Lebensmittelchemisches Grundpraktikum A. Themenkreis „Proteine und Kohlenhydrate“


Praktikumsbericht / -arbeit, 2016
34 Seiten

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1) Kohlenhydrate
1.1) Bestimmung reduzierender Zucker nach LUFF-SCHOORL
1.2) Bestimmung der Saccharose nach LUFF-SCHOORL
1.3) Polarimetrische Bestimmung des Stärkegehalts

2) Proteine
2.1) Stickstoffbestimmung nach KJELDAHL
2.2) Hydroxyprolingehalt in Fleisch und Fleischerzeugnissen
2.3) Nachweis von Ei- und Milchproteinen in Lebensmitteln mittels diskontinuierlicher Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamidgelektrophorese (Disk-SDS-PAGE)

3) Chemikalienliste

4) Literatur und Abbildungen

1) Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind Polyhydroxycarbonylverbindungen und Produkte der partiellen Oxidation mehrfacher Alkohole. Strukturell unterteilt werden die Kohlenhydrate in Mono-, Di-, Oligo- und Polysaccharide. Sie sind mengenmäßig die bedeutendsten Naturstoffe und bilden neben Fetten und Proteine die wichtigste Energiequelle für den Organismus. Weitere Funktionen finden die Kohlenhydrate im Pflanzen und Tierreich als Reserve- und Gerüststoffe (z.B. Stärke, Cellulose und Glykogen). Synthetisiert werden Kohlenhydrate von Pflanzen, die aus CO2 und Wasser mit Hilfe des Sonnenlichts Glucose und Sauerstoffe in der Photosynthese bilden. Über eine milde Oxidation von Glycerol kann entweder eine primäre oder die sekundäre Hydroxylgruppe dehydriert werden. Die jeweiligen Reaktionsprodukte sind Glycerinaldehyd im ersten Fall und Dihydroxyaceton im zweiten Fall, welche die Grundbausteine für weitere Zucker bilden. Glycerinaldehyd ist formell der einfachste Aldehydzucker und besitzt 3 C-Atome mit einem asymmetrischen Zentrum. Dadurch ist dieser Zucker optisch aktiv und kann linear polarisiertes Licht drehen. Kohlenhydrate setzen sich aus mindestens einem Monomer-Baustein zusammen, den Monosacchariden. Es wird je nach funktioneller Gruppe zwischen Ketosen (Ketofunktion) und Aldosen (Aldehydfunktion) differenziert. Die Stellung der Hydroxylgruppe, die am weitesten von der Carbonyl entfernt liegt, ist entscheidend für die Zuordnung der sogenannten Reihe. Bei der D-Reihe liegt die Hydroxygruppe auf der rechten Seite und bei der L-Reihe auf der linken Seite vor. D- und L-Konfiguration sind optische Antipoden und sind einander enantiomer. Sie unterscheiden sind jedoch in der Drehung des linear polarisierten Lichts. In der Natur kommen Monosaccharide ausschließlich in D-Konfiguration vor. Durch intramolekularen Ringschluss liegen die Monosaccharide zu 99 % als Halbacetal im Ring vor, die restlichen 1 % in offenkettiger Form. Bei frisch hergestellten Zuckerlösungen wird beobachtet, dass diese keinen konstanten Drehwert besitzen, sondern eine Mutarotation durchlaufen wird und sich ein Gleichgewicht zwischen offenkettiger und Ringform sowie zwischen der α- und β-Form einstellt. Dieses Gleichgewicht ist auf die statistische Orientierung der Hydroxylgruppe am C1-Atom zurückzuführen. Es wird zwischen α- und β-Anomeren unterschieden. Bei Glucose stellt sich in wässrigen Lösungen ein Gleichgewicht von 38 % α-Glucose und 62 % β-Glucose ein. Die am C1-Atom gebundene Hydroxylgruppe bei Monosacchariden kann in Folge einer Kondensationsreaktion eine glykosidische Bindung mit weiteren monomeren Bausteinen ausbilden. Hierbei wird unterschieden zwischen reduzierende Zucker, bei der die Hydroxylgruppe am C1-Atom frei vorliegt und nicht reduzierenden Zucker, bei der diese Gruppe bei der glykosidische Bindung beteiligt ist. Nicht reduzierende Zucker werden zu dem als Vollacetale bezeichnet und sind im alkalischen Milieu stabil. Aus den monomeren Bausteinen, die über eine glykosidische Bindung verknüpft werden, bilden sich demnach Di-, Oligo- und Polysaccharide.

1.1) Bestimmung reduzierender Zucker nach LUFF-SCHOORL

Sensorik der Probe

Die Probe war als „Grog Burner“ deklariert. Es handelte es sich um eine klare, rote Lösung mit einem charakteristischen würzigen, süßen Geruch.

Versuchsprinzip [1][3]

Durch die Methode nach Luff-Schorrl werden alle in der Lösung vorliegenden reduzierenden Zucker bestimmt. Im alkalischen Milieu stellt sich schneller ein Gleichgewicht zwischen zyklischer und offenkettiger Form ein, so dass die reduzierende Aldehydgruppe bei der offenkettigen Form frei vorliegt. Die Halbacetale bilden über die Endiolform Epimere aus. Diese unterscheiden sich in ihrer Konfiguration an einem Stereozentrum. Die frei vorliegende Carbonylfunktion wird nun mit Hilfe der, in Luff’schen Lösungen enthaltenen, Kupfer(II)-Ionen oxidiert. Dementsprechend wird das Kupfer zu Kupfer(I)-oxid reduziert und fällt als rotbrauner Niederschlag aus (Gl.1). Es handelt sich hierbei um eine Redoxreaktion. Das Natriumcitrat dient dazu die überschüssigen Kupfer(II)-Ionen zu komplexieren und in Lösung zu halten. Durch einen Überschuss am Kaliumiodid und die restlichen Kupfer(II)-Ionen wird das unlösliche Kupfer(I)-iodid gebildet und das Gleichgewicht auf die Seite der Produkte verschoben (Gl.2). Titriert wurde mit einer Natriumthiosulfat-Maßlösung gegen Stärke als Indikator (Blaufärbung) und anhand des Verbrauchs der Gehalt an überschüssigem Iod bestimmt (Gl.3). Dadurch kann auf den Gehalt der nicht reduzierenden Zucker geschlossen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Reaktionsbedingungen und -zeiten müssen stets genau eingehalten werden, da es sich bei der Methode nach Luff-Schorrl um eine Konventionsmethode handelt.

Versuchsdurchführung[1]

Die Durchführung erfolgte gemäß Praktikumsskript Stand 2016 Seite 29 ff in Anlehnung an die amtliche Sammlung von Untersuchungsverfahren nach § 64 LFGB, Nr. L. 31.00-11.

Zur Bestimmung der Wiederfindungsrate wurde 0,625 g D-Glucose und 0,625 g Saccharose eingewogen und in je einem 50-mL-Messkolben mit demineralisiertem Wasser aufgefüllt und eine Doppelbestimmung durchgeführt.

Zur Bestimmung der Konzentration an Glucose in der Probe wurden 10 mL der Probe zur Proteinklärung in einen 200-mL-Messkolben mit 50 mL demineralisiertem Wasser und mit je 2 mL Carrez I- und Carrez II-Lösung versetzt. Nach der Filtration wurde der 200-mL-Messkolben bis auf Marke mit demineralisiertem Wasser aufgefüllt und je zweimal 25 mL zur Bestimmung entnommen.

Zur Bestimmung der Konzentration an Saccharose wurden 10 mL der Probe zu Proteinklärung in einem 250 mL-Messkolben mit 50 mL demineralisiertem Wasser und mit je 2 mL Carrez I- und Carrez II-Lösung versetzt. Es wurde nach der Proteinklärung aus dem 250-mL-Messkoblen 25 ml entnommen und in einem 200-mL-Messkolben überführt. Nach der salzsauren Inversion wurde der Kolben bis auf Marke mit demineralisiertem Wasser aufgefüllt.

Auswertung

Der Verbrauch an Natriumthiosulfatlösung, der der Menge an reduzierenden Zuckern entspricht wird nach folgender Formel berechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Konzentration des reduzierenden Zuckers wird nach der folgenden Gleichung berechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Wiederfindungsrate wurde nach folgender Formel berechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab.1 Messwerte und Auswertung der Bestimmung der Wiederfindungsrate bei Glucose

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Gl.7)

Die Wiederfindungsrate für Glucose beträgt 87,28 %.

Tab.2 Messwerte und Auswertung der Bestimmung der Wiederfindungsrate bei Saccharose.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Gl.8)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Wiederfindungsrate bei Saccharose beträgt 84,48 %.

Tab.3 Messwerte und Auswertung der Bestimmung der Konzentration an Glucose.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Gl.9)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der zu bestimmende Gehalt an Glucose liegt bei 22,48 ± 0,49 g/L.

1.2) Bestimmung der Saccharose nach LUFF-SCHOORL

Versuchsprinzip

Da es sich bei Saccharose um einen nicht-reduzierenden Zucker handelt, dessen Carbonylfunktion aufgrund einer α-1,2-glykosidische Bindung nicht frei vorliegt ist, muss dieser zunächst durch eine salzsaure Inversion (Drehsinnänderung) in Monomere gespalten werden (siehe Gl. 10). Durch die Spaltung werden Glucose und Fructose freigesetzt und der Gesamtdrehsinn ändert sich von rechts- auf linksdrehend (siehe Gl. 11).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Versuchsdurchführung[1]

Die Durchführung erfolgte gemäß Praktikumsskript Seite 32 ff in Anlehnung an die amtliche Sammlung von Untersuchungsverfahren nach § 64 LFGB, Nr. L. 31.00-11.

Auswertung

Die Konzentration der Saccharose wurde wie folgt berechnet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab.4 Messwerte und Auswertung der Bestimmung der Konzentration an Saccharose.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der zu bestimmende Gehalt an Saccharose liegt bei 2,19 ± 0,74 g/L.

Ergebnis und Diskussion

Die Probe „Grog Burner“ enthielt 22,48 g/L ± 0,49 g/L Glucose und 2,19 ± 0,74 g/L Saccharose. Da es sich bei Luff-Schorrl um eine Konventionsmethode handelt, mussten die Reaktionsbedingungen stets eingehalten werden. Dies erwies sich jedoch als sehr schwierig. Es konnte nicht gewährleistet werden, dass die Probe nach Zusatz der Luff’schen Lösung innerhalb von 2 Minuten zu sieden anfängt. Des Weiteren siedete die Lösung 2-3 Sekunden weiter nach nachdem die Probe in das Eisbad gestellt wurde. Ein weiterer Faktor, die die Methode beeinträchtigt, ist die Erkennung des Umschlagspunktes bei der Titration. Die Lösung verfärbte sich von rotbraun zu hellrosa. Die Lösung verfärbte sich nicht unmittelbar, wie bei anderen Titration. Eine weitere Fehlerquelle kann die Inversion der Saccharose darstellen, wenn die Reaktionszeiten nicht eingehalten wurden. Das Zersetzungsprodukt 5-Hydroxymehtylfuran kann darüber hinaus zu weiteren Abweichungen führen.

1.3) Polarimetrische Bestimmung des Stärkegehalts

Zucker sind optisch aktive Substanzen, da sie mindestens ein asymmetrisches Kohlenstoffatom aufweisen. Diese Eigenschaft wird in der Polarimetrie genutzt, da diese Substanzen in der Lage sind linear polarisiertes Licht um einen definierten Betrag zu drehen. Dadurch sind qualitative sowie quantitative Analysen möglich. Beim Durchtritt des polarisierten Lichts durch die Lösung der Drehwerts geändert und diese Änderung detektiert. Dieser ist Abhängig von der Temperatur, der Konzentration der Substanz in der Lösung und der Reinheit des Lösungsmittels. Das Polarimeter besteht grundsätzlich aus 3 Elementen: Die Lichtquelle, Polarisator und Analysator. Nichol’sche Prismen oder Polarisationsfolien werden dazu verwendet das Licht zu polarisieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1: Schematischer Aufbau eines Polarimeters[10]

Sensorik und Mikroskopie der Probe

Die Probe war als „Dinkelmehl Typ 812“ deklariert. Es handelte sich um ein feingemahlenes, weißes Mehl. Mikroskopisch konnten langgestreckte Längszellen und dickwandige Aleuronzellen identifiziert werden. Die klein bis großen Stärkekörner waren zunehmen rund. Des Weiteren konnten einzellige Haare mikroskopisch ermittelt werden. Diese charakteristischen Merkmale weisen auf ein Weizenmehl hin.

Versuchsprinzip[3],[6]

Stärke besteht zu 20-30 % aus Amylose und zu 70-80 % aus Amylopektin. Damit bildet Sie den wichtigsten Speicherstoff der Pflanze. Zwischen den α-D-Glucose-Monomeren besteht bei Amylose eine 1→4 Verknüpfung, woraus eine kettenförmige Struktur resultiert. Im Gegensatz dazu bildet Amylopektin an jeden 25-30. Molekül eine 1→6 Verknüpfung aus, was letztendlich zu einer Verzweigung führt. Um eine optische Aktivität der Stärke zu bestimmen, muss diese zunächst hydrolytisch gespalten werden. Die Konzentration ist proportional zur optischen Aktivität, somit kann der Gehalt der Stärke in einem Lebensmittelüber den Drehwert berechnet werden. Vor der Bestimmung wird die Stärke mit Hilfe von Salzsäure gelöst. Der Blindversuch dient dabei die optisch aktiven Stoffe der verwendeten Lösungen und deren Drehwertänderungen zu erkennen.

Versuchsdurchführung[1]

Die Durchführung erfolgte gemäß Praktikumsskript Seite 34 ff in Anlehnung an die amtliche Sammlung von Untersuchungsverfahren nach § 64 LFGB, Nr. L. 31.00-11.

Auswertung

Der prozentuale Stärkegehalt der Probe lässt sich nach folgender Formel berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab.5: Messwerte für den Drehwinkel der Stärke

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab.6: Messwerte und Auswertung des Stärkegehaltes

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ergebnisse und Diskussion[7],[11],[13]

Auf eine Fällung mit Bleiessig konnte bei der Probe verzichtet werden, da es sich weder um verkleisterte noch lösliche Stärke handelte. Die Probe wies eindeutig die charakteristischen Merkmale eines Weizenmehls auf. Der ermittelte Wert 71,93 ± 0,83 % weicht um 1,3 % vom Literaturwert (Weizenmehl Typ 550: 71 %) ab. Die großen Abweichungen des ermittelten Drehwinkels können auf das erschwerte Erkennen der einheitlichen Helligkeitsstufe der drei Segmente des Kreises im Analysator am Polarimeter, Matrixeffekte und auf das Nichteinhalten der Reaktionsbedingungen zurückzuführen sein.

2) Proteine

Proteine gehören zu den Grundbausteinen aller Zellen. Sie dienen der Zelle als Gerüst, transportieren Stoffe (Transporter), pumpen Ionen in die Zelle (Ionenpumpen), katalysieren chemische Reaktionen (Enzyme), erkennen Signalstoffe (Rezeptoren) oder binden an körperfremde Stoffe (Antikörper). Der Bedarf an Eiweiß beträgt ca. 0,8 Gramm pro Kilogramm für einen Erwachsenen. Die weltweit flächenmäßig am meisten angebaute proteinlieferende Pflanze ist die Sojabohne mit einem Proteingehalt von 37 g/100 g. Dieser Gehalt wird nur noch von der Spirulina Alge mit 65 g/100 g überboten. Unter den tierischen Lebensmitteln bildet Käse den vordersten Platz mit einem Eiweißgehalt von 27,4 g/100 g. Proteine bestehen aus den 20 proteinogenen Aminosäuren. Aminosäuren besitzen neben einer Carboxylgruppe auch eine Aminogruppe in α-Konfiguration. In der Natur liegen alle Aminosäuren in L-Konfiguration vor und werden je nach basischer, aliphatischer, saurer, schwefelhaltiger oder aromatischer Seitenkette unterschieden. Aminosäuren besitzen am selben Kohlenstoffatom Carboxyl und Aminofunktion können somit als Zwitter-Ion fungieren. Dies ist genau dann der Fall wenn zeitgleich die Carboxylgruppe deprotoniert und die Aminogruppe protoniert vorliegt. Die Aminosäuren weisen in diesen Zustand keine Nettoladung auf und befinden sich demnach an ihrem isoelektrischen Punkt. Die essentiellen Aminosäuren Phenylalanin, Threonin, Tryptophan, Valin, Isoleucin, Leucin, Lysin und Mehtionin müssen mit der Nahrung aufgenommen werden, da im Laufe der Evolution der menschliche Körper verlernt hat diese zu synthetisieren. Entscheidend für die menschliche Ernährung ist jedoch die Zusammensetzung der Proteine. Hierbei spielt die biologische Wertigkeit eine große Rolle. Das zugeführte Protein kann dann am besten verwertet werden, wenn es der Aminosäurekonstellation entspricht, die dem menschlichen Proteinmuster ähnelt. Hierfür wurde die Proteinzusammensetzung des Volleis als Bezugsquelle gesetzt. Nach heutigem Wissen besitzt jedoch ein Verhältnis von 65 % Volleiprotein und 35 % Kartoffelprotein die höchste biologische Wertigkeit. Durch Verknüpfung einzelner Aminosäuren entstehen Di-, Tri- und Polypeptide, die schließlich das Protein bilden. Des Weiteren werden bei Proteinen zwischen der strukturellen Anordnung differenziert. Die Primärstruktur bildet die Aminosäuresequenz, die Abfolge der einzelnen Aminosäure-Bausteine. Die Sekundärstruktur ist die räumliche Zusammensetzung des Proteins, wobei zwischen Faltblatt oder Helixstrukturen differenziert wird. Diese Strukturen ergeben sich durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Peptidbindungen des Polypeptid-Rückgrates. Die Tertiärstruktur ist ein Produkt der Stabilisierung von Polypeptiden durch Neben- und Hauptvalenzen. Diese Stabilisierung ist auf hydrophobe, ionische, van-der-waal’sche Wechselwirkungen sowie auf die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen und Disulfidbrücken zurückzuführen. Die Quartärstruktur liegt nur dann vor, wenn sich das Protein aus mehreren Untereinheiten zusammensetzt. Ein Beispiel ist das Hämoglobin, das aus vier Untereinheiten, die durch Nebenvalenzen miteinander verbunden sind, besteht. Die Untereinheiten arbeiten kooperativ und steigern die Effizienz der Sauerstoffbindung und- transport in den Blutkörperchen. Proteine können strukturell in folgende Klassen unterteilt werden: globuläre Sphäroproteine, fibrilläre Skleroproteine und zusammengesetzte Proteide. Zu den Sphäroproteinen zählen die Albumine, Globuline und Histone, welche für die Auffaltung der DNA verantwortlich sind. Skleroprotein dienen dem Aufbau von Gerüstsubstanzen. Hierzu zählen Kollagen und Kreatin. Bei einer Denaturierung wird die Struktur Proteine durch Hitze, Lösungsmittel, pH-Wert Änderung oder mechanische Einwirkung irreversibel zerstört. Dadurch verliert das Protein sowohl seine physikalischen als auch die funktionellen Eigenschaften.

[...]

Ende der Leseprobe aus 34 Seiten

Details

Titel
Lebensmittelchemisches Grundpraktikum A. Themenkreis „Proteine und Kohlenhydrate“
Hochschule
Universität Hamburg  (Chemische Fakultät)
Autor
Jahr
2016
Seiten
34
Katalognummer
V323749
ISBN (eBook)
9783668229976
ISBN (Buch)
9783668229983
Dateigröße
1096 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
lebensmittelchemisches, grundpraktikum, themenkreis, proteine, kohlenhydrate
Arbeit zitieren
Björn-Darjusch Buchmann (Autor), 2016, Lebensmittelchemisches Grundpraktikum A. Themenkreis „Proteine und Kohlenhydrate“, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/323749

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