Vergärbarkeit verschiedener Zuckerarten. Inhaltsverzeichnis

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1 Inhaltsverzeichnis 1. Kurzfassung 2. Theoretischer Teil 2.1. Hefe Aerobe Energieerzeugung Gärung (Anaerobe Energieerzeugung) Stoffbilanz von Atmung und Gärung 2.2. Zucker Die verwendeten Zuckerarten Saccharose Glucose Fructose Maltose Galactose Lactose Stärke 3. Ausarbeitung der Idee 3.1. Vorversuche 4. Der Versuch 4.1. Bedingungen und Material 4.2. Anleitung für den Versuch 4.3. Vor- und Nachteile 5. Ergebnisse 5.1. Kohlendioxidnachweis 5.2. Die Vergärbarkeit der Zucker Welchen Zucker verwertet Hefe am besten? Warum hat Hefe diese Zucker besonders gut verwertet? Warum hat Hefe einige Zucker gar nicht verwertet? Warum hat Hefe Glucose mit Vitaminen und Glucose von Dextropur schlechter verwertet als normale Glucose? 5.3. Optimierung der Zuckermenge` 5.4. Die kommenden Versuche 6. Danksagungen 7. Quellenverzeichnis 8. Abbildungsverzeichniss 9. Anhang 9.1. Genaue Ergebnisse zu Genaue Ergebnisse zu 5.3. Seite 2 von 17

2 1. Kurzfassung des Projekts In einem alkoholischen Gärversuch haben wir versucht, herauszufinden wie gut Hefe bestimmte Kohlenhydrate verwerten kann. Als Indikator für die Effizienz der Hefe haben wir die Menge des gebildeten Kohlendioxids genommen. In unserem Versuch führt die Hefe unter Sauerstoffmangel, in einer Reaktionsflasche, eine Gärreaktion durch. Das dabei entstehende Kohlendioxid strömt in einen über die Flasche gestülpten Ballon. Das gebildete Gas wird nach einer definierten Zeit gemessen, indem es aus dem Ballon in eine pneumatische Wanne, eine einfache Vorrichtung mit der man das Volumen eines Gases messen kann, strömt. Unter der Einhaltung gleich bleibender Versuchsbedingungen konnten wir feststellen, dass Backhefe Saccharose, Glucose und Fructose besonders gut verwertet, Maltose weniger gut und dass sie keine Enzyme zur Verwertung von Lactose und Stärke hat. Die Enzyme zur Verwertung von Galactose sind deaktiviert. Im weiteren Verlauf unserer Arbeit werden wir uns der Spaltbarkeit von Stärke, der Verwertung von Galactose, der Versuchsdauer, der Destillation des Ethanols und den Nährstoffen im Medium widmen. Seite 3 von 17

3 2. Theoretischer Teil 2.1. Hefe Hefen sind einzellige Pilze. Sie sind in der Natur praktisch allgegenwärtig, überall, wo es Zucker gibt, gibt es auch Hefen. Backhefe gehört meist der Art Saccharomyces cerevisiae an. Die meisten Hefen sind fakultativ anaerob, also nicht auf Sauerstoff angewiesen und können somit auf zwei Weisen Energie aus Kohlenhydraten herstellen, Aerob mit Sauerstoff (Zellatmung) und Anaerob ohne Sauerstoff (Gärung). Es gibt 700 entdeckte Hefearten, die verschiedene Kohlenhydrate verwerten können, allerdings wurde noch keine Hefeart entdeckt die alle bekannten Kohlenhydrate verwerten kann [1]. Abb.1 Hefe unter dem Mikroskop, ein Teilstrich=1µm [1] Aerobe Energieerzeugung Hefe nutzt normalerweise die aerobe Energieerzeugung, bei der sie Sauerstoff nutzt um Energie zu gewinnen. Außerdem kann sie sich nur bei dieser Art der Energieerzeugung gut vermehren, da nur hier genügend Zellsubstanz anfällt (Abb.3). Die Zucker werden dabei durch eine lange Reihe enzymatischer Umsetzungen (Glykolyse - Oxidative Decarboxylierung - Citratzyklus - Atmungskette) (Abb.2) unter Sauerstoffverbrauch vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert [2]. Die einfachste chemische Darstellung hierfür lautet: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O Gärung (Anaerobe Energieerzeugung) Auf diese Art der Energieerzeugung greift Hefe nur zurück, wenn ihr kein Sauerstoff zur Verfügung steht. Die Zucker werden durch enzymatische Umsetzungen (Glykolyse - Decarboxylierung) (Abb.2) zu niedermolekularen Stoffen (z. B. Ethanol) und Kohlendioxid umgewandelt (Abb.3) [2]. Die einfachste chemische Darstellung hierfür lautet: C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 [3] Da Ethanol ein Zellgift ist, tötet es bei einer Ethanolkonzentration von 14%-20% alle Hefe ab. Seite 4 von 17

4 Stoffbilanz von Atmung und Gärung Wie man in der Abbildung 2 sieht, beginnt die aerobe und die anaerobe Energieerzeugung mit dem Glucoseabbau (Glykolyse). Die Zelle muss also Enzyme enthalten um die Kohlenhydrate vorher, in eine für die Glykolyse verwertbare Form zu spalten. Die Zuckeroxidation unter aeroben Bedingungen liefert mehr Energie als die Vergärung. Deshalb sind die Massenzuwachse und die Zellteilung bei oxidativem Zuckerabbau sehr viel höher als bei der Gärung [2] (Abb.3). Wie aus der Stoffbilanz in der Abbildung 3 ersichtlich ist, entstehen aus 100 g Glucose anaerob nur 2 g Zellsubstanz, gegenüber 43 g aerob. Die Tatsache, dass bei der Gärung nur wenig Zellsubstanz entsteht, ist für unseren Versuch von Bedeutung, da nur Hefe, Zucker und Wasser für die Gärung benötigt werden. Das gebildete Kohlendioxid kann als indirekter Nachweis für das Vorhandensein der Enzyme angesehen werden. Aerob Glucose Anaerob Glucose Hefezelle Glykolyse CO 2 Ethanol Glykolyse, Decarboxylierung CO 2 Oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus, Atmungskette O 2 H 2 O Atmung Gärung Abb.2 Glucoseumsatz von Saccharomyces cerevisiae unter aeroben und anaeroben Bedingungen [4]. Seite 5 von 17

5 Aerob Anaerob 100 g Glucose + 47 g Sauerstoff 43 g Zellsubstanz 41 g Wasser 2 g Zellsubstanz 46 g Ethanol + 7 g Nebenprodukte 67 g Kohlendioxid 45 g Kohlendioxid Abb.3 Vergleich der Stoffbilanz von Atmung und Gärung von Saccharomyces cerevisiae [4] (Hierbei ist zu beachten das durch den zusätzlichen Sauerstoff der aeroben Energieerzeugung mehr Masse in die Reaktion kommt, somit sind, bezogen auf 100 %, bei jeder Art der Energieerzeugung 45 % der Stoffbilanz Kohlendioxid) 2.2. Zucker Zucker sind Kohlenhydrate. Zucker treten meist in Kristallform auf. Kohlenhydrate sind organische Verbindungen mit den Elementen Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff im Molekül [5]. Kohlenhydrate werden in folgende Kategorien eingeteilt [5] : Bezeichnung Monosaccharide (Einfachzucker) Struktur Bestehen aus nur einem Ring Können nicht in einfachere Kohlenhydrate zerlegt werden Beispiele Glucose Fructose Galactose Disaccharide (Zweifachzucker) Bestehen aus zwei miteinander verknüpften Ringen Können in zwei Monosacharide zerlegt werden Saccharose Lactose Maltose Polysaccharide (Vielfachzucker) Bestehen aus vielen miteinander verknüpften Ringen Können in einfachere Kohlenhydrate zerlegt werden Stärke Seite 6 von 17

6 Die verwendeten Zuckerarten Glucose Ein anderer Name für Glucose ist Traubenzucker. In der Natur kommt sie in fast allen Früchten und Pflanzen vor, wo sie als universale Energiequelle aktiv ist. Industriell wird sie aus der enzymatischen Spaltung von Stärke hergestellt. Sie ist mittelmäßig süß und wird vor allem als Vitaminpreperat verkauft. Ihre chemische Formel ist C 6 H 12 O 6 [7] Fructose Ein anderer Name für Fructose ist Fruchtzucker. In der Natur kommt sie in fast allen Früchten vor. Sie ist 20 % süßer als Saccharose, weshalb sie häufig als Süßungsmittel genommen wird. Ihre chemische Formel ist C 6 H 12 O 6 [8] Galactose Galactose kommt in Schleimhäuten und der Muttermilch vor. Galactose kommt nicht in Früchten vor, sondern ist nur Bestandteil von Lebewesen. Ihre chemische Formel ist C 6 H 12 O 6 [10] Saccharose Saccharose ist der normale Haushaltszucker. Sie besteht aus Glucose und Fructose. Sie kommt in der Natur vor allem in Zuckerrohr und Rüben vor. Saccharose ist mittelmäßig süß. Ihre chemische Formel ist C 12 H 22 O 11 [6] Lactose Ein anderer Name für Lactose ist Milchzucker. Sie besteht aus Galactose und Glucose. Sie kommt in allen Arten von Milch vor und wird aus Molke gewonnen. Ihre chemische Formel ist C 12 H 22 O 11 [11] Maltose Ein anderer Name für Maltose ist Malzzucker. Sie besteht aus zwei Glucosemolekülen. In der Natur kommt sie vor allem in Malz, also keimendem Getreide, vor. Sie ist halb so süß wie Saccharose. Ihre chemische Formel ist C 12 H 22 O 11 [9] Stärke Stärke kommt in fast allen Pflanzen und in den meisten Früchten, als Energiespeicher, vor. Sie besteht aus mehreren Glucosemolekülen. Stärke ist das wichtigste Kohlenhydrat für fast alle Menschen. Ihre chemische Formel ist (C 6 H 10 O 5 ) n [12]. Seite 7 von 17

7 3. Ausarbeitung der Idee Wir haben uns bei unseren Forschungen auf die Gärung konzentriert, da hier kaum Zellsubstanz gebildet wird, deshalb ist kein aufwendiges Medium nötig und das gebildete Kohlendioxid kann als Indikator für die Zuckerverwertung angesehen werden. Wir haben eine Methode gesucht mit der man die Menge an Kohlendioxid, die Hefe produziert, messen kann. Dazu haben wir mit einer pneumatischen Wanne (Abb.4) experimentiert. Sie besteht aus einer Wanne und einem Kolben, die mit Wasser gefüllt sind. Danach haben wir die Bedingungen bei denen die Hefe arbeitet verändert, zum Beispiel indem wir die Art des Zuckers verändert haben. Die Ergebnisse die wir aus diesen Versuchen gewonnen haben, haben wir graphisch dargestellt und versucht Erklärungen dafür zu finden. Abb.4 Eine pneumatische Wanne [13] Die alkoholische Gärung wird stark durch die Temperatur beeinflusst. Kühlere Gärungen erbringen grundsätzlich höhere Ethanol- und Kohlendioxidgehalte [14].Die optimale Temperatur für die alkoholische Gärung ist ungefähr Raumtemperatur (18-20 C). In unserem Experiment nutzten wir die Temperaturregulierung des Raumes (20 C +/- 1 C) Vorversuche Bevor wir den im nächsten Kapitel beschriebenen Versuch gefunden haben, haben wir lange mit anderen Versuchen experimentiert. Einer dieser Versuche war eine pneumatische Wanne die über einen Schlauch mit einem abgedichteten Reagenzglas mit seitlichem Ansatzrohr verbunden war (Abb.5). In dem Reagenzglas befand sich eine Hefe-Zucker Lösung, über den Schlauch strömte das Kohlendioxid in den Kolben der pneumatischen Wanne und man konnte es ablesen. Dieser Versuch hatte jedoch drei Nachteile: 1. Das Reagenzglas war nicht Luftdicht, infolge dessen lief Wasser aus dem Messkolben der pneumatischen Wanne aus. 2. Im Schlauch konnte sich das Kohlendioxid sammeln und zu Verlusten bei der Messung führen. 3. Mit einem Volumen von 70 ml, hatte sich das Reagenzglas als viel zu klein erwiesen. Seite 8 von 17

8 Abb.5 Einer der Aufbauten in den Vorversuchen (10 g Zucker, 70 ml Wasser, 1 g Hefe) 4. Der Versuch 4.1. Bedingungen und Material Flasche: 500 ml Flasche von Saskia Ballon: C. Riethmüller GmbH, Ballons rund Standkolben: 250 ml, 40 mm Durchmesser Temperatur: Raumtemperatur (ca. 20 C +/- 1C ) Hefe: 1 Packung Dr. Oetker Backhefe (ca. 7 g) Wasser: 400 ml Leitungswasser aus Worms-Pfiffligheim Zeit: 24 h ( +/- 1 h) Zucker: 120 g, siehe Tabelle unten Hier die verwendeten Zuckerarten kurz im überblick: Zuckerart Beschreibung Chemische Formel Bezugsquelle Glucose Monosaccharid C 6 H 12 O 6 Laborzucker (rein); Dextropur Traubenzucker, Apotheke; Glucose mit Vitaminen, Supermarkt Fructose Monosaccharid C 6 H 12 O 6 Südzucker, Supermarkt Galactose Monosaccharid C 6 H 12 O 6 Laborzucker Saccharose Maltose Lactose Stärke Disaccharid (Glucose + Fructose) C 12 H 22 O 11 Südzucker, Supermarkt Disaccharid C 12 H 22 O 11 Laborzucker (Glucose + Glucose) Disaccharid C 12 H 22 O 11 Laborzucker (Galactose + Glucose) Polysaccharid (C 6 H 10 O 5 ) n Supermarkt (Glucose) n Seite 9 von 17

9 4.2. Anleitung für den Versuch Im Versuch leiten wir das Kohlendioxid in einen Ballon der über eine Flasche, in der die Reaktion abläuft, gestülpt ist. Nach einer Zeit von 24 h nehmen wir den Ballon ab, achten dabei besonders darauf, dass kein Kohlendioxid austritt, und leiten das Gas in eine pneumatische Wanne. Dabei muss besonders darauf geachtet werden, dass alle Bedingungen, wie im Kapitel 4.1. beschrieben, eingehalten werden. Während unserer Recherche haben wir im Internet folgendes Rezept gefunden (youtube: und damit unseren Versuch durchgeführt: Für 400 ml Wasser: 120 g eines Zuckers (+/- 2 g) 1 Packung Hefe (7 g) Hefe unterliegt, da es ein organisches Material ist, natürlichen Schwankungen in ihrer Effizienz. Zwischen Versuchen mit denselben Voraussetzungen können Schwankungen von bis zu 100 ml auftreten. Seite 10 von 17

10 Vergärbarkeit verschiedener Zuckerarten Dies ist die genaue Anleitung für den Versuch: Bild Versuchdurchführung Seite 11 von 17 Material Hefe, Zucker und Medium abwiegen und mischen Gut vermengen Hefe Zucker Medium Gefäß zum Vermengen Gemisch in Flasche füllen Ballon überstülpen Stehen lassen (24 h) Gemisch aus vorherigem Schritt Flasche Ballon Standkolben bis zum Überlauf mit Wasser füllen Mit Papier das Auslaufen von Wasser verhindern In Wasserwanne legen und befestigen Den Ballon in die Wanne legen und dann das Kohlendioxid in den Kolben strömen lassen Sollte der Kolben leer sein, der Ballon aber noch voll, denn Kolben noch mal mit Wasser füllen Kohlendioxid abmessen Standkolben voll mit Wasser Wasserwanne Ballon, voll mit Kohlendioxid Versuchsaufbau aus vorherigem Schritt

11 4.3. Vor- und Nachteile Vorteile Nur geringe Gasverluste In der pneumatischen Wanne hat das Kohlendioxid, durch das schnelle umfüllen, keine Zeit sich mit dem Wasser zu Kohlensäure zu verbinden Man kann in mehreren Flaschen gleichzeitig einen Versuch laufen lassen und sie an einem Tag, mit den selben Mitteln auswerten In die Flasche passen bis zu 500 ml, in ein normales Reagenzglas nur 100 ml Nachteile Wenn man den Ballon beim Umfüllen nicht richtig hält, entweicht Kohlendioxid Beim Umdrehen des Kolbens kommt immer etwas (< 10 ml) Luft im Kolben Die Spannkraft des Ballons ist von Marke zu Marke unterschiedlich 5. Ergebnisse 5.1. Kohlendioxidnachweis Wir haben sowohl mit Kalkwasser, als auch mit einem Kerzenversuch bewiesen, dass das Gas, was wir messen, wirklich Kohlendioxid ist. Bei einem Kalkwasserversuch wird das Gas über einen Schlauch in ein Gefäß mit Kalkwasser (2 g Calciumhydroxid in 100 ml Wasser gelöst) geleitet, wenn das Gas Kohlendioxid ist, wird aus dem Kalkwasser Kalk, dieser trübt das Kalkwasser. Bei einem Kerzenversuch wird das Gas in einen Behälter in dem sich eine Kerze befindet geleitet, sollte die Kerze ausgehen, ist das Gas Kohlendioxid Die Vergärbarkeit der Zucker Wir haben herausgefunden das Hefe Enzyme zur Verwertung von Saccharose, Glucose, Fructose und Maltose hat. Galactose, Lactose und Stärke kann sie nicht verwerten. Dieses Ergebnis stimmt mit den meisten literarischen Quellen überein. Das Diagramm unten zeigt die genauen Ergebnisse, die wir aus den Versuchen mit den einzelnen Zuckern bekommen haben (nur Durchschnittswerte, auf 50 ml gerundet). Natürlich stellen sich bei der Betrachtung dieses Diagramms auch einige Fragen, diese versuchen wir in den nächsten Kapiteln ( ) zu beantworten. Seite 12 von 17

12 CO2 Volumen in ml Saccharose Glucose Laborzucker Fructose Maltose Glucose Dextropur Glucose mit Vitaminen Galactose Lactose Stärke Die genauen Versuchsbedingungen finden Sie im Anhang unter Welchen Zucker verwertet Hefe am besten? Obwohl Hefe Saccharose am besten verwertet, verwertet sie Fructose und reine Glucose ebenso gut. Der Abstand zwischen den beiden besten Zuckern beträgt nur 50 ml. Das ist sehr wenig, da die Versuchsungenauigkeit 100 ml beträgt. Somit kann man sagen, dass Hefe Saccharose, Fructose und Glucose gleich gut verwertet Warum hat Hefe diese Zucker besonders gut verwertet? Glucose kann Hefe direkt in die Glykolyse einschleusen. Fructose kann sie ähnlich gut in die Glykolyse einschleusen. Saccharose kann sie, durch ihre Enzyme, in Glucose und Fructose aufspalten. Maltose kann sie am besten bei ph 5 bis 4,5 vergären, da hier die Enzyme am besten Arbeiten [15]. Vermutlich ist das der Grund warum Maltose geringfügig schlechter im Versuch ausgefallen ist. Hefe hat aber Enzyme zur Verwertung von Maltose Warum hat Hefe einige Zucker gar nicht verwertet? Lactose kann Hefe nicht in Galactose und Glucose spalten. Das ist gut damit erklärbar, dass Lactose Milchzucker ist, auf dessen Umsetzung haben sich Milchsäurebakterien spezialisiert. Überrascht haben uns die Ergebnisse der Galactose, da in Wikipedia Galactose als verwertbar beschrieben wird, sich in unserem Versuch aber nicht verwerten lässt. Nach einigem nachforschen stießen wir auf einen Artikel [16] in dem beschrieben wurde, dass Hefe Gene für die Verwertung von Galactose besitz, diese ruhen aber, weshalb man sie erst aktivieren muss. Das wollen wir in den kommenden Versuchen überprüfen. Eine noch größere Überraschung war das Ergebnis der Stärke, da jeder weis, dass aus Weizen, Gerste, etc. Schnaps und andere alkoholische Getränke hergestellt werden. Auch hier fanden wir einen hilfreichen Artikel [17], in dem beschrieben wurde, dass Hefe tatsächlich keine Enzyme zur Spaltung von Stärke hat, aber durch das Enzym Amylase, das Gerste Seite 13 von 17

13 enthält, kann die Stärke in Maltose aufgespaltet werden. Dazu werden die Samen zum keimen gebracht und zu Maische verarbeitet. Industriell kann Stärke auch unter zufuhr von Wärme zu Glucose aufgespaltet werden. Auch dies wollen wir in den kommenden Versuchen nachweisen Warum hat Hefe Glucose mit Vitaminen und Glucose von Dextropur schlechter verwertet als normale Glucose? Wie aus dem Versuch ersichtlich, hat Hefe Glucose mit Vitaminen und von Dextropur schlechter verwertet als normale Glucose. Das können wir uns wie folgt erklären: Die Vitamine wirken hemmend auf die Enzyme der Hefezelle. Glucose wird industriell durch die Spaltung von Stärke gewonnen. Es könnte sein, dass nicht alle Stärkemoleküle zu Glucose umgesetzt wurden Optimierung der Zuckermenge Wir haben uns die Frage gestellt, ob sich die Zuckermenge von 120 g, was schon sehr viel ist, verkleinern lässt. Und mussten feststellen, dass sie sich bis zu 30 g mit nur minimalen Verlusten senken lässt, somit haben wir mit großem Zuckerüberschuss gearbeitet. Dies hat keine Auswirkung auf die Richtigkeit unserer Ergebnisse. Dieses Diagramm zeigt unsere Ergebnisse: CO2 Volumen in ml Menge an Saccharose in g Die genauen Versuchsbedingungen finden sie im Anhang unter 9.2. Seite 14 von Die kommenden Versuche Nachdem wir im Internet einige Recherchen durchgeführt haben, sind uns auch sehr viele Ideen gekommen, was wir zusätzlich mit dem Versuch erforschen können. Hier sind die wichtigsten dieser Ideen, die wir noch bis zum Jugend forscht Wettbewerb bearbeiten wollen: Wie im Kapitel beschrieben die Spaltbarkeit von Stärke und die Verwertung von Galactose Ethanol destillieren Die Zeit verlängern Ein anderes Medium als Wasser

14 6. Danksagungen Wir danken unseren Eltern, dass sie uns tatkräftig und vor allem finanziell unterstützt haben. Außerdem danken wir unserer Jugend forscht Betreuerin Frau Annette Modl-Chalwatzis für ihre Unterstützung und dem Gauß-Gymnasium Worms dafür, dass es uns Material und Proben der Zucker bereitgestellt hat. Seite 15 von 17

15 7. Quellenverzeichnis [1] [2] [3] [4] Mikrobiologie, Wolfgang Fritsche, Spektrum Verlag [5] Chemie Duden, Brockhaus [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] erimentalanleitung.htm [17] 8. Abbildungsverzeichnis Abb.1 Hefe unter dem Mikroskop [1] Abb.2 Glucoseumsatz von Saccharomyces cerevisiae unter aeroben und anaeroben Bedingungen [4] Abb.3 Vergleich der Stoffbilanz von Atmung und Gärung von Saccharomyces cerevisiae [4] Abb.4 Eine pneumatische Wanne [13] Abb.5 Einer der Aufbauten in den Vorversuchen Seite 16 von 17

16 9. Anhang 9.1. Genaue Ergebnisse zu Genaue Ergebnisse zu 5.3. Seite 17 von 17

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