Droge Alkohol: Herstellung über biologische Wege

Droge Alkohol: Herstellung über biologische Wege
Bei der Herstellung von alkoholischen Getränken unterscheidet man zwischen zwei
Abschnitte: Fermentation = Gärung (Ferment = Enzym = Biokatalysator) und Destillation.
Fermentierte oder vergorene alkoholische Getränke entstehen durch Vergärung von
Kohlenhydrate (hauptsächlich Glukose). Mit Hilfe von Hefen (= gehören zu den
Schlauchpilzen)
wird
der
Zucker
in
Ethanol
umgewandelt. Beispiele dafür sind Wein, Bier oder
Obstwein. Üblicherweise wird der ausgepresste
Traubensaft zu Wein und der aus der Gerste
gewonnene Malzzucker zu Bier vergoren. Diese
Getränke
haben
einen
Ethanolgehalt
von
höchstens 15 Volumprozenten.
Destillation:
Destillierter Alkohol oder „gebranntes Wasser” wird
durch Destillation aus vergorenen ethanolhaltigen Flüssigkeiten gewonnen. Ethanol siedet
bei einer Temperatur von etwa 78oC, Wasser erreicht den Siedepunkt bei 100oC. Durch die
unterschiedlichen Siedepunkte kann der Ethanol von der restlichen Flüssigkeit getrennt
werden.
Bei allen biologischen Herstellungsverfahren von
Ethanol kommt die Vergärung von Kohlehydraten
zum
Einsatz.
Ethanol
kann
aber
auch
nichtbiologisch aus z.B. Ethen und Wasser
synthetisiert
werden
(nicht für Verzehrzwecke
geeignet!).
Die biologischen Verfahren, also die Herstellung
von Ethanol in Bieren und Wein - setzt an der Kette Polysaccharide → Disaccharide →
Monosaccharide an.
Dazu einige Erklärungen:
Polysaccharide:
Ihr
bekanntester
Vertreter ist die Stärke, die den
Pflanzen als Energiespeicher dient. In
Gerste (Bierrohstoff) ist sie zu 60-65%
in
der
Trockenmasse
enthalten.
Stärke besteht aus zwei Bestandteilen: ca. 17-24% Amylose, ein
Kettenmolekül aus 60-2000 Glucoseeinheiten und Amylopectin, ein
aus 6000 - 40.000 Glucoseeinheiten aufgebautes Molekül.
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[Ein weiteres, aus Glucose-Molekülen aufgebautes Polysaccharid ist die Cellulose (siehe
unten; dieses natürliche Makromolekül baut die Zellwände der Pflanzenzellen auf.);
hier ist die Verknüpfung der Glukoseeinheiten räumlich anders angeordnet und kann
daher von den Hefen nicht gespalten werden.]
Polysaccharide finden sich aber auch als Speicherstoff Glycogen (besteht aus
Glukoseeinheiten) in Muskeln und der Leber, oder als Chitin (ein natürliches Polymer,
das im Aufbau der Cellulose ähnlich ist; aber eine Hydroxylgruppe durch eine
Aminofunktion ersetzt ist) im Hautpanzer der Insekten.
Monosaccharide: Mit Glucose (=
Traubenzucker) verwandte Zucker
sind Fructose (Fruchtzucker) und
Galactose. Werden Glucose und
Fruktose
verbunden,
zu
einem
entsteht
Molekül
ein
Di-
saccharid (→ Haushaltszucker =
Saccharose). Milchzucker (= Lactose) wiederum besteht aus
Glucose und Galaktose.
Hefen gehören zur großen
und heterogenen Gruppe von
Schlauchpilzen, die i.d.R. einzellig sind. Die rundlich-ovalen Zellen sind 1-9 μm lang und
haben einen Durchmesser von 1-5 μm. Meistens bleiben sie in wenig zelligen bis verzweigt
kettigen Verbänden zusammen. Sie vermehren sich durch Sprossung. Unter anaeroben
Bedingungen (Ausschluss von Sauerstoff) vergären sie Glucose zu Ethanol. Als fakultative
Anaerobier können sie auch mit Sauerstoff überleben. Deswegen sind Hefen überall zu
finden. Für die Erzeugung von Nahrungsmitteln besitzen sie enorme wirtschaftliche
Bedeutung (Bier, Wein, Brot). Für bestimmte Zwecke werden speziell optimierte Zuchthefen
eingesetzt (Back-, Wein-, Bier-, und Futterhefe). Für die Ethanol-Produktion wird
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hauptsächlich Saccharomyces cerevisiae eingesetzt. 1 g Presshefe enthält 10 Milliarden
Hefezellen!
Bei der alkoholischen Gärung (Reaktion ohne Sauerstoff) entsteht aus Glucose in
mehreren Teilreaktionen (siehe Schema unten) Ethanol und Kohlenstoffdioxid:
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2 CO2
Der Abbau der Glucose verläuft dabei in mehreren Schritten: Glucose wird zu
Brenztraubensäure (2-Oxopropansäure = Pyrovat) C2H3-CO-COOH umgewandelt → sog.
Glykolyse (auch bei der Zellatmung in tierischen Zellen der erste Schritt zur
Energiegewinnung). Anschließend spalten bestimmte Enzyme der Hefe (→ Pyrovatdecarboxylase) daraus CO2 ab; das entstandene Ethanal (= Acetaldehyd) wird zu Ethanol
reduziert (durch die Alkoholdehydrogenase). Allerdings kann die zugrunde liegende
chemische Reaktion, wie oben formuliert, nicht in einem einzigen Schritt ablaufen, sondern
erfolgt in vielen kleinen Teilschritten (siehe nachfolgendes Schema!):
[Die Glykolyse ist auch bei der Zellatmung der erste Schritt; es folgen die oxidative
Decarboxylierung, „Citronensäurecyclus” und die Endoxidation in der „Atmungskette”. All
diese Abläufe beschreiben zusammen mit der Glykolyse den Abbau von Glucose unter
aeroben Bedingungen zu Wasser und CO2 mit einer Energiefreisetzung von 2816 kJ/mol.
Bei der alkoholischen Gärung (anaerobe Bedingungen; Glykolyse + Reduktion zu
Ethanol) wird jedoch nur eine Energie von 218 kJ/mol gewonnen.]
Arbeitsaufträge:
1. Studiere den Text konzentriert und sorgfältig! Beschreibe den Weg der biologischen
Ethanolherstellung in einem Mind Map!
2. Begründe die Trennung der Ethanolherstellung in einen Gärungs- und einen
Destillationsschritt!
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3. Skizziere kurz die Unterschiede in der Energiegewinnung durch Zellatmung und
alkoholische Gärung auf!
Alkohol als Suchtmittel
Pharmakologisch gehört „der Alkohol“
(gemeint ist Ethanol) zur Gruppe der
Narkotika, deren Wirkung vorrangig
das Zentrale Nervensystem (=ZNS)
betrifft:
Narkotika
Übertragung
stören
der
dort
die
Nervenimpulse
zwischen den Nervenmembranen.
Abbau: Ethanol wird im Magen und
Darm resorbiert, nach ca. 1 Stunde hat er sich in der Körperflüssigkeit gleichmäßig verteilt.
Ein voller Magen verlangsamt die Resorption, Coffein und Kohlensäure beschleunigen sie. In
der Leber wird Ethanol durch die Alkoholdehydrogenase zu Acetaldehyd (= Ethanal)
abgebaut.
Viele
negative
Auswirkungen
des
Ethanolgenusses
sind
auf
das
Oxidationsprodukt Acetaldehyd zurückzuführen. Durch die Aldehyddehydrogenase (=
Enzym; am Suffix „-ase“ erkennt man Enzyme) wird Acetaldehyd zur Essigsäure
verstoffwechselt. Die Abbau-geschwindigkeit beim Blutalkohol hängt nicht von der
Alkoholkonzentration ab, sondern von der Leberaktivität und vom Geschlecht. Pro Stunde
sinkt der Ethanolspiegel bei Männern um 0,15‰, bei Frauen nur um 0,1 ‰.
Alkoholismus:
Alkohol ist das einzige (?!) Suchtmittel, das suchtauslösend wirken kann und dennoch in
vielen Ländern keiner staatlichen Kontrolle unterliegt. So liegt der Alkoholismus unter den
Drogenabhängigkeiten
zumindest
in
der
Häufigkeit an 1. Stelle.
Beantworte:
1. Welche Abbauprodukte entstehen aus
Ethanol?
2. Was ist eine Dehydrogenase?
3. Warum haben Frauen eine geringere
Alkoholabbaurate?
4. Fülle die nachfolgende Tabelle aus!
Siehe Infos dazu „Droge Alkohol:
Gefahren und Auswirkungen“
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