bezahlt!
Sie denken richtig, die schicken Sie aber nach Bayern!
Wollen Sie da wirklich hin?
Sie denken wieder richtig, der schickt Sie aber zu
Herrn Lindner!
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Volltreffer. Hier ist sie!