Chemie entdecken. Mikrolabor Hefezelle. Christoph Rüthing. Experimentalwettbewerb der Klassenstufen 5-10 in NRW. Zum Thema. von

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1 Chemie entdecken Experimentalwettbewerb der Klassenstufen 5-10 in NRW Zum Thema Mikrolabor Hefezelle von Christoph Rüthing

2 Versuch 1: Nach Hinzufügen der Hefe in die Zuckerlösung färbt sich das Gemisch hell-braun, es tritt aber keine sofortige Reaktion ein. Erst nach ca. 15 min bildet sich weißer Schaum und der Luftballon wird aufgeblasen. In der Flüssigkeit entstehen kleine Blasen. Während des Beobachtungszeitraumes bildet sich immer mehr Schaum und der Luftballon wird immer praller aufgeblasen. Nach 60 min hat der Schaum eine Höhe von ca. 8,8 cm und der Luftballon einen Durchmesser von ca. 12 cm erreicht. Außerdem hat sich die Flasche auf ca. 28 C erwärmt, wobei der Versuch bei 22 C Raumtemperatur durchgeführt wurde. Beim Öffnen der Flasche ist ein leicht alkoholischer Geruch wahrzunehmen. Wenn das Gas aus dem Luftballon in die Tasse mit brennendem Teelicht strömt, erlischt dessen Flamme. nach 0 min (Anfang) nach 60 min (Ende) Der aufgeblasene Luftballon lässt darauf schließen, dass ein Gas entstanden sein muss, welches farblos ist. Da die Flasche verschlossen war, muss das Gas von der Hefe produziert worden sein. Dieses bewirkte, dass die Flamme des Teelichtes erlosch. Es muss auch schwerer als Luft sein, da es zu dem Teelicht herabsank. Folglich muss es sich bei dem Gas um Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) handeln. Das in diesem Versuch entstandene Gas lässt sich mithilfe von Kalkwasser (Calciumhydroxid-Lösung; CaO 2 H 2 ) nachweisen. Kalkwasser reagiert mit Kohlenstoffdioxid unter Bildung eines weißlichen Stoffes, nämlich Calciumcarbonat (CaCO 3 ) Reaktionsgleichung: CaO 2 H 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O. Diese Reaktion ist auch bei Barytwasser (Bariumhydroxid-Lösung; BaO 2 H 2 ) zu beobachten; nur hier bildet sich Bariumcarbonat (BaCO 3 ) Reaktionsgleichung: BaO 2 H 2 + CO 2 BaCO 3 + H 2 O. Dafür genügen allerdings schon geringe Spuren von Kohlendioxid, wodurch Barytwasser ein noch empfindlicheres Nachweisreagenz ist als Kalkwasser. Nach der Zugabe der Hefe in die Zuckerlösung beginnt diese, den Zucker aufzufressen. Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und Ethanol (C 2 H 5 OH). Das Kohlenstoffdioxid ist auch für die Bildung des Schaums verantwortlich. Christoph Rüthing 9a Seite 1

3 Versuch 2: Durchführung: Ich habe drei verschieden Teilversuche durchgeführt. Bei allen drei Teilversuchen wurden 75 ml Wasser verwendet. Die Konzentration ist im Verhältnis Hefe : Zucker angegeben. Der Beobachtungszeitraum betrug jeweils etwa 45 min. V 1 : bei 32 C a) 1 : 1 b) 1 : 2 c) 2 : 1 V 2 : bei 22 C a) 1 : 1 b) 1: 2 c) 2 : 1 V 3 : bei 7 C a) 1 : 1 b) 1 : 2 c) 2 : 1 An der Höhe des Schaums habe ich die stärke der Reaktion gemessen. bei 32 C bei 22 C 7 C Bei allen Teilversuchen ist eine Reaktion der Hefe (wie in V1) zu erkennen. Diese fällt bei einer Temperatur von 7 C und einer Konzentration von 1 : 1 am geringsten und bei einer Temperatur von 32 C und einer Konzentration von 2 : 1 am stärksten aus. In der folgenden Tabelle ist die Höhe des Schaums in cm in Abhängigkeit von der Zeit t min, der Konzentration KT und der Temperatur T in C aufgelistet. KT 1 : 1 1 : 2 2 : 1 t T 32 C 22 C 7 C 32 C 22 C 7 C 32 C 22 C 7 C 20 min 1 0,5 0,5 1,5 0,5 0,5 4,5 3 1,5 30 min 1, ,5 1, min 2 1,5 1, , ,5 Christoph Rüthing 9a Seite 2

4 bei 32 C 1 : 1 2 : 1 1 : 2 bei 22 C 1 : 1 2 : 1 1 : 2 bei 7 C 1 : 1 2 : 1 1 : 2 Bei 7 C ist nur eine schwache Reaktion und bei 32 C eine relativ starke Reaktion zu beobachten. Folglich benötigt Hefe eine gewisse Temperatur, um gut mit Zuckerlösungen reagieren zu können. Die Temperatur sollte jedoch auch nicht zu hoch (maximal 45 C) sein, da sonst die Hefepilze absterben. Auch die Konzentration spielt eine Rolle. Es sollte mehr Hefe als Zucker (Verhältnis 2:1) zugegeben werden, um eine optimale Reaktion zu erhalten. Wenn weniger Hefe hinzugefügt wird, vergrößert sich der Zeitraum, in dem n cm Schaum entstanden ist. Versuch 3: Sowohl bei Haushaltszucker als auch bei Traubenzucker tritt eine Reaktion ein. Bei Mehl und Stärke ist keine wirkliche Reaktion zu beobachten; es bildet sich lediglich ein leichter Flaum. Bei Haushaltszucker hat der Schaum eine Höhe von ca. 1,5 cm und bei Haushaltszucker ca. 1,2 cm. (Der Versuch wurde bei 27 C durchgefûhrt.) Christoph Rüthing 9a Seite 3

5 nach 0 min (Anfang) Hefe reagiert am besten mit einer Traubenzuckerlösung oder einer Zuckerlösung. Stärke oder Mehl eignen sich dagegen nicht für eine Reaktion mit Hefe. Diese reagiert mit Traubenzucker noch besser als mit Haushaltszucker, da Traubenzucker bereits Einfachzucker ist, und somit nicht gespalten werden muss. Deshalb kann man diesen zu Hefeteig hinzugeben, damit dieser schneller aufgeht. Versuch 4: Durchführung: Das Rezept stammt von der Homepage des Wettbewerbes: Ein Hefekuchen Gugelhupf aus dem Elsass. Allerdings habe ich keine Rosinen und Mandeln hinzugegeben. Beobachtung Nach Hinzufügen des Zuckers und der Butter in die warme Milch entsteht ein gelbliches Gemisch. Nach Verrühren der Zutaten entsteht ein zäher gelb-beiger Teig. Dieser beginnt im Backofen (ca. 40 C) aufzugehen. Nach ca. 90 min hat er seine Höhe um ca. 1,6 cm vergrößert. Während des Backens ist er nochmals um ca. 1,8 cm weiter aufgegangen. nach 0 min (Anfang) nach 90 min (Ende Gärzeit) nach 150 min (Ende Backzeit) Christoph Rüthing 9a Seite 4

6 Der fertige Kuchen. Der Kuchen von innen. Nachdem der Kuchen an einen warmen Ort gestellt wurde, beginnt die Hefe damit, den Zucker zu verarbeiten. Dabei wird, wie oben festgestellt, Kohlendioxid und Alkohol frei. Das Kohlendioxid kann den Teig nicht verlassen, und drückt ihn somit auseinander. Dadurch entstehen viele klein Löcher im Teig. Somit nimmt das Volumen des Kuchens zu, wie das des Luftballons in V1. Da von dem Alkohol nach dem Backen nichts mehr zu schmecken ist, ist anzunehmen, dass dieser während des Backvorganges verdampft ist. Versuch 5: Der Traubensaft ist klar und hat eine flüssige Konsistenz. Die zerdrückten Trauben sind dagegen undurchsichtig und eher matschig. Nach mehreren Tagen hat sich der Traubensaft nicht verändert, die zerdrückten Trauben hingegen sind an der Oberfläche braun geworden und fangen bereits an zu schimmeln. (Der Versuch wurde bei 25 C durchgeführt.) nach 0 Tagen (Anfang) nach 2 Tagen nach 3 Tagen Da die zerdrückten Trauben schneller schimmeln als der fertige Traubensaft, müssen in den zerdrückten Trauben mehr organische Stoffe vorhanden sein, von denen die Schimmelpilze sich ernähren. In dem fertigen Traubensaft dagegen sind wenige organische Stoffe vorhanden, von denen sich die Schimmelpilze ernähren können. Christoph Rüthing 9a Seite 5

7 Versuch 6: Beobachtung V6.1: Bei der Hefelösung, die 24 h gestanden hat, setzt sich unten eine weißlich-beige Flüssigkeit ab, auf der eine klare, gelb-beige Flüssigkeit schwimmt. Sowohl bei der dekantierten und filtrierten Hefelösung als auch bei der Zuckerlösung fällt der Glucosetest negativ aus. V6.2: Nach Hinzufügen der Hefe in die Zuckerlösung färbt sich die Lösung hell-braun. Der sofortige Glucosetest fällt negativ aus. Nach 15 min sind bereits Spuren von Glucose vorhanden. Der Test nach 30 min fällt bereits positiv aus, und der Test nach 60 min sogar stark positiv. Bei den schon benutzten und zur Seite gelegten Teststreifen verändert sich das Testergebnis weiter ins Positive. V6.3: Nach Hinzufügen des Filtrats in die Zuckerlösung wird die Lösung leicht trübe. Der sofortige Glucosetest fällt negativ aus. Die nachfolgenden Tests weisen Spuren von Glucose nach. Die Lösungen. Die Teststreifen. (nach 60 min) Die entsprechende Skala für die Teststreifen. In Versuch 6.2 nimmt der Glucoseanteil in der Lösung zu. Die Glucose muss somit von der Hefe gebildet worden sein, da die Zuckerlösung vor Hinzufügen der Hefe keine Glucose enthielt. In der Hefelösung von Versuch 6.1 ist keine Glucose vorhanden, da auch kein Zucker hinzugegeben wurde, den die Hefe spalten könnte. Durch das dekantieren und filtrieren wurden die meisten Hefepilze aus der Lösung entfernt. Somit bildet sich auch nur sehr wenig Glucose beim Hinzufügen in die Zuckerlösung. Die Hefe spaltet mit dem Enzym Saccharase den Haushaltszucker (Saccharose) in Glucose und Fructose. Die Glucose kann dann mit den Teststreifen nachgewiesen werden. Eigentlich müsste diese Glucose von der Hefe auch wieder abgebaut werden. Dies dauert allerdings länger als 60 min. Christoph Rüthing 9a Seite 6