Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth Stand: 20.09.10 |
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Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth Stand: 20.09.10 |
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Vortrag von Sandra Hollmach im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen in Organischer Chemie", SS 2000
Gliederung:
Vergleicht man normale Gummibärchen mit vegetarischen Gummibärchen in Hinsicht auf ihre Konsistenz, Elastizität, Zerreißbarkeit und Kaubarkeit, so wird man einige Unterschiede feststellen können. Herkömmliche Gummibärchen sind zäher, elastischer und gummiartiger als vegetarische Gummibärchen. Die vegetarischen Bärchen lassen sich bei einer Zerreißprobe leichter trennen als die normalen Gummibärchen und bei einer Geschmacksprobe kleben einen die vegetarischen Gummibärchen an den Zähnen fest. Deshalb soll im Folgenden geklärt werden, wieso herkömmliche Gummibärchen eigentlich so gummiartig sind und woher diese spezifische Eigenschaft der Gummibärchen herrühren.
Beide Arten von Gummibärchen haben die Inhaltsstoffe wie Farbstoff, Aroma, Zucker und Weinsäure gemeinsam, aber die Gelatine, die man bei den normalen Gummibärchen nur fühlen kann, macht das gummiartige an den Bärchen aus und diese fehlt bei den vegetarischen Bärchen. Bei den vegetarischen Bärchen wird Maisstärke als Ersatzstoff für Gelatine herangezogen.
Gelatinehaltige Produkte begegnen uns tagtäglich, bewusst oder unbewusst, in vielfältiger Gestalt: z.B. Gelatine als wirkungsvolle Komponente von kalorienreduzierten Halbfettprodukten, als Bindemittel in Joghurts, in Sülzen und Aspiks. Der Attraktivität von Gummibärchen, denen die Gelatine den spezifischen Biss, die Elastizität und das allmähliche schmelzen im Mund verleiht, können sich die wenigsten von uns entziehen. Die Zusammensetzung und Struktur von Gelatine ist nicht allgemein bekannt und soll ebenfalls Thema sein.
Um die unterschiedlichen Eigenschaften, die die Gelatine in den einzelnen Anwendungsgebieten entfaltet, verständlich zu machen, werden im folgenden die strukturellen und chemischen Beziehungen zwischen Gelatine und dem Ausgangsmaterial Kollagen erörtert. Anschließend wird auf die Herstellung der Gelatine eingegangen und zum Schluss Gelatine als natürliches Polymer für eine Reihe chemischer Modifikationen vorgestellt.
Speisegelatine ist ein natürliches Lebensmittel. Das in Knochen und der Haut enthaltene kollagene Protein ist der eigentliche Rohstoff für die Gelatineherstellung. Kollagen gehört zu den Skleroproteinen, deren Grundbaustein eine Polypeptidkette aus ca. 1050 Aminosäuren ist. Derzeit kann man bereits 17 Kollagentypen identifizieren. Drei dieser Ketten lagern sich zu einer Tripelhelix zusammen. Die drei Polypeptidketten sind in Form eines starren Seils umeinander gewunden. Durch Zusammenlagerung vieler Tripelhelices entstehen Kollagenfibrillen, die durch Quervernetzungen stabilisiert werden und ein dreidimensionales Netzwerk bilden. Bedingt durch diese vernetzte dreidimensionale Struktur ist Kollagen nicht wasserlöslich. Es ist auch wichtig, dass Kollagen nicht wasserlöslich ist, denn der menschliche Körper besteht zu 90 % aus Wasser und Kollagen ist der wichtigste Faserbestandteil von Haut, Knochen, Sehnen, Knorpel, Blutgefäßen und Zähnen. Kollagen kommt in fast allen Organen unseres menschlichen Körpers vor und dient dazu, Zellen im Verband zu halten.
Abb. 1: Elektronenmikroskopische Aufnahme von intakten Kollagenfibrillen aus der Haut. Die Periode längs der Faserachse beträgt 68 nm. [2]
Einzelschritte, die zur Bildung einer reifen Kollagenfaser führen:
Abb. 2: Überblick über die Einzelschritte, die zur Bildung einer reifen Kollagenfaser führen. [2]
Kollagen wird wie jedes andere Protein nach dem Bauplan der entsprechenden mRNA an den Polyribosomen des endoplasmatischen Reticulums synthetisiert.
Abb. 3: Schematische Darstellung der Prokollagen-Synthese im endoplasmatischen Reticulum (unten). [1]
Dort werden Aminosäuren linear miteinander über intermolekulare Peptidbindungen verknüpft. Das Aminosäurespektrum von Kollagen und damit auch von Gelatine besteht zu einem Drittel aus Glycin und zu weiteren 22 % aus Prolin, Hydroxyprolin und Hydroxylysin. Die thermische Stabilität von Kollagen hängt mit dem Gehalt an Iminosäuren (Prolin und Hydroxyprolin) zusammen, denn je höher der Iminosäureanteil, desto stabiler ist die Helix. Auffallend ist auch der hohe Gehalt an sauren und basischen Aminosäuren.
Abb. 4: Aminosäureverteilung im Kollagen [3]
In der folgenden Abb. 5 sind die Strukturformeln von Glycin, Prolin und Lysin dargestellt:
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Glycin |
Prolin | Lysin |
| Abb. 5: Strukturformeln von Glycin, Prolin und Lysin | ||
Letztendlich entsteht in der Polypeptidsynthese zunächst das Prokollagen, eine verlängerte Kollagenversion.
Die neusynthetisierten Polypeptidketten des Kollagens werden vor der Ausbildung der Tripelhelix hydroxyliert und glykosyliert. Einige Prolinreste und Lysinreste des Kollagens werden von der Prolin-Hydroxylase bzw. von der Lysin-Hydroxylase, einem Enzym mit zweiwertigen Eisen im aktiven Zentrum, in 4 - Hydroxyprolin / 5- Hydroxylysin umgewandelt.
Abb. 6: Hydroxylierung eines Prolinrestes am C-4 durch die Prolin-Hydroxylase, ein Enzym, das molekularen Sauerstoff aktiviert. [2]
In der Abb. 7 wird die Hydroxylierung eines Lysinrestes am C-5 durch die Lysin-Hydroxylase dargestellt:
Abb. 7: Hydroxylierung eines Lysinrestes durch die Lysin-Hydroxylase
Untersuchungen zeigen, dass die Tripelhelix durch die Hydroxylierung beträchtlich stabilisiert wird.
Kollagen enthält Zuckereinheiten, die kovalent mit den Hydroxylysinresten verbunden sind. Gewöhnlich handelt es sich um Dissaccharide aus Glucose und Galactose. Die Zucker werden durch aufeinanderfolgende Einwirkung der Galactosetransferase und der Glucosetransferase angehängt. Diese glykosylierenden Enzyme sind spezialisiert auf Hydroxylysinreste in neusynthetisierten Kollagen, das noch keine Helixstruktur ausgebildet hat.
Abb. 8: Eine Kohlenhydrateinheit im Kollagen [2]
Die Ketten, aus denen Kollagen aufgebaut ist, werden in Form größerer Vorstufen synthetisiert. Sowohl am Amino- als auch am Carboxylende der Vorläufer-Kette befinden sich zusätzlich Peptide, die man als Propeptide bezeichnet, welche jeweils untereinander mit Disulfidbrücken verknüpft sind. Die Propeptide verhindern eine vorzeitige Faserbildung. Sie erleichtern die Aneinanderlagerung der drei Ketten und begünstigen die Ausbildung der Tripelhelix, wobei die Disulfidbrücken am Carboxylende eine wichtige Rolle spielen. Die Propeptide werden außerhalb der Zelle von Proteasen abgespalten und es entsteht dabei das Tropokollagen.
Abb. 9: Schematische Darstellung der Umwandlung von Prokollagen in Tropokollagen durch die Abtrennung des aminoterminalen Propeptids von jeder der drei Ketten. Die carboxyterminalen Enden der drei Prokollagenstränge sind durch Disulfidbrücken verknüpft. [2]
Kollagenfasern weisen alle 68 nm Querstreifen auf (siehe Abb. 1). Die Länge der einzelnen Tropokollageneinheiten beträgt aber 300 nm. Da die Periode der Faser also deutlich kürzer ist als die sie aufbauende Einheit, können Tropokollagenmoleküle in benachbarten Reihen nicht bündig angeordnet sein. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass die Tropokollagenmoleküle einer Reihe durch 40 nm breite Lücken voneinander getrennt und benachbarte Reihen um 68 nm gegeneinander versetzt sind. Jeweils nach fünf Reihen wiederholt sich die Struktur. Das fundamentale Strukturprinzip einer Kollagenfaser ist also eine gestaffelte Anordnung von Tropokollagenmolekülen, wobei die benachbarten Reihen um 68 nm gegeneinander versetzt sind.
Abb. 10: Schematische Wiedergabe der Grundstruktur einer Kollagenfaser. Die Tropokollagenmoleküle (blaue Pfeile) bilden eine gestaffelte Anordung. [2]
Das Tropokollagen wird im letzten Schritt durch die Bildung kovalenter Quervernetzungen stabilisiert. Verbindungen innerhalb eines Tropokollagenmoleküls und zwischen verschiedenen Molekülen werden von Lysin- und Hydroxylysinresten hergestellt. Intramolekulare Querbrücken im Kollagen gehen von Lysinseitenketten aus, wobei zwei Aldehydderivate von Lysinresten eine Aldolkondensation eingehen (siehe Abb.11). Intermolekulare Querbrücken entstehen durch Verknüpfung zweier Hydroxylysinreste mit einem Lysinrest. Das Produkt ist eine Hydroxypyridiniumquerbrücke. Diese Brücken werden zwischen Resten am Aminoende des einen Tropokollagens und am Carboxylende eines anderen gebildet (siehe Abb.12).
Abb. 11: Bildung einer Aldolquerbrücke aus zwei Lysinseitenketten [2]
Abb. 12: Hydroxypyridinium-Querbrücke aus zwei Hydroxylysinresten (blau und rot) und einem Lysinrest (grün) im Kollagen. R ist entweder ein Wasserstoffatom oder eine Kohlenhydrateinheit. Drei Polypeptidbereiche werden durch diese Pyridiniumquerbrücke miteinander verbunden. [2]
Die Lage der Quervernetzungen zwischen den benachbarten Tropokollagen-Molekülen wird in der folgenden Abbildung gezeigt:
Abb. 13: Lage der Querbrücken zwischen benachbarten Tropokollagenmolekülen in Kollagenfasern. Die aminoterminale Region einer Moleküls ist immer mit der carboxyterminalen eines Moleküls in einer Nachbarreihe verknüpft. [2]
Nach der Ausbildung der Querverbindungen erhält man eine reife Kollagenfaser.
Wirtschaftlich genutzt werden Knochen und Haut von Kälbern, Rindern und Schweinen als Rohstoffe für die Gewinnung von Gelatine.
Knochen
Am aufwendigsten ist die Gewinnung des Gelatinerohstoffes aus Frischknochen. Diese werden sortiert, gewaschen, zerkleinert und mit heißen Wasser entfettet. Anschließend wird der Knochenschrot in einem Heißluftstrom getrocknet. Der Knochenschrot wird mit Salzsäure entmineralisiert (= Mazeration) und anschließend abgewaschen. Dabei entsteht das Ossein, der eigentliche Rohstoff für die Knochengelatine.
Schweineschwarten
Dieser Rohstoff wird von Fleischwarenfabriken direkt bezogen und verarbeitet.
Kurzer Exkurs für Gummibärchenliebhaber zum Thema BSE:
Keine Angst mehr vor BSE beim Verzehr von gelatinehaltigen Gummibärchen!! Denn Haribo versichert auf seiner WWW-Seite, dass die für die Gummibärchen benötigte Gelatine nur aus Schweineschwarten gewonnen wird und die Gefahr einer "BSE - Erkrankung" nicht besteht.
Rinderhaut
Die Rinderhaut wird in der Gerberei von ihrer Oberhaut und dem Unterhautgewebe getrennt. Nur die verbleibende Mittelschicht (= Lederhaut; siehe Abb. 14), Rinderspalt genannt, eignet sich zur Gelatineherstellung. Die Lederhaut = Mittelschicht besteht histologisch aus straffem Bindegewebe, das vor allem kollagene Fasern enthält, die sich überkreuzen und wellenförmig verlaufen. Dazwischen liegen aber auch Netze grober elastischer Fasern, die der Haut ihre Elastizität verleihen. Der Rinderspalt wird entweder mit Salz oder Kalk konserviert, gewaschen und auf Handgröße zurecht geschnitten. Zur besseren Veranschaulichung der betroffenen Hautschichten folgt eine Abbildung des Aufbaus der Haut:
Abb. 14: Schematische Darstellung der Haut mit ihren Anhangsorganen [4]
Das Verfahren besteht aus folgenden Schritten:
Gelatine wird durch chemisch - thermische Verfahrensschritte aus Kollagen gewonnen. Dabei bedient man sich folgenden grundlegenden Prinzip:
Bindungen, die das Kollagen stabilisieren werden teilweise zerstört. Die helikale Struktur der einzelnen Kollagenstränge wird zerstört. Die thermische Bewegung kann die Kräfte, die die dreisträngige Helix stabilisieren überspielen und es entsteht Gelatine - eine gestörte Molekülstruktur aus Knäueln, deren Faltung beim Abkühlen vom Zufall bestimmt ist.
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| Kollagen | Gelatine |
Abb. 15: Schematische Darstellung der Vorgänge bei der chemisch - thermische Verfahrensschritte von Kollagen zu Gelatine [1]
Folgende Bindungen können gestört werden:1) kooperative Wechselwirkungen, d.h. die helikale Form beruht auf vielen sich verstärkenden Bindungen, die einzeln relativ schwach sind wie z.B.:
 | Wasserstoffbrückenbindungen ... sind einerseits zwischen der peptidischen Aminogruppe des Glycins und der peptidischen Carbonylgruppe von den anderen beiden Ketten in der Helix und andererseits zwischen den Hydroxylgruppen der Hydroxyprolinresten und Wasserstoffatomen zu finden. |
| Überlappungen ... zwischen hydrophoben Glycin-Prolin-Hydroxyprolin-reichen Struktruelementen und hydrophilen Bereichen (hoher Anteil an polaren, negativ und positiv geladenen Aminosäuren) |
| Anziehung durch Van der Waals-Kräfte einzelner Struktruelementen |
2) intramolekulare und intermolekulare Quervernetzungen
Zwei grundsätzliche Aufschlussverfahren werden bei der Herstellung der Gelatine angewendet:
a) Saures Verfahren für Gelatine Typ A
Bei thermischen und säurekatalysiertem Abbau überwiegen hydrolytische Spaltungen innerhalb einzelner Kollagenketten. Der Rohstoff (überwiegend Schweineschwarten) unterliegt einem dreitägigen Aufschlussprozess, da bei diesem Rohmaterial aufgrund des niedrigen Alters der Tiere die Quervernetzung des Kollagens noch nicht so hoch ist. Der Rohstoff wird sauer behandelt und steht im Anschluss sofort für die Extraktion der Gelatine zur Verfügung.b) Alkalisches Verfahren für Gelatine Typ B
Bei alkalischer Hydrolyse kommt es vermehrt zur Spaltung von inter- und intramolekularen Quervernetzungen. Durch mehrwöchige alkalische Behandlung wird eine schonende Umwandlung der Kollagenstruktur erreicht. Als Rohmaterial kann hier nur Ossein und Rinderspalt verwendet werden. Anschließend ist das darin enthaltende Kollagen in warmen Wasser löslich.Die so vorbereiteten Materialien werden nun mit Warmwasser versetzt und mehrstufig extrahiert. Die ersten Abzüge, die bei niedrigsten Temperaturen gewonnen werden, ergeben höchste Gallertfestigkeit der dabei ausgeschmolzenen Gelatine. Diese fällt etwa in einer Lösung w=5% an. Anschließend an den ersten Extraktionsvorgang wird das verbliebene teilextrahierte Material mit frischem Warmwasser höherer Temperatur angesetzt und nochmals extrahiert. Dies wird so oft fortgesetzt, bis der letzte Rest der Gelatine bei Siedetemperaturen in Lösung gegangen ist.
| Schaumbildungseigenschaften Durch Umsetzung von hydrolisierten Gelatinetypen mit langkettigen Fettsäurechloride erhält man eine Reihe bioabbaubarer, nicht toxischer und nicht irritierender Detergentien, die in Körperpflegemitteln eingesetzt werden. |
| Kochwasserbeständige Produkte Di- oder polyfunktionelle Verbindungen wie Dialdehyde, Polyepoxide oder Polyisocyanate können mit mehreren Seitengruppen der Gelatine reagieren. Die dabei entstandenen Quervernetzungen führen zu kochwasserbeständigen Produkten. Dabei wird der Schmelzpunkt des Gels erhöht, das Quellvermögen reduziert und die mechanische Beständigkeit erhöht. Hierbei werden z.T. Quervernetzungen künstlich wieder hergestellt, die vorher bei der Herstellung von Gelatine aus Kollagen zerstört wurden. |
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Die zwei typischsten Eigenschaften wie die Gelbildung und die Wasserbindung lassen sich in zwei Versuchen demonstrieren:
1. Versuch
| Material: | ||||||
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| Durchführung: | ||||||
| Im 400 ml Becherglas werden ca. 30 g Gelatine eingewogen und mit 50 ml
Wasser verrührt, bis die gesamte Gelatine durch gefeuchtet ist. Die Gelatine ca. 15 Min.
quellen lassen. Anmerkung: Es kann auch eine kleinere Menge an Gelatine und Wasser verwendet werden. Anhaltspunkt ist hier das Rezept für Gummibärchen vom Experimentierkurs Lebensmittelchemie in der Didaktik Chemie bei Herrn Walter Wagner. |
| Beobachtung: |
| Nach ca. 15 Min. ist zu erkennen, dass das Wasser komplett von der Gelatine aufgenommen wurde. Die Gelatine ist nicht mehr pulverförmig, sondern aufgequollen und ist beim rühren mit dem Glasstab pappig und klumpig. Der Geruch dieser gequollenen Gelatine erinnert an Horn - Vergleichbar mit dem Geruch von verbrannten Haar. |
| Interpretation: |
| Gelatine hat die Eigenschaft aufgrund ihrer Struktur das Fünf- bis Zehnfache ihres Gewichtes an Wasser aufnehmen zu können. Dies passiert bei der sogenannten Quellung. Dabei lagert sich das Wasser durch seine hydratisierende Wirkung über Wasserstoffbrücken an die hydrophilen Strukturen wie z.B. den OH - Gruppen der Aminosäuren an. Die Quellung ist der erste Schritt mit dem die Zubereitung von Gelatinelösungen beginnt. |
2. Versuch
| Material: | ||||||||
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| Durchführung: |
| Das Becherglas mit der gequollenen Gelatine wird bei niedrigen Temperaturen (75° C nicht überschreiten !) auf die Heizplatte gestellt und unter Rühren zum schmelzen gebracht. |
| Beobachtung: | ||||||||
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| Interpretation: |
| Das Absinken der Viskosität, der Verlust an Gelierkraft und das entstehen der klaren Lösung sind Auswirkungen der Veränderungen der Gelatineeigenschaften durch Temperatur und Zeit. Gelatine ändert beim Auflöseprozeß seine Eigenschaften. Diese Eigenschaften können auch durch Säureeinwirkungen verändert werden. Gelatine verliert sowohl durch Hitze- als auch durch Säureeinwirkung, je nach Einwirkzeit, mehr und mehr an Qualität, d.h. durch weitere thermische und chemische Einwirkung werden noch weitere vorhandene chemische Bindungen teilweise mehr oder weniger gelöst. |
Die vielfältigen Eigenschaften der Gelatine machen sich Lebensmittel-, Pharma- und Photoindustrie zunutze. In den Handel gelangt Gelatine als Granulat oder als Blattware.
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