Mit einem Menü durch die Organische Chemie

Mit einem Menü durch die

Organische

Chemie

Der Mensch:

Ein Allesfresser ?!

Bild aus Marburger Mensa

Einleitung

Übersicht

1. Definition Nahrungsmittel 2. Klassifizierung

3. Vorspeise

4. Hauptgericht 5. Nachspeise 6. Schulrelevanz

Men ü:

0. Übersicht

Nahrungsmittel

1. Definition

Deutsche Basis-Verordnung Lebensmittelrecht (VO 178/2002, Artikel 2):

Lebensmittel (früher

Nahrungsmittel) sind alle

Stoffe oder Erzeugnisse, die dazu bestimmt sind […],

dass sie in verarbeitetem, teilweise verarbeitetem oder unverarbeitetem Zustand

von Menschen

aufgenommen werden.

7 Nahrungsmittelgruppen

2. Klassifizierung

Vorspeise Hauptgericht

Nachspeise

3. Vorspeise

Vorspeis e:

Baguette mit „Lachs-

Kaviar“ à la

Ferran

Adrià

Das Baguette

3. Vorspeise: Baguette

• Französisches Stangenweißbrot Inhaltsstoffe:

• Weizenstärke aus Weizenmehl

• Hefe

• Kochsalz

• Wasser

Demo 1: Stärkeabbau durch Speichel

3. Vorspeise: Baguette

Bitte probieren Sie...!

O

O H H

H OH

H OH

H CH₂

O H H

H OH

H OH

H OH O

H H H

O OH

H OH

H OH

O O ...

...

O O H H

H OH

H OH

H OH

O O

H H H

O OH

H OH

H OH

...

n

Stärke:

Aufbau:

• Amylose: (10 - 30 %) Lineare Kette mit helicaler Struktur; α-1,4-glycosidisch verknüpft

• Amylopektin (70 - 90 %) Stark verzweigt; α-1,6- und α-1,4-glycosidisch

verknüpft

3. Vorspeise: Baguette

O

O H H H

OH

H OH

H OH O

H H H

OH

H OH

H OH O

H H H

O OH

H OH

H OH

O O ...

...

n

1 4 1 4

1 1

1

6 4

4

• Durch längeres Kauen von Brot: süßer Geschmack

Erklärung:

• Brot enthält Stärke, die durch ein Enzym im Speichel teilweise abgebaut wird

• Abbauprodukt schmeckt süß

3. Vorspeise: Baguette

Demo 1: Auswertung

Das Speichel-Enzym α-Amylase:

Steckbrief:

• Ptyalin: Hydrolase

• pH-Optimum: 6,9 (Homo sapiens)

• (stabil bis pH = 4; im Magen inaktiviert, da pH < 2)

• Cosubstrat: Ca ²⁺ -Ionen

• Proteinfaltung: α- Helix, β-Faltblatt, Schleifen

• Aktives Zentrum in Mitte (Tonne), (α, β)-8 Faß

3. Vorspeise: Baguette

Spaltung

• Endoenzym, spaltet α-1-4-, überspringt α-1-6-Bindungen

• Spaltung in Maltose und größere Grenzdextrine, Verdauung im Dünndarm (Maltase)

• Warum schmeckt Maltose süß?

O H H

H

O OH

H OH

H OH

... O

O

O H H

OH

H OH

H OH

...

H

Spaltung durch α-Amylase:

3. Vorspeise: Baguette

1 4

• Maltose wird von Geschmacksrezeptoren erkannt

• Insgesamt 5 Grundqualitäten: süß, sauer, salzig, bitter, (köstlich „umami“)

• Geschmacksqualität „süß“ überwiegend auf Zungenspitze

3. Vorspeise: Baguette

Physiologie des süßen Geschmacks

süß sauer salzig bitter Papille

V1: Stärke-Smiley

• Agar = strukturgebendes Heteropolysaccharid aus Rotalgen

• Darin: Stärke-Amylose-Helix

• Einlagerung von Polyiodid-Ionen (I _3- , I _5- , I _7- …)

• Amylose-Helix der Stärke wird durch α-Amylase gespalten Negative Nachweisreaktion mit Lugol´scher Lösung an Stellen der Einspeichelung

3. Vorspeise: Baguette

(schematisch)

Iod-Stärke-Reaktion:

Blau durch CT-Komplex

blau

(aq)

+ 2 + 5 OH

^-_(aq)

+1

+ 7 H

₂

O

OH

OH O H H

H

H O H

H R

OH

OH

OH O H H

H

H O O H R

OH

rostrot

+ Cu

₂

O + 2 C

₄

H

₄

O

₆^2- _(aq)

+ 3

+1 O

H O

O H

O O O

Cu

O H

O O H O

O O H

H

4

^-

V2: Fehling-Probe

• Überprüfen der Reduktionswirkung der Abbauprodukte

3. Vorspeise: Baguette

Abbauprodukt:

z.B. Maltose (schematisch) blau

(aq)

(s)

Cu +2

O

O O

OH

OH O

H

₂

O O

O

O O

Cu H

₂

O

HO H

₂

O HO

OH

₂

+2

+2

+

(aq) (aq)

(aq)

„Lachs-Kaviar à la Ferran Adrià“

2 Zitate:

• „Ferran Adrià serviert Gemüse als Gelatine und würzt Speisen auch mal mit Holzkohle. In Barcelona

versucht der verrückteste Koch auf Erden seinen Beruf neu zu erfinden- in einer Küche, die ein Labor sein könnte.” Wolfgang Lechner (Die Zeit: “Der

Chemiker“ )

• „Die magischen Rezepte sind jene, die die einen ekelhaft finden und die anderen fantastisch…“

(Ferran Adrià)

Hier: Frei nach diesem Motto…

• „Lachs-Kaviar“ aus farblosem Alginat, mit E 110

3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“

S O

O O

H N

H N O

N-Nitroso-Verbindung

H

⁺

S O

O O

H N

H

N

⁺

OH

- H

₂

O S O

O O

H N

⁺

N

Diazonium-Ion

V3: Darstellung von E 110

3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“

2.) Herstellung des Diazoniumsalzes: Diazotierung

N O

O

H + ^H

⁺

^{H H O}

⁺

^{N O} _{- H} ^N

⁺

^O

2

O

1.) Bildung des Nitrosylkations:

S O

O O

H NH

₂

+ ^N

⁺

^O _-H ^0°C

⁺

^S

O

O O

H N

H

N O

N-Nitroso-Verbindung

S O O

O

^-

OH Na

⁺

+ ^S

O

O

O

^-

N

N

⁺

Na

⁺

-H

⁺

elektrophile Substitution

Na

⁺

S O O

O

^-

OH

N N S

O

O O

^-

Na

⁺

3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“

3.) Azo-Kupplung:

Gelborange S (E 110)

Nu

^-

Azofarbstoff E 110 (Gelborange S)

• Charakteristisch: Azogruppe (–N=N–)

• Farbigkeit: n π ^* -Übergang + ausgedehntes delokalisiertes π-e ^- -System

• ADI: 0 - 2,5 mg/kg (WHO)

3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“

Na

⁺

S O O

O

^-

OH

N N S

O

O O

^-

Na

⁺

V4: Kaviar aus Alginat

3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“

Alginate: Polysaccharide aus Braunalgen

Bausteine: Uronsäuren (Guluronsäure, Mannuronsäure) Gelbildung : Ca ²⁺ -Bindung durch Polyguluronat-Sequenzen

Jedes Ca ²⁺ -Ion: Koordination von 4 Guluronat-Resten ( ) Eierschachtelmodell (Dimere) ^Ca

²⁺

^Ca

²⁺

^Ca

²⁺

O ...O

OH

OH

O -OOC

O OH OH

-OOC

O

O OH

OH

O...

-OOC

1

1

4 1

4

α

α

Ca

²⁺

Ca

²⁺

O

OH H H

O H

H H

OH OH

H O O -

Guluronat

Alginate in der Lebensmittelindustrie

• Häufiger Lebensmittelzusatzstoff (E 400 - 404) Beispiele:

3. Vorspeise: „Lachs-Kaviar“

Einsatzbereich Ausgenutzte Eigenschaft Puddings, Mousse,

Cremefüllungen,

restrukturierte Lebensmittel

Gelbildung

Eis, Milchmixgetränke,

Suppen, Soßen, Mayonnaise

Verdickung, Stabilisierung von Emulsionen

Schutzüberzüge für Fisch und Fleisch

Filmbildung

4. Hauptgericht

Hauptgeri cht:

Schweine filet an

neuen

Kartoffeln

Was ist Fleisch?

4. Hauptgericht: Schweinefilet

• Skelettmuskelgewebe mit Fett- und Bindegewebe

• Fleischbestandteile:

Proteine Fette

Kohlenhydrate (Glycogen: α-1-6-Glucose) Mineralstoffe

Wasser

• Pro Kopf: 60 - 80 kg/a (Industrieländer)

Fleischzartmacher

Inhaltsstoffe:

• Enzym: Papain

• Kochsalz + Gewürze

• Trennmittel: SiO ₂

• Pflanzliches Öl

Wirkung des Fleischzartmachers:

• Proteolytisches Enzym Papain entfaltet Kollagen

• Kollagen wird abgebaut, Aminosäuren freigesetzt

• Partiell denaturiertes Kollagen = Gelatine

4. Hauptgericht: Schweinefilet

• RG 1: Gelatine + Papaya

• RG 2: Gelatine + Fleischzartmacher

• RG 3: Gelatine + Zitrone (Blindprobe)

4. Hauptgericht: Schweinefilet

Demo 2: Enzymwirkung von Papain

Carica papaya

4. Hauptgericht: Schweinefilet

V5: Aminosäure-Nachweis mit Ninhydrin

Ruhemanns Purpur Farbstoff-Anion

Bruttoreaktion:

O

O

O

N H

₃ ⁺

O O

^-

R

+

O O

^-

N

O

O O

H

₂

H

₂

O

2

-

-H

⁺

Reaktionsmechanismus

(stark verkürzt)

4. Hauptgericht: Schweinefilet

O

O

O

H

₂

O -H

₂

O

O

O

OH OH

O

O

OH N H

O

H R O

H O

O

H N

H

R

KET

O

N H

R

OH O

O

O

+

COOH N

H

₂

R

H

O

O

OH N H

O O H

R H

δ+ δ-

Indan-1,2,3-trion

Halbaminol

-H

₂

O -CO

₂

E

_{1 cb}

KET

4. Hauptgericht: Schweinefilet

O

N H

R

OH

O

NH

₂

OH

+

O H

R H

₂

O

O

NH

₂

OH

+

O

O

O

-H

₂

O -2H

⁺

O

N

O

O

^-

O

-

O

N

O

O

^-

O

O

N

O

O

-O

Aminoketon Aldehyd

Ruhemanns Purpur

Chromophor: (Kreuzkonjugation), λ

_max

= 570 nm

n. A.

via:

s.o.

δ- δ+

V6: Die Kartoffelschrift

Elektrolytischer Stärkenachweis Anode: Oxidation

2 I -(s/aq) I _2(aq) + 2 e ^- I _2(aq) + I -(aq) I _3-(aq) Kathode: Reduktion

2 H ₂ O + 2 e ^- H _2(g) + 2 OH _-(aq)

• Polyiodid-Ionen werden in Amylose-Helix eingelagert

• Blaufärbung durch CT-Komplex

4. Hauptgericht: neue Kartoffeln

-1 0

+1 0

I ^-

I I

5. Nachspeise

Nachspei se:

Obstsalat

Demo 3: Enzymatische Bräunung

• Apfelraspeln mit Ascorbinsäure oder Zitronensaft

• Phenoloxidase: Optimum bei pH = 7 Enzymatische Bräunung abhängig von:

• Polyphenoloxidase

• Sauerstoff

• Polyphenolvorkommen: 0,1 - 1% (Apfel)

5. Nachspeise: Obstsalat

Quercetin

OH

COOH NH₂

OH

Dopa

OH

O H

O

OH

O OH

OH

5. Nachspeise: Obstsalat

Enzymatische Bräunung

Melanine

OH

COOH NH

₂

1/

₂

O

₂

OH

COOH NH

₂

OH

1/

₂

O

₂

O

COOH NH

₂

O

O

O N

H

COOH

O

O N

H

L-Tyrosin Dopa Dopachinon

Dopachinon Leukodopachrom Dopachrom

Polymerisation Indolchinone

O

O

N

COOH

H H

O H

O

H N

H

COOH

O

O N

H

COOH

O OH

OH HO

OH

O O

O

O HO

OH O

+ 2 H ⁺ + 2 e ^-

V7: Reduktionswirkung von Ascorbinsäure

5. Nachspeise: Obstsalat

K ₃ [Fe(CN) ₆ ] _(aq) + Fe ²⁺ (aq) K[FeFe(CN) ₆ ] _(aq) rotes Blutlaugensalz Turnbulls Blau

Bildung von Turnbulls Blau:

+3 +2 +2 +3

Dehydroascorbinsäure

+ 2 H

⁺_(aq)

+ 2 e

^-

Reduktion:

2 Fe ³⁺ _(aq) + 2 e ^- 2 Fe ²⁺ _(aq) Oxidation:

+3 +2

+1 +1 +2 +2

Ascorbinsäure (Vitamin C)

„Demo 4“:

Geschmack von Obstsalat

Guten

Appetit!

Nahrungsmittel im Lehrplan

Grundlage: Hessischer Lehrplan für das Fach Chemie an Gymnasien (G8)

• GK / LK 11G.2 Naturstoffe - Fette

- Kohlenhydrate

- Aminosäuren, Peptide, Polypeptide

• GK / LK 12G.2 Wahlthema Angewandte Chemie - Nahrungsmittel (Herstellung, Analyse, Struktur,

Abbau im Organismus, Inhaltsstoffe)

6. Schulrelevanz

Eigenschaften

Reaktionen

Nachweise

En

de

Struktur des Turnbulls Blau:

K[FeFe(CN) ₆ ] _(aq) K ⁺ _(aq) + [Fe(CN) ⁺² ₆ ] ^4- _(aq) + Fe ^{+3 3+} _(aq) ^{+3 +2}

Lösliches Berliner Blau

3 [FeFe(CN) ₆ ] ^- _(aq) + Fe ³⁺ _(aq) Fe[FeFe(CN) ⁺³ ₆ ] _{3 (s)}

Unlösliches Berliner Blau

+2 +3 +3 +2

Struktur von K[FeFe(CN) ₆ ]:

5. Nachspeise: Obstsalat

Melaninsynthese:

5. Nachspeise: Obstsalat

Melanin:

O

O N

H

O

O N

H O

O N

H

Schwarzbraune Pigmente

Gr. „melas“= schwarz, düster

Polymerisierte Indole

5. Nachspeise: Obstsalat

1.) Kondensation zwischen AS als N-Nucleophil und mittlere Carbonylgruppe:

4. Hauptgericht: Schweinefilet

Reaktionmsmechanismus:

2.) Bildung eines Immonium-Ions:

O

O

O

+ ^NH

²

O

OH R

O

O

O

^-

N

⁺

R

O

OH H

H

H

⁺

O

O

O NH

R

O

OH

H R

O O OH

O

N

⁺

H

+

OH-

~

4. Hauptgericht: Schweinefilet

3.) Zwitterion-Bildung und E1 _cb -analoger Zerfall:

R

O O OH

O

N

⁺

H + ^{H O}

^-

- H

₂

O

R

O O O-

O

N

⁺

H

Zwitter-Ion

R

O O O-

O

N

⁺

H

- CO

₂

O

O

N

⁺

R H H

- H

₂

O

...

4. Hauptgericht: Schweinefilet

4.) Bildung eines Immonium-Ions:

O

O

N

⁺

R H H

O

O

N

⁺

H C

^-

R

H

O

O

N

⁺

H C

^-

R

H H

⁺

O OH

N

⁺

H R

H

Mesomere Grenzstrukturen

Azomethinylid

4. Hauptgericht: Schweinefilet

O OH

N

⁺

H R

H H

₂

O H

⁺

O OH

NH

₂

+ ^O

R

H

4.) Hydrolyse:

Aminoketon Aldehyd

5.) Kondensation von Aminoketon und Ninhydrin:

∆

O OH

NH

⁺

O

^-

H

O

Imin O O

H

₂

O OH

NH

₂

+

O

O

O

~

4. Hauptgericht: Schweinefilet

O OH

NH

⁺

O

^-

H

O

O

H

₂

O - H

⁺

O O

^-

N

O

O

Ruhemanns Purpur Chromophor:

(Kreuzkonjugation)

-

Vom Kollagen zur Gelatine

• Kollagen: Bindegewebsprotein, (20 – 25 % des Proteins)

• Charakteristische AS-Zusammensetzung: Gly, Pro, Hyp Aufbau: 3 Peptidketten Tripelhelix

• Quervernetzungen zwischen Lysin werden aufgebrochen

• Je weniger Quervernetzungen, desto zarter Fleisch

• Aminosäuren werden freigesetzt

4. Hauptgericht: Schweinefilet

Kollagen:

Kollagen-Tripelhelix

O

O

O

N H

H R

H

COOH O

O N O

H

R H H COOH

O

O N O H

H

R H

COOH +H

⁺

δ

⁺

δ

^-

O

O

O

N H

H R

H

COOH O

O N O

H

R H H COOH

O

O N O H

H

R H

COOH +H

⁺

δ

⁺

δ

^-

O

O N O H

H

R H

COOH H

N H H R

COOH O

O

N O

O

H R O O

H

-H

₂

O -H

⁺

O

O N O H

H

R H

COOH H

N H H R

COOH O

O

N O

O

H R O O

H

-H

₂

O -H

⁺

-H

₂

O -H

⁺

N O

O

H R O O

H

N O

O

H R O O

H

N O

O

H R H

-CO

₂

N O

O

H R O O

H

N O

O

H R O O

H

N O

O

H R H

-CO

₂

4. Hauptgericht: Schweinefilet

+H

₂

O

N O

O

H R H

O

O H

N

H R

O

O H

N H

R O H H

+H

₂

O

N O

O

H R H

O

O H

N

H R

O

O H

N H

R O H H

O

O H

N H

R O H

H R

H O

O

O H

NH

₂

O

O H

NH

₂

-

O

O H

N H

R O H

H R

H O

O

O H

NH

₂

O

O H

NH

₂

-

O

O H N

H H

O O

O

O

O H N H H

O

O O

+

O

O H N

H H

O O

O

O

O H N H H

O

O O O

O H N

H H

O O

O

O

O H N H H

O

O O

+

4. Hauptgericht: Schweinefilet

O

O H N

O

O

O

O

N

O

O

- H

⁺

O

O H N

O

O

O

O

N

O

O

- H

⁺

O

O

N

O

O

O

O

N

O

O

R u h e m a n n s P u r p u r

O

O

N

O

O

O

O

N

O

O

R u h e m a n n s P u r p u r

…

4. Hauptgericht: Schweinefilet

Molekulare Mechanismen der Geschmackserkennung

Süß:

• größte Variabilität in Struktur der süßschmeckenden Moleküle

• Künstliche Süßstoffe: meist Zufallsentdeckungen

• Strukturelle Gemeinsamkeiten:

- 2 polare Substituenten

- 1 nucleophile/ 1 elektrophile Gruppe

• Rezeptor-Bindungsareal: hydrophobe Tasche mit korrespondierenden Gruppen

3. Vorspeise

Signaltransduktion: süß

• G-Protein-gekoppelte Transduktionskaskade

• Ligand bindet an Rezeptor

• G-Protein aktiviert Adenylatcyclase

• Dadurch wird ATP in cAMP umgewandelt

• cAMP aktiviert Proteinkinase

• Phosphorylierung von K ⁺ -Kanal

• K ⁺ -Kanal wird geschlossen

Depolarisation

3. Vorspeise

V6: Modellversuch „Das Brataroma“

H ₂ S-Nachweis mit Bleiacetatpapier

• Aus schwefelhaltigen AS wird H ₂ S _(g) gebildet H ₂ S _(g) + Pb _2+(aq) + 2 H ₂ O PbS _(s) + 2 H ₃ O _+(aq)

(schwarzbraun)

4. Hauptgericht: Schweinefilet

Braten von Fleisch

Maillard-Reaktion: (nach L.C. Maillard; 1912)

• nicht-enzymatische Bräunungsreaktion

• Temperaturabhängig

• Vielfältige Reaktionsprodukte (nicht vollständig geklärt)

• Bräunung: Aminosäuren reagieren mit reduzierenden Zuckern (Glycin + Glucose)

• Aromabildung: aromaintensive Verbindungen aus schwefelhaltigen Aminosäuren (Methionin, Cystein)

• Beispiel: H ₂ S

4. Hauptgericht: Schweinefilet

Anteil der Nahrungsmittel an der Ernährung:

2. Klassifizierung

Hauptgericht

Nachspeise

Vorspeise