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im Leistungskurs Chemie
Thema:
Weisen Sie experimentell je drei in einem Multivitaminsaft vorkommende Fruchtsäuren und Vitamine nach. Erläutern Sie die Nachweisverfahren und die Wirkung der nachgewiesenen Vitamine.
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1.1 Inhaltsübersicht
1.2 Problemdarstellung
1.3 Abgrenzung des Themas
Nennung und Begründung der gewählten Arbeitsweisen und Methoden
2.1 Multivitaminsaft
2.2 Vitamine
2.2.1 B
2.2.2 C
2.2.3 Panthothensäure
2.3 Fruchtsäuren
Nachweisverfahren
2.4.1 Chromatographie
2.4.2 allgemeine Durchführung, Beobachtungen und Deutungen
3.1 kurze Zusammenfassung und Stellungnahme
4.1 Anmerkungsapparat
4.2 Literatur- und Quellenverzeichnis
4.3 schriftliche Versicherung der selbständigen Anfertigung
4.4 Einverständniserklärung zur Veröffentlichung
Inhaltsübersicht
Auf den ersten Seiten beschäftige ich mit der Vorstellung des Multivitaminsaftes, der Vitamine und der Fruchtsäuren. Nach dieser Vorstellung wird die Chromatographie erläutert, durch die man auf verschiedenen CU-Folien die vorhandenen Stoffe im Multivitaminsaft nachweisen kann.
Problemdarstellung
Da die Etiketten Aufschluß darüber geben, welche Stoffe sich im Multivitaminsaft befinden, versuche ich, gezielt diese Stoffe nachzuweisen.
Abgrenzung des Themas
Das Angebot an Multivitaminsäften ist heutzutage sehr groß. Ich habe mich dazu entschlossen, mit dem Multivitaminsaft "hohes C" des Unternehmens Eckes-Granini GmbH & Co. KG zu arbeiten.
Nennung und Begründung der gewählten Arbeitsweisen und Methoden
Das einzige Verfahren, durch das man Vitamine und Fruchtsäuren im Multivitaminsaft nachweisen kann, ist die Chromatographie. Um dieses Verfahren anwenden zu können, benötigt man CU-Folien. Diese Folien sind jeweils anders beschichtet und machen es möglich, die Ergebnisse durch einen Indikator oder durch Betrachtung der Folie unter einer UV-Lampe hervorzuheben.
Der Multivitaminsaft ist ein sehr nützliches Getränk. Er enthält mehrere Vitamine, die für den Menschen lebenswichtig sind. Außer den Vitaminen sind zum Beispiel auch noch Fruchtsäuren enthalten, deren Wirkung später erläutert wird. In dem Multivitaminsaft des Unternehmens Eckes-Granini GmbH & Co. KG sind Vitamin B , B , B , B , Panthothensäure, Folsäure und Niacin enthalten, die alle zum B-Komplex gehören, und außerdem Vitamin C, E und Biotin. Etwa 200 ml dieses Saftes reichen dem Menschen aus, um die tägliche Dosis an den vorhandenen Vitaminen zu decken.
Vitamine
Vitamine sind lebenswichtige Stoffe. Da der Körper unfähig ist, diese Stoffe selbst herzustellen, muß man sie dem Körper durch die Nahrung, in der sie in kleinsten Mengen von Milligramm enthalten sind , hinzufügen. Die Vitamine sind ein essentieller Bestandteil von Lebensmitteln und bilden mit den Mineralstoffen, den Eiweißen (Proteinen), den Kohlenhydraten und den Fetten die Hauptnährstoffe der Nahrung. Die Vitamine, von denen 15-20 bekannt sind, werden in fettlösliche (Vitamin A, Vitamin B, Vitamin E, Vitamin K) und in wasserlösliche Vitamine (B-Vitamine, Vitamin C, Vitamin P, Panthothensäure, Folsäure, p-Aminobenzoesäure, Inosit, Cholin, Nicotinamid, Biotin) gegliedert. Heutzutage werden sie jedoch eher nach ihrer physiologischen Wirkung eingeteilt, d.h. sie werden in die Gruppe der Cofermente und in die Gruppe der induktivwirksamen Vitamine gegliedert. Die Vitamine in der Gruppe der Cofermente wirken als ein Bestandteil von Fermenten . Induktivwirksame Vitamine üben Spezialfunktionen aus und sind am Fermentenaufbau nicht beteiligt. Da die Vitamine vielfach die Wirkung der Enzyme unterstützen, werden sie manchmal als "Co-Enzyme" bezeichnet. Bei ausgewogener Ernährung ist die Versorgung des Organismusses an Vitaminen gesichert. Bei unausgewogener Ernährung treten Avitaminosen (Ausfallerscheinungen; Vitaminmangelerkrankungen) auf, die schon sehr lange unter den Namen Beriberi (schwere Erkrankung des Nervensystems), Skorbut (geschwürdige Erkrankung der Mundschleimhaut mit Blutungen des Zahnfleisches sowie in Haut und Muskeln), Rachitis (verminderte Kalkeinlagerung in den Knochen), Pellagra (Hautkrankheit mit Geschwüren und Blutungen), bekannt sind und von denen es mehr als 70 gibt. In der folgenden Tabelle werden einige Vitamine und deren Avitaminosen vorgestellt:
Den Ausfallerscheinungen kann man entgegenwirken, indem man die Ernährung ändert oder Vitaminpräperate, die man unteranderem in der Apotheke erhält, zu sich nimmt. Die genaue Menge an Vitaminen, die der Körper täglich braucht, kann nicht genau bestimmt werden. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DEG) gibt daher Empfehlungen für die wünschenswerte Zufuhr an. Das Verhalten der Vitamine gegenüber chemischen und physikalischen Einflüssen wird in der folgenden Tabelle verdeutlicht und ist sehr wichtig für die Zubereitung der Speisen, da beim Kochen der Nahrung ein Verlust an Vitaminen auftritt:
Ein langzeitiger Überschuß an Vitaminen hat bei wasserlöslichen Vitaminen bis auf Vitamin C, das kristalline Ablagerungen hervorrufen kann, keine Auswirkungen, da die überschüssigen Vitamine über bestimmte Organe des Körpers ausgeschieden werden. Anders ist dies bei fettlöslichen Vitaminen, die Störungen des Stoffwechsels hervorrufen. Die Vitamine gehören verschiedenen Stoffklassen an und können sich bei gleichzeitiger Einnahme gegenseitig beeinflussen wie zum Beispiel Vitamin C und Vitamine des B-Komplexes.
B
Vitamin B ist in Europa auch unter dem Namen Aneurin bekannt und wird im englischen Sprachgebrauch als Thiamin bezeichnet. Es ist ein antineuritisches Vitamin, das im Kohlenhydratstoffwechsel ein zentrale Rolle spielt. Außerdem ist es ein Wuchsstoff für Mikroorganismen und sehr wichtig für die Nervenfunktionen. Es wurde 1926 zum ersten Mal isoliert. Der Tagesbedarf liegt etwa bei 0,5-1 mg.
Das Vitamin ist folgendermaßen aufgebaut:
Das Vitamin existiert in zwei biologisch gleichwertigen Formel und ist einmal aus einem Pyrimidinring und einem Thiazolring aufgebaut, die über eine Methylbrücke miteinander verbunden sind.
Das Vitamin fördert beispielsweise geistige Funktionen wie Rechenaufgaben, Auswendiglernen und sportliche Leistungen im Speer- und im Ballwurf auf ein Ziel. Ebenso werden Schreibmaschinenschreiben und Lesen durch dieses Vitamin begünstigt.
Mangelerscheinungen dieses Vitamins sind unter anderem Depressionen, Gedächtnisschwund, Müdigkeit, Herzrhythmusstörungen, peripherische Durchblutungsstörungen, Nervosität, Muskelschwäche, Kohlenhydrat- und Wasserstoffwechselstörungen. Diese Mangelerscheinungen werden durch zuviel Zucker, durch zuviel Kohlenhydratzufuhr und durch Alkoholmissbrauch hervorgerufen. Die bekannte Krankheit Beriberi (schwere Erkrankung des Nervensystems) äußert sich in einigen dieser Punkte.
Die chemische Eigenschaft ist die Hitzeempfindlichkeit.
Das Vitamin ist in fast allen pflanzlichen und tierischen Geweben, in Getreideschalen, Hefe, Kartoffeln, Reiskleie, Rüben, Gemüse, Leber, Schweinefleisch, Nüssen, Bierhefe, wiederzufinden.
Vitamin C (Askorbinsäure)
Vitamin C ist ein antiscorbutisches Vitamin. Es spielt eine Rolle bei der Abwehr von Infektionskrankheiten und wird für die Synthese von Hormonen wie Seratomin und Noradrenalin verwendet, da es Hydroxylgruppen liefert. Außerdem ist es wichtig für die Bildung von Blut, Gewebe, Knochen, Zähnen und für die Verwertung von Eisen. Es wurde 1933 zum ersten Mal nachgewiesen. Der Tagesbedarf liegt etwa bei 0,75 mg.
Das Vitamin ist folgendermaßen aufgebaut:
Das Vitamin fördert beispielsweise den Alkoholabbau in der Leber und den Cholesterinabbau. Es beschleunigt die Wundheilung, schützt die Innenauskleidung der Blutgefäße und beeinflusst Rheuma, Polyarthritis, Tuberkulose sowie die Konzentration positiv.
Mangelerscheinungen dieses Vitamins sind Skorbut, Erkältungskrankheiten, Wachstumsverzögerung, Knochenaufbaubeeinflussung und erhöte Infaktgefahr sowie Zahnfleischerkrankungen, die im Extremfall zum Ausfall der Zähne führen können.
Das Vitamin ist im Spinat, in Kohlarten, Hagebutten, Radieschen, Paprika, Zitronen, Petersilie, Erdbeeren, Johannesbeeren und in frischem Gemüse und Obst enthalten.
Die chemischen Eigenschaften sind vor allem die Hitzeempfindlichkeit sowie das instabile Verhalten gegenüber Säuren und Basen.
Panthothensäure
Die Panthothensäure nimmt eine zentrale Rolle im Eiweiß, Fett und Kohlenhydratsoffwechsel ein. Sie ist beteiligt am Abbau des Blutfarbstoffes Hämoglobin und ist wichtig für die Funktion von Nerven, Haut und Haaren. Der Tagesbedarf liegt etwa bei 3-5 mg.
Das Vitamin ist folgendermaßen aufgebaut:
Das Vitamin ist in Hefe, Früchten, Gemüse, Muskeln, tierischen Organen, Milch, in fast allen Lebensmitteln enthalten, besonders in Leber Fleisch, Fisch, Käse, Vollkornpräperaten und Hülsenfrüchten. Tritt ein Mangel dieses Vitamins auf, so hat dies, so weit bekannt ist, keine Mangelerscheinungen zur Folge. Das Vitamin ist gegenüber von Säuren und Basen instabil und außerdem Hitzeempfindlich.
Fruchtsäuren
Fruchtsäuren sind organische Säuren. Sie sind im Multivitaminsaft enthalten, um dort ihre Eigenschaften zu entfalten. Sie sind zum Beispiel zuständig für die Aromabildung und haben eine antimikrobielle Wirkung, das heißt sie vernichten Bakterien. Aufgrund der Aromabildung werden sie oftmals als Genußsäuren bezeichnet. Die Fruchtsäuren sind meistens Hydroxycarbonsäuren oder Dicarbonsäuren und werden heutzutage zum Großteil biotechnologisch gewonnen.
Hydroxycarbonsäuren sind etwas veränderte Carbonsäuren. Die Hydroxycarbonsäuren besitzen mindestens einen Substituenten im Restmolekühl, das heißt anstatt eines Wasserstoffatoms ist in diesem Fall eine Hydroxylgruppe aufzufinden. Die Säuren unterscheiden sich in der Anzahl dieser Gruppen, die durch Mono-, Di-, Tri- bzw. Poly- vor der entsprechenden Säure verdeutlicht wird. Außerdem unterscheiden sie sich in der Stellung dieser Gruppen, veranschaulicht durch grichischen Buchstaben a b, . Je näher sich die Hydroxylgruppe an der Carboxylgruppe befindet, desto größer ist der Einfluß untereinander. Je kleiner der Buchstabe des grichischen Alphabetes, desto stärker ist die Säure. Bei normaler Temperatur sind die Hydroxycarbonsäuren flüssig. Erhitzt man die Säure, so spaltet sie meist unter Mithilfe eines H -Ions Wasser ab.
Carbonsäuren unterscheiden sich in Mono-, Di- und Tricarbonsäuren. Diese Vorsilben geben an, wieviele funktionelle Carboxylgruppen die Säure trägt. Dicarbonsäuren sind kristalle Substanzen, die im Wasser mit ansteigender Anzahl an Kohlenstoffatomen schwerer bis fast unlöslich werden. Mono- und Dicarbonsäuren verhalten sich in Bezug auf Reaktionen gleich, das physikalische und chemische Verhalten ist aufgrund der gegenseitigen sterischen und elektronischen Beeinflussung der Carboxylgruppen etwas abweichend. Aufgrund dieser gegensietigen Beeinflussung sind die Anfangsglieder stärker sauer als die der Monocarbonsäuren (I-Effekt
Unter die Rubrik der Hydroxycarbonsäuren fällt die Citronensäure, und ein Beispiel für eine Dicarbonsäure ist Bernsteinsäure.
Die Citronensäure besitzt die Eigenschaft, die Bräunung von Obst und Gemüse zu unterdrücken. Die Citronensäure besteht aus farblosen Kristallen, die leicht wasserlöslich sind und im Wasser sauer reagieren. Diese dreiprotonige Säure gehört zu den meistverbreitesten Pflanzensäuren und wurde 1784 zum ersten Mal in Zitronen nachgewiesen. Sie ist optisch aktiv und spielt unteranderem als Zwischenprodukt im Stoffwechsel und in der Biochemie, als ein Bestandteil des Citronensäure-Cycluses , eine große Rolle. Die Citronensäure erleichtert die
Calciumaufnahme und wirkt somit der Rachitis entgegen. Sie ist zum Beispiel in Zitronen, Orangen, Ananas, Johannes- und Erdbeeren aufzufinden und ist folgendermaßen aufgebaut:
Die Salze werden Citrate genannt.
Die Bernsteinsäure besteht auch aus farblosen Kristallen, die im Wasser leicht löslich sind und dort stark sauer reagieren, in unpolaren Flüssigkeiten jedoch unlöslich sind. Sie ist z.B. in Bernstein, in anderen Harzen und in Braunkohle
enthalten und bildet einen Bestandteil des Citronensäure-Cylusses, in dem sie als Zwischenprodukt auftritt. Die Bernsteinsäure ist folgendermaßen aufgebaut:
Die Salze werden Succinate genannt.
Bei längerem Erhitzen wird Wasser abgespalten und, es bilden sich cyclische Anhydride.
Chromatographie
Die Chromatographie ist eine Methode, durch die man kleinste Mengen eines Substanzgemisches trennen kann. Die Trennung wird mit einer mobilen und einer stationären Phase durchgeführt. Die stationäre Phase ist die CU-Folie. Die mobile Phase ist immer eine bestimmte Flüssigkeit , die als Laufmittel oder als Fließmittel bezeichnet wird. Die zu untersuchenden Substanzen werden in kleinsten Mengen auf die Folie aufgetragen. Je mehr Substanz man aufträgt, um so schlechter werden die Komponenten voneinander getrennt. Die beiden Phasen werden nun in einem Meßzylinder zusammengeführt. Die stationäre Phase saugt die mobile Phase auf, die wiederum die einzelnen Komponenten unterschiedlich weit mittransportiert. Die Phasen werden erst voneinander getrennt, wenn die mobile Phase die stationäre Phase durchlaufen hat, das heißt wenn die Front des Fließmittels die obere Kante der Folie erreicht hat. Nach dem Trocknen der Folie kann man sie, falls sie dafür geeignet ist, unter einer UV-Lampe betrachten, um die getrennten Komponenten hervorzuheben. Ist die Folie dafür nicht geeignet, so kann man sie mit einem Indikator besprühen, der die einzelnen Komponenten auf der Folie sichtbar macht.
Allgemeine Durchführung, Beobachtungen und Deutungen
Auf der stationären Phase, der CU-Folie, wird parallel zur kurzen Seite vorsichtig eine Startlinie gezogen, die etwa zwei Zentimeter vom Rand entfernt sein sollte. Unter dieser Linie werden nun einige Punkte markiert, die nach der Entwicklung, d.h. nach dem Durchlaufen der mobilen Phase über die stationäre Phase, das Wiederfinden der aufgetragenen Substanzen erleichtern sollen. Anschließend wird mit Hilfe einer Glas-Kapillare, einem länglichen, einige Millimeter dünnen Glasstab, je ein Tropfen der zu untersuchenden Substanzen über den markierten Punkten auf die Startlinie aufgetragen. Nun wird ein Meßzylinder mit etwas Laufmittel vorbereitet. Die CU-Folie wird kurze Zeit getrocknet und dann mit der Startlinie nach unten in den Meßzylinder gestellt, wobei der Pegel des Fließmittels die Startlinie nicht erreichen darf. Die Folie wird so lange in dem Zylinder gelassen, bis die mobile Phase fast die obere Kante der stationären Phase erreicht hat. Die Folie wird jetzt mit Hilfe eines Föns oder einer Heizplatte getrocknet und anschließend je nach der Art der Folie entweder mit einem Indikator besprüht oder unter einer UV-Lampe betrachtet.
Chemikalien: Apfelsaft, Bananensaft, Kirschsaft, Orangensaft, Multivitaminsaft, in Wasser gelöste Multivitamintablette aus der Apotheke, Ascorbinsäure, Citronensäure, Weinsäure, mobile Phase: Wasser, Indikatoren (Lackmus, Phenolphthalein mit Natriumcarbonat angereichert)
Materialien: drei verschiedene stationäre Phasen, die alle Fertigfolien für die Dünnschichtchromatographie sind: 1. Polygram ALOX N/UV254 beschichtet mit 0,2 mm Aluminiumoxid und Fluoreszenzindikator, 2. Polygram CEL300 beschichtet mit 0,1 mm Cellulose, 3. Polygram SIL G/UV254 beschichtet mit 0,25 mm Kieselgel und Fluoreszenzindikator, Lineal, Bleistift, Glas-Kapillaren, 100 ml Meßzylinder, Fön, Heizplatte, UV-Lampe, Sprühdose
Beobachtungen: Die erste stationäre Phase hat das Fließmittel kaum aufgesaugt. Höchstens am äußeren Rand der Folie trat eine höhere Entwicklung auf.
Deutung: Das Fließmittel ist in Verbindung mit der 1. stationären Phase nicht geeignet. Es trat keine Trennung der Substanzen auf. Durch Beobachtung der Folie unter einer UV-Lampe oder durch das Besprühen der Folie mit Lackmus, konnten nur die Startpunkte der Substanzen hervorgehoben werden.
Beobachtung: Bei den anderen stationären Phasen trat eine rasche, gleichmäßige Entwicklung auf, die etwa 20 Minuten gedauert hat. Die dritte stationäre Phase wurde unter der UV-Lampe betrachtet, wo man keine konkreten weißen Punkte, die Orte der Komponenten widerspiegeln, auf der blau leuchtenden Folie gefunden hat. Durch das Besprühen mit Phenolphthalein, das mit etwas Natriumcarbonat angereichert war, hat sich die Folie orange gefärbt.
Deutung: Die Menge der Vitamine, die sich im Multivitaminsaft befinden, ist ziemlich gering. Dies ist der Grund, warum keine eindeutigen weiß leuchtenden Punkte auf der blau schimmernden Folie zu erkennen sind. Anstatt der Orangefärbung, habe ich eine teilweise farblose oder rötliche Färbung erwartet, die ein Nachweis für saure bzw. alkanische Substanzen ist. Diese Färbung ist eingetreten, da die Säuren genau wie die Vitamine in sehr geringen Mengen vorliegen und es ist außerdem möglich, dass die Folie einige Stoffe enthält, die diese Färbung nicht zulassen.
Beobachtung: Die zweiten stationären Phasen weisen nach der Zusammenführung mit den Indikatoren einige Farben auf, die auf der folgenden Abbildung verdeutlicht werden (links mit Phenolphthalein; rechts mit Lackmus):
Es sind deutlich einige rötliche Streifen zu erkennen.
Deutung: Diese rötlichen Streifen hätten eigentlich getrennte Punkte sein sollen. Die Phasen waren nicht in der Lage, die Komponenten eindeutig voneinander zu trennen, wie es die folgende Abbildung zeigt:
In dieser Abbildung wird deutlich, dass drei Substanzen aufgetragen wurden. Die beiden rechten Substanzen befinden sich beide in der linken Substanz, das durch die gleiche "Wanderhöhe" nachweisbar ist.
Bei meinen Versuchen sind die Komponenten nicht ordentlich voneinander getrennt worden. Diese "Fehltrennung" hat die langen Streifen oder "verschmierten" Punkte zur Folge. Es ist auch möglich, dass ein Überschuß an aufgesprühter Indikatorlösung eine Vermischung einiger Komponenten hervorruft. 100 %igen Schlüsse auf die Inhaltsstoffe des Multivitaminsaftes kann man nicht ziehen. Mit Gewißheit kann man jedoch sagen, dass ein Stoff, dessen Streifen näher an der Startlinie liegt, als der des Multivitaminsaftes, nicht in ihm enthalten ist.
Kurze Zusammenfassung und Stellungnahme
Die vielen verschiedenen Arten von Chromatographieversuchen ermöglichen es dem Chemiker viele Substanzen nachzuweisen und zu untersuchen. Es ist theoretisch immer leicht, Versuche zu besprechen, doch in der praktischen Ausführung ist alles anders. Die meisten Versuche, die man in der Chemie durchführt, führen nicht zu dem gewollten Ergebnis. Diese "fehlgeschlagen" Versuche, die einem Arger und Kummer bereiten, geben jedoch auch ein Ergebnis von sich, das den Rahmen der richtigen Lösung einengt.
Die Auseinandersetzung mit diesem Thema war eine große Herausforderung, die mit viel Zeitaufwand und stressigen Situationen verbunden war. Im Nachhinein kann ich sagen, dass die Bearbeitung viel Spaß gemacht hat und ich mein vorher vorhandenes Wissen über den Multivitaminsaft, die Vitamin und die Fruchtsäuren erheblich erweitert habe. Ich kann mir jedoch auch vorstellen, dass die Bearbeitung meiner Aufgabe mir keinen Spaß gemacht hätte, wenn mir ein Thema zugelost worden wäre, das mir nicht gefallen und mich somit von vornherein demotiviert hätte.
Anmerkungsapparat
Der Citronensäure-Cyclus besitzt für den Stoffwechsel der Kohlenhydrate, Fette und Eiweißstoffe im tierischen und pflanzlichen Organismen sowie bei Mikroorganismen eine entscheidende Bedeutung. Er wurde ursprünglich für die Oxidation von Kohlenhydraten entwickelt, später stellte sich heraus, dass auch die Oxidation der Proteine zum teil danach verläuft.
Literatur- und Quellenverzeichnis
Hans Beyer: Lehrbuch der organischen Chemie: 18. überarbeitete Auflage:
S. Hirzel Verlag Stuttgart, 1978
Eulitz, Scheuermann, Thier: ABC Chemie in zwei Bänden: Band 2 L-Z: Verlag Harri Deutsch, Frankfurt/Main und Zürich
Bukatsch, Glöckner: Experimentelle Schulchemie: Organische Chemie III: Aulis Verlag Deubner & Co. KG
Dr. Friedhelm Mühleib: Fit, schön und gesund-Vitamine: Gräfe und Unzer, 1993
H. Gärtner: Chemie: Compact-Verlag, 1995
H. R. Christen: Grundlage der organischen Chemie: Verlag Sauerländer Aarau, 1975
H. Hulpke, H. Hartkamp, G.Tölg: Analytische Chemie für die Praxis: Georg Thieme Verlag Stuttgart
Benno Dahmen: Optimale Ernährung für Krafttraining und Bodybuilding: Falken Verlag, 1987
Karl Häusler: Chemie kompakt: Formel, Regeln, Gesetzt: Oldenbourg,1994
Grosses Universallexikon: Honos Verlag1988
G.-J. Krauß: Experimente zur Chromatographie: Deutscher Verlag der Wissenschaft: Berlin, 1981
Hermann Raaf: Was enthält was?: Erkennen und Bestimmen von Inhaltsstoffen
Flörke, Wolf: Kursthemen Chemie: Organische Chemie und Biochemie
Römpp: Chemie Lexikon: Thieme Verlag
Eckes-Granini: Multivitaminsaft
