Die Bestimmung des Glucosegehalts im Verlauf der Lagerung und Keimung von Kartoffelknollen

Inhaltsverzeichnis

1. Geschichte, Vorkommen und Sorten der Kartoffelknollen

2. Chemische Grundlagen
2.1 Inhaltsstoffe der Kartoffelknolle
2.2 Entstehung der Glucose
2.3 Aufbau der Kartoffelstärke

3. Die Bestimmung des Glucosegehalts im Verlauf der Lagerung und Keimung
3.1 Qualitativer Nachweis von Stärke und Glucose
3.1.1 Nachweis von Stärke mit Iod-Kaliumiodid-Lösung
3.1.2 Nachweis von Glucose durch die Fehling-Reaktion
3.1.3 Nachweis von Glucose durch die Tollens-Reaktion
3.2 Quantitativer Nachweis von Glucose
3.2.1 Polarimeter
3.2.2 Refraktometer
3.2.3 Titration
3.2.4 Glucose-Teststreifen
3.2.5 Blutzuckermessgerät
3.3 Festlegung des Messinstrumentes zur Durchführung der Versuchsreihe

4. Versuchsreihe zum quantitativen Nachweis der Glucoseeinheiten
4.1 Vorüberlegungen zur Versuchsreihe
4.2 Versuchsanordnung
4.3 Versuchsdurchführung
4.4 Ergebnissicherung
4.5 Auswertung und Interpretation der Ergebnisse

5. Schlussbetrachtung

Anhang I

Anhang II

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1:

Reaktionsgleichung der Fotosynthese

Abbildung 2:

Schema der α- und β-D-Glucose

Abbildung 3:

Ausschnitte aus den Molekülstrukturen

Abbildung 4:

Reaktionsgleichung der Fehling-Reaktion

Abbildung 5:

Reagenzgläser nach vollendeter Versuchsdurchführung der Fehling-Reaktion

Abbildung 6:

Reagenzgläser nach vollendeter Versuchsdurchführung der Silberspiegelprobe

Abbildung 7:

Redox-Reaktion der Silberspiegelprobe

Abbildung 8:

Vergleichsskala der Glucoseteststreifen

Abbildung 9:

Blutzuckermessgerät und Sensoren

Abbildung 10

Abfolge der enzymatischen Reaktionen des Stärkeabbaus zu Glucose

1. Geschichte, Vorkommen und Sorten der Kartoffelknollen

Der botanische Name der zur Gattung der Nachtschattengewächse (Solanaceae) gehörenden Kartoffelpflanze ist Solanum tuberosum. Die im Volksmund als Erdäpfel, Erdbirnen, Grundbirnen oder Kartoffeln bekannten Knollen sind unterirdisch heranwachsende Austriebe der Kartoffelpflanze.¹ Ursprünglich angebaut wurde sie im Gebiet der Anden in Südamerika. Bevor die Knolle durch die spanischen Eroberer nach Europa gelangte, wurde die Kartoffel bereits mehrere Jahrtausende von den Inkas im Gebiet des heutigen Perus und Boliviens angebaut. Seit dem 16. Jahrhundert werden Kartoffelpflanzen auch auf dem europäischen Kontinent kultiviert und haben sich seitdem als wichtiger Bestandteil in die Esskultur der Europäer eingefügt. Die Anbaugebiete befinden sich größtenteils in Asien, Nordamerika sowie Mittel- und Osteuropa.² Es existieren zahlreiche Sorten der Kartoffelpflanze, die deutschlandweit einheitlich nach Kochtyp und Knollenform durch das Bundessortenamt kategorisiert werden. Dabei werden die Kartoffeln den Kochtypen festkochend, vorwiegend festkochend und mehligkochend zugeordnet. Die Knollenform wird gegliedert in rund bis oval und lang-oval bis lang.³

Gegenstand dieser Facharbeit ist die Bestimmung des Glucosegehalts in der Kartoffelknolle im Verlauf ihrer Lagerung und Keimung. Nachfolgend sollen zuerst die chemischen Grundlagen erläutert und Stärke und Glucose als Bestandteile in der Kartoffel nachgewiesen werden. Anschließend erfolgen die Beschreibung sowie die Analyse und die Auswertung einer Versuchsreihe, die die Entwicklung des Glucosegehalts während der Lagerung und Keimung der Kartoffelknolle bestimmt.

2. Chemische Grundlagen

Es gilt zunächst, die zum Verständnis der Versuchsreihe nötigen Grundlagen über die chemische Zusammensetzung der Kartoffel zu erläutern. Auf die beiden Inhaltsstoffe Glucose und Stärke wird zusätzlich in gesonderten Kapiteln eingegangen.

2.1 Inhaltsstoffe der Kartoffelknolle

Der in der Kartoffelknolle eingelagerte Stärkegehalt variiert je nach Sorte und Kochtyp und liegt durchschnittlich bei 13,7 %. Bei mehligkochenden Kartoffelsorten ist der Anteil an Stärke gegenüber festkochenden und vorwiegend festkochenden Kartoffeln rund 2 % erhöht, den Maximalwert von bis zu 16 % übersteigt jedoch keine Kartoffelsorte.⁴ Weitere Bestandteile sind beispielsweise die Mehrfachzucker Cellulose und Hemicellulose, der Zweifachzucker Saccharose sowie die Einfachzucker Glucose und Fructose.⁵ Insgesamt liegt der sich in der Summe ergebende Anteil an Kohlenhydraten bei 18,9 %. Nitrate sind zu 2,0 % beinhaltet, Lipide bilden 0,2 % der Gesamtmasse. Die Trockenmasse der Knolle beträgt 22,2 % des Frischgewebes.⁶ Demnach besteht die Kartoffelknolle zu über 75 % aus Wasser.⁷

2.2 Entstehung der Glucose

Grundlage der Entstehung von Glucose in der Kartoffelpflanze ist die Fotosynthesereaktion. „Zum Ablauf der Fotosynthese in den grünen Pflanzen benötigen diese Wasser, Kohlenstoffdioxid, Chlorophyll und Sonnenlicht.“⁸ Als Reaktions- produkte entstehen Sauerstoff (O2) und das Monosaccharid Glucose (C6H12O6)⁹.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Reaktionsgleichung der Fotosynthese. Quelle: Vgl. Becker, H., a.a.O., S. 111.

Unter dem Begriff Monosaccharid (Einfachzucker) sind Kohlenhydrate subsumiert, die lediglich aus einem Einzelmolekül bestehen.¹⁰ Die Glucose „ist [somit] das erste organische Endprodukt der Fotosynthesereaktion[.]“¹¹

Der Reinstoff Glucose hat eine weiße, kristalline Struktur und ist wasserlöslich.¹² Es gibt unterschiedliche Varianten des Glucosemoleküls. Durch die griechischen Buchstaben alpha (α) und beta (β) wird die Position der Hydroxylgruppe am ersten Kohlenstoffatom (C1) im Verhältnis zu der Hydroxylgruppe am zweiten Kohlenstoffatom (C2) gekennzeichnet. Hierbei steht alpha für die gleichseitige Anordnung, beta für die entgegengesetzte.¹³ Dies lässt sich am besten in einer Fischer- Projektion veranschaulichen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Schema der α - und β -D-Glucose. Quelle: Vgl. Grunwald, B., u.a., a.a.O., S. 104.

Bei der Nomenklatur der Glucosemoleküle werden weiterhin die Enantiomere (Stereoisomere) D- und L-Glucose unterschieden. Der lateinische Buchstabe D (lat. dexter) steht hierbei für die rechtsseitige Anordnung der Hydroxylgruppe am Chiralitätszentrum, dem untersten asymmetrischen Kohlenstoffatom. In der offenen Form des D-Glucosemoleküls in der Fischer-Projektion ist das Kohlenstoffatom C5 - bei Anordnung der Kohlenstoffatome nach absteigenden Oxidationszahlen von oben nach unten - das unterste Chiralitätszentrum, das somit für die Namensgebung bzw. für die Position der Hydroxylgruppe ausschlaggebend ist. Analog dazu bezeichnet der Buchstabe L (lat. laevis) eine linksseitige Anordnung der Hydroxylgruppe in der räumlichen Darstellung.¹⁴ Da in der Natur lediglich die D-Glucose vorgefunden werden kann¹⁵, wird auf eine Abbildung der L-Glucose verzichtet.

2.3 Aufbau der Kartoffelstärke

In der Kartoffel wird die Glucose zur Lagereinheit Stärke umgewandelt. Durch die Einlagerung der Stärke in die Kartoffelknolle in Form von weißen Stärkekörnern¹⁶ mit einem Durchmesser von 15 bis 100 μm¹⁷ (μm = Mikrometer), wird Energie gespeichert und der Einfluss der Glucosemoleküle auf die Osmose unterbunden.¹⁸ Die in der Kartoffel beinhaltete Stärke „besteht aus den zwei nebeneinander vorkommenden Stärkemodifikationen Amylose (20 %) und Amylopektin (80 %) [.]“¹⁹ Die Amylose ist der wasserlösliche Bestandteil der Stärkekörner und setzt sich aus circa 500 α-D- Glucosemolekülen spiralförmig zusammen. Das Amylopektin hingegen ist aus mehr als 2000 einzelnen, verzweigt angeordneten Glucoseeinheiten aufgebaut und nicht in Wasser löslich.²⁰

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Ausschnitte aus den Molek ü lstrukturen. Quelle: Grunwald, B., u.a., a.a.O., S. 110.

3. Die Bestimmung des Glucosegehalts im Verlauf der Lagerung und Keimung

Gemäß dem Titel dieser Arbeit ist der Fokus des durchzuführenden Versuchs speziell auf die in der Knolle vorhandene Glucose-Menge gerichtet. Der Beobachtungszeitraum wird mit einer Dauer von zwei Monaten veranschlagt. In dieser Zeitspanne soll die Kartoffelknolle die Stadien der Reifung durchlaufen und auch das Einsetzen der Keimung zu beobachten sein. Erwartet wird während des Zeitraumes der Lagerung ein kontinuierlicher Anstieg des Glucosegehalts und zugleich eine Abnahme der Energiereserven in Form von Stärke beziehungsweise Stärkekörnern²¹ (siehe Kapitel 4.5).

3.1 Qualitativer Nachweis von Stärke und Glucose

Um die Existenz oben angegebener Inhaltsstoffe in der Kartoffelknolle zu bestätigen, folgt ein qualitativer Stärkenachweis im Rahmen der Reaktion von Stärke mit Lugol'scher Lösung. Qualitative Nachweise der Glucose werden durch die Fehling- Reaktion und die Tollens-Reaktion durchgeführt. Die Durchführungen dieser qualitativen Nachweise fanden am 15. Juli 2010 im Chemielabor des Gymnasiums München/Moosach statt.

3.1.1 Nachweis von Stärke mit Iod-Kaliumiodid-Lösung

Bei dem für die Stärke spezifischen Nachweisverfahren mit Lugol'scher Lösung wird diese tropfenweise auf die Schnittfläche einer Kartoffel gegeben. Diese Lösung besteht aus Kaliumiodid und Iod, welche im Verhältnis von zwei Teilen Kaliumiodid zu einem Teil Iod (2:1) vorliegen. Das Gemisch der beiden Chemikalien ist eine rot-braune Iod- Kaliumiodid-Lösung.²²

Im Einzelnen lagern sich Polyiodid-Anionen in die spiralförmige Amylosehelix ein. Es entsteht die für diesen Nachweis charakteristische Blaufärbung. Das Amylopektin verfärbt sich hingegen bei Zugabe von Lugol'scher Lösung rot-violett, da es in seiner Struktur Verzweigungen und keinen spiralförmigen Molekülbau vorweist.²³ Bei dem dieser Arbeit zugrunde liegenden Versuch dominiert die Farbe blau.

3.1.2 Nachweis von Glucose durch die Fehling-Reaktion

Die Fehling-Reaktion dient allgemein als Nachweis für die reduzierend wirkenden Aldehydgruppen (CHO). Auch bei Monosacchariden verläuft diese Nachweisreaktion positiv, da beispielsweise ein Glucosemolekül am C1-Atom eine Aldehydgruppe hat (siehe Abbildung 2, Kapitel 2.2). Um den Nachweis durchzuführen wird „ [e]ine Kupfer(II)-sulfat-Lösung (Fehling I) […] mit einer wässrigen Lösung von Natriumhydroxid und Kalium-natrium-tartrat (Fehling II) [zu gleichen Teilen] versetzt.“²⁴ Das Fehling-Reagenz ist nun blau verfärbt und beinhaltet Tartrat-Anionen. Diese können die Kupfer(II)-Ionen (Cu₂ +-Ionen) aufnehmen, damit ein Absetzen von Kupfer(II)-hydroxid (Cu(OH)2) im alkalischen Milieu verhindert wird. Im weiteren Versuchsverlauf wird Glucose hinzugegeben, anschließend wird das Gemisch im Wasserbad erwärmt. Es bildet sich Kupfer(I)-Oxid (Cu2O), welches „eine Farbänderung von blau nach rot bzw. rot-braun“²⁵ hervorruft.²⁶

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Reaktionsgleichung der Fehling-Reaktion. Quelle: Vgl. Becker, H., a.a.O., S. 16.

Eine Rotfärbung durch Kupfer(I)-Oxid bildet sich - wie bereits oben angeführt - lediglich bei Einfachzuckern. Um dies zu verdeutlichen wird der Nachweis durch die Fehling-Reagenzien mit reiner Glucose (Reagenzglas Nummer 1 (RG 1)), mit dem Zweifachzucker Saccharose (RG 2) und mit abfiltriertem Kartoffelsaft²⁷ (RG 3) im Schullabor durchgeführt. Für den Kartoffelsaft in RG 3 wird, wie auch für die reine Glucose in RG 1, ein positives Ergebnis erwartet, da in beiden Lösungen Glucose enthalten ist. Des Weiteren ist zu erwarten, dass die Reaktion mit einem Disaccharid (RG 2) negativ ausfällt.

Die Nachweisreaktion der reinen Glucose verläuft positiv, eine rot-

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Reagenzgläser nach vollendeter Versuchsdurchf ü hrung der

Fehling-Reaktion.

Quelle: Widenka, Schullabor.

braune Färbung tritt auf (RG 1). Im Reagenzglas zwei (RG 2) findet keine Reaktion statt, es ist nach wie vor die tief-blaue Farbe der Lösung bestehend aus Fehling I und Fehling II zu sehen. Im Reagenzglas drei (RG 3) findet ein Farbwechsel vom ursprünglich wässrigen Hellbraun des Kartoffelsaftes nach beige-gelb statt. Dieser Nachweis verläuft nicht vollständig analog zur Reaktion der reinen Glucose in RG 1, er ist jedoch positiv zu werten. Der Unterschied erklärt sich dadurch, dass der Kartoffelsaft trotz Filtrierung durch kleinste Schwebestoffe getrübt ist und die Reaktion somit negativ beeinflusst wird.

3.1.3 Nachweis von Glucose durch die Tollens-Reaktion

Neben dem oben bereits erläuterten Nachweis der Glucose durch die Fehling- Reagenzien können Einfachzucker auch durch die Tollens-Reaktion nachgewiesen werden. Das Tollens-Reagenz besteht aus einer 5 %-igen Silbernitrat-Lösung, die tropfenweise mit Natronlauge versetzt wird, bis sich ein dunkelbrauner Niederschlag bildet.

Anschließend wird die Menge an Ammoniakwasser hinzugegeben, die nötig ist, um den gebildeten Niederschlag wieder aufzulösen. Somit bildet sich ein Diamminsilber - Komplex (Ag(NH3)2+), der mit Glucose vermischt wird. Anschließend wird das Gemisch wahlweise im Wasserbad oder mit dem Bunsenbrenner erwärmt.²⁸ Das Tollens-Reagenz (Oxidationsmittel) wird zu metallischem Silber²⁹ reduziert, das sich an den Innenseiten des Reagenzglases anlagert oder „[...] fein verteilt die Lösung dunkel färbt [.]“³⁰ Bedingt durch diesen oberflächlichen Spiegel wird der Nachweis von Monosacchariden durch die Tollens-Reagenz auch mit dem Trivialnamen „Silberspiegelprobe“ bezeichnet. Dieser Versuch wurde ebenfalls am 15. Juli 2010 im Schullabor durchgeführt. Die Nachweisreaktion mit reiner Glucose (RG 1) verläuft positiv, der oben beschriebene Silber- spiegel bildet sich an der Innenseite der Gefäßwand. Wie auch bei der Fehling-Reaktion (siehe 3.1.2), wird ein weiterer Nachweis mit dem

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Reagenzgläser nach vollendeter Versuchsdurchf ü hrung der Silberspiegelprobe.

Quelle: Widenka, Schullabor.

[...]

---

¹ Vgl. F.A. Brockhaus GmbH, Der Brockhaus von A-Z in drei Bänden, Sonderausgabe für den Weltbild Verlag GmbH, Mannheim und Augsburg, 2000, Band 2, S. 186 u. 452.

² Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, „http://www.lfl.bayern.de/publikationen/daten/merk blaetter_url_1_58.pdf“ (aufgerufen am 26. September 2010 um 16:00 Uhr).

³ Vgl. Bundessortenamt, Bekanntmachung Nr. 11/09, „http://www.bundessortenamt.de/internet30/file admin/Files/PDF/B_Kartoffeln.pdf“ (aufgerufen am 26. September 2010 um 16:14 Uhr), Stand: 1. September 2009.

⁴ Vgl. Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft, „http://www.lfl.bayern.de/publikationen/daten/ merkblaetter_url_1_64.pdf“ (aufgerufen am 26. September 2010 um 16:21 Uhr), Stand: 13. Juni 2005.

⁵ Vgl. Zuckerforschung Tulln Gesellschaft m.b.H., „http://www.zuckerforschung.at/inhalt.php?titel=ST %C4RKETECHNOLOGIE&nav=nstaerkeinfo&con=cirskartoffel_zus“ (aufgerufen am 26. September 2010 um 16:29 Uhr).

⁶ Vgl. Prof. Belitz, H.-D./Prof. Grosch, W., Lehrbuch der Lebensmittelchemie, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1992[4], S. 698.

⁷ Vgl. Zuckerforschung Tulln Gesellschaft m.b.H..

⁸ Becker, H., Abitur-Training Chemie 2 Leistungskurs G9, Stark Verlagsgesellschaft mbH & Co. KG, o. O., 2009, S. 111 (Hervorhebungen im Original).

⁹ Vgl. Becker, H., a.a.O., S. 111.

¹⁰ Vgl. Becker, H., a.a.O., S. 7.

¹¹ Becker, H., a.a.O., S. 111.

¹² Vgl. Seilnacht, T., „http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_gluco.htm“ (aufgerufen am 26. September 2010 um 18:42 Uhr).

¹³ Vgl. Becker, H., a.a.O., S. 10.

¹⁴ Vgl. Becker, H., a.a.O., S. 2 f.

¹⁵ Vgl. Grunwald, B./Scharf, K.-H., elemente Chemie 12, Ernst Klett Schulbuchverlag GmbH, Stuttgart, 1995, S. 104.

¹⁶ Vgl. Grunwald, B., u.a., a.a.O., S. 110.

¹⁷ Vgl. Prof. Belitz, H.-D./Prof. Grosch, W., a.a.O., S. 284.

¹⁸ Vgl. Becker, H., a.a.O., S. 21.

¹⁹ Becker, H., a.a.O., S. 21 (Hervorhebungen im Original).

²⁰ Vgl. Becker, H., a.a.O., S. 21.

²¹ Vgl. Prof. Belitz, H.-D./Prof. Grosch W., a.a.O., S. 715.

²² Vgl. „http://www.chemikalienlexikon.de/cheminfo/0266-lex.htm“ (aufgerufen am 26. September 2010 um 20:11 Uhr), Stand: 30 September 2008.

²³ Vgl. Becker, H., a.a.O., S. 22.

²⁴ Grunwald, B., u.a., a.a.O., S. 104.

²⁵ Musolf, T., „http://www.thomasmusolf.de/fuer_schueler_und_eltern/Chemie/Semester %201%20Chemie%20im%20Menschen/V%20Kohlenhydrate/kohlenhydrate%20Nachweis.htm“ (aufgerufen am 26. September 2010 um 20:55 Uhr), Stand: 31. Dezember 2009.

²⁶ Vgl. Becker, H., a.a.O., S. 16.

²⁷ Herstellung des Kartoffelsaftes siehe Kapitel 4.3.

²⁸ Vgl. Jakob, O./Hoffmann, W./Glöckner, W., Struktur und Reaktionsverhalten organischer Verbindun- gen, C.C. Buchner Verlag, Bamberg, 1984, S. 114.

²⁹ Vgl. Jakob, O., u.a., a.a.O., S. 114.

³⁰ Vgl. Gietz, P./Justus, A./Schierle, W., Abiturwissen Chemie, Klett Lerntraining GmbH, Stuttgart, 2009, S. 134.