Unsere Lebensmittel (Chemie, Sekundarstufe I)

Inhalt

1. Einleitung

2. Fachliche Grundlagen
2.1. Kohlenhydrate
2.2. Proteine
2.3. Lipide
2.4. Vitamine und Mineralstoffe

3. Unterrichtseinheit
3.1. Thema der Einheit und curriculare Einbindung
3.2. Tabellarische Übersicht
3.3. Übergeordnete Lernziele
3.4. Notwendiges Vorwissen

4. Planung der 1. Unterrichtsstunde
4.1. Thema der Stunde und das benötigte Vorwissen
4.2. Lernziele
4.3. Verlaufsplan
4.4. Medien / Methoden
4.4.1. Zentrale Experimente der Stunde
4.4.2. Begründung der gewählten Methode

5. Planung der 2. Stunde
5.1. Thema der Stunde
5.2. Lernziele
5.3 Verlaufsplan
5.4. Medien / Methoden
5.4.1. Zentrale Experimente der Stunde
5.4.2. Beschreibung der gewählten Methode

6. Annotiertes Literaturverzeichnis
6.1 Bilderverzeichnis

7. Anhang

Arbeitsblätter

Tafelbilder

Kurzprotokolle

1. Einleitung

In der folgenden Unterrichtseinheit soll das Thema „Unsere Lebensmittel“ behandelt und als Projektthema der Sekundarstufe I an nordrhein-westfälischen Realschulen vorgestellt werden. Durch Einbeziehung dieses Projekts können einige Schwerpunktthemen diverser Inhaltsfelder ergänzend eingesetzt oder Phänomene zur Wiederholung betrachtet werden. Darunter fallen insbesondere Teilinhalte der Säure-Base-Chemie, der organischen, anorganischen und physikalischen Chemie, vor allem aber der Biologie. Durch diese Unterrichtsreihe muss demnach ein enges interdisziplinäres Netz zwischen den Themenfeldern der Chemie und der Biologie gesponnen werden, wodurch eine Möglichkeit besteht, die Zusammensetzung bzw. Bestandteile von Nahrung in direkten Zusammenhang mit deren positiven und negativen Auswirkungen auf den menschlichen Körper zu setzen. Dadurch, dass sich die Schülerinnen und Schüler im Alltag zwangsläufig mit dem Thema „Lebensmittel“ konfrontiert sehen, soll die Unterrichtsreihe so aufgebaut sein, dass möglichst viele Aspekte während des Projekts behandelt werden können. Im Mittelpunkt sollen dabei die Bestandteile der Nahrungsmittel stehen, die als Energielieferant fungieren und dadurch essenziell für das menschliche Überleben sind. Die wichtigsten drei Stoffgruppen sind die Kohlenhydrate, die Proteine und die Fette bzw. fetten Öle, die außerdem durch das Thema der Vitamine und Mineralstoffe ergänzt werden sollen. Diese Arbeit wird sich demnach nicht mit speziellen Lebensmitteln beschäftigen, sondern einen Ausflug in die Lebensmittelchemie unternehmen, mit dem Bestreben, ihre Schwerpunkte schülergerecht und interessant zu vermitteln.

2. Fachliche Grundlagen

Wird von Lebensmitteln gesprochen, so denkt der Mensch an all die Stoffe, die er selbst als omnivores Wesen konsumiert, um sein Überleben zu sichern. Für alle Lebewesen steht dabei das Wasser und die in ihm gelösten Mineralstoffe an erster Stelle. Tieren und darunter auch dem Menschen, reicht dies allein zum Überleben allerdings nicht aus. Der Mensch, als Allesfresser, sieht sich einer besonders großen Bandbreite an möglichen Nahrungsmitteln gegenübergestellt, die natürlich mehr oder weniger sein ganzes Leben bestimmt. Bei den Einen liegt es daran, dass es ihnen an der Versorgung mit den notwendigen Mitteln mangelt, die Anderen werden von ihren Ernährungsgewohnheiten in dem Sinn bestimmt, dass sie sich möglichst gesund, günstig oder aufgrund ethischer Prinzipien ernähren wollen. Die westliche Kultur heute strebt danach die optimale Formel für eine gesunde Ernährung aufzustellen, was sich bereits in der frühesten Kindererziehung zeigt (vgl. Abb. 1). In Schul- und Bilderbüchern, an Klassenwänden und in Zeitschriften wird bereits auf „Zucker“, als der gesundheitsschädigende Stoff schlechthin hingewiesen, während der Apfel und das Obst im Allgemeinen als Symbol für gesunde Ernährung stehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der Unterrichtseinheit „Unsere Lebensmittel“ im Chemieunterricht können Aussagen wie diese untersucht werden, indem die Bestandteile der Nahrung und deren Eigenschaften und Auswirkungen auf den menschlichen Körper vorgestellt werden und ebenso der Unterschied aufgezeigt wird, zwischen den bekannten Alltagsbegriffen von z.B. Zucker und ihrer Bedeutung in den Naturwissenschaften.

Wird allgemein von den Bestandteilen der Lebensmittel gesprochen, begegnet man dem Begriff der Nährstoffe, der die für den Menschen wichtigsten umfasst. Diese Nährstoffe verfolgen beim jeweiligen Verzehr alle unterschiedliche Aufgaben, die in unterschiedlichem Ausmaß vonstattengehen.^[1] Sie können dem Stoffwechsel dienen, also allen Vorgängen zur Erhaltung der Körpersubstanz, z.B. in Form der Ausbildung von Enzymen, sie können Grundbausteine zum Körperaufbau oder chemische Energie liefern, mit der die menschliche Maschinerie letztlich in Bewegung bleibt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der menschliche Körper besteht zu etwa 60 % aus Wasser. Daneben aus etwa 16 % Proteinen, 10 % Fett, 5 % Mineralstoffen, 1,2 % Kohlenhydraten, 1 % Nucleinsäuren und 0,4 % Vitaminen^[2]. Da all diese Faktoren heutzutage bekannt sind, ist es demnach auch nur logisch, dass der Mensch aus diesen Informationen heraus versucht, die optimale Ernährungsformel für sich zu entwickeln.

Was es allerdings rein chemisch mit diesen Nährstoffen und deren Auswirkungen auf den Körper auf sich hat, soll im Verlauf dieses Kapitels näher untersucht werden.

2.1. Kohlenhydrate

Wird von Zucker, Stärke und Cellulose gesprochen, wird damit eine Gruppe von Naturstoffen beschrieben, die man Kohlenhydrate nennt. Kohlenhydrate sind der Hauptbestandteil von Pflanzen und demnach ebenfalls Teil der tierischen Nahrung. Die meisten Vertreter dieser Stoffklasse besitzen die Summenformel Cx(H2O)y, wobei nicht automatisch angenommen werden darf, dass die einzelnen Moleküle Wasser beinhalten würden, sondern vielmehr Hydroxyaldehyde, Hydroxyketone sowie davon abgeleitete Verbindungen^[3].

Die Stoffgruppe der Kohlenhydrate wird wiederum in drei Gruppen unterteilt:

- Monosaccharide – einfache Zucker, wie Glucose oder Fructose.
- Oligosaccharide – auch Mehrfachzucker, bei dem zwei bis acht Monosaccharid-Moleküle miteinander verknüpft sind. Dazu gehören z.B. Saccharose und Malzzucker, die aus zwei zusammengeknüpften Monosaccharid-Molekülen bestehen und auch Disaccharide genannt werden.
- Polysaccharide – Vielfachzucker, die durch Polykondensation aus Monosacchariden entstanden sind. Darunter fallen z.B. Stärke und Cellulose.

Mono- und Oligosaccharide werden gemeinhin als Zucker bezeichnet, was durch ihre Endung -ose gekennzeichnet wird. Sie kommen vor allem in Obst, einigen Getreidesorten und Milch vor. Monosaccharide sind aus einer Kette von drei bis sechs Kohlenstoff-Atomen aufgebaut und können entweder eine Aldehyd- oder eine Keto-Gruppe enthalten. Je nachdem werden sie als Aldosen oder Ketosen klassifiziert. Die übrigen Kohlenstoff-Atome des Moleküls besitzen alle eine Hydroxy-Gruppe. Außerdem findet eine Klassifikation je nachdem statt, aus wie vielen Kohlenstoff-Atomen das Molekül tatsächlich besteht. Beispielsweise wird

Glucose, da sie einerseits aus sechs Kohlenstoff-Atomen besteht und andererseits eine Aldehyd-Gruppe besitzt, letztlich als Aldohexose bezeichnet (vgl. Abb. 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 – D-Glucose, von https://de.wikipedia.org/wiki/Fischer-Projektion

Alle für den Menschen wichtigen Polysaccharide sind aus D-Glucose-Molekülen aufgebaut. D-Glucose ist dabei eines der beiden möglichen Enantiomeren der Glucose, dessen jeweilige Benennung vom asymmetrisch substituierten Kohlenstoff-Atom abhängig ist, das am weitesten von der Carbonyl-Gruppe entfernt ist. Das D steht für dexter (lat.)^[4], was nichts Anderes als „rechts“ bedeutet. So befindet sich, wenn man das Molekül in der Fischer-Projektion betrachtet, die Hydroxy-Gruppe des letzten asymmetrisch substituierten Kohlenstoff-Atoms auf der rechten Seite. Allgemein besitzen Polysaccharide die Summenformel (C6H10O5)x. Stärke ist dabei der lebensmitteltechnisch wertvollste Vertreter dieser Kohlenhydrat-Untergruppe und kommt hauptsächlich in Getreide und Knollenfrüchten vor. Durch die Enzyme im Körper der Säugetiere wird sie wieder in Glucose gespalten, was meist schon während des Kauens beginnt. In ihr sind zwei Sorten von Polymeren enthalten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 – Struktur Stärke, von http://www.komm-ins-beet.mpg.de/bilder/nachwachsende-rohstoffe/amylose-und-amylopektin.jpg/image_view_fullscreen

- Amylose (20-30 %)

Lineare Ketten, die in schraubenförmiger Struktur vorliegen und α-1,4-glykosidisch verknüpft sind.

- Amylopektin (70-80 %)

Stark verzweigte Struktur, mit α-1,6-glykosidischen und α-1,4-glykosidischen Verknüpfungen.

Durch den Anteil Amylose in der Stärke ist es möglich, eine spezielle Art des Stärkenachweises zu vollziehen. Es ist ein wechselseitiger Nachweis von Iod und Amylose, begründet durch eine Einschlussverbindung, wobei sich der tiefblaue Iod-Stärke-Komplex bildet. Dabei lagern sich Polyiodid-Anionen, z.B. [I5]-, in die Spiralen der Amylose ein, welche sich aus Iodid-Ionen und Iod-Molekülen bilden. Ein [I5]--Ion ist ein gewinkeltes Assoziat von zwei Iod-Molekülen an ein zentrales Iodid-Ion, wobei das Iodid-Ion ein Elektronendonator ist. Die Elektronen des Komplexes sind leicht erregbar, wodurch die Lösung braun erscheint. Wird diese sogenannte Lugolsche Lösung mit ihren Polyiodid-Anionen mit Amylose in Verbindung gebracht, kann diese als Donator-Molekül fungieren, was dann letztlich zur Blaufärbung des so entstandenen Iod-Stärke-Komplexes führt.

Ein anderes wichtiges Polysaccharid ist die Cellulose. Sie ist im Vergleich zur Stärke für den Menschen unverdaulich, was allein auf der unterschiedlichen Verknüpfung der Glucose-Einheiten beruht. Während nämlich im menschlichen Verdauungstrakt Enzyme vorhanden sind, die Stärke spalten können, gibt es dort keine Enzyme, die dem Abbau von Cellulose dienen. Bei anderen Säugetieren, also den meisten reinen Pflanzenfressern, ist ein solches Enzym vorhanden, wodurch Cellulose für sie verdaulich ist. Dennoch ist Cellulose ein wichtiger Werkstoff und deshalb aus dem normalen Alltag nicht wegzudenken.

Kohlenhydrate, vor allem Monosaccharide und Stärke, dienen der raschen Energieversorgung. Die sogenannte Glykolyse beschreibt den schrittweisen Abbau von allen Kohlenhydraten. Dabei wird ein Glucose-Molekül in zwei Pyruvat-Moleküle umgesetzt, wobei zunächst Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) investiert wird. Genauer noch werden zwei ATP-Moleküle „verbraucht“, was allerdings zu verkraften ist, da im späteren Verlauf der Glykolyse vier ATP-Moleküle und zwei Moleküle NADH (Nicotinamidadenindinukleotid) erzeugt werden. Der Energiegewinn dieser durch Enzyme gesteuerten Reaktion beträgt also mehr als das Doppelte.

2.2. Proteine

Unter Proteinen bzw. Eiweißstoffen versteht man die essenziellen Aufbaustoffe aller Lebewesen. Demnach sind für den Menschen verwertbare Proteine vor allem in tierischen Produkten zu finden, aber auch in Nüssen und Hülsenfrüchten. Proteine sind Makromoleküle, die durch Polykondensation aus α-Aminosäuren entstehen. Bei diesen α-Aminosäuren handelt es sich um Carbonsäuren, die eine Amino-Gruppe am α-Kohlenstoff-Atom, also dem Kohlenstoff-Atom, das neben der Carboxy-Gruppe liegt, besitzen. Im Menschen kommen die in Abb. 4 aufgeführten zwanzig proteinogenen Aminosäuren natürlich vor, die über unterschiedliche chemisch-physikalische Eigenschaften verfügen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 - Proteinogene Aminosäuren, https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7d/Overview_proteinogenic_amino_acids-DE.svg/2000px-Overview_proteinogenic_amino_acids-DE.svg.png (Zugriff: 03.01.16)

Die tatsächliche Verknüpfung von Aminosäuren zu Proteinen findet durch eine Kondensations-Reaktion statt und zwar zwischen der Amino-Gruppe eines Aminosäure-Moleküls mit der Carboxy-Gruppe eines zweiten Moleküls unter Abspaltung von Wasser. Eine solche Bindung wird Peptid-Bindung genannt. Analog zu den Kohlenhydraten gibt es auch bei den Proteinen eine Einteilung in Gruppen, gemäß der Anzahl ihrer Verknüpfungen untereinander:

- Dipeptid

Zwei α-Aminosäuren sind durch nur eine Peptid-Bindung miteinander verknüpft.

- Oligopeptid

Umfasst Verknüpfungen mit mehr als zwei aber weniger als zehn Aminosäure-Molekülen.

- Polypeptid

Beschreibt Verknüpfungen von zahlreichen Aminosäure-Molekülen.

Alle Proteine sind Polypeptide, während Oligopeptide in der Natur als Hormone oder Giftstoffe bei Pflanzen und Tieren vorkommen. Jedes einzelne Protein besitzt eine bestimmte Sequenz von Aminosäuren, die dann über Struktur und Eigenschaften des Proteins bestimmt. Diese sequenzierte Abfolge bezeichnet man als die Primärstruktur des Proteins. In nächst größerer Betrachtung ist es den Peptid-Ketten durch Drehbarkeit oder das Bilden von Wasserstoff-Brücken möglich, weitere Formen anzunehmen. Sie fixieren sich in Helix- oder Faltblattstruktur, was ihrer Sekundärstruktur entspricht (vgl. Abb. 5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 - Sekundärstruktur, http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/8/bc/vlu/proteine/proteinaufbau.vlu/Page/vsc/de/ch/8/bc/proteine/aminos_u_einleit/sekundaerstruktur.vscml.html (Zugriff: 03.01.16)

Viele Proteine bestehen aus einzelnen Bereichen, von denen jeder eine eigene Sekundärstruktur besitzt. Deren relative Anordnung zueinander macht die Tertiärstruktur des Proteins aus. Diese ersten drei Strukturformen geben Auskunft über die Gestalt nur einer einzelnen Polypeptid-Kette, doch bestehen einige Proteine aus gleich mehreren Polypeptid-Ketten. Die Anordnung dieser Ketten zueinander ist die Quartärstruktur.

Proteine besitzen die Eigenschaft, bei Einfluss von Wärme, Säuren, Basen und Alkoholen zu denaturieren. Dies liegt daran, dass eine Veränderung der Molekülstruktur herbeigeführt wird. Genauer noch wird z.B. beim Erhitzen von Proteinen deren Primärstruktur nicht verändert, also keine Bindungen gebrochen oder gebildet, sondern bloß die Wasserstoffbrückenbindungen, die sich zwischen den einzelnen Kettenabschnitten ausgebildet haben. Dadurch wird „nur“ die Tertiärstruktur der Proteine verändert. Der gleiche Effekt tritt bei der Zugabe von Säuren oder Laugen ein, allerdings wird das Aufbrechen bzw. die Neubildung von Wasserstoff-Brücken hier durch die Ladungsänderung in der Proteinstruktur verursacht.

Wurden nun Proteine mit der Nahrung aufgenommen, können diese Polypeptide nicht wie z.B. Stärke bereits im Mund in ihre Einzelbausteine zerlegt werden. Sie gelangen vollständig in den Magen, wo sie durch die Magensäure denaturieren. Dann erst kann mit Hilfe von Enzymen, den Peptidasen oder Hydrolasen, die Umkehrung des Kondensationsprozesses eintreten, nämlich die Hydrolyse. Diese Reaktion wird zusätzlich von starken Säuren katalysiert, wodurch der Magen das perfekte Umfeld zur Proteinverdauung bietet.

2.3. Lipide

Fette, fette Öle und auch Wachse gehören zu der Naturstoffklasse der Lipide. Dabei handelt es sich um Stoffe, die aus biologischen Materialien, wie Samen, Nüssen oder tierischen Produkten durch Zugabe von unpolaren Lösungsmitteln herausgelöst werden können. Allgemein können Fette als Triester der Fettsäuren bezeichnet werden. Fettsäuren sind unverzweigte Monocarbonsäuren, die gesättigt oder ungesättigt vorliegen können. Ungesättigt werden Fettsäuren genannt, die in ihrer Kette eine oder mehrere Doppelbindungen zwischen zwei Kohlenstoff-Atomen aufweisen. Fette und Öle sind Ester mit dem dreiwertigen Alkohol Glycerin, wobei jede seiner drei Hydroxy-Gruppen mit je einem Fettsäure-Molekül verestert vorliegt (vgl. Abb. 6). Eine solche Verbindung wird auch Triglycerid genannt. In der Natur vorkommende Fette und Öle sind immer Gemische verschiedener Triglyceride.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 - Beispiel Bildung Fett-Molekül durch Veresterung - http://www.chemieunterricht.de/dc2/milch/images/fettbldg.gif (Zugriff: 05.01.16)

Triglyceride, die bei Raumtemperatur fest sind, heißen Fette. Anders handelt es sich bei Triglyceriden, die bei Raumtemperatur flüssig sind, um Öle. Allgemein gilt: je höher der Anteil an ungesättigten Fettsäuren, umso niedriger der Schmelzpunkt des Fettes. Durch Fetthärtung, also durch katalytische Hydrierung, können bestimmte Pflanzenöle in Fette (Margarine) überführt werden.

Die entsprechende Rückreaktion der Veresterung, durch wässrige Lösungen von Basen, ist unter dem Vorgang der Verseifung bekannt. Als Base zur Spaltung kann z.B. Natriumcarbonat eingesetzt werden, sodass neben Glycerin auch die Natrium-Salze der Fettsäuren erhalten bleiben. Diese Natrium-Salze sind gut wasserlösliche, harte Seifen und werden Kernseife genannt. Kalium-Salze der Fettsäuren bezeichnet man als Schmierseife, die schwer löslich sind.

Fettsäure-Anionen sind am jeweiligen Carboxylat-Ende hydrophil, dagegen ist ihr Alkylrest lipophil, wodurch sie amphiphilen Charakter erhalten. In Wasser ordnen sich die Fettsäure-Anionen so an, dass ihr hydrophiler Teil in das Wasser und der lipophile Teil aus dem Wasser ragt. Dies verringert die Oberflächenspannung des Wassers. Der lipophile Alkylrest lässt sich in unpolaren Lösungsmitteln lösen und kann so eine Verbindung zwischen diesem und dem Wasser schaffen.

Eine Hydrolyse findet auch bei der Fettverdauung statt^[5]. Dabei wird die fette Nahrung in der Mundhöhle eingespeichelt und gelangt dann in den Magen. Dort spalten Lipasen die Esterbindungen der Triglyceride zunächst in zwei Monoglyceride, Glycerin und freie Fettsäuren. Die kurz- und mittelkettigen Fettsäuren werden mit hoher Geschwindigkeit und ohne Micellenbildung freigesetzt. Langkettige, gesättigte Fettsäuren können hingegen nur unvollständig freigesetzt werden.

Auch biologische Zellmembranen sind nach dem Prinzip der Mizellen aufgebaut, genauer noch in einer sogenannten Phospholipid-Doppelschicht (Abb. 8), die innen hydrophob und außen hydrophil ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 - Biomembran - http://www.u-helmich.de/bio/cytologie/02/021/Lipide/Lipide-03.html (Zugriff: 03.01.16)

Diese Phospholipide sind Glycerintriester, die allerdings nur zwei Fettsäure-Reste enthalten, dafür aber die dritte Hydroxy-Gruppe mit einer Phosphorsäure verestert ist, die ebenfalls mit einem weiteren Stoff, nämlich Cholin verestert ist. Eine solche Membran schließt das Äußere und das Innere der Zelle voneinander ab, sodass kein stofflicher Austausch vonstattengehen kann. Allerdings können u.A. Proteine in der Membran eingelagert sein, die einen Austausch von Stoffen in oder aus der Zelle kontrolliert regulieren.

2.4. Vitamine und Mineralstoffe

Vitamine sind, anders als Kohlenhydrate, Fette oder Proteine, keine Energieträger, sondern dienen anderen lebensnotwendigen Funktionen. Der menschliche Körper kann Vitamine, die er für den Stoffwechsel benötigt nicht bedarfsdeckend synthetisieren, weshalb sie zwangsläufig mit der Nahrung aufgenommen werden müssen. Ihr Fehlen würde zu Avitaminosen führen, also Mangelerkrankungen, die teils verheerende Folgen mit sich bringen können. Die organischen Vitamine können chemisch keiner ganz bestimmten Stoffklasse zugeordnet werden, so gehören A- und K-Vitamine den Terpenen, D-Vitamine hingegen den Steroiden an. Bei einem Großteil der Vitamine handelt es sich um heterocyclische Verbindungen, die meistens in Coenzyme oder andere prosthetische Gruppe von Enzymen eingebaut werden. Anders ist es bei Vitamin C (Abb. 8), auch unter dem Namen Ascorbinsäure bekannt, welches Primaten als Reduktionsmittel in Enzymreaktionen und zum Abfangen von toxischen Sauerstoff-Radikalen benötigen. Ascorbinsäure besitzt keine klassischen für Säuren typischen funktionellen Carbonsäure- oder Phosphosäuregruppen, ist aber mit einem pKs-Wert von 4,25 beispielsweise saurer als Essigsäure. Diese sauren Eigenschaften sind durch die Endiol-Struktur der Ascorbinsäure bedingt. Enole an sich sind bereits sauer, doch liegt hier außerdem eine zweite enolische Hydroxygruppe vor, was die Säurestärke erhöht. Wie die meisten Vitamine kann der Mensch dieses Vitamin nicht selbst herstellen, jedoch kommt es in Pflanzen reichlich vor, weshalb der Bedarf von rund 100 mg^[6] pro Tag leicht gedeckt werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8 - Vitamin C - http://gesundheit.naanoo.de/wp-content/uploads/2014/09/vitamin-c-strukturformel.jpg (Zugriff: 03.01.16)

Daneben kann z.B. Vitamin D im Körper selbst synthetisiert werden, sofern genügend Sonnenexposition besteht. Als Steroid wird Vitamin D aber bereits zur Klasse der Hormone gezählt und zählt damit nicht zu den „typischen" Vitaminen.

Bei Mineralstoffen handelt es sich wie auch bei den Vitaminen um lebensnotwendige, allerdings anorganische Nährstoffe, die der Organismus nicht selbst herstellen kann, sondern die dem Körper ebenfalls mit der Nahrung zugeführt werden müssen. Mineralstoffe werden meist in Form gebundener Verbindungen bzw. als Ionen aufgenommen und können nach dem Verzehr in Bestandteile von Hormonen, z.B. in der Schilddrüse, umgesetzt werden. Viele Mineralstoffe, wie etwa Natrium- oder Kalium-Ionen befinden sich in einem funktionellen Regelkreis und beeinflussen einander bei der Nervensignalleitung^[7]. Andere gelöste Elektrolyte sorgen in der Körperflüssigkeit für eine Elektroneutralität und damit für die Aufrechterhaltung des osmotischen Drucks zwischen den Geweben. Die wohl einfachste Art Mineralstoffe zu sich zu nehmen, ist der Konsum von Natriumchlorid oder vergleichbaren Salzen, bzw. dem Verzehr von besonders mineralstoffhaltigem Wasser. Bei der Wichtigkeit von Mineralstoffen für den menschlichen Körper unterscheidet man zwischen Mengen- (Ca, Cl, K, Mg, P, S, Na) und Spurenelementen (As, Cr, Fe, F, I, Cu usw.).

3. Unterrichtseinheit

Diese Unterrichtseinheit ist als ein fortlaufendes Projekt innerhalb des normalen Schulbetriebes geplant während des 3. Lernjahrs. Sie umfasst sechs verschiedene thematisch separierte Einheiten, wobei von drei Schulstunden mit je 45 Minuten pro Woche gerechnet wurde. Die Stunden verteilen sich auf eine Einzel- und eine Doppel-Stunde pro Woche.

3.1. Thema der Einheit und curriculare Einbindung

Die hier vorgestellte Unterrichtseinheit „Unsere Lebensmittel“ behandelt die genauere Analyse der alltäglichen Lebensmittel. Es sollen dabei im Rahmen der Unterrichtseinheit von den Schülerinnen und Schülern die jeweiligen Nährstoffe welche alltägliche Lebensmittel enthalten unterscheiden können, und deren charakteristische Eigenschaften näher untersuchen, sowie einzelne Vitalstoffe bestimmen und deren Funktion zuordnen. Dabei sollen von den Schülern und Schülerinnen während der Projektarbeit der Großteil der eingeplanten Experimente eigenständig bzw. in Kleingruppen durchgeführt werden. Die in der Unterrichtseinheit durchgeführten Experimente sind daher so gewählt und konzipiert worden, dass diese sowohl mit geringstmöglichen Gefährdungspotenzial von den Jugendlichen ausgeführt werden können und dennoch den fachlichen und didaktischen Anforderungen der Unterrichtsreihe genügen.

Die Unterrichtseinheit befasst sich mit der Zusammensetzung unserer Nahrungsmittel. Dabei werden zunächst die Makronährstoffe: „Kohlenhydrate, Eiweiße und Lipide“ behandelt. Anschließend auf die Mikronährstoffe: „Vitamine und Mineralstoffe“ zur Vervollständigung eingegangen. Die dabei vermittelten fachlichen Grundlagen umfassen Struktur, Klassifizierung und Aufbau von sowohl Kohlenhydraten, Lipiden als auch Proteinen.

Das Thema „Unsere Lebensmittel“ ist interdisziplinär verknüpfbar, wobei auf Seiten der Chemie vor allem Teile der organischen Chemie als auch der biologischen Chemie abgedeckt werden. Dies wird aber abhängig von den einzelnen Versuchen und Unterrichtsinhalten um Teilaspekte aus Themengebieten der Anorganik (Nachweisversuche) sowie Quervernetzungen in die Biologie erweitert.

Die curriculare Einbindung des Themas in den Chemieunterricht ist in der Sekundarstufe 1 laut des Rahmenlehrplans für Realschulen des Landes NRW so nicht vorgesehen. Zwar wird „Speisen und Getränke“ als möglicher Themenkontext im Inhaltsfeld 1 Stoffe und Stoffeigenschaften vorgeschlagen, macht jedoch in Bezug auf die zu vermittelnden Inhalte dieser UE keinen Sinn. Stattdessen gliedert sich diese Unterrichtseinheit in das Inhaltsfeld 8, Stoffe als Energieträger, sowie Inhaltsfeld 9, Produkte der Chemie, im 3. Lernjahr ein. Diese Einordnung ergibt sich sowohl aus dem Anspruch komplexeres Wissen vermitteln zu wollen, als auch aus dem benötigtem Vorwissen und könnte dementsprechend als Bindeglied dieser beiden Inhaltsfelder dienen. Idealerweise ist das Inhaltsfeld 8 gerade abgeschlossen, sodass grundlegende Kenntnisse in der organischen Chemie bestehen. Die Inhalte der vorgestellten UE dienen zudem zur Vermittlung der geforderten Basiskonzepte. Anhand von Stärke kann die Synthese von Makromolekülen aus Monomeren sowie die Esterbildung angeführt werden. Dies deckt das gesamte Basiskonzept zur chemischen Reaktion ab. Auch die Struktur der Materie wird bei den Aminosäuren und bei den Fetten zu genüge thematisiert, sowohl was funktionelle Gruppen anbelangt, als auch was Tenside betrifft.

Im Anschluss an diese Unterrichtseinheit können dann die restlichen Themen des Inhaltsfelds 9 wie zum Beispiel die Tenside, Seifen, Düfte und Aromen sowie Kunststoffe besprochen werden.

3.2. Tabellarische Übersicht

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.3. Übergeordnete Lernziele

Als übergeordnetes Lernziel der Unterrichtseinheit steht eine Intensivierung der fachlichen Qualifikationen der Schülerinnen und Schüler im Fach Chemie. Dies umfasst die Kenntnisse über Art und Funktion von Makronährstoffen und ein vertieftes Verständnis von Nachweisreaktionen eben dieser, sowie deren chemischen Aufbaus. Die behandelten Nährstoffe umfassen Kohlenhydrate, Fette, Proteine und Vitamine. Dabei besonders im Fokus steht die Unterscheidung von Einfach- und Vielfachzuckern, der Aufbau und Nachweis von Stärke, der Aufbau von Fetten und deren Nachweis, die Unterschiede zwischen tierischen und pflanzlichen Fetten im Hinblick auf eine gesunde Ernährung, die Eigenschaften und der Aufbau von Proteinen, die Funktion und Bedeutung von Aminosäuren, sowie die Funktion von Enzymen, Vitaminen und Mineralstoffen im menschlichen Körper. Darüber hinaus sollen die Jugendlichen in die Lage versetzt werden, die Zusammensetzung von Lebensmittel auf andere Bereiche übertragen zu können, bzw. mithilfe des neugewonnen Wissens ihre eigene Lebensweise / Ernährungsweise selbstkritisch reflektieren zu können.

Durch die Gestaltung der Unterrichtseinheit als Projekt sollen die Schülerinnen und Schüler das selbständige, sachgerechte und sichere Arbeiten mit Chemikalien im Chemieunterricht erlenen, Experimente eigenständig unter Einbehaltung der Sicherheitsvorschriften durchführen und auch den gesundheitsbewussten sowie ökologischen Umgang mit haushaltsüblichen Lebensmittel einschätzen und begründen können. Sie sollten in der Lage sein, die Alltagsbedeutung der thematisierten Inhalte zu erkennen und diese unter den Aspekten der Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit nachvollziehen zu können. Im Rahmen des Projekts sollen die Jugendlichen auch selbständig Literaturrecherche, zu den erarbeitenden Themeninhalten durchführen können.

3.4. Notwendiges Vorwissen

Die Schülerinnen und Schüler sollten unter der Annahme, dass die Unterrichtseinheit in dem dritten Lernjahr der Realschule durchgeführt wird, über ein fundiertes Basiswissen verfügen. Darunter fallen Trennverfahren (Inhaltsfeld 1), die Oxidation (Inhaltsfeld 2), Stoffumwandlung (Inhaltsfeld 2), Alkane (Inhaltsfeld 8) sowie grundlegende Kenntnisse in Ernährungsphysiologie (Biologie).

Lebensmittel als Energieträger für den Menschen sowie eine kalorische Einschätzung der Nährstoffe sollte aus dem Bereich der Biologie bekannt sein, wie auch die grundlegende Funktion von Enzymen. Darüber sollte zuvor ein Austausch mit der jeweiligen Biologielehrkraft stattgefunden haben.

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^[1] Vorlesungsskript „Lebensmittelchemische Grundlagen – vom Phänomen zur Erkenntnis“; Bergische Universität Wuppertal, Prof. Dr. Michael Petz (SoSe 2014)

^[2] http://www.rodiehr.de/d_03_grundstoffe_im_koerper.htm (Zugriff: 04.01.16)

^[3] Chemie – Das Basiswissen der Chemie; C.E. Mortimer, U.Müller; 8.Auflage; Georg Thiemen Verlag; 2003, Kap. 34

^[4] http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/12/oc/vlu_organik/stereochemie/fischer.vlu.html (Zugriff: 04.01.16)

^[5] Vgl. http://www.spektrum.de/lexikon/ernaehrung/fettverdauung/3001 (Zugriff: 04.01.16)

^[6] Vgl. http://www.chemie.de/lexikon/Vitamine.html (Zugriff: 04.01.16)

^[7] Vgl. http://www.chemie.de/lexikon/Mineralstoff.html (Zugriff: 04.01.16)