VORANSICHT. Die Farbe Blau in Lebensmitteln. Hintergrundinformationen. Julia Lorke, Katrin Sommer, Bochum Niveau: Sek. II Dauer:

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1 Die Farbe Blau in Lebensmitteln Julia Lorke, Katrin Sommer, Bochum Niveau: Sek. II Dauer: 4 Unterrichtsstunden Bezug zu den KMK-Bildungsstandards Fachwissen: Stoff-Teilchen-Beziehung: Benennen und Beschreiben von typischen Stoffeigenschaften Struktur-Eigenschafts-Beziehung: Erschließen der Verwendungsmöglichkeiten eines Stoffes über seine Eigenschaften unter Bezugnahme auf die chemische Struktur Chemische Reaktion: Beschreiben von Phänomenen der Stoffumwandlung bei chemischen Reaktionen (z. B. ph-wert), Beschreibung der Umkehrbarkeit chemischer Reaktionen Erkenntnisgewinnung: Erheben relevanter Daten bei Untersuchungen, insbesondere durch Experimente, Finden von Trends, Strukturen und Beziehungen in erhobenen oder recherchierten Daten, Erklärung dieser und Ziehen geeigneter Schlussfolgerungen Kommunikation: Situationsgerechte und adressatenbezogene Dokumentation und Präsentation des Verlaufs und der Ergebnisse der eigenen Arbeit, fachlich korrektes und folgerichtiges Argumentieren, Vertreten eigener Standpunkte zu chemischen Sachverhalten und selbstkritische Reflektion von Einwänden, Vertreten von Standpunkten gegenüber der Lehrkraft und den Mitschülerinnen und Mitschülern Bewertung: Diskutieren und Bewerten von Vor- und Nachteilen beim Einsatz von Chemikalien in Industrie und Haushalt Der Beitrag enthält Materialien für: Schülerversuche Offene Unterrichtsformen Hintergrundinformationen Blau die Lieblingsfarbe der Deutschen ist zwar in der Lebenswelt allgegenwärtig, etwa als Farbe des Himmels und des Wasser, jedoch basieren diese Erscheinungen auf physikalischen Lichteffekten und nicht auf blauen Farbstoffen oder Pigmenten. Daher ist die Farbe in dieser Form zum Färben nicht zugänglich. Natürlich vorkommende blaue Mineralien, wie Lapislazuli und Azurit, sind selten und teuer. Auch Indigo liegt in den Pflanzen als farblose Vorstufe vor und kann erst nach mehreren Verarbeitungsschritten als Farbmittel eingesetzt werden. Selbst Blaubeeren sind bei näherer Betrachtung eigentlich violett. Um diese Blaulücke im Bereich der Lebensmittel zu schließen, werden synthetische Farbstoffe verwendet. In Deutschland sind drei blaue Lebensmittelfarbstoffe zugelassen: Patentblau V (E 131), Indigotin (E 132) und Brillantblau (E 133). Ausgehend vom Küpenfarbstoff Indigo lernen die Schülerinnen und Schüler mit Indigotin einen weiteren Vertreter der indigoiden Farbstoffgruppe kennen. Experimentell untersuchen sie Indigotin und den unbekannten Farbstoff eines blauen Lebensmittelprodukts im Hinblick auf die Säure-Base-Eigenschaften und die Redoxeigenschaften. Durch Vergleich der Versuchsergebnisse beider Probensubstanzen können die Lernenden zunächst herausfinden, ob in dem von ihnen untersuchten Lebensmittelprodukt Indigotin enthalten ist. Eine Identifizierung des Farbstoffs wird durch die Ermittlung des Absorptionsspektrums und den Vergleich mit Literaturwerten möglich. Neue Torgauer Brauhaus GmbH

2 In dem Basisartikel wird aufgezeigt, welche Impulse das Thema Lebensmittelfarbstoffe für fachsprachliche Aspekte, für fachsystematische Auseinandersetzungen und für die Diskussion natürlich vs. synthetisch liefern kann. Ein Schwerpunkt liegt auf den Fachmethoden, und es werden die Zusammenhänge des Ineinandergreifens von Farbphänomenen, Fachmethoden und Basiskonzepten dargestellt. Becherer, H.: Indigo Eine Unterrichtskonzeption für die Sekundarstufe I. In: NiU-Chemie 9 (1998) Heft 47, S Mittels eines Videos und verschiedenen Lesetexten werden die Schülerinnen und Schüler über das Färben der Bluejeans mit dem Farbstoff Indigo informiert. Es können die Herkunft des Namens Indigo, die Gewinnung des Farbstoffes und das Färben mit dem natürlichen Farbstoff sowie die Erfindung des künstlichen Indigos und die Entstehung der Bluejeans erarbeitet werden. Bezugsquellen Die Lebensmittelprodukte sind im Supermarkt erhältlich. Alternativ können die Ice Pop Lollys direkt über den Online-Shop des Herstellers bezogen werden ( 100 Stück kosten ca. 8 Euro. Materialübersicht V = Vorbereitungszeit D = Durchführungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt M 1 Ab Die Farbe Blau in Lebensmitteln M 2 Ab, SV Probenvorbereitung D: 15 min Ice Pop Lollys (von Hirsch) Powerade Mountain Blast Back- und Speisefarbe blau (von Schwartau) oder Zille s Fassbrause Waldbeergeschmack Wasser Messzylinder (100 ml) Glasstab Mörser und Pistill Magnetheizrührer Magnetrührstab M 3 Ab, SV Untersuchung der Säure-Base-Eigenschaften D: 20 min Indigotin-Lösung (w = 0,001 %) Lebensmittelprodukt-Lösung Bechergläser (100 ml) Natronlauge (w = 10 %), ) ph-indikatorpapier Salzsäure (w = 10 %), Glasstab M 4 Ab, SV Untersuchung der Redoxeigenschaften D: 20 min Indigotin-Lösung (w = 0,001 %) Lebensmittelprodukt-Lösung Natriumdithionit-Lösung (w = 3 %) Natriumdithionit-Lösung (w = 1 %) Messzylinder Silikonschlauchstücke Druckluft- oder Ballpumpe M 5 Ab, SV VIS-Spektroskopie Indigotin-Lösung (w = 0,001 %) D: 10 min Lebensmittelprodukt-Lösung 2 Küvetten Photometer Die Erläuterungen und Lösungen finden Sie hier.

3 M 1 Die Farbe Blau Textilien färben mit Indigo Der wohl bekannteste blaue Farbstoff ist der Küpenfarbstoff Indigo. Damit Indigo auf die zu färbende Textilfaser aufziehen kann, muss der Farbstoff in seine farblose Leukoform überführt werden, etwa durch Reduktion mit Natriumdithionit. Anschließend wird er durch Reaktion mit Sauerstoff in seine farbige Form reoxidiert. Lebensmittel färben aber wie? Indigo wird nicht zur Färbung von Lebensmitteln verwendet. Stattdessen greift man hier auf synthetische Farbstoffe zurück. In der EU sind derzeit drei blaue Lebensmittelfarbstoffe zugelassen: Patentblau V (E 131), Indigotin (E 132) und Brillantblau (E 133). Beim Indigotin handelt es sich um einen Vertreter der indigoiden Farbstoffe. Patentblau V und Brillantblau hingegen sind, wie auch Phenolphthalein, Triarylmethanfarbstoffe. Aufgabe: Strukturformeln von Patentblau V, Indigotin und Brillantblau 1. Erläutern Sie, warum Indigo nicht zur Färbung von Lebensmitteln eingesetzt wird. Nehmen Sie dabei Bezug auf die Strukturformeln der Farbstoffe. Arbeitsauftrag Jede Gruppe sucht sich zunächst ein Lebensmittelprodukt aus. Untersuchen Sie mithilfe der Versuchsanleitungen (M 2 M 5) den Farbstoff dieses Lebensmittelprodukts und die Indigotin-Lösung im Vergleich. Handelt es sich bei dem Farbstoff in dem von Ihnen untersuchten Lebensmittelprodukt um Indigotin? Falls nicht, finden Sie aufgrund Ihrer experimentellen Ergebnisse heraus, welcher Farbstoff sich in den Lebensmittelprodukten befindet. Begründen Sie Ihre Entscheidung. Tauschen Sie sich mit Gruppen aus, die ein anderes Produkt untersucht haben und ergänzen Sie Ihre Notizen entsprechend.

4 M 4 Untersucht die Redox-Eigenschaften! Dieser Versuch dient dazu, die Farbstoffe auf ihre Redox-Eigenschaften hin zu untersuchen. Können die Lebensmittelfarbstoffe ähnlich wie Indigo in eine farblose Leukoform reduziert werden? Gelingt auch eine Reoxidation zur farbigen Form? Verhält sich der Farbstoff im Lebensmittelprodukt ähnlich wie das Indigotin? Schülerversuch: Probenvorbereitung Vorbereitung: 5 min Durchführung: 20 min Chemikalien/Gefahrenhinweise Geräte Indigotin-Lösung Lebensmittelprodukt-Lösung aus M 2 3%ige Natriumdithionit-Lösung 1%ige Natriumdithionit-Lösung Druckluftanschluss oder Ballpumpe Achtung: Schutzbrille tragen! Messzylinder Silikonschlauchstücke Entsorgung: Die Lösungen können in den Ausguss entsorgt werden. Versuchsaufbau Der Druckluftanschluss wird über ein Schlauchstück mit einer Pasteurpipette verbunden. Versuchsdurchführung Vorversuch: Fügen Sie zu 20 ml der Indigotin-Lösung und zu 20 ml der Lebensmittelprodukt-Lösung jeweils 20 ml der 3%igen Natriumdithionit-Lösung hinzu. Hauptversuch: Entfärbt sich die Lösung einer Probe im Vorversuch, so werden folgende Versuchsschritte mit neuen Ansätzen dieser Proben-Lösungen durchgeführt: Fügen Sie nun zu 20 ml der Indigotin- bzw. Lebensmittelprodukt-Lösung tropfenweise so lange 1%ige Natriumdithionit-Lösung hinzu, bis die Lösung gerade entfärbt ist. Leiten Sie nun jeweils ca. 3 min Luft in die Lösungen ein. Aufgabe Notieren Sie Ihre Versuchsbeobachtungen in der Tabelle und ergänzen Sie die Beobachtungen der Gruppen, welche die anderen beiden Lebensmittelprodukte untersucht haben. Eigenschaft Indigotin- Lösung Back- und Speisefarbe Powerade Ice Pop Lolly Farbe nach Zugabe von Natriumdithionit Farbe nach dem Einleiten von Luft

5 Erläuterungen und Lösungen Lösungen (M 1) Zu 1.: Der Vergleich der Strukturformeln von Indigo und den Lebensmitteln zeigt, dass das Indigomolekül ungeladen ist, während alle Lebensmittelfarbstoffe hingegen als Ionen vorliegen. Das hat zur Folge, dass die Lebensmittelfarbstoffe gut in Wasser löslich sind, was ihren Einsatz in Lebensmitteln erleichtert. Lösung Forschungsauftrag: Ein Beispiel: In Powerade ist nicht Indigotin enthalten, sondern der Farbstoff Brillantblau (E 133). Während Indigotin im sauren Milieu blau und im alkalischen Milieu gelb ist, verhält es sich beim Powerade-Ansatz genau umgekehrt. Im Gegensatz zur Indigotin-Lösung lässt sich der Powerade-Ansatz nicht durch Zugabe von Natriumdithionit entfärben. Die mit dem Photometer bestimmten Absorptionsmaxima der beiden Proben sind unterschiedlich und der Vergleich mit den Literaturwerten zeigt, dass es sich bei dem blauen Farbstoff in Powerade um Brillantblau handelt. Erläuterung (M 2) Die Inhaltsangaben auf den Lebensmittelverpackungen sollten während der Versuchsdurchführung verdeckt sein. Zur Abschlussbesprechung hingegen dienen diese Herstellerangaben zum Vergleich mit den Versuchsergebnissen. Erläuterung (M 3) Patentblau V (E 131, in Back- und Speisefarbe) und Brillantblau (E 133, in Powerade und Zille s Fassbrause Waldbeergeschmack) gehören zur Stoffklasse der Triarylmethanfarbstoffe, der viele weitere Indikatorfarbstoffe angehören, für welche der Reaktionsmechanismus in der Literatur ausführlich beschrieben ist. Lösungen (M 3) Eigenschaft Indigotin- Lösung Back- und Speisefarbe Powerade Ice Pop Lolly Farbe bei ph 1 blau gelb farblos blau Farbe bei ph 14 gelb blau blau gelb Die Farbstoffe besitzen in extremen ph-wert-bereichen Säure-Base-Indikatorwirkung. Die Versuchsergebnisse lassen vermuten, dass es sich bei dem Farbstoff im Ice Pop Lolly um Indigotin handelt. Die beiden anderen Probenansätze weisen hingegen gegensätzliche Farbveränderungen im alkalischen bzw. sauren Milieu auf als Indigotin. Erläuterung (M 4) Die Reduktion von Indigotin (E 132, in Ice Pop Lollys) zu Leuko-Indigotin durch Reaktion mit Natriumdithionit mit anschließender Reoxidation durch Reaktion mit Luftsauerstoff erfolgt analog zur Reduktion von Indigo zu Leuko-Indigo in der Küpenfärbung.