Die Zuckerkrise

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Einführung . . . 2 Die Zuckerkrise . . . 3

Hinweis:

Bei allen Experimenten sind selbstverständlich die allgemeinen Richtlinien zur Sicherheit im natur-

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Didaktische Hinweise

Lehrplanbezug

• Chemische Eigenschaften von Stoffen (Lösungen)

• Physikalische Eigenschaften von Stoffen (Dichte)

• Trennen von Stoffgemischen (Verdampfen) Für Fortgeschrittene (Aufgaben 8 und 9):

• Nachweis reduzierender Zucker mithilfe der Fehling’schen Probe

• Chemie der Kohlenhydrate

• Redoxreaktion Vorwissen

Um die Aufgaben 1 bis 7 im Schülermaterial mithilfe der Tipps durchzuführen, benötigen die Schüler keinerlei Vor- wissen. Die Versuche zu Aufgaben 2, 4, 5 und 7 können die Schüler unter Aufsicht der Eltern in der Küche machen.

Schüler, die bereits erste Erfahrungen mit den im Schülerlabor üblichen Gerätschaften (z. B. Gasbrenner) und mit grundlegenden Labortechniken haben (Erhitzen von Flüssigkeiten in Kristallisier schalen oder im Reagenzglas), sollten – im Sinne des kumulativen Lernens – diese Techniken auch anwenden, um die Aufgaben zu lösen. Erfahrungsge- mäß macht es Schülern großen Spaß, ihre im Chemieunterricht erworbenen Kenntnisse auf die Untersuchung von Lebensmitteln zu übertragen. Bei der Durchführung der Fehling’schen Probe müssen die fortgeschritteneren Schüler mit stark alkalischen Lösungen in der Hitze umgehen können. Um Siedeverzüge dieser Lösungen zu vermeiden, sollte die Reaktion im heißen Wasserbad und nicht direkt über der Gasbrennerflamme durchgeführt werden (siehe Anleitung zu Aufgabe 8). Um zu erklären, wieso Cola in der Fehling’schen Probe positiv reagiert, benötigen sie Kenntnisse zum Bau und zum Reaktionsverhalten von Glucose, Fructose und Saccharose.

Im Rahmen des in der Geschichte „Die Zuckerkrise“ dargestellten Falles erwerben die Schüler Wissen über die Sorgfalt, mit der zuckerkranke Kinder sich ernähren müssen (oder werden zumindest wieder daran erinnert). Doch hauptsächlich fördern sie ihre Kompetenzen im Bereich der Erkenntnisgewinnung. Die einschlägigen Sicherheits- richtlinien sind zu beachten.

Bildungsstandards

Bezug zu den Aufgaben und Anforde- rungen beim Fall „Die Zuckerkrise“

Standards für die Kompetenzbereiche der Fächer Biologie, Che- mie und Physik

Die Schülerinnen und Schüler …

… verbinden die Informationen des Textes zur Zuckerkrankheit des Schülers Paul und dessen Unterzuckerung mit den Inhalts- stoffen der angebotenen Getränke,

Bio K 8: … erklären biologische Phänomene und setzen Alltagsvor- stellungen dazu in Beziehung,

Che E 1: … erkennen und entwickeln Frage stellungen, die mit Hilfe chemischer Kenntnisse und Untersuchungen, insbesondere durch chemische Experimente zu beantworten sind,

Che B 4: … entwickeln aktuelle, lebensweltbezogene Fragestel- lungen, die unter Nutzung fachwissenschaft li cher Kenntnisse der Chemie beantwortet werden können,

… entwickeln einfache Testverfahren, um zuckerhaltige Getränke von süßstoffhal- tigen Getränken zu unterscheiden. Die Testverfahren beruhen auf einem Vergleich der Dichte und dem Nachweis von Rück- ständen von Cola und Cola-light,

… beurteilen die Aussagekraft ihrer Test- verfahren kritisch,

Che E 2: … planen geeignete Untersuchungen zur Überprüfung von Vermutungen und Hypothesen,

Che E 3: … führen qualitative und einfache quantitative experimen- telle und andere Untersuchungen durch und protokollieren diese.

Phy E 1: … beschreiben Phänomene und führen sie auf bekannte physikalische Zusammenhänge zurück.

Bio E 8: … erörtern Tragweite und Grenzen von Untersuchungsan- lage, -schritten und -ergebnissen,

… wenden ihre Kenntnisse zu Redoxreakti- onen und zum molekularen Bau von Mono- und Disacchariden auf die Fehling’sche

Che F 3.2: … deuten Stoff- und Energieumwandlungen hinsicht- lich der Veränderung von Teilchen und des Umbaus chemischer Bindungen.

ristine Fischer: Kriminell gut experimentieren 5.–10. Klasse uer Verlag – AAP Lehrerfachverlage GmbH, Augsburg

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Fachinformation

Kinder mit Diabetes mellitus in der Schule

Die Zahl der insulinbedürftigen Kinder und Jugendlichen in Deutschland wird auf etwa 25 000 geschätzt. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass jeder Lehrer irgendwann einmal im Rahmen seines Berufes Kontakt zu einem di- abetischen Kind hat.

Diese Kinder benötigen Insulin, um ihre Blutzuckerwerte nach einer Zufuhr von Kohlenhydraten zu regulieren. Das Insulin wird 3–6-mal täglich in das Unterhautfettgewebe gespritzt. Je mehr körperliche Bewegung das Kind hat, umso weniger Insulin braucht es. Je mehr Mahlzeiten gegessen werden, umso mehr Insulin wird zugeführt. Die betroffenen Kinder halten sich normalerweise an einen festen Essensplan und messen ihre Blutzuckerwerte regelmäßig.

Essen die Kinder zu wenig oder zu unregelmäßig, treiben sie verstärkt Sport oder spritzen sie eine zu hohe Insulin- dosis, können ihre Blutzuckerwerte zu niedrig sein. Die Symptome einer derartigen Unterzuckerung sind von Kind zu Kind verschieden. Als typisch gelten Schwitzen, Blässe, Zittrigkeit, Kopfschmerzen, weiche Knie, Konzentrati- onsschwäche, plötzliche Aggressivität oder Müdigkeit. Die Kinder kennen „ihre“ Warnzeichen und wissen, dass sie sofort rasch wirksame Kohlenhydrate (z. B. 3 Plättchen Traubenzucker, 1 Glas Cola) zu sich nehmen müssen.

Geschieht dies nicht, können sie im schlimmsten Fall bewusstlos werden oder Krampfanfälle bekommen. Nachdem das bewusstlose Kind in die stabile Seitenlage gebracht worden ist, kann man ihm Traubenzucker in die Wangen- tasche legen. Der Notarzt spritzt Glucagon, ein Hormon, das die Blutzuckerwerte schnell wieder erhöht.

Das Wissen der betreuenden Lehrer und der Klassenkameraden über den Diabetes hilft den betroffenen Kindern, offen mit der Erkrankung umzugehen. Zudem gibt es keine Probleme, wenn das diabetische Kind während des Unterrichts isst, seinen Blutzuckerwert misst und häufiger auf die Toilette gehen darf (was anderen Schülern nicht immer erlaubt wird).

Zuckerkranke Kinder und Jugendliche sind jedoch ansonsten im Unterricht normal belastbar und leistungsfähig.

Aus psychologischer Sicht hilft man ihnen am besten, wenn man keine großen Unterschiede zwischen ihnen und gesunden Kindern macht.

Cola

Cola ist eine künstlich hergestellte Limonade aus Wasser, dem Farbstoff Zuckercouleur, Coffein, Phosphorsäure (pH = 2) und einigen Aromen. Die Cola-Limonaden der diversen Hersteller unterscheiden sich hauptsächlich in ihren Aromastoffen. In der „normalen“ Cola befinden sich etwa 106 g Zucker in einem Liter Limonade. Dies entspricht einer Menge von 35 Stück Würfelzuckern (der Wert bezieht sich auf Zuckerwürfel von Südzucker; ein Würfel wiegt etwa 3 g). Der Energiegehalt von Cola beträgt 1800 kJ/l (420 kcal/l).

Die in einem Glas Cola (ca. 200 ml) enthaltene Zuckermenge entspricht etwa 2 BE (2 Brot-Einheiten). Diese Menge etwa sollen diabetische Kinder bei einer beginnenden Unterzuckerung sofort zu sich nehmen.

Alle anderen Zutaten bewegen sich im Milligramm-Bereich. Deswegen bleibt tatsächlich beim Eindampfen von Cola fast ausschließlich ein Rückstand aus erhitztem Zucker übrig (siehe Aufgabe 4).

Cola-light

Die meisten Hersteller bieten seit einigen Jahrzehnten Cola-light-Produkte an. Hier ist der Zucker durch Süßstoffe ersetzt. Der Energiegehalt des Light-Getränks ist dadurch fast gleich null. In der Regel werden mehrere Süßstoffe verwendet.

In Coca-Cola light werden beispielsweise Acesulfam-K (E 950), Aspartam (E 951) und Natrium-Cyclamat (E 952) miteinander kombiniert. Sie gelten als gesundheitlich unbedenklich, trotzdem wurden immer wieder Zweifel laut.

Daher gab es zusätzliche Studien zur Risikobewertung verschiedener Süßstoffe auch nach deren Zulassung.

Acesulfam-K (E 950) wurde in den späten 60er-Jahren des vorigen Jahrhunderts entdeckt und ist seit 1994 in der EU für Getränke (und viele andere Lebensmittel) zugelassen. Es ist etwa 120-mal süßer als Haus haltszucker.

Aspartam (E 951) ist auch als „Nutra Sweet“ bekannt. Ein Chemiker, der Mitte der 60er-Jahre an einem Präparat gegen Magengeschwüre arbeitete, entdeckte die Süßkraft dieses Stoffes zufällig, als er sich die Finger ableckte.

Aspartam schmeckt etwa 160–180-mal süßer als Haushalts zucker. Zudem soll Aspartam auch als Geschmacksver- stärker wirken.

Cylamat (E 952) ist etwa 23-mal süßer als Haushaltszucker. Da Cyclamat in hohen Konzentrationen bei Ratten Bla- senkrebs verursacht hatte, wurde ihm bereits 1970 in den USA die Zulassung entzogen. Auch über die Abbaupro- dukte dieses Süßstoffes, die im Stoffwechsel entstehen und im Tierversuch das Zentral nervensystem schädigten, wurde diskutiert.

Ansonsten enthält z. B. Coca-Cola light neben Aromastoffen zusätzlich zur Phosphorsäure noch Zitronensäure. Die Farbe wird ebenfalls durch Zuckercouleur erzielt.

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Zuckercouleur (Zuckerkulör) E 150

Wenn man Zucker schmilzt oder Zuckersirup in Gegenwart von Katalysatoren erhitzt, entstehen braun gefärbte Produkte mit typischem Karamelaroma. Dieser Prozess kann – je nach Reaktions bedin gun gen und Reaktionsbe- schleunigern – mehr in Richtung Farbbildung oder mehr in Richtung Aromastoffe gelenkt werden. Chemisch handelt es sich um ein Gemisch verschiedenster Reaktionsprodukte. Sie gelten als gesundheitlich unbedenklich.

Je nach den verwendeten Chemikalien werden die entstan denen Lebensmittelfarben als E 150a (oder E 150), E 150b, E 150c oder E 150d bezeichnet. E 150d ist Ammoniumsulfit-Zuckercouleur und wird in Coca-Cola als schwarzbraune Lebensmittelfarbe ver wendet.

In Aufgabe 7 stellen die Schüler durch trockenes Erhitzen eine Art Zuckercouleur her und färben damit Wasser oder ein mehr oder weniger farbloses Getränk ihrer Wahl.

Fehling’sche Probe

Der deutsche Chemiker Hermann Christian von Fehling (1812–1885) wurde berühmt durch eine Nach weismethode für Zucker, die bereits vor mehr als 150 Jahren zur Diagnose von Diabetes verwendet wurde (Quantitative Bestim- mung des Zuckers im Harn. Archiv für physiologische Heilkunde, 1848, 7, S. 64–73). Die Fehling’sche Lösung ist ein Nachweismittel für alle Aldehyde (Moleküle mit einer Car bonyl-Gruppe an einem Ende) und alle Moleküle, die sich leicht in Aldehyde umlagern. Hierzu gehören alle Einfachzucker, wie etwa Traubenzucker und Fruchtzucker.

Haushaltszucker (Saccharose) muss erst in Traubenzucker und Fruchtzucker gespalten werden, um zu reagieren. In Cola wird dies durch die Phosphorsäure bewerkstelligt.

Die Nachweisreaktion beruht darauf, dass Cu²⁺-Ionen durch die Einwirkung des Zuckers zu Cu⁺-Ionen reduziert werden. Dabei erfolgt ein Farbumschlag von Tiefblau (die ehemals in einem Komplex vorliegenden Cu²⁺-Ionen) nach Rot (die durch die Reduktion entstan denen Cu⁺-Ionen, die als rotes Kuper(I)-oxid ausfallen). Der Zucker wird dabei oxidiert, aus der Alde hyd-Gruppe entsteht eine Carbonsäure-Gruppe.

So stellen Sie die beiden Lösungen für die Fehling’sche Probe her:

• Fehling’sche Lösung I: Lösen Sie 7 g Kupfersulfat-Pentahydrat in 100 ml Wasser.

• Fehling’sche Lösung II: Lösen Sie 35 g Kaliumnatriumtartrat und 10 g Natriumhydroxid in 100 ml Wasser.

Bewahren Sie die beiden Lösungen getrennt voneinander auf.

Obwohl die Fehling’sche Probe schon so lange bekannt ist, ist es immer noch nicht möglich, eine feste Zahlenrela- tion zwischen den Reaktionspartnern anzugeben. Die Reaktion verläuft „nicht stöchiometrisch“. Der quantitative Zuckernachweis ist daher nicht trivial. Ein qualitativer Nachweis von (reduzierenden) Zuckern ist jedoch sehr einfach und kann auch von Hobby-Chemikern zuverlässig durchgeführt werden.

Literaturhinweise

• P. Haas: Arbeitsblätter Chemie im Alltag. Klett, 2000, S. 22–23

• H. Mühleder: Kinder und Jugendliche mit Diabetes in der Schule. Eine Informationsschrift der Kinderabteilung Klinikum Kreuzschwestern Wels. Über: http://www.schule.at/dl/Diabetes-Imformation.pdf (28. 12. 2009)

• R. Ebermann, I. Elmadfa: Lehrbuch Lebensmittelchemie und Ernährung. Springer, 2008, S. 51–52 und S. 596–602

• H.-D. Belitz, W. Grosch, P. Schieberle: Lehrbuch der Lebensmittelchemie. Springer, 2008, S. 270–280 und S. 443

• Coca-Cola GmbH Deutschland: Inhaltsstoffe, Lebensmittel-Zusatzstoffe und Produktübersicht – Broteinheiten, Süßungsmittel. Über: http://www.coca-cola-gmbh.de/produktinfo/index.html (15. 12. 2009)

• Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR): Bewertung von Süßstoffen. Informationen des BfR vom 21. August 2003. Über: http://www.bfr.bund.de/cm/208/bewertung_von_suessstoffen.pdf (15. 12. 2009)

• B. Ceranski, V. Ziegler: Mehr als eine Lösung – Hermann Fehling und die Chemie am Polytechnikum. Stuttgarter Impulse/Universität Stuttgart. Über: http://www.uni-stuttgart.de/impulse/imp/start.php?id=1 (28. 12. 2009)

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Die Zuckerkrise

„So, Frau Meyer-Möllenhoff, der Herr Schmidtke ist jetzt frei.“

Die nette Sekretärin öffnete die Tür zum Direktorat. Herr Schmidtke, der Schulleiter, erhob sich und streckte seine Hand aus. „Frau Meyer-Möllenhoff, wie schön, Sie wieder mal zu sehen. Wie geht es Ihrem Sohn?“

„Es ist eine Unverschämtheit, mich dermaßen lange warten zu lassen! Ich muss schon sagen, dass ich mir diese Behandlung verbitte!“ Herr Schmidtke zog seine Hand zurück. „Es tut mir leid, dass ich nicht sofort Zeit für Sie hatte. Was kann ich für Sie tun?“

„Das fragen Sie noch! Haben Sie nicht gehört, was gestern während des Schulfestes los war? Ihre schlampigen Schüler hätten meinen Sohn Paul fast in eine lebensgefährliche Krise getrieben! Er war nahe an der Ohnmacht! So was kann tödlich enden! Ich hatte eigentlich angenommen, dass wir Sie völlig ausreichend über die Krankheit unseres Sohnes informiert hätten. Und dann das! Eine verantwortungslose, grob fahrlässige Vernachlässigung Ihrer Aufsichtspflicht ist das, jawohl! Mein Mann und ich überlegen uns, die Schule zu verkla- gen!“

„Aber jetzt beruhigen Sie sich doch! Bitte setzen Sie sich erst einmal. Was genau ist denn gestern vorgefallen?“ Herr Schmidtke erinnerte sich gut an Paul, einen netten, schüch- ternen Jungen, der – wie er annahm – inzwischen in der 7. Klasse sein musste. Er kannte den Jungen aufgrund einer Informationsveranstaltung, die das ortsansässige Diabetes-Team des städtischen Krankenhauses auf Wunsch der Familie Meyer-Möllenhoff in der Schule veranstaltet hatte. Paul war zuckerkrank. Seine Klassenlehrer und seine Klassenkameraden waren informiert und wussten, wie sie bei Notfällen reagieren mussten.

„Sie erinnern sich doch bestimmt an das Graffiti-Kunst-Projekt der 10. Klassen“, unterbrach Pauls Mutter die Gedanken des Schulleiters, „und an die bescheuerte Idee mit den Cola- Dosen!“ Selbstverständlich kannte Herr Schmidtke das Projekt. Die Schüler hatten zum Jah- resmotto „Sophie-Scholl-Schule gegen AIDS“ gemeinsam mit ihren Kunstlehrern eine Wand in der Aula gestaltet. Davor hatten Sie gestern einen Stand aufgebaut, wo sie entsprechend bedruckte T-Shirts und Sticker anboten. Außerdem hatten sie palettenweise Cola-Dosen mit Spraylack verziert und verkauften sie als „Sammler-Objekte“ an Schüler, Eltern und Lehrer.

Obwohl Herr Schmidtke selbst keine Cola mag, hatte er einige dieser Dosen in seinem Büro stehen. Der Erlös der ganzen Aktion sollte der AIDS-Hilfe gespendet werden.

„Jedenfalls hatte Paul gestern in der Schuldisco getanzt! Er ging endlich mal ein bisschen aus sich raus. Ich war so froh darüber, dass er nicht immer bloß in der Ecke steht und zusieht“, fuhr Frau Meyer-Möllenhoff fort. „Vielleicht hatte er vor dem Fest nicht genug ge- gessen. Jedenfalls hatte Paul plötzlich Kopfschmerzen. Er weiß, dass dies ein Zeichen dafür ist, dass bei ihm der Blutzuckerspiegel nicht stimmt und dass er dann schnell was Süßes es- sen soll. Der kleine Kerl ist ja so gewissenhaft und trägt seine Krankheit mit so viel Würde.“

Frau Meyer-Möllenhoff war den Tränen nahe.

‚Wo ist das Problem?‘, dachte Herr Schmidtke bei sich. ,So schlimm das mit der Krankheit auch sein mag, was Süßes konnte er gestern wirklich überall haben. Es gab von Schüler- eltern gebackenen Kuchen, die 5c verkaufte Waffeln, die 8d machte Popcorn – und hinter- ließ eine Riesensauerei, das Hausmeister-Ehepaar bot Schokofrüchte an …‘

„Paul ging zum Grafitti-Stand und kaufte sich eine Cola. Er hat den Steffen dort extra noch gefragt, ob in den bemalten Dosen auch echte Cola ist. ,Klar’, hatte ihm der Steffen geant- wortet, ,Cola-light sei ja sowieso bloß für Mädchen mit ihrem Abmagerungsfimmel. Echte

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Cola. Statt dass seine Kopfschmerzen verschwinden, wird er immer blasser und fängt an zu zittern. Es wird ihm schwindelig und speiübel. Sein Herz raste, er bekam Angst, dass er um- kippt. Er war ja schon mal bewusstlos wegen seines Unterzuckers!“ Frau Meyer-Möllenhoffs Stimme überschlug sich. „Ihre Schüler haben Paul Cola-light verkauft! Und ihn damit fast umgebracht!“

„Um Gottes willen! Was ist mit Paul dann geschehen?“

„Die Elvira aus seiner Klasse hat das Ganze mitbekommen. Sie weiß Bescheid und holte Paulchen schnell ein paar Plättchen Traubenzucker aus seiner Jackentasche. Ich selbst war in der Schultheateraufführung, von dem Krach in der Schülerdisco bekomme ich Kopfweh.

Wenn Elvira nicht gewesen wäre …!“

„Ein Glück, dann ist ja alles noch mal glimpflich abgelaufen.“ Herr Schmidtke klang erleich- tert.

„Von wegen glimpflich. Ich verlange, dass die Verantwortlichen zur Rechenschaft gezogen werden! Ich kann schließlich nicht ständig überall sein! Ihre Schüler müssen aufpassen, was sie da verkaufen! Ich werde mit meinem Rechtsanwalt sprechen!“

„Frau Meyer-Möllenhoff, ich verstehe Sie ja, aber übertreiben Sie da nicht ein bisschen? Wir sollten jetzt erstmal mit den Schülern der 10d reden und die Sache klären“, beschwichtigte Herr Schmidtke. „Ich lasse die Klassensprecher der 10d gleich mal ausrufen.“

Fünf Minuten später standen die beiden Klassensprecher, Julia und Martin, im Direktorat.

Betreten hörten Sie der immer noch sehr aufgebrachten Mutter von Paul zu. Sie verspra- chen, der Sache nachzugehen. Frau Meyer-Möllenhoff ließ sich auf einen Folgetermin in einer Woche ein. Julia und Martin verabschiedeten sich und gingen wieder zu ihrem Klas- senzimmer zurück.

Martin zog die Stirn kraus. „So toll das Projekt gelaufen ist, die Cola-Gruppe ist echt ein bisschen verpeilt. Bist du sicher, dass Steffen, Sven und Jörn wirklich noch wissen, ob sie Cola oder Cola-light gekauft haben?“ Julia hatte da auch so ihre Zweifel, vor allem wenn sie an das Chaos dachte, dass die drei bei ihrer Spray-Aktion hinterlassen hatten. „Es ist ja schon eine ganze Weile her, die Cola hatten die doch damals als Sonderangebot gekauft.

Sie haben doch immer damit angegeben, wie toll ihre Gewinnspanne ist.“ „Selbst wenn sie nach wie vor behaupten, dass sie nur echte Cola verkauft haben, wird das Pauls Mutter nie einfach so glauben.“

„Haben wir eigentlich noch Cola-Dosen?“ Julia wirkte auf einmal ganz zuversichtlich.

„Ein paar davon sind noch da. Was meinst du, sollen wir versuchen, den Lack abzukrat- zen?“

„Ich glaube nicht, dass das funktioniert, Martin. Da hätte ich eine bessere Idee. Wie sagt Herr Grabowski immer: ,Physik und Chemie schaden Mädels nie.‘“ Julia lächelte. „Er macht zwar blöde Sprüche, aber gelernt hab ich was bei ihm. Und das Beste kommt noch: Paul kann die notwendigen Versuche sogar selbst machen, so einfach sind sie. Herr Schmidtke erlaubt das ganz sicher. Paul wird es Spaß machen und vielleicht ist dann seine Mama nicht mehr ganz so sauer.“

„Super. Und Steffen, Sven und Jörn sollen die notwendigen Sachen besorgen. Strafe muss sein. Und aufräumen und abspülen können sie dann auch gleich noch.“