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.
