Ergänzung zum Projekt Konservierung überall

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Ergänzung zum Projekt Konservierung überall:
Überblick über die Einzelthemen des Projekts mit Bearbeitungshinweisen und schwerpunkten
Hier finden Sie eine Übersicht der Themen, die in diesem Projekt angedacht und
durchgeführt wurden (*). Die Einzelthemen wurden in Partnerarbeit durchgeführt. Alle
Themen eignen sich auch als Facharbeitsthemen, einzelne sich auch für den
Sekundarbereich I geeignet.
Themenbereich 1: Konservierung in der Lebensmittel- und kosmetischen Industrie
Thema 1: Konservierung von Lebensmitteln - früher und heute (*).
Leitthemen: Bedeutung der Konservierung; wovor soll sie schützen; kurzer
historischer Abriss der Verfahren;
Thema 2: Pökeln am Beispiel des Corned Beefs(*)
V: Pökeln von Fleisch
V: Einsalzen von Weißkohl
Leitfragen: Was ist Pökeln und weshalb eignet es sich zur Konservierung?
Welche Verfahren gibt es? Wie effektiv ist die Methode?
Thema 3: Schwefeldioxid als Konservierungsmittel in Wein und Trockenfrüchten (*)
V: Bestimmung des Schwefeldioxidgehalts von Wein und in Trockenfrüchten
durch iodometrische Titration
V: Schwefelung von Dörrobst
Ziel: Bestimmung der Sulfitkonzentration in Wein und Trockenfrüchten; Vgl. der
Konzentrationen; Bedeutung der Schwefelung durch Fäulnistest
Thema 4: Kupfersalze machen Gemüse grün (*).
V: Wirkung von Kupfersalzen auf Gemüse.
V: Nachweis von Kupfersalzen in Gemüsekonserven.
Ziel: Untersuchung und Vergleich der Kupferkonzentration verschiedener
Gemüsekonserven; Bedeutung und Gefährdung des Zusatzes von Kupferionen
Thema 5: PHB-Ester als Konservierungsmittel
V: Synthese von p-Hydroxybenzoesäuremethylester
V: Untersuchung der Wirkung des PHB-Esters
Ziel: Darstellung von PHB-Estern und Nachweis der konservierenden Wirkung.
Thema 6: Sorbinsäure und Benzoesäure in Lebensmitteln
V: Nachweise der konservierenden Wirkung von Sorbin- und Benzoesäure
durch mikrobiologische Untersuchungen
Thema 7: Räuchern – chemisch betrachtet (*).
V: Räuchern von Lebensmitteln
Leitfragen: Weshalb konserviert Rauch? Welche Verfahren gibt es?
Thema 8: Bestimmung von Borsäure in russischem Kaviar (*).
V: Bestimmung von Borsäure in Kaviar
Leitfragen: Borsäure als Konservierungsstoff? Weshalb ist es nur für russischen
Kaviar erlaubt? Gibt es Gefährdungen durch Borsäure?
Themenbereich 2: Konservierung von Metallen – Korrosionsschutz
Thema 1: Korrosion von Metallen am Beispiel ausgewählter Gebrauchsmetalle (*)
V: Bedingungen der Korrosion
V: Korrosionsbeständigkeit verschiedener Stähle
Leitfragen: Was ist Korrosion? Korrosionsarten? Unter welchen Bedingungen
korrodieren Metalle? Schädigung des Metalls?
Thema 2: Ausgewählte Verfahren des Korrosionsschutzes am Beispiel des Eisens
V: Verzinken / Verzinnen
V: Passivierung
V: Kathodischer Schutz / Opferanoden
Leitthemen / Ziele: Darstellung und Vergleiche einiger wichtiger
Korrosionsschutzverfahren mit Bezug zu technischen Anwendungen
Thema 3: Galvanisierung von Metallen – Galvanotechnik (*)
V: Galvanisierung von Metallen
Ziele: Darstellung der Bedeutung des Galvanisierens von Bauteilen als
Korrosionsschutz.
Thema 4: Das Eloxalverfahren
V: Eloxieren von Aluminium
Ziel: Darstellung des Eloxalverfahrens / technische Anwendung
Thema 5: Entrostung von Eisen in Labor und Technik
V: Entrostung von Eisen durch Oxalsäure und andere organische Säuren
Leitfrage: Wie lassen sich Werkstoffe aus Eisen entrosten? Bedeutung der
Entrostung; Beleg durch eigene Versuche.
Thema 6: Von der Schildlaus zum Lack - Lacke als Rostschutz (*)
V: Herstellung eines Lackes
V: Untersuchung der Korrosionsbeständigkeit verschiedener Lacke
Leitfrage: Was ist ein Lack? Wie kann man einen Lack herstellen? Wie wird ein
Auto lackiert? Weshalb schützt ein moderner Lach vor Korrosion?
Themenbereich 3: Konservierung in der Archäologie und Denkmalpflege
Thema 1: Mumien – die chemischen Seiten eines religiösen Kultes (*)
V: Mumifizierung eines Tieres
Ziel: Bedeutung erläutern, Vorgang beschreiben, chemische Aspekte
erläutern soweit möglich
Thema 2: Bohlenkonservierung durch Zuckerlösungen
V: Konservierung von Holzstücken durch Zuckerlösungen verschiedener
Konzentration an Stelle des teuren PEG (Bsp.: Hansekogge)
Thema 3: Bautenkonservierung durch Natrium-Wasserglas
V: Konservierung durch Wasserglas
V: Flammschutz durch Wasserglas
Ziel: Einsatz von Na-Wasserglas beschreiben; Experimente auswerten, Vor- und
Nachteile der Verwendung von Wasserglas aufzeigen.
Zwei weitere Beispiele für angefertigte Projektarbeiten zum Themenbereich I:
Beispiel 1: Konservierung von Lebensmitteln – früher und heute
I) Die “Welt” im Supermarkt
Wer kennt ihn nicht, den Seelachs aus Alaska, den griechischen Wein, das Thüringer
Würstchen oder das Gemüse aus der Konserve mit einer Haltbarkeit von mehreren
Jahren? Ob “Exoten” oder “Einheimische” alle haben sie eins gemeinsam: eine mehr
oder weniger lange Reise per Schiff, LKW oder sogar per Flugzeug. Auch wenn sich
die Technik ständig weiter entwickelt und die Transportmittel immer schneller werden
- diese Reise kostet neben Kraftstoff auch Zeit; und Zeit ist in diesem Fall nicht nur
“Geld wert”, wie es das Sprichwort sagt, sie ist auch gleichsam ein Gegenspieler der
Haltbarkeit und somit auch des Verkäufers.
Denn eine lange Zeitspanne vom Erzeuger bis zum Verbraucher bedeutet auch “Zeit
zum Verderb“. Und diese (Zeitspanne) ist in den letzten Jahren und Jahrzehnten
gemäß der fortschreitenden Globalisierung immer größer geworden. Aber wer will
schon Schimmelpilze oder Kolonien von giftigen Bakterien kaufen, geschweige denn
verzehren? Der Verbraucher von heute will Saisonartikel während des gesamten
Jahres konsumieren. Da ist es doch in unserer Welt unumgänglich, in der längst nicht
mehr die Marmelade in Großmutters Einkochkessel eingeweckt und auch nicht mehr
das eigene Schwein geschlachtet wird, wenn es mal wieder Wurst geben soll, dass
wir unsere Lebensmittel haltbar machen, d.h. konservieren.
Was nun im Laufe der Zeit alles gegen den Verderb von Lebensmitteln entwickelt
wurde, welche Auswirkungen dies auf uns Menschen als Konsumenten hat und was
eigentlich den Verderb verursacht, all das werden wir im Folgenden genauer unter
die Lupe nehmen um somit die
“Konservierung von Lebensmitteln - früher und heute” näher zu erkunden.
II) Was bedeutet “Verderb?
Die zentrale Frage lautet hier, wer am “Schlecht werden”, wie es der Volksmund oft
bezeichnet, verantwortlich ist. Doch bevor wir uns den “Übeltätern” zuwenden,
definiere wir “Verderb”.
Definition Verderb:
Auch wenn jeder weiß, was Verderb bedeutet und dabei sofort an ´verdorbene
Lebensmittel´ denkt, so ist es gar nicht so einfach, “die Grenze des Beginns von
Verderb festzulegen, da nicht jede Veränderung eines Lebensmittels auch Verderb”
[1] in diesem Sinne bedeutet. Man denke an die Gärung zur Weingewinnung oder
die Käsereifung; hier ist Verderb erwünscht und macht das Lebensmittel wertvoller.
Außerdem sind “oft die Übergänge fließend und der Beginn des Verderbs nicht
eindeutig fassbar.
Aus diesem Grund spricht man heute nicht mehr von
verdorbenen Lebensmitteln, sondern von solchen, die in ihrem Wert gemindert sind”
[1].
Wie können Lebensmittel verderben?
Die eben beschriebene Wertminderung kann aufgrund der Tatsache, dass
Lebensmittel “lebende Materie” ist, sowohl durch physikalische, chemische, aber
auch durch biochemische und mikrobiologische Vorgänge hervorgerufen werden.
Während der physikalische Verderb eine “unerwünschte Änderung der Struktur
bedeutet, ohne dass sich die eigentliche Zusammensetzung ändert”[1], wie es z.B.
beim Austrocknen der Lebensmitteloberfläche der Fall ist, kann man das Ranzig
werden von Fetten dem chemischen, das Verschimmeln dem mikrobiologischen
Verderb zuordnen.
Wer verursacht Verderb?
Auch wenn es verschiedene Arten des Verderbens gibt, so sind die Verursacher
neben Enzymen hauptsächlich Mikroorganismen. Diese sind heterotroph und
benötigen folglich zu ihrer Ernährung energiereiche Substanzen, zu denen auch
unsere Nahrungsmittel zählen. Ihr Platz in der Nahrungskette ist also bei den
Zersetzern (Destruenten) zu suchen, weil sie tierische und pflanzliche Abfallprodukte
“mineralisieren” und damit wieder in eine für autotrophe Pflanzen assimilierbare Form
überführen. Zu den Mikroorganismen gehören Bakterien, Hefen und Schimmelpilze.
Im Folgenden werden wir diese drei Gruppen vorstellen und dabei ihren
Stoffwechsel, der zum Verderb der Lebensmittel führt, kurz erläutern.
A)Bakterien
Bakterien gehören zu den Einzellern und besitzen keinen echten Zellkern. Sie sind
somit Prokaryonten. Sie haben eine Größe von bis zu 0,15 mm. Meist sind sie aber
wenige zehntausendstel Millimeter groß. Morphologisch lassen sie sich in Kugelzellen
(“Kokken“) und Stäbchen (“Staphylokokken”) einteilen. Die Gattungen Bacillus und
Clostridum, z.B. Bacillus cereus, Clostridium perfingens und Clostridium botulinum sind
in der Lage hitzeresistente Sporen zu bilden, die ein Überleben auch bei schlechten
Bedingungen sichern. ”Sporen bilden sich also meist bei Erschöpfung des
Nährsubstrats aus oder bei enormen Temperaturveränderungen und keimen unter
Bildung von vegetativen Zellen wieder aus”[2], sobald die Wachstumsbedingungen
günstig sind. Um sich in flüssigen und aufgeschwemmten Medien aktiv bewegen zu
können, besitzen viele Arten, wie z.B. Salmonella, Geißeln.
Man kann Bakterien aber nicht nur hinsichtlich ihrer unterschiedlichen
morphologischen Erscheinungsformen (Kugel-, Stäbchenform) unterscheiden,
sondern auch anhand ihrer Anfärbbarkeit. Bei der Färbetechnik nach Gram tritt bei
Bakterien entweder eine Rot- oder Blaufärbung ein. Die rotgefärbten bezeichnet
man als gramnegativ, die blaugefärbten als grampositiv. Der Gründe für die
unterschiedliche Färbung sind verschiedene Zellwandstrukturen.
Mithilfe dieser Bakterienfärbung kann man durch Fehlen der gramnegativen Keime,
zu denen neben den Fäulniserregern auch Salmonellen gehören, auf den
Hygienezustand des Produktes schließen.
B) Hefen
Diese einzelligen Mikroorganismen, der entweder eine kugel- oder eiförmige Form
aufweist, sind Pilze mit einer Größe von 6-8 tausendstel Millimeter und somit meist um
den Faktor 10 größer als beschriebenen Bakterien. Sie leben in locker
zusammenhängenden Verbänden aus vielen Milliarden Hefezellen. Aufgebaut ist
eine Hefezelle aus Mitochondrien, Ribosomen, Vakuolen, einem Zellkern,
Cytoplasma, einer cytoplastischen Membran und einer Zellwand. Sie gehören daher
zu den Eukaryonten. Die Vermehrung erfolgt durch Sprossung, d.h. die Einzelzellen
teilen sich mitotisch.
Hefen können sowohl in Gegenwart von Sauerstoff (Aerobiose) als auch im
sauerstofffreien Medium (Anaerobiose) leben. Dabei gewinnen sie auf folgende
Weise Energie:
Saccharose wird außerhalb der Zelle durch das sich in der Zellwand befindliche
Enzym “Invertase” in Glucose und Fruktose gespalten. Beide Monosaccharide
werden dann in die Zelle geschleust, wo sie verstoffwechselt werden. Bei der
Aerobiose wird Glukose vollständig über die Stufen Glykolyse, odidative
Decarboxylierung, Citronensäurecyclus und Atmungskette oxidiert und dabei
Energie gewonnen. Bei der Anaerobiose läuft unter sauerstofffreien Bedingungen der
Prozess der Gärung ab, bei dem Glukose unvollständig oxidiert und dabei in
Kohlenstoffdioxid und Alkohol umgewandelt wird. Da der entstandene Alkohol noch
viel Energie enthält und folglich weniger von der potentiellen Energie der Glukose
genutzt werden konnte, “kann sich die Hefezelle sich nicht mehr so schnell
vermehren, bleibt aber am Leben” [10].
C)Schimmelpilze
Schimmelpilze haben wie die Bakterien keinen echten Zellkern und aufgrund ihrer
zellsaftgefüllten
Vakuolen
keine
Bewegungsfähigkeit.
Als
heterotrophe
Mikroorganismen gewinnen sie ihre Energie “durch die Oxidation organischer
Substanzen” [2] und wachsen somit unter aeroben Bedingungen. Um sich zu
vermehren, können sie
“zweierlei Arten von Sporen bilden: Konidien und
Ascosporen. Kondien entstehen durch Abschnürungen von bestimmten Trägern, z.B.
Aspergillen und Penicillen” [2]. Aufgrund ihrer lebhaften Färbung kann man die
Konidien für die schwarzgrüne oder blaugrüne Färbung verschimmelter
Nahrungsmittel verantwortlich machen. “Außerdem ist dieser farbige, sichtbare Teil
des Pilzes die Vermehrungswerkstatt”[10], da Konidien durch die Luft fliegen und auf
einer geeigneten Nahrungsgrundlage zu keimen beginnen. Nachdem die Konidie in
das Innere hineingewachsen ist, beginnt dort das Mycel (schlauchartiger Pilzkörper)
zu wachsen. “Dieses Mycel bildet Hyphen (dünne, lange Fäden), die in das
organische Material des Wirtsorganismus eindringen und dort ein Enzym absondern,
das deren Substrat auflöst” [10]. Jetzt können die Pilze die für ihr Wachstum
notwendigen Stoffe wie Wasser, Zucker und Stärke aufnehmen und sich ihrerseits
wieder weiter vermehren.
III) Wirkung von Mikroorganismen in Lebensmitteln
“Mikroorganismen können Lebensmittel auf enzymatischem Wege verderben oder
durch Toxinbildung vergiften” [2]. Außerdem können sie auch Überträger und
Nährböden für Krankheitserreger sein.
A) Verderb auf enzymatischem Weg
Dabei scheiden die am Verderb beteiligten, nicht pathogenen Bakterien Exoenzyme
(u.a. Proteasen, Lipasen) ins Medium aus, “wodurch das Nährmedium
aufgeschlossen wird”[2] und somit die Abbauprodukte als Nährstoffe fungieren. Mit
diesen Nährstoffen können sich die Mikroorganismen vermehren und folglich den
mikrobiologischen Verderb in Gang setzen, indem sie beginnen das Lebensmittel zu
zersetzen. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass die in das Lebensmittel
ausgeschiedenen Enzyme auch nach dem Tod der Mikroorganismen weiterwirken
und es (enzymatisch) weiter abbauen. Hierbei kommt es häufig zu starker
Geruchsbildung, da Gase entstehen.
B) Vergiftung durch Toxinbildung
Hierbei muss man zwischen Lebensmittelintoxikationen, “bei denen nicht die
Mikroorganismen selbst, sondern erst im Lebensmittel gebildete Stoffwechselprodukte
(Toxine) die entschiedene Rolle spielen”[2] und zwischen Lebensmittelinfektionen,
d.h. die Krankheitserregerübertragung über die Nahrung, unterscheiden.
Nur wenige Mikroorganismen sind in der Lage Toxine zu bilden, die für Menschen
gefährlich sind und folglich zu Lebensmittelintoxikationen führen können. Der Grund
liegt darin, dass erst eine starke Vermehrung der Keime für die notwendige
Toxinmenge sorgt, die schließlich zur Vergiftung führt. Zu diesen Mikroorganismen
gehören u.a. die Bakterien Staphylococcus aureus, Clostridium botulinum und
Bacillus cereus.
Bei Lebensmittelinfektionen werden Mikroorganismen durch das Lebensmittel
übertragen und bilden erst im Verdauungstrakt, nachdem sie sich dort angesiedelt
und vermehrt haben, ihre Toxine, welche dann die Krankheitssymptome hervorrufen.
Hierzu gehören z.B. Salmonella spp., Vibrio parahaemolyticus und Vibrio eltor.
IV) Geschichte der Lebensmittelkonservierung
Auch wenn man bei dem Ausdruck Lebensmittelkonservierung spontan an
“Großmutters Zeiten” denkt, zu denen sowohl Gemüse und Obst für den Winter, als
auch die relativ große Menge an Fleisch des geschlachteten Viehs für einen
längeren Zeitraum haltbar gemacht werden musste, so hat sich der Mensch schon
wesentlich früher Gedanken um das Thema Lebensmittelkonservierung gemacht.
Obwohl er in den Anfängen die Ursachen und Abläufe sicherlich noch nicht kannte,
so hat u.a. der Zufall, seine Experimentierfreudigkeit und das Lernen aus Erfahrungen
dazu beigetragen, dass wir heute auf ein großes Repertoire von den
unterschiedlichsten Konservierungsmethoden zurückgreifen können.
A) Das Trocknen, Räuchern und Salzen
Angefangen hat alles schon um 7000v.Chr. In dieser Zeit tauchen erstmals- und die
damit ältesten- Konservierungsmethoden auf: das Trocknen, Räuchern und Salzen.
Während das Trocknen zu der ältesten Methode zählt und “das Salzen auch schon in
prähistorischer Zeit bekannt ist ..., belegen archäologische Befunde, dass schon um
7000 v.Chr. Fleisch geräuchert wurde”[10]. Da die Menschen zu dieser Zeit noch in
Höhlen lebten und folglich auf dem Gebiet Konservierung noch nicht in dem Sinne
“geforscht” haben, wie wir es heute kennen, kann man die Entdeckung der
Konservierung durch Räucherrauch auf den Zufall und die Beobachtungsgabe der
Menschen zurückführen.
B) Essig als Konservierungsstoff
Seit 5000 v.Chr. kennt man Essig als Konservierungsstoff für Lebensmittel im Orient.
C) Einlegen in Öl oder Honig
Um 3000 v.Chr. ist das Einlegen in Öl als Konservierungsmethode bekannt geworden;
1000 Jahre später verwendet man in Ägypten dazu neben Essig auch Honig.
D)
Idee
des
Kühlens,
des
Vakuums
und
der
Kombination
von
Konservierungsmethoden
Die Römer liefern sozusagen den Vorläufer der Vakuumverpackung, da sie die
konservierende Wirkung auf Obst unter Luftabschluss entdeckt haben und so z.B.
Früchte mit Ton umhüllten, den sie zuvor mit Wachs oder Wein geknetet haben.
Außerdem bringen sie ein Beispiel dafür, dass die Kombination von verschiedenen
Konservierungsmethoden und -stoffen im `Kampf gegen den Verderb´ sehr hilfreich
ist. So wurde zu römischen Zeiten Wein in geräucherten Fässern und unter Zugabe
von Schwefeldioxid gelagert. Die Idee des Kühlens, wie wir sie heute mit dem
Kühlschrank verwirklichen, findet man auch schon im römischen Reich: Entweder
wurden Steinkrüge angefeuchtet und somit die Verdunstungskälte zum Konservieren
ausgenutzt oder sie wurden in der Erde vergraben. Dies war um 200n.Chr. der Fall.
E) Zucker,Abkochen und die erste Konservendose
1353 stößt man auf die konservierende Wirkung von Zucker;
1765 wird nachgewiesen, “dass das Abkochen von Lebensmitteln deren Verderb
hinauszögert”[10];
1809 gibt es des ersten Vorläufer der Konservendose, die unter Luftabschluss im
Wasserbad erhitzt wird.
E) Wende durch die Industrialisierung
Die Industrialisierung (Beginn = mit der industriellen Revolution im 18. Jahrhundert)
bedeutet auch eine Wende für die Lebensmittelkonservierung, da ihre
Erforderlichkeit rasant zunahm und die Menschen anspruchsvoller wurden: Weil die
bisher bekannten Konservierungsmittel und -methoden “die Struktur und die
Eigenschaften der damit konservierten Lebensmittel tiefgreifend veränderten”[9],
war der Forschergeist gefragt um neue (Konservierungsmethoden) zu entwickeln
bzw. zu entdecken.
In diese Zeit sind die Erfindung des Kühlschranks (1842) und die der konservierenden
Wirkung von Borsäure, Salicylsäure und von Benzoesäure (1875) einzuordnen. Im
Jahre 1939/40 stößt man auf die der Sorbinsäure und der PHB-Ester. “Seit Mitte der
1950er Jahre gibt es die Bestrahlung von Nahrungsmitteln mit ionisierenden
Strahlen”[10], die aber wegen ihrer bis heute noch nicht ausreichend erforschten
Verträglichkeit beim Menschen in Deutschland nicht zugelassen ist.
Ob wir in Zukunft Nahrungsmittel zu uns nehmen werden, die schon Röntgen-,
Gamma- oder Elektronenstrahlen ausgesetzt waren, ist noch fraglich. Sicher ist nur,
dass auf dem Gebiet Lebensmittelkonservierung ständig weiter geforscht wird, wie
wir auf der Messe “K” im Oktober 2004 in Düsseldorf gesehen haben: Forscher des
Verbunds Polymerer Oberflächen stellten eine mit Konservierungsstoffen
beschichtete Verpackungsfolie vor, die unsere Lebensmittel länger frisch halten soll.
V)Die verschiedenen Konservierungsmethoden und -Mittel
Die geschichtliche Entstehung und Entwicklung der Lebensmittelkonservierung hat
deutlich werden lassen, dass es eine Vielzahl von den unterschiedlichsten
Konservierungsmethoden und -mitteln gibt.
A) Physikalische Methoden
Die physikalischen Methoden, mit denen etwa 90-95% unserer Lebensmittel
konserviert werden, kann man noch einmal in thermische - zu denen gehören
Kühlen, Tiefgefrieren, Pasteurisierung, Hitzesterilisierung, Ultrahocherhitzung und
ionisierende Bestrahlung - und in nicht-thermische Konservierungsmethoden Trocknen und Wasserentzug- unterteilen.
Nicht-thermische Konservierungsmethoden
1.) Trocknen
Wie schon erwähnt, hat schon der prähistorische Mensch seine Nahrung durch diese
Konservierungsmethode haltbarer gemacht. Der natürliche und passive Entzug des
Wassers bewirkt dabei auf der einen Seite, dass den Mikroorganismen die
Lebensgrundlage genommen wird und auf der anderen Seite Enzyme inaktiviert
werden und somit “die meisten chemischen Reaktionen stark verlangsamt
werden”[10]. Auf diese Weise wird der mikrobiologische Verderb verhindert, da die
Vermehrung von Pilzen und Bakterien ausgeschlossen ist und weil enzymatische
Verderbsreaktionen vermindert werden. Voraussetzung ist hierbei, dass der
Wassergehalt unter 12-14% sinkt.
Nachteil:
Neben der Tatsache, dass auch getrocknete Lebensmittel verderben können und
somit nicht unbegrenzt haltbar sind, kann die getrocknete Nahrung “höchstens zwei
drittel des entzogenen Wassers wieder aufnehmen” [10] und ist somit in ihrer späteren
Konsistenz zäh.
2.) Wasserentzug
Während das Trocknen den `natürlichen Wasserentzug´ beispielsweise durch
Sonneneinstrahlung vollzieht, erfolgt der Wasserentzug bei dieser, seit dem Zweiten
Weltkrieg angewandten Methode aktiv durch Heißluft oder Gefriertrocknung.
Methodisch geht man so vor, dass das Wasser der Nahrungsmittel im Hochvakuum
eingefroren wird und dabei sublimiert, d.h. sofort vom festen in den gasförmigen
Zustand übergeht. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde diese Methode z.B. für Milch,
Pulverkaffee und Gemüse angewandt.
Thermische Methoden
1.) Kühlen und Tiefgefrieren
Das Prinzip dieser Konservierungsmethode wird in der ´ReaktionsgeschwindigkeitsTemperatur-Regel´(RGT-Regel) deutlich: “Eine Temperaturerhöhung von 10°C
beschleunigt die (enzymatisch gesteuerten) Stoffwechselvorgänge um etwa das 2fache”[13]. Aufgrund der Temperaturerniedrigung laufen folglich enzymatisch
gesteuerte Prozesse langsamer ab. Da beim Stoffwechsel der Mikroorganismen
größtenteils Enzyme tätig sind, wird der Verderb verlangsamt bzw. aufgehalten
So reduziert eine Kaltlagerung, d.h. bei einer Temperatur zwischen 4 bis 10 °C,
physikalische,
mikrobiologische
und
chemische
Veränderungen
und
Stoffwechselvorgänge. Folglich wird die Vermehrung der Mikroorganismen
verlangsamt und der Verderb hinausgezögert - nicht aufgehalten.
Gefrieren bedeutet eine Temperaturerniedrigung bis z. T weit unterhalb des
Gefrierpunktes von Wasser und beschreibt eine Konservierungsmethode, bei der
mikrobiologischer Verderb völlig vermieden wird, da eine Vermehrung der
Mikroorganismen
so
gut
wie
ausgeschlossen
ist.
Auch
enzymatische
Verderbsreaktionen werden wegen der niedrigen Temperatur sehr verlangsamt.
Als Besonderheit ist die so genannte Schockfrostung erwähnen, bei der bei
Temperaturen von -30 °C bis -208 °C das Wachstum der Mikroorganismen
entschieden gehemmt wird.
Aber ob nun gefroren, gekühlt oder schockgefrostet, eines muss man bedenken: Das
Wachstum der Mikroorganismen ist nur für die Dauer ununterbrochener Kühlung
eingeschränkt; sobald die Temperaturen wieder steigen, setzt der Verderb fort - “und
das oft wegen der geringeren Konkurrenz durch andere Arten schneller als
zuvor”[14].
Vorteile
Vorteilhaft am Gefrieren ist, dass die Nahrung dem Frischprodukt ähnlich ist und somit
Aroma, Aussehen und Nährstoffgehalt verschont werden.
Nachteil
Hier kann man das Wachsen von Eiskristallen nennen, das die Zellen im Gewebe
zerstört.
2.) Pasteurisierung, Hitzesterilisierung und Ultrahocherhitzung
Das Prinzip dieser Konservierungsmethoden beruht auf der Tatsache, dass bei zu
hohen Temperaturen Enzyme denaturieren und somit enzymatisch gesteuerte
Prozesse, wie z.B. die Vermehrung von Mikroorganismen, nicht mehr ablaufen
können und sogar Keime abgetötet werden.
Hier gibt es drei Verfahren, die sich hinsichtlich ihrer Temperatur unterscheiden:
a) Pasteurisierung
Bei einer Umgebungstemperatur von 55-80°C werden alle im Lebensmittel
enthaltenen pathogenen Keime, also solche, die Lebensmittelvergiftungen
verursachen, abgetötet. Außerdem vermindert dieses Verfahren die Zahl der
Verderbniserreger erheblich.
Nachteil:
Allerdings sind auf diese Art konservierte Lebensmittel nicht unbegrenzt haltbar, da
Sporen und Bakterien keimfähig bleiben.
Anwendung:
Sahne, Fruchtsäfte und Bier werden u.a. so konserviert.
b) Hitzesterilisation
Die Erhitzung über 100°C macht mit der Kombination der Konservendose, d.h. einer
luftdichten Verpackung, eine theoretisch unbegrenzte Haltbarkeit möglich, da alle
Verderbniserreger abgetötet werden und sich keine neuen ansiedeln können. Diese
Aussage ist aber nur solange richtig, wie das Nahrungsmittel luftdicht verpackt ist.
c) Ultrahocherhitzung
Bei diesem Verfahren wird das Nahrungsmittel für eine kurze Zeit (etwa eine Sekunde)
auf 135-145°C erhitzt. Hierbei wird entweder Heißdampf injiziert oder Hitze einem
Röhrensystem indirekt von außen zugeführt. Wegen der hohen Temperatur werden
alle Verderbniserreger abgetötet.
Anwendung
Dieses Verfahren wird z.B. bei der Kuhmilch angewendet.
d) ionisierende Bestrahlung
Für die Lebensmittelbestrahlung kommen Gamma-, Röntgen- und Elektronenstrahlen
in Frage. Sie können Moleküle ionisieren, “d.h. aus der Elektronenhülle des Atoms
Elektronen herauszustoßen”[12], sodass Ionen gebildet werden. “Ziel der
ionisierenden Bestrahlung von Lebensmitteln ist es, bestimmte erwünschte und
nützliche biologische Effekte auszulösen”[12], die deren Haltbarkeit verlängern.
Vorteil
Vorteilhaft an dieser Methode ist, dass die Strahlenempfindlichkeit der Moleküle von
ihrer Größe abhängt und somit die Bestandteile, die für den Nährwert des
Lebensmittels entscheidend sind (Eiweiß, Fette, Kohlenhydrate, Vitamine) - wegen
ihrer geringen Größe-, nur wenig verändert werden.
B) Chemische Methoden
Hier wird dem Lebensmittel etwas zugesetzt, das seine Haltbarkeit verbessert. An
dieser Stelle, kann man zwischen den altbekannten Methoden, wie Pökeln,
Räuchern, Schwefeln, Einmachen, und den modernen, wie Sauerstoffentzug und der
Verwendung von chemischen Konservierungsstoffen im engeren Sinne
unterscheiden.
Bevor wir nun diese verschiedenen Methoden, die auf den unterschiedlichsten
Zusatzstoffen beruhen, separat vorstellen werden, führen wir zuerst eine Definition der
Zusatzstoffe auf:
“Unter Zusatzstoffen werden Stoffe oder Stoffgemische verstanden, die Lebensmitteln
aus ernährungsphysiologischen oder technologischen Gründen zugesetzt werden,
ohne selbst Hauptinhaltsstoff zu sein“ [7]. Demnach sind neben Konservierungsstoffen
auch Süß-, Farbstoffe, Emulgatoren und Antioxidantien Zusatzstoffe. Diese haben
aber keine bzw. nur geringe Auswirkungen auf die Haltbarkeit und werden deshalb
hier nicht näher behandelt.
1) Pökeln
Pökelt man Nahrung, so bedeutet das, dass sie entweder in eine Pökellake eingelegt
oder mit Pökelsalz schichtweise bestreut wird. “Pökellake ist eine 15-20%ige
Kochsalzlösung, der Natriumnitrit beigegeben wird, damit u.a. die Farbe des Fleisches
erhalten bleibt”[14]. Das Prinzip des Pökelns beruht auf der Wirkung des Salzes, das
das Wasser im Gewebe des Lebensmittels bindet und es so auch den
Mikroorganismen entzieht. Auf diese Weise werden Verderbskeime und
Lebensmittelvergifter inaktiviert. Zusätzlich wirkt das Nitrit als Zellgift keimtötend.
Anwendung: Man pökelt hauptsächlich Fleisch und Fisch um es zu konservieren.
2) Räuchern
Bei dieser, ebenfalls schon alten Konservierungsmethode hängt man das zu
räuchernde Lebensmittel in eine Rauchkammer. Der Rauch entsteht bei einem
langsam schwelenden Holzfeuer. Das Prinzip des Räucherns beruht auf der
konservierenden Wirkung der im Rauch enthaltenen organischen Stoffe wie
verschiedene Aldehyde und Phenole. Außerdem wirkt die Wärme austrocknend und
entzieht das für die Mikroorganismen lebensnotwendige Wasser. Dieser Wasserentzug
wird zusätzlich durch die Behandlung mit Salz schon vor dem Räuchern verstärkt,
sodass es auch hier, ähnlich wie beim Pökeln, zu einer “Inaktivierung von
Verderbskeimen und Lebensmittelvergiftern kommt”[5].
Anwendung: Fleisch und Fisch werden durch das Räuchern konserviert.
3) Schwefelung
Beim Schwefeln werden dem Lebensmittel Stoffe zugesetzt, die Schwefeldioxid bzw.
schwefelige Säure freisetzen. Diese Stoffe sind nicht nur toxisch und hemmen
Mikroorganismen in ihrem Wachstum und töten sie sogar.
Nachteil: Nachteilig an der konservierenden Wirkung von schwefeliger Säure ist, dass
sie auch Vitamine zerstört und bei empfindlichen Menschen (z.B. Asthmatikern)
Überempfindlichkeitsreaktionen auslöst. Außerdem reagieren viele Menschen ab
25mg Schwefel, z.B. pro Liter Wein, mit Kopfschmerzen.
Anwendung: Wie schon in dem Abschnitt “Geschichte” beschrieben, benutzten
schon die Römer in der Weinkellerei den Zusatzstoff Schwefeldioxid. Das ist auch
noch heute der Fall. Ein anderes Einsatzgebiet ist die Konservierung von Obst.
4) Einzuckern
Auch Zucker eignet sich für die Konservierung, da er ähnlich wie Salz eine
wasseranziehende Wirkung hat und dadurch die meisten Bakterien und Pilze in ihrer
Vermehrung hemmt. Damit dieser Fall eintritt, muss allerdings der Zuckergehalt
mindestens zwischen 50 und 60%des Produktgewichts betragen.
Anwendung: Dieses Verfahren kennen wir auch noch heute, z.B. bei der
Marmeladenherstellung.
5) Vakuum
Der Entzug von Sauerstoff, der der Vakuumverpackung oder der Verpackung unter
Schutzgas zugrunde liegt, ist eine weitere Konservierungsmöglichkeit, die seit der
Erfindung der Konservendose (1809) angewendet wird. Das Prinzip dieser
Konservierung beruht auf der Tatsache, dass die größere Gruppe der Verderbskeime
hauptsächlich aerob Stoffwechsel betreibt und folglich beim Fehlen von Sauerstoff
u.a. auch in ihrer Vermehrung stark gehemmt werden.
Anwendung: Babynahrung, Kaffeepulver und frischer Aufschnitt wird durch
Vakuumverpackungen konserviert.
6) Chemische Konservierungsstoffe im engeren Sinne
Obwohl es sowohl viele physikalische, als auch zahlreiche chemische
Konservierungsmethoden gibt, reichen diese Möglichkeiten noch nicht aus, um
unsere gesamten Lebensmittel so zu konservieren, dass sie als gesundheitlich
unbedenklich
gelten.
Dazu
benötigt
man
auch
noch
chemische
Konservierungsstoffe, da sie nicht nur einen Schutz vor pathogenen Keimen
gewährleisten, sondern auch dann zum Einsatz kommen, wenn ein Lebensmittel
durch eine andere Konservierungsmethode zu stark verändert wird. Zu den
chemischen Konservierungsstoffen zählt man:
-Sorbinsäure
-Benzoesäure
- PHB-Ester
- Ameisensäure
- Propionsäure
...und deren Salze
Außerdem:
- Diphenyl
- Orthophenylphenol und das Natriumsalz
- Thiabendazol
Diese
Konservierungsstoffe
verhindern
ebenfalls
die
Vermehrung
der
Mikroorganismen oder töten sie ab. “Ihre Anwendung wird selten als alleinige
Methode benutzt, sondern zusammen mit einer Wärmebehandlung und/oder einer
Absenkung des pH-Wertes durch Zusatz von Essig oder Milchsäure”[5] verwendet. Der
Grund liegt in der Tatsache, dass mit abnehmendem pH-Wert der Wirkungsgrad
wegen der Dissoziation besser wird.
VI) Rechtliche Bestimmungen für die Lebensmittelkonservierung
Aus eigener Erfahrung weiß man, dass viele Menschen vor `Chemie in
Lebensmitteln´, wie die chemischen Konservierungsstoffe oft betitelt werden,
zurückschrecken und sie diese für ungesund oder gar schädlich halten. Doch wie
man schon im Abschnitt Verderb sehen konnte, würde ein Nicht-Konservieren auch
und vor allem in unserer heutigen Zeit ein großes Risiko darstellen. Der Einsatz von
chemischen Konservierungsstoffen ist aufgrund ihrer abtötenden Wirkung auf
pathogene Verderbskeime unumgänglich. Ob aber nun die Zweifel der Bevölkerung
begründet sind oder nicht, das soll die Leitfrage dieses Abschnittes sein.
Nach dem Lebensmittel- und Bedarfsgegenständegesetz (LMBG) gilt grundsätzlich
das Verbotsprinzip: Ein Zusatzstoff darf nur dann angewendet werden, wenn er eine
amtliche Zulassung aufweisen kann. Diese erhält er nur unter zwei Voraussetzungen:
“1. Der Zusatzstoff muss nach dem aktuellen Stand des Wissens gesundheitlich
unbedenklich sein.
2. Seine Verwendung muss technologisch notwendig und begründet sein” [8].
Für diese Beurteilung ist in Deutschland das Bundesgesundheitsamt in Berlin
zuständig.
Außerdem werden noch vom “Expertengremium der Vereinten Nationen aus dem
Bereich FAO (Food and Agriculture Organization) und der Welt-GesundheitsOrganisation (WHO) der Stoff bewertet” [8]. Dabei sind alle in Deutschland
zugelassenen Stoffe in den Listen
der Zusatzstoff-Zulassungsverordnung
wiederzufinden. Doch bevor ein Zusatzstoff dort aufgeführt wird, erfolgt ein
ausgiebiger Test an Tieren.
Bei den Tierversuchen wird die ´akzeptable, tägliche Aufnahmemenge´, der ADIWert (acceptable daily intake) festgelegt, wobei der ´No-effect-level´ (NEL), “d.h.
die Menge, die am Tier keine oder nur eine untergeordnete Wirkung erzeugt hat, der
Maßstab ist”[4]. Rechnerisch ermittelt man den ADI-Wert so: ADI-Wert = NEL/100
Der ADI-Wert bezieht sich auf ein kg Körpergewicht und beträgt beispielsweise bei
Sorbinsäure 25mg/kg/d. Zweck der Tierversuche ist es also, die Unbedenklichkeit der
Zusatzstoffe für eine bestimmte Menge zu beweisen. Dabei geht man
folgendermaßen vor:
Es werden zwei, wenig miteinander verwandte Tierarten bis zu zwei Jahre mit dem zu
testenden Stoff in möglichst neutraler Verdünndungsform gefüttert. Dann wird
geprüft, wie sich der Stoff im Organismus verhält. “Hier gibt es vier Möglichkeiten:
1.) - der Stoff wird unverändert wieder ausgeschieden
2.) - der Stoff wird chemisch umgewandelt und dann ausgeschieden
3.) - der Stoff wird wie ein Nahrungsbestandteil verwertet
4.) - der Stoff reichert sich im Organismus an “ [9].
Von diesen vier Gruppen ist theoretisch nur die letzte bedenklich. “Grundsätzlich
meidet man Stoffe dieser Art als Lebensmittelzusatzstoffe“ [9].Für die anderen drei
Gruppen werden Höchstmengen vorgeschrieben. Allerdings kommen auch
Substanzen auf den Markt, die bei den Tieren durchaus negative Auswirkungen
gezeigt haben. Hier wird dann oft darauf hingewiesen, dass die Tierversuche nicht in
jedem Fall auf den Menschen übertragbar sind. Kann man nach einer solchen
Aussage als Konsument nicht doch an der ´toxikologischen Unbedenklichkeit´ der
Konservierungsstoffe zweifeln? Diese Frage bleibt vorläufig noch bestehen, zumal
sich die Wirkung der getesteten Stoffe beim Menschen nicht nur aus der Wirkung
eines einzelnen Stoffes ergibt, sondern durch Wechselwirkungen mit vielen anderen
(Konservierungs-) Stoffen bestimmt wird. Somit kann man die oben genannte
´ängstliche Bevölkerung` teilweise verstehen und aber auch beruhigen, dass
Unverträglichkeiten erst sehr selten aufgetreten sind und die “Chemie in unseren
Lebensmitteln” nicht willkürlich eingesetzt wird.
VII) Gefährdungen durch Konservierungsstoffe
Wie schon im vorherigen Abschnitt angedeutet, gibt es trotz vieler Prüfungen und
Vorsichtsmaßnahmen immer noch ein Restrisiko bei der Verwendung von
Konservierungsstoffen.
Dieses
zeichnet
sich
in
Allergien
und
Überempfindlichkeitsreaktionen (Pseudoallergien) bestimmter Menschen gegen
einige Konservierungsstoffe ab.
Auch Konservierungsstoffe können der Auslöser für eine allergische Reaktion sein. Ein
Beispiel dafür ist die Benzoesäure, auf die 0.05% aller Allergikerpatienten allergisch
reagieren. Bei der Pseudoallergie treten ebenfalls sofortige Reaktionen auf einen
bestimmten Stoff auf. Um eine Allergie oder Pseudoallergie zu verhindern ist eine
Maßnahme unumgänglich: die betroffenen Personen müssen die Allergene, d.h. die
Stoffe, die eine Allergie auslösen, meiden.
Um allerdings die Allergene meiden zu können, muss für jeden Konsumenten
ersichtlich sein, was alles im betreffenden Lebensmittel enthalten ist. Dieses macht
das Gesetz möglich. So müssen neben allen Inhaltsstoffen auch alle Zusatzstoffe auf
dem Etikett aufgeführt werden. Dabei sind die Zusatzstoffe mit gleicher oder
ähnlicher Wirkung zu Gruppen zusammengefasst und einer sogenannten E-Nummer
zugeordnet. Sorbinsäure erhält z.B. die Nummer E-200, Benzoesäure E-210 und die
PHB-Ester ab E-218.
Literaturverzeichnis
[1]
Dr. phil. rer. nat. Erich Lück: Augen auf- was steht drauf? Hippokrates-Verlag,
Stuttgart,1986
[2]
R. Heiss und K. Eichner: Haltbarmachen von Lebensmitteln. Springer-Verlag,
2.Auflage 1990
[3]
P. Hahn, B. Muermann: Praxishandbuch-Lebensmittelrecht. Behr´s Verlag, 1987
[4]
V. und B. Assmann: Zusatzstoffe in Lebensmitteln -Die heimlichen
Krankmacher? Econ Taschenbuch Verlag, 1989
[5]
H. W. Berg, J. F. Diehl, H. Frank: Rückstände und Verunreinigungen in
Lebensmitteln. Dr.Dietrich Steinkopf-Verlag, Darmstadt, 1978
[6]
Matissek, Schnepel, Steiner: Lebensmittelanalytik. Springer Lehrbuch, 1989
[7]
H.- D. Belitz und W. Grosch: Lehrbuch der Lebensmittelchemie. SpringerVerlag, 4.Auflage, 1992
[8]
Lebensmittelchemische Gesellschaft -Fachgruppe in der GDCH- :
Schulversuche mit Lebensmittel-Zusatzstoffen. Behr´s Verlag, 1990
[9]
Erich Lück: Lebensmittelchemie. In: PdN-Ch, 37. Jahrgang 3/37, 1988
[10] http://www.chemie-macht-spass.de/2003-konservierungsstoffe.html
[11] http://www.insitutfresenius.de/verbraucherinformationen/news_und_trends/die_Methoden_zur_lebens
mittelkonservierung_kaum_verlust_bei_Gefrierprodukten_21639.shtml
[12]
[13]
[14]
[15]
http://www.bfa-ernaehrung.de/Bfe-Deutsch/Information/ehlm06/m06kl.html
Inge Kronberg: Natura- Ökologie. Ernst Klett Verlag, Stuttgart, 2.Auflage, 1996
Microsoft Encarta Enzyklopädie 2004: Lebensmittelkonservierung
http://www.nutriinfo.de
Beispiel 2: Kupfersalze machen Gemüse grün
1. Einleitung
Unser Projektthema lautet „Kupfersalze machen Gemüse grün“. Es soll nachgewiesen
werden, ob Kupfersalze in Konserven enthalten sind. Ferner sollen überprüft werden,
wie Kupfersalze auf Gemüse wirken.
Unsere Projektarbeit ist so aufgebaut, dass wir uns zuerst mit Kupfer und Kupfersalzen
befassen werden. Im zweiten Teil werden wir Versuche durchführen, einmal um
Kupfersalze in Gemüsekonserven nachzuweisen und zum zweiten, um aufzuzeigen,
dass das Kupfersulfat in der Lebensmitteltechnologie verwendet wird. Im letzten Teil
gehen wir auf die Bedeutung und die Gefährdung von Kupfer im menschlichen
Körper ein.
2. Kupfer und Kupfersalze
2.1. Entdeckung
Die genaue Angabe der Zeit, seit wann Kupfer verwendet wird, ist nicht genau zu
datieren. Man nimmt an, dass Kupfer seit etwa 5000 v.Chr. von Menschen aus Erzen
gewonnen wird. Am Anfang wurden nur Luxusgegenstände wie z.B. Schmuck daraus
gefertigt. Von Kupferminen wird erst um 4500 v.Chr. auf der Sinai-Halbinsel berichtet.
Als Kupfer aus Erzen gewonnen und Erschmelzen von Legierungen beherrscht wurde,
wurde Kupfer zu einem Gebrauchsmetall.
Die Legierung Kupfer Zinn wird Bronze genannt, danach wurde auch eine Zeit
benannt, die um ca. 3500 v. Chr. begann.
Kupfer war auch noch lange das wichtigste Gebrauchsmetall, als man schon Eisen
verarbeiten konnte. Heute ist Kupfer mit Aluminium das wichtigste Nichteisenmetall.
2.2. Vorkommen / Gewinnung / Herstellung
Abbildung 1 zeigt die Kupfervorkommen [3, S. 4]
Kupfer findet man meistens mit anderen Metallen wie Eisen, Blei, Gold und Silber.
Man findet Kupfer vor allem als sulfidische und oxidische Erze vor.
In Chile, den USA, Australien, Peru, Kanada, Sambia, sowie Zaire findet man die
größten Kupfervorkommen. Deutschlands größter Fundort ist Mansfeld, mit dem
Kupferschiefer.
Das Kupfer wird aus geschwefelten Erzen (Kupferkies, Kupferglanz), aus oxydischen
Erzen (Rotkupfererz, Dioptas und Atakamit) und aus gediegenem Kupfer gewonnen.
Kupfer kann man auf zwei verschiedene Arten gewinnen. Das eine Verfahren erfolgt
auf trockenem Weg das zweite erfolgt auf nassem Weg.
Kupfersulfat kommt in der Natur als Verwitterungsprodukt von sulfidischen
Kupfererzen vor (Mineral: Chalkanthit). In der Technik wird Kupfersulfat aus
Kupferoxiden oder Kupfersulfiden gewonnen, die mit Schwefelsäure behandelt
werden.
2.3. Kupferlegierungen / Kupfersalze / Kupferverbindungen
Es gibt viele verschiedene Kupferlegierungen, die man in acht Gruppen einteilt:
Messing: Legierung aus Kupfer und Zink
Bronzeartiges Messing: Legierung aus Kupfer mit Zink und Beimengungen von Blei und
Zinn.
Gelbes Lagermetall: Kupfer-Zink-Zinn-Legierung mit noch höherem Zinnanteil.
Bronze: Legierung aus Kupfer und Zinn
Neusilber: Legierung aus Kupfer, Nickel und Zink
Münzmetalle: Legierungen aus Kupfer mit edlen Metallen
Weißes Lagermetall: Zinn-Zinn-Antimon-Legierungen mit geringem Kupferanteil
Aluminiumbronzen: Legierungen aus Kupfer und Aluminium
Kupfer kann zwei verschiedene Reihen von Salzen bilden, einmal Kupferoxidsalze
(Kuprisalze) und zum zweiten Kupferoxydulsalze (Kuprosalze). Viele der
Kupferoxidsalze findet man in Mineralien, diese entstehen dann, wenn Kupfer,
Kupferoxid oder kohlensauren Kupferoxid in Säuren sich auflösen. Die unlöslichen
Kuprisalze entstehen durch Wechselzersetzung. Es gibt nur wenige reine
Kupferoxydulsalze, da Kupferoxidsalze und Kupfer aus Kupferoxydul und Säuren
entstehen.
Das wichtigste Kupfersalz ist das Kupfersulfat-Pentahydrat, welches auch unter dem
Namen Kupfervitriol bekannt ist. Kupfer kann in Salzen in den Oxidationsstufen I und II
vorkommen. Kupfer(I)-chlorid, Kupfer(II)-chlorid, Kupfer(I)-oxid und Kupfer(II)-oxid ins
Beispiele.
2.4. Eigenschaften von Kupfer / Kupfersulfat
Kupfer ist ein rötliches Metall, welches weich und verformbar ist und eine hohe
elektrische und thermische Leitfähigkeit besitzt. Es weist die kubisch-dichteste
Kugelpackung auf. Wenn Kupfer längere Zeit der Luft ausgesetzt ist, bildet es eine
dünne schützende Oxidschicht, welche die weitere Korrosion unterbindet. Ist es
jedoch länger an feuchter Luft, so bildet sich eine grüne Schicht aus verschiedenen
Kupfersalzen, die Patina. Sie schützt das Metall vor weiterer Korrosion.
Kupfer ist nicht ganz so edel wie Silber und Gold, obwohl es schon einen recht edlen
Charakter aufweist. Es wird von nichtoxidierenden Säuren (z.B. Salzsäure) nicht
angegriffen, wohl aber von konzentrierter Schwefelsäure und Salpetersäure.
Kupfer(II)-sulfat-Pentahydrat bildet himmelblaue Kristalle und ist in Wasser gut löslich.
2.5. Verwendung von Kupfersulfat / Kupfer
Das wasserfreie Kupfersulfat dient zur Entwässerung von Alkohol.
Außerdem benutzt man das Kupfersulfat in Färbereien und Zeugdruckereien
(Darstellung von Kupferfarben), in der Galvanotechnik, zur Konservation von Holz und
Tierbälgen, zum Beizen von Saatgetreide, als Brechmittel und Desinfektionsmittel in
der Medizin und für äußerliche Ätzmittel. Kupfersulfat wird zu dem noch bei der
Kupferstichätzung, in Silvesterraketen und im Weinbau mit Kalkmilch zur Bekämpfung
von Pilzerkrankungen eingesetzt. Außerdem benutzt man es in der Landwirtschaft;
wenn ein Kupfermangel auftritt wird es dem Grünfutter beigemischt.
Kupfer wird in Kabeln und als Leiter eingesetzt, die Metalllegierungen findet man in
der Herstellung für Rohre, Münzen, Gefäße, Apparaten und Geschosshülsen wieder.
Es gibt viele Zwecke zu dem Kupfer benutzt wird, es wird zur Herstellung von Zucker,
in Molkereien, in Brauereien und zur Produktion von Zellwolle und Kunstseide benötigt.
3. Versuche mit Gemüse
3.1. Kupfersalze in Gemüsekonserven
3.1.1. Versuchsaufbau und Durchführung
Versuchsaufbau
Man benötigt für den Versuch Gemüse in Konservendosen und Eisennägel, die nicht
verzinkt oder sonst geschützt sind. Wir haben drei Gemüsekonserven getestet und
zwar einmal Erbsen, einmal grüne Bohnen und Mais.
Durchführung
Nach dem Öffnen der Dosen wurden jeweils drei nicht verzinkte Eisennägel in das
Gemüse gesteckt. Wir achteten darauf, dass die Nägel nicht mit dem Boden oder
der Dosenwand in Berührung kamen. Die Nägel wurden für fünf Tage im Gemüse
belassen.
3.1.2. Beobachtung / Auswertung / Ergebnis
Beobachtung
Es lässt sich beobachten, dass sich nach Tag eins nichts an den Nägeln verändert
hat.
Mais Tag 1
Erbsen Tag 1
grüne Bohnen Tag 1
Auf einigen Bildern sieht es so aus, als ob sich etwas abgelagert hat, hat es aber
nicht, die Ablagerungen sind trockene Gemüsereste.
Bei der Konserve mit den Erbsen hat sich auch nach 5 Tagen nichts getan. Der Nagel
sieht noch so aus wie am Tag 0.
Tag 3 Erbsen
Tag 4 Erbsen
Tag 5 Erbsen
Bei den Bohnen sieht es genauso aus wie bei den Erbsen, es hat sich in den fünf
Tagen nichts am Nagel getan.
Tag 2 Bohnen
Tag 3 Bohnen
Tag 5 Bohnen
Ebenso wie bei den Erbsen und den Bohnen ist beim Mais auch nichts passiert, außer
dass sich trockener Mais an den Nagel geheftet hat.
Tag 3 Mais
Tag 4 Mais
Tag 5 Mais
Auswertung / Ergebnis
Es hat sich gezeigt, dass in den Gemüsekonserven kein oder wenn dann nur eine sehr
geringe Menge an Kupfer vorhanden sind. Dieses Ergebnis konnte man eigentlich
schon voraussehen, da die Konservendosen heutzutage mit einer Kunststoffschicht
von innen überzogen sind. Durch den Kunststoffüberzug in den Dosen ist das
Umfüllen der Speisen in einen anderen Behälter nicht mehr notwendig. Damals war
das Umfüllen der Speisen notwendig, da die Dosen ja noch keinen Kunststoffüberzug
hatten. Nach dem Öffnen der Dosen reagierte die Doseninnenseite mit dem (sauren)
Doseninhalt, hierbei bildeten sich giftige Kupferverbindungen im Gemüse. Es lässt sich
auch sagen, dass bei dem grünen Gemüse nur ganz wenig Kupfersulfat enthalten
sein muss.
3.2. Wir kochen Bohnen mit Kupfersulfat-Lösung
3.2.1. Versuchsaufbau / Durchführung
Versuchsaufbau
Für diesen Versuch benötigten wir frische Bohnen, zwei Bechergläser (2 Töpfe),
Kupfer(II)-sulfatlösung (c=0,1 mol/l), destilliertes Wasser und zwei Heizplatten (2
Herdplatten).
Durchführung
Frische Bohnen werden in ein Becherglas mit Kupfer(II)-sulfatlösung (CuSO4) gegeben
und gekocht (20 min). Zum Vergleich werden Bohnen in destilliertem Wasser
gekocht, ebenfalls 20 min.
Bohnen in CuSO4
Bohnen in destilliertem Wasser
Nach dem Kochen wurden die Bohnen gewaschen und getrocknet.
3.2.2. Beobachtung / Auswertung / Ergebnis
Beobachtung
Man kann schon nach dem Kochen einen Farbunterschied feststellen.
links Bohnen in CuSO4 gekocht und rechts Bohnen in destilliertem Wasser gekocht
Nach dem Trocknen ist der Farbunterschied noch deutlicher geworden.
links Bohnen mit destilliertem Wasser gekocht, rechts Bohnen mit CuSO4 gekocht
Auswertung / Ergebnis
Der Farbunterschied deutet auf einen Einbau von Kupfer-Ionen in den
Chlorophyllkomplex hin. Die Bohnen in destilliertem Wasser wurden olivgrün (verloren
ihre Farbe); die in Kupfer(II)-sulfatlösung gekochten Bohnen blieben grün bzw. das
Grün wurde intensiver.
Das Ergebnis lässt darauf schließen, dass der normale Chlorophyllkomplex durch
kochen zerstört wird und die Bohnen deshalb ihre Farbe verlieren. Wenn die Bohnen
nun in CuSO4 gekocht werden, dann reagiert das Chlorophyll mit den Kupferionen,
es findet ein Ionenaustausch statt. Das Magnesiumion wird gegen das Kupferion
ausgetauscht.
Reaktion von Chlorophyll mit Kupfer(II)-Ionen
Abbildung 2 [6]
Dieser Chlorophyllkomplex scheint jetzt durch den Austausch des Magnesiumions
durch das Kupferion kochstabil geworden zu sein. Die Bohnen behalten ihre Farbe
und werden noch intensiver grün, dass lässt darauf schließen, dass das Kupfer für die
Farbgebung mit zuständig ist. Bei dem Ionenaustausch ist das Kupfer-Chlorophyll
entstanden, welches Chlorophyllin heißt. Chlorophyllin ist ungiftig und ist als
Lebensmittelfarbstoff (E141) ohne Höchstmengenbeschränkung zugelassen.
Dieses Phänomen konnte man früher schon beobachten, denn früher wurde in
Kupfertöpfen gekocht. Heute macht man sich dieses Phänomen zu nutzte, denn
durch Zugabe von Kupfersulfat beim Einkochen wird die Farbe erhalten. Das
Gemüse in den Konserven wird mit geringen Mengen an Kupfer(II)-sulfat behandelt,
dieses kann man daran festmachen, dass das Gemüse wenn man es selber einkocht
die Farbe verliert und das Gemüse in den Dosen noch farbintensiver ist.
4. Bedeutung und Gefährdung der Kupferung
4.1. Kupfer – Lebenswichtiges Spurenelement
Kupfer ist nach Eisen und Zink das drittwichtigste Spurenelement. Wichtig ist es für das
Wachstum und die Reproduktion, da Kupfer-Ionen Bestandteil vieler zentraler Enzyme
sind. Im Eisenstoffwechsel ist Kupfer auch besonders wichtig, da es für den Einbau
von Eisen in das Hämoglobin verantwortlich ist und es ist auch noch für die
Aufnahme von Eisen aus der Nahrung und die Verwendung von Eisen vonnöten.
Außerdem ist Kupfer für die Pigmentierung von Haut und Haaren (Bildung von
Melanin) und das Knochenwachstum nötig. Es wird auch zur Bildung vom
Bindegewebe und dem darin enthaltenen Elastin benötigt. An der Bildung der
Erythrozyten (rote Blutkörperchen) und an der Blutbildung ist es auch beteiligt. Kupfer
ist im Körper an Proteine oder organische Verbindungen gebunden. Vor allem findet
man es im Skelett, im Herzmuskel, im Gehirn, im Blut, in den Haaren und in der Leber,
wo es gespeichert wird.
Das Kupfer steht in Wechselwirkung mit Zink und Vitamin C. Wenn Zink überlängere
Zeit eingenommen wird hemmt es die Aufnahme von Kupfer, dies schützt die Zellen
vor Überladung von Kupfer. Wenn viel Vitamin C aufgenommen wird, wird die
Aufnahme von Kupfer vermindert.
Ein Mangel oder ein Überfluss an Kupfer kann zu ernsten Erkrankungen führen.
Maximal 50% das aufgenommenen Kupfers, es wird im Darm resorbiert, dass ist
wiederum vom pH-Wert und den anderen Nahrungsmitteln abhängig, werden auch
verarbeitet, aber meist weniger. Der Rest und übermäßige Mengen an Kupfer
werden über Gallenwege wieder ausgeschieden.
Jeder besitzt im Körper ca. 110 mg Kupfer, diese befinden sich in Enzymen und
Enzymkomplexen, sie sind wichtig für den Stoffwechsel. Der Kupferbedarf liegt bei 2
mg täglich, es wird bei ausgewogener Ernährung genügend Kupfer aufgenommen.
Eine wesentliche Rolle spielt das Kupfer bei vier Proteinarten.
„Typ 1-Kupferproteine werden auch blaue Kupferproteine genannt. Sie erhalten in
ihrem aktiven Zentrum ein einzelnes Kupferion. Im Plastocyanin sind an das Kupferion
drei Liganden stark gebunden (zwei Histidinreste und ein deprotonierter Cysteinrest),
ein Ligand ( Methionin) hat dagegen eine schwache Wechselwirkung. Beim Wechsel
von oxidierten zur reduzierten Form bei Elektronenübertragung ändert sich die
Koordinationssphäre des Kupfers nur unwesentlich.
Typ 2-Kupferproteine zeigen die Eigenschaften tetragonaler Kupfer(II)-Komplexe.
Man nennt sie auch „normale Kupferproteine“. Mindestens zwei HistidinStickstoffatome und zwei weitere Donoren umgeben das Kupfer quadratisch planar.
Diese Proteine katalysieren als Oxidasen Redoxreaktionen mit Sauerstoff als
Oxidationsmittel. Mono- und Dioxygenasen katalysieren die Übertragung von einem
oder zwei Sauerstoffatomen. Eine Superoxid-Dismutase (SOD) katalysiert die
Disproportionierung von zelltoxisch wirkenden Superoxidionen zu Sauerstoff und
Wasserstoff, die dann weiter verwertet werden können.
Typ 3-Kupferproteine besitzen stets ein zweikerniges Kupferzentrum und spielen eine
wichtige Rolle beim Sauerstofftransport (Hämocyanin) der Weichtiere und
Gliederfüßler. Ebenso sind sie für die Sauerstoffaktivierung in Oxygenasen und
Oxidasen verantwortlich. Wir sehen das Ergebnis dieser Tätigkeit bei der
enzymatischen Bräunung von Früchten (Oxidation von Phenolen zu ortho-Chinonen)
bzw. bei der Bildung von Melaninpigmenten in Haut, Haaren oder Federn“ [3, Seite
5].
Der Kupferspiegel bei Schwangeren ist doppelt so hoch, als normal. Kupfer ist für die
Entwicklung von Feten und Neugeborenen wichtig. Die Kupferkomplexverbindungen
wirken Entzündungshemmend.
Eiweißreiche Ernährung fördert die Aufnahme von Kupfer und ballaststoffreiche
Ernährung reduziert die Aufnahme.
4.2. Kupferhaltige Lebensmittel
Lebensmittel die reich an Kupfer sind, sind ein paar Gewürze z.B. Basilikum, Majoran,
Muskat, Pfeffer, Innereien, einige Meerestiere Fische und Schalentiere, hinzu gehören
auch Nüsse, kakaohaltige Lebensmittel, vor allem Schokolade, des weiteren grünes
Gemüse, Vollkorngetreide und Pilze.
Arm an Kupfer sind Fleisch, Milch und Milchprodukte, außerdem noch Knollen- und
Wurzelgemüse und alle anderen Gemüsearten (außer grünes Gemüse). Zuletzt
kommen noch Zucker-, Back- und Teigwaren hinzu, des Weiteren noch sämtliches
Obst.
4.3. Kupfermangel / Kupfervergiftung / Überdosierung
Es kann auch ein Mangel an Kupfer im Körper auftreten, hierfür gibt es viele
verschiedene Symptome. Zum Kupfermangel führt zu geringe Zufuhr von Kupfer,
längere Einnahme von Nährstoffsupplementen (Zink), ein Mangel an Vitamin C
hemmt die Resorption, Einnahme von Medikamenten, die die Aufnahme von Kupfer
hemmen,
Verdauungsstörungen,
Resorptionsstörungen
und
ein
erhöhter
Homocysteinspiegel [14].
Für einen Kupfermangel gibt es viele Symptome, ein Symptom ist die
Infektanfälligkeit, Schlafstörungen, Arteriosklerose, Störungen im Nervensystem,
Wachstumsstörungen,
Bluthochdruck,
Skelettfehlbildungen,
Apetittsund
Gewichtsverlust. Es kann auch zu Pigmentstörungen von Haaren und Haut kommen,
zu einer Anämie (Blutarmut), zu Neutropenie und zu Abnormitäten der Knochen
kommen. Fortgeschrittener Kupfermangel kann neurologische Störungen oder
Knochenbrüche als Symptome haben.
Es gibt auch eine Erbkrankheit die Kupfermangel repräsentiert, das Menkes Syndrom
auch Kraushaarsyndrom genannt. Diese Krankheit befällt nur Jungen, meist vor dem
3. Monat und das Leben der Kinder ist meistens vor dem 6. Lebensjahr vorbei. Bei
dieser Krankheit ist der Kupferstoffwechsel beeinträchtigt. Es treten verlangsamtes
Wachstum mit Störungen in Nerven- und Gefäßsystem, blasse Hautfarbe und
brüchiges Haar, als Symptome, auf.
Eine weitere Erbkrankheit, die Wilsonsche Krankheit, beinhaltet genau das Gegenteil
des Menkes Syndrom. Das Kupfer wird genügend aus der Nahrung aufgenommen
und wird auch in der Leber eingelagert, aber bei dieser Krankheit kann das Kupfer
nicht wieder aus der Leber gelöst werden. Dadurch treten Leberschäden bzw.
neurologische Symptome oder nervöse Störungen auf.
Eine regelmäßige hohe Dosis von mehr als 100 mg Kupfer pro Tag haben toxische
Wirkungen zu folge, bei Kindern schon bei kleinern Mengen.
Überdosen von Kupfer können zu Übelkeit, Krämpfen, Durchfall und Leberschäden
führen.
Akute Kupfervergiftungen kommen eher selten vor und beschränken sich meistens
auf Kinder. Chronische Vergiftungen sind eher selten. Vergiftungen können
Lethargie, Erbrechen, Gelbsucht (Ikterus) oder Verdauungsstörungen zur Folge
haben. Kupfervergiftungen können durch Einnahme von Kupfervitriol, Kupferchlorid
oder Grünspan hervorgerufen werden. Die Behandlung bei Kupfervergiftungen
erfolgt durch entfernen des Giftes, sprich Magenauspumpen und Einnahme von
Brechmittel.
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