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Ein Projekt des Online Projekt Labor TU Berlin
Süßes Chaos: SORBIT, STEVIA, XYLIT UND CO.
Überblick im Zuckerersatzstoffurwald
Skript über Zuckeraustauschstoffe
und experimentelle Versuche
Von Karina Götz und Julia Grüneberg
2
Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort............................................................................................................................5
2 Überblick über verschiedene Zuckerersatzstoffe……………………………………….7 .
3 Ein paar Vertreter in Nahaufnahme……………………………………………………..8
4 Der Kandidat, dem Süßstoff und Co. den Rang ablaufen wollen – Saccharose……....12…………
5 Süßkraft...........................................................................................................................13
6 Brennwertbestimmung mittels Bombenkalorimeter
6.1 Vorwort…………………………………………………………………………….......14
6.2 Theoretische Grundlagen……………………………………………………………....15
6.3 Relevante Formeln……………………………………………………………………..16
6.4 Apparaturbeschreibung und Versuchsdurchführung…………………………………..17
6.5 Messwerte und Auswertung……………………………………………………….......18
6.6 Diskussion und Fehlerbetrachtung……………………………………………………..33
6.7 Zusammenfassung………………………………………………………………….......36
7 Einfluss von Zuckerersatzstoffen auf E. coli Bakterien
7.1 Vorwort…………………………………………………………………………….......37
7.2 Theoretische Grundlagen……………………………………………………………....38
7.3 Relevante Formeln……………………………………………………………………..39
7.4 Apparaturbeschreibung und Versuchsdurchführung…………………………………..40
7.5 Messwerte und Auswertung……………………………………………………….......42
7.6 Diskussion und Fehlerbetrachtung…………………………………………………….50
7.7 Zusammenfassung……………………………………………………………………...51
8 Stevia qualitativ aus der Pflanze extrahieren
8.1 Vorwort………………………………………………………………………………...52
8.2 Theoretische Grundlagen………………………………………………………………53
8.3 Apparaturbeschreibung und Versuchsdurchführung…………………………………..54
8.4 Auswertung……………………………………………………………………………56
8.5 Diskussion und Fehlerbetrachtung…………………………………………………….57
8.6 Zusammenfassung……………………………………………………………………..58
3
9 Dünnschichtchromatographie
9.1 Vorwort………………………………………………………………………………….59
9.2 Theoretische Grundlagen………………………………………………………………..60
9.3 Relevante Formeln………………………………………………………………………61
9.4 Apparaturbeschreibung und Versuchsdurchführung……………………………………62
9.5 Auswertung………………………………………………………………………….......63
9.6 Diskussion und Fehlerbetrachtung………………………………………………………66
9.7 Zusammenfassung……………………………………………………………………….67
10 Zusammentragung der gewonnen Erkenntnisse…………………………………………68
11 Ausblick und abschließende Worte………………………………………………….......69
12 Quellenangabe……………………………………………………………………….......70
Tabellen- und Abbildungsverzeichnis
Tabelle 5.1: Süßkraft der Zuckerersatzstoffe im Vergleich zu Saccharose……………………13
Tabelle 6.1: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (A)………………………………….18
Tabelle 6.2: Temperatur-Zeit-Verlauf von Xylitol…………………………………………….19
Tabelle 6.3: Temperatur-Zeit-Verlauf von Fructose…………………………………………..20
Tabelle 6.4: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (B)………………………………….21
Tabelle 6.5: Temperatur-Zeit-Verlauf von Sorbit……………………………………………..22
Tabelle 6.6: Temperatur-Zeit-Verlauf von Stevia……………………………………………..23
Tabelle 6.7: Temperatur-Zeit-Verlauf von Cyclamat………………………………………….24
Tabelle 6.8: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (C)…………………………………..25
Tabelle 6.9: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (D)…………………………………..26
Tabelle 6.10: Temperatur-Zeit-Verlauf von Saccharose……………………………………….27
Tabelle 6.11: Temperatur-Zeit-Verlauf von Erythritol…………………………………………28
Tabelle 6.12: Temperaturerhöhung durch die jeweiligen Verbrennungen……………………..29
Tabelle 6.13: Stoffmengen der verwendeten Substanzen…………………………………........30
Tabelle 6.14: Gegenüberstellung von experimentellen Werten und Inhaltsangaben…………..33
Tabelle 7.1: einzuwiegende Massen……………………………………………………………42
Tabelle 7.2: Messwerte für Glucose……………………………………………………………43
Tabelle 7.3: Messwerte für Stevia……………………………………………………………...44
Tabelle 7.4: Messwerte für Saccharose………………………………………………………...45
Tabelle 7.5: Messwerte für Fructose…………………………………………………………...46
Tabelle 7.6: Messwerte für Xylitol…………………………………………………………….47
4
Tabelle 7.7: Messwerte für Cyclamat…………………………………………………………...48
Abbildung 2.1: Übersicht der Zuckerersatzstoffe………………………………………………..7
Abbildung 6.1: Aufbau einer kalorimetrischen Bombe…………………………………………17
Abbildung 6.2: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (A) ……………………….............18
Abbildung 6.3: Temperatur-Zeit-Verlauf von Xylitol………………………………….............19
Abbildung 6.4: Temperatur-Zeit-Verlauf von Fructose………………………………………...20
Abbildung 6.5: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (B) ……………………………….21
Abbildung 6.6: Temperatur-Zeit-Verlauf von Sorbit…………………………………………...22
Abbildung 6.7: Temperatur-Zeit-Verlauf von Stevia…………………………………………...23
Abbildung 6.8: Temperatur-Zeit-Verlauf von Cyclamat………………………………………..24
Abbildung 6.9: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (C) ………………………………..25
Abbildung 6.10: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (D) ………………………............26
Abbildung 6.11: Temperatur-Zeit-Verlauf von Saccharose……………………………………..27
Abbildung 6.12: Temperatur-Zeit-Verlauf von Erythritol………………………………............28
Abbildung 7.1: Transmissionsmessgerät………………………………………………………..40
Abbildung 7.2: Bakterienaufbewahrung während der Wachstums- und Vermehrungsphase…..41
Abbildung 7.3: Zeit-Extinktion-Verlauf für Glucose…………………………………………...43
Abbildung 7.4: Zeit-Extinktion-Verlauf für Stevia……………………………………………..44
Abbildung 7.5: Zeit-Extinktion-Verlauf für Saccharose………………………………………..45
Abbildung 7.6: Zeit-Extinktion-Verlauf für Fructose…………………………………………..46
Abbildung 7.7: Zeit-Extinktion-Verlauf für Xylitol……………………………………………47
Abbildung 7.8: Zeit-Extinktion-Verlauf für Cyclamat…………………………………………48
Abbildung 7.9: Wachstumskurven im Vergleich……………………………………………….50
Abbildung 8.1: Aufbau einer Soxhlet- und einer Destillationsapparatur……………………….54
Abbildung 9.1: Versuchsaufbau zur Dünnschichtchromatographie…………………………....62
Abbildung 9.2: Aufbau eines Chromatogramms……………………………………………….63
Abbildung 9.3: Chromatogramm unter Tageslicht und mit UV-Bestrahlung………………….64
5
1 Vorwort
Als Studierende im naturwissenschaftlichen Bereich liegt es nahe, auch mal einen Blick hinter
die Kulissen unserer Welt zu schauen. Mit der Entscheidung unser Studium im Bereich Chemie
zu absolvieren wurde natürlich der chemische Aspekt für uns am interessantesten. Die
Technische Universität Berlin, an der wir studieren, bietet vieles, um die Studenten darin zu
unterstützen. Zu Beginn des 2. Semesters sind wir dann auf ein noch junges Modul gestoßen,
welches von der Fachschaft Chemie als studentisches „Online-Projekt-Labor“ – kurz OPL –
angeboten wird. Mit dem Slogan: „Chemie im Alltag“ war unsere Neugierde sofort geweckt.
In einer Vorsprache wurde der Inhalt des Moduls dargelegt. Ziel soll es sein, Chemie in der
Umgebung mittels Experimenten und eigenständigem Forschen zu entdecken und anschließend
die Ergebnisse und gewonnen Erkenntnisse mittels Skript und Anschauungsmaterial (wie z.B.
Videos) für nachfolgende Studiengenerationen auf einem Blog (in unserem Fall
zuckertuete.wordpress.com) bereitzustellen.
Ein solches Prinzip verfolgt auch das Studienreformprojekt „educationZEN“, welches ebenfalls
der Ursprung dieses Projekts ist.
Der Kernpunkt des OPL liegt im Abbau der Grenzen zwischen Hörsaal und Labor und dem
Fördern von eigenständigem Forschen. Durch die Unterstützung von Tutoren werden geeignete
Laborversuche erarbeitet und gemeinsam an der Lösung der dazugehörigen Fragestellung
gearbeitet, sodass am Ende ein Skript entsteht, welches die Theorie hinter dem Versuch, dessen
Beschreibung, sowie die dazugehörige Auswertung und Fehlerdiskussion miteinander verknüpft.
Nach kurzer, gemeinsamer Absprache entschieden wir, Karina und Julia, dass wir uns mit der
Zuckerersatzstoffproblematik beschäftigen wollten.
Nach dem Einfinden in die Thematik stießen wir auf viele Probleme und ungeklärte Fragen.
Sind Zuckeraustauschstoffe das Gleiche wie Zuckerersatzstoffe? Ist es möglich, das im Handel
relativ preisintensive Stevia aus der Pflanze zu extrahieren und wenn ja, welchen Lösemittels
bedient man sich dabei?
Neben dem Thema „0 kcal – organische Stoffe ohne Brennwert?!“, versuchten wir anhand einer
geeigneten Extraktion herauszufinden, wie der hohe Preis des Stevias zu Stande kommt.
Ein weiterer großer Punkt auf unserer Liste waren die gesundheitlichen Bedenken.
Mit dem Wandel der Zeit ändern sich auch die Essgewohnheiten der Menschen.
Immer schneller und kürzer, aber dennoch gesünder heißt die Devise. Dass Letzteres nicht immer
so umsetzbar ist zeigen die neusten Studien.
6
Laut dem Spiegel sei „weltweit fast einer von drei Menschen übergewichtig“, Tendenz steigend.
Auf den Wunsch des Menschen nach Gesundheit und Fitness reagiert die Ernährungsindustrie
mit einer völligen Überflutung von Schlank- und Gesundmachern. Überfordert mit diesem
riesigen Angebot an neuer Ware verliert der Durchschnittsbürger aufgrund seines Zeitdrucks oft
den Überblick über die Wirkung und gar Schädigung mancher Produkte.
Aus dem Übergewichtsproblem resultieren jedoch häufig auch andere gesundheitliche Probleme
und Krankheiten. Den Spitzenplatz in Deutschland führt dabei klar die Krankheit Diabetes
Mellitus Typ 2 , besser bekannt als Zuckerkrankheit, an, denn Adipositas (Fettleibigkeit) spielt
einen wesentlichen Risikofaktor hierfür. Um den Insulinspiegel bei Zuckerkranken konstant zu
halten und den Kalorienverbrauch bei übergewichtigen Menschen zu verringern, werden häufig
Ersatzprodukte für handelsüblichen Zucker verwendet. Alleine im Supermarkt findet man ein
Dutzend verschiedener Produkte, doch wie weiß man da, was für einen das Beste ist?!?
Deshalb stellte sich auch die Frage nach der Verträglichkeit, welche wir anhand eines
Experiments mit den Darmbakterien E. coli klären wollten.
All diese Thematiken mit den dazugehörigen Problematiken und Fragestellungen finden sich in
dem nachfolgenden Skript aufgegriffen und behandelt.
Für weitere Informationen lohnt sich ein Blick auf unseren dazugehörigen Blog
zuckertuete.wordpress.com.
7
2 Überblick über verschiedene Zuckerersatzstoffe
Um den Haushaltszucker Saccharose durch andere süßende Stoffe zu ersetzen, verwendet man
neben natürlichen Süßungsmitteln wie Honig und Ahornsirup auch sogenannte
Zuckerersatzstoffe, welche im Gegensatz dazu relativ geschmacksneutral sind.
Diese lassen sich in Süßstoffe und Zuckeraustauschstoffe unterteilen. Bei letzterem wird
zwischen Zuckeralkoholen und dem Stoff Fructose unterschieden. Während
Zuckeraustauschstoffe über weniger Kalorien als Zucker verfügen und einer ähnlichen Masse
entsprechen, weisen Süßstoffe keine Kalorien auf und besitzen im Vergleich zu Zucker, auf die
gleiche Süßkraft gerechnet, praktisch kein Gewicht, da die Süßkraft pro Gramm viel höher ist.
Dies bedeutet jedoch auch, dass bei dessen Einsatz (z.B. beim Backen) die „fehlende Masse“ ,im
Vergleich zum Einsatz von Zucker, ersetzt werden müsste, da sonst der Teig zu flüssig wäre.
In Supermarkt bestehen viele Produkte aus einer Kombination von Zuckeraustausch- und
Süßstoffen ( z.B. Sorbit und Saccharin)
Abbildung 2.1: Übersicht der Zuckerersatzstoffe
8
3 Ein paar Vertreter in Nahaufnahme
� Aspartam (C14H18N2O5)
• synthetische hergestellter Süßstoff (E951); Methylester des
Dipeptids L-Aspartyl-L-phenylalanin
• laut EU maximale Dosis am Tag: 40 mg pro kg Körpergewicht
• 200 mal höhere Süßkraft als Zucker, aber begrenzt haltbar
• nach vielen Forschungen seit 1990 in Deutschland freigegeben
• industriell meistverwendete Süßstoff trotz teurer enzymatischer Herstellung
• verlieren Süßkraft bei großer Hitze (> 150°) und bei Säuren
• in Backwaren, Kaugummis, Milchprodukten, Süßwaren, Fertigprodukten, Softdrinks,..
� Deklaration als „light“, „Diät-..“ und zuckerfrei
• im Körper: Zerfall in Phenylalanin (gefährlich bei Phenylketonurie), Asparaginsäure
(Nervengift: Gedächtnisverlust, Parkinson, Epilepsie..) und Methanol
� große Bedenken in der Bevölkerung, oft diskutierter Zusammenhang zwischen dem
Verzehr von Aspartam und der Entstehung von Krebserkrankungen, aber Schäden
durch Studien nicht bewiesen
� Saccharin (C7H5NO3S)
• ältester synthetischer Süßstoff (E954)
• Tagesdosis max. 5 mg pro kg Körpergewicht
• 300-700 mal süßer aber metallischer Beigeschmack
� Kombination mit anderen Süßstoffen
• reaktionsträge, hitze-, gefrier-& säurebeständig, lange haltbar
• billigere Herstellung aber schlechtere Handhabung als Haushaltszucker
• Herstellung meist aus Toluol nach Remson-Fahlberg-Verfahren
• in Konserven, Fleisch- und Milchprodukten, Suppen, Snacks, Tafelsüße, Mischgetränke,
Fruchtbonbons, pharmazeutische Produkte
• mögliche Nebenwirkungen in höheren Konzentrationen: Hungergefühl und
Insulinschwankungen
• unbedenklicher Süßstoff, aber bei Versuchen an Ratten häufig Blasenkrebs
9
� Cyclamat (C6H12NNaO3S)
• in den USA verbotener synthetischer Süßstoff
• Natriumsalz der Cyclohexylsulfaminsäure
• 35 mal süßer, aber geringste Süßkraft im vgl. zu anderen Süßstoffen
� Kombination mit anderen Süßstoffen
• ADI-Wert (acceptable daily intake): 7 mg pro kg Körpergewicht
• Zulassung in Deutschland seit 1963
• in den USA verboten
� LD50-Wert (letale Dosis für 50 % der betrachteten Population):
17 mg/kg Körpergewicht der Ratten
• hitzebeständig und Zucker naher Geschmack
• Desserts, Brotaufstriche, Marmelade, Gelees, Obstkonserven,
Nahrungsergänzungsmittel
� Xylitol / Xylit (C 5H12O5)
• Zuckeralkohol Pentanpentol; Trivialname Birkenzucker (E967)
• < 0,5 g pro kg sonst abführende Wirkung
• hitzebeständig (> 230°, Karamellisierung) und stark wasserziehend
• nur halbe Zuckersüßkraft aber 40 % weniger Kalorien
• Zucker naher Geschmack mit Kühleffekt (vgl. Menthol)
• enthalten in vielen Frucht- und Gemüsesorten, Rinde und im menschlichen Körper
• in unbegrenzter Menge in Desserts, Milchprodukten, Eiscremes, Backwaren, Soßen,
Nahrungsergänzungsmittel, Kaugummis, Zahnpasta
• industrielle Herstellung durch chem. Modifikation von Holzgummi (Xylan) oder
Gewinnung aus abgeernteten Maiskolben � beides teuer und zeitaufwendig
• für Menschen ungefährlich, für Tiere hingegen sehr toxisch
10
� Sorbitol/Sorbit (C6H14O6)
• Alditol (Zuckeralkohol), Zuckeraustauschstoff (E420) besonders für Diabetiker geeignet
da Verstoffwechselung insulinunabhängig
• nur halb so süß wie Saccharose aber 35 % weniger Kalorien
• hitze- und säurestabil, wasserlöslich und hygroskopisch
� schützt Lebensmittel vor Austrocknung
• zuckerähnlicher, leicht kühlender Geschmack
• ursprüngliche Herstellung aus sorbithaltigen Kernobst
( v.a. Vogelbeeren)
• industriell aus katalytischer oder elektrochemischer Hydrierung:
aus Weizen-/Maisstärke über Glukose zu Sorbitol
• in Zahnpasta, Pralinenfüllungen, Senf, Mayonnaise, Kuchen, Brot, Kosmetika,
Kaugummi, Lutschpastillen
• Höchstmengen in Deutschland nicht festgelegt
• kein Verzehr bei Sorbit- und Fruktoseintoleranz (Umwandlung von Sorbit im Körper zu
Fruktose
� Stevia/Steviosid
• aus trockenen Blättern des „Süßkrauts“ werden die zu 10 % enthaltenen verschiedene
Steviolglycoside (E960) extrahiert; Ertrag abhängig von Sorte und Anbau
• 450 fache Süßkraft im Vgl. zu Saccharose
• lackritzähnlicher, stark süßer aber bitterlicher
Eigengeschmack
�Behandlung mit Enzymen gegen Bitterkeit
• zugelassen seit Dezember 2011
(kein Beleg für Genotoxizität und Kanzerogenität)
• in sehr teuren Produkte als Kapseln, Pulver, Tabletten und alkoholischen oder
wässrigen Lösungen � Vorgabe: mindestens 95 % Stevioglycosidgehalt
• enthalten in Tees, Badezusätzen, Zahnpasta, Softdrinks, Kosmetika
• Höchstmenge: maximal 30 % des Zuckers ersetzen
• gefäßerweiternde und blutdrucksenkende Wirkung aber Steviol sehr mutagen
� siehe Experiment: Stevia qualitativ aus der Pflanze extrahieren
11
� Fructose (C6H1206)
• Monosaccharid; v.a. in Kernobst, Beeren und Honig
• mit Glucose als Zweifachzucker gebunden = Saccharose
• leicht wasserlöslich und hygroskopisch
• 20% höhere Süßkraft aber gleiche Kalorien wie Zucker
• Insulinunabhängiger Abbau (≠ Glucose)
• Konkurrent für andere Zuckeraustauschstoffe da Herstellung und Transport sehr günstig
� Gewinnung aus staatlich subventionierten Mais (USA), keine Verzollung
• wird langsamer resorbiert als Glucose � langsamer Blutzuckeranstieg (keine
Essattacken)
• Bevölkerungsleiden: Fructoseintoleranz (kein Fructoseabbau)
• laut Staat und Studien ungeeignet für Diabetiker: schnellere Umwandlung von Fructose in
Körperfett und Stimulierung der Fettsynthese, geringes Sättigungsgefühl
� Fettleibigkeit, Gicht
12
4 Der Kandidat, dem Süßstoff und Co. den Rang ablaufen wollen – Saccharose
Der Haushaltszucker Saccharose (C12H22O11) findet sich in jedem Küchenregal. Egal ob für
Kuchen, zum Verfeinern von Dressings und leckerer Süßspeisen oder als Hausmittelchen. Der
Zucker ist ein Allrounder auch außerhalb der Küche. Doch Stevia, Sorbit, Saccharin und Co.
warten nur darauf, die Schwächen des Normalzuckers zu nutzen und sich als neuer Star in der
Süßmittelbranche zu präsentieren.
Doch was ist eigentlich diese Saccharose? Hier eine Zusammenfassung.
Das Disaccharid besteht aus einer α-D-Glucose und einer β-D-Fructose, verbunden über eine
glycosidische Bindung. Es ist zu großen Teilen in Zuckerrohr, Zuckerrübe, Zuckerpalme und
Zuckerahorn enthalten. Mittels Photosynthese stellen die Pflanzen ihren Zucker selbst her und
nutzen ihn als Transportzucker. Chemische Eigenschaften sind gute Wasserlöslichkeit,
Hitzestabilität (>185°C Karamell) und ein hoher Brennwert von 16,8 kJ (4kcal) pro Gramm.
Aufgrund des hohen Energiegehalts gibt WHO eine maximale Aufnahmemenge von 10% an der
Gesamtenergieaufnahme vor. Folgen des übermäßigen Gebrauchs sind Karies, Übergewicht und
Herzinfarkt, um nur einige zu nennen. Bei der Herstellung aus Zuckerrüben werden diese
gehäckselt und in einen Extraktionsturm mit heißen Wasser gegeben. Die Nichtzuckerstoffe
werden durch die Zugabe von Kalk und Kohlensäure gebunden und durch abfiltrieren
(Düngemittel) von dem hellgelben Dünnsaft (16% Saccharose) getrennt. Durch Verdampfung
entsteht der braune, zähflüssige Dicksaft mit 75% Zuckergehalt. Indem man einen starken
Unterdruck erzeugt kann das Wasser schon bei 70°C verdampfen.
Der Saft wird solang eingedickt bis die Konzentration so groß ist, dass man mithilfe von
Impfkristallen Kristalle bis zu einer gewünschten Größe ziehen kann. Diese werden
anschließend durch eine Zentrifuge von dem Sirup (Melasse) getrennt. Der weiße Zucker wird
nun nochmals in Wasser gelöst und danach kristallisiert. Diesen Prozess zur Herstellung eines
besonders reinen und weißen Zucker nennt man Raffinade. Der Zucker kann nun nach
Wunschgröße und Bedarf gekörnt werden und ist unbegrenzt haltbar.
13
5 Süßkraft
Da man keine Laborinstrumente besitzt um den süßen Geschmack bzw. die relative Süße von
Zuckeraustauschstoffen einschätzen zu können, wurde die dimensionslose Größe der Süßkraft
eingeführt. Die Werte beziehen sich auf die Saccharose, welche den Wert 1 zugeteilt bekommt.
Dabei stellt man eine wässrige, 10%ige Lösung des Stoffes her und lässt diese von Probanden
testen. Das Ergebnis wird anschließend gemittelt. Die Einordnung in eine Skala ist somit
subjektiv.
Tabelle 5.1: Süßkraft der Zuckerersatzstoffe im Vergleich zu Saccharose
Saccharin 550
Steviosid 250
Aspartam 180
Cyclamat 30
Fructose 1,12
Saccharose 1
Xylit 0,9
Glucose 0,7
Sorbit 0,55
Maltose 0,5
Lactose 0,4
Isomalt 0,4
14
6 Brennwertbestimmung mittels Bombenkalorimeter
6.1 Vorwort
Wir nehmen sie täglich zu uns – Zucker, Süßstoffe und Zuckeraustauschstoffe.
Dabei liegt die besondere Attraktivität dieser Zuckerersatzstoffe darin, dass sie angeblich (wie
bereits erwähnt) über deutlich weniger bis hin zu gar keinen Kalorien verfügen.
Doch stimmt das wirklich?
In diesem Versuch haben wir uns mit den Brennwerten sechs verschiedener Zuckerersatzstoffen
(Xylitol, Fructose, Sorbit, Stevia, Cyclamat, Erythritol) und dem Haushaltszucker (Saccharose)
beschäftigt, um diese Aussage beurteilen zu können.
Welche Aussagen lassen sich aufgrund der erhaltenen Ergebnisse treffen und was bedeutet das
genau für eine Ernährung auf Basis von Zuckerersatzstoffen ?
15
6.2 Theoretische Grundlagen
Verbrennt man organische Verbindungen wie unsere zu untersuchenden Zucker und
-ersatzstoffe, setzt sie also mit Sauerstoff um, so wird dabei Energie in Form von Wärme
entweder aus der Umgebung entzogen oder an sie abgegeben.
Mittels einer kalorimetrischen Bombe, dem Bombenkalorimeter, lässt sich genau diese
Verbrennungsenergie bestimmen.
Dabei richtet man sich nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik, welcher die Änderung der
inneren Energie als Summe der Änderung der Wärmemenge und der verrichteten Arbeit auffasst.
Betrachtet man dabei die Bombe mit dem umliegenden Wassermantel als ein System, so verhält
sie sich adiabatisch und die innere Energie entspricht der abgegeben Wärmemenge, da keine
Volumenarbeit verrichtet wird.
Die Bombe hingegen folgt isobaren Bedingungen, da der Druck konstant gehalten wird, jedoch
ein Wärmeaustausch mit dem umliegenden Wassermantel statt findet.
Demnach lässt sich aus der gemessenen Temperaturänderung des Wasserbades, der eingesetzten
Masse, sowie der zuvor mittels Benzoesäure ermittelten Wärmekapazität der Brennwert einer
Verbindung bestimmen.
16
6.3 Relevante Formeln
Wasserwert: T
eBenzoesäurUnc B
W ∆∆⋅
−=)(
(1)
bzw. T
eBenzoesäurUmc B
W ∆∆⋅
−=)(
Verbrennungsenergie: n
TcU WR
∆⋅−=∆ bzw. m
TcU WR
∆⋅−=∆ (2)
Stoffmenge: M
mn = (3)
Mittelwert: N
xx
N
ii∑
== 1 (4)
Fehlerfortpflanzung: 222
)(
∆⋅
∂∂+
∆⋅∂∂+
∆⋅∂∂=∆∆ W
W
cc
UT
T
Um
m
UU (5)
mit:
)( eBenzoesäurUB∆ = Bildungsenthalpie von Benzoesäure (-3232 kJ/mol bzw. -26,46 kJ/g)
n = Stoffmenge in mol
m = Masse in g
M = molare Masse in g/mol
T∆ = Temperaturdifferenz AnfangEnde TT − (273K = 0°C)
17
6.4 Apparaturbeschreibung und Versuchsdurchführung
Als erstes werden die zu untersuchenden Substanzen und die Benzoesäure mittels einer
geeigneten Presse zu Pastillen/Zündpille verarbeitet, wobei der Zünddraht direkt eingearbeitet
wird. Die jeweiligen Massen der verwendeten Substanz, sowie die des Zünddrahtes werden
notiert und die Pastille wird wie in Abbildung 6.1 dargestellt, so befestigt, dass die Wand der
Bombe nicht berührt wird und kein Kurzschluss entstehen kann. Außerdem muss darauf geachtet
werden, dass kein Knick im Draht ist, da es sonst ebenfalls zu einer Fehlzündung kommen kann.
Abbildung 6.1: Aufbau einer kalorimetrischen Bombe
Im Bombenkalorimeter wird nun mittels eingespeistem Sauerstoff (O2) die jeweilige Substanz zu
Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) verbrannt, wobei das Wasser an den Wänden der
Bombe kondensiert und das Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre übergeht.
Das Wasser, welches als flüssiger Rückstand in der Bombe bleibt, führt zu einer
Beeinträchtigung der Wärmekapazität, welche wir jedoch in unserem Versuch vernachlässigen.
Ebenso wird die Verbrennung des Drahtes nur indirekt berücksichtigt, da ein Großteil
unverbrannt zurück bleibt.
Direkt nach der Zündung der Bombe vergehen ein paar Sekunden, in der noch kein
Temperaturanstieg messbar ist, da sich die durch die Verbrennung entstandene Wärme zunächst
in der Bombe bis an die Wände verbreiten muss und von dort dann an das umliegende Wasser
abgegeben werden kann.
Von da an lässt sich ein Temperatur-Zeit-Verlauf dokumentieren, welcher anschließend zur
Bestimmung des Brennwertes herangezogen werden kann.
18
6.5 Messwerte und Auswertung
Für die Verbrennungen der sieben untersuchten Substanzen und vier Benzoesäurekalibrierungen
ergaben sich die im folgenden dargestellten Messwerte und daraus resultierenden Abbildungen.
t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]
0 23,89 45 25,79 90 26,26 210 26,36
5 23,89 50 25,94 95 26,28 240 26,36
10 23,97 55 25,97 100 26,30 270 26,36
15 24,18 60 26,05 105 26,31 300 26,34
20 24,60 65 26,14 110 26,32 330 26,35
25 24,90 70 26,20 115 26,33 360 26,35
30 25,21 75 26,20 120 26,33 390 26,34
35 25,49 80 26,21 150 26,35
40 25,69 85 26,24 180 26,35
Tabelle 6.1: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (A)
Abbildung 6.2: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (A)
19
t [s] T [°C] t [s] T [°C]
0 21,62 180 24,03
30 21,63 190 24,1
60 21,63 200 24,16
90 21,63 210 24,22
120 21,63 220 24,24
130 21,64 230 24,27
140 22,53 240 24,28
150 23,32 250 24,3
160 23,7 280 24,32
170 23,93 310 24,33
Tabelle 6.2: Temperatur-Zeit-Verlauf von Xylitol
Abbildung 6.3: Temperatur-Zeit-Verlauf von Xylitol
20
t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]
0 25,95 45 28,36 90 28,77 210 28,86
5 25,95 50 28,51 95 28,78 240 28,85
10 26,12 55 28,52 100 28,8 270 28,85
15 26,64 60 28,61 105 28,8 300 28,85
20 27,2 65 28,63 110 28,81 330 28,84
25 27,61 70 28,69 115 28,82 360 28,84
30 27,91 75 28,71 120 28,82 390 28,82
35 28,06 80 28,72 150 28,85 420 28,82
40 28,27 85 28,75 180 28,86
Tabelle 6.3: Temperatur-Zeit-Verlauf von Fructose
Abbildung 6.4: Temperatur-Zeit-Verlauf von Fructose
21
t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]
0 22,37 45 23,53 90 23,78 210 23,87
5 22,38 50 23,62 95 23,79 240 23,87
10 22,45 55 23,63 100 23,8 270 23,88
15 22,69 60 23,66 105 23,81 300 23,89
20 22,91 65 23,68 110 23,81 330 23,88
25 23,11 70 23,71 115 23,82 360 23,89
30 23,28 75 23,74 120 23,82 210 23,87
35 23,38 80 23,75 150 23,85
40 23,46 85 23,77 180 23,86
Tabelle 6.4: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (B)
Abbildung 6.5: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (B)
22
t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]
0 23,85 45 25,16 90 25,46 210 25,51
5 23,85 50 25,26 95 25,47 240 25,51
10 23,93 55 25,29 100 25,48 270 25,51
15 24,29 60 25,31 105 25,49 300 25,51
20 24,5 65 25,35 110 25,5 330 25,5
25 24,72 70 25,38 115 25,5 360 25,5
30 24,88 75 25,4 120 25,5 210 25,51
35 25,05 80 25,43 150 25,51
40 25,13 85 25,45 180 25,52
Tabelle 6.5: Temperatur-Zeit-Verlauf von Sorbit
Abbildung 6.6: Temperatur-Zeit-Verlauf von Sorbit
23
t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]
0 25,3 45 25,87 90 25,98 210 26,01
5 25,3 50 25,89 95 25,99 240 26
10 25,4 55 25,92 100 26 270 26
15 25,51 60 25,93 105 26,01 300 25,98
20 25,65 65 25,94 110 26 330 25,98
25 25,69 70 25,96 115 26,01 360 25,97
30 25,78 75 25,97 120 26 210 26,01
35 25,8 80 25,98 150 26,01
40 25,84 85 25,98 180 26
Tabelle 6.6: Temperatur-Zeit-Verlauf von Stevia
Abbildung 6.7: Temperatur-Zeit-Verlauf von Stevia
24
t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]
0 25,85 40 26,61 80 26,87 120 26,91
5 25,86 45 26,65 85 26,88 150 26,91
10 25,88 50 26,74 90 26,89 180 26,92
15 26,03 55 26,76 95 26,9 210 26,91
20 26,17 60 26,79 100 26,9 240 26,9
25 26,34 65 26,81 105 26,91 270 26,9
30 26,43 70 26,83 110 26,91 300 26,9
35 26,52 75 26,85 115 26,91 330 26,88
Tabelle 6.7: Temperatur-Zeit-Verlauf von Cyclamat
Abbildung 6.8: Temperatur-Zeit-Verlauf von Cyclamat
25
t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]
0 26,48 40 27,95 80 28,22 120 28,27
5 26,48 45 28,04 85 28,23 150 28,28
10 26,63 50 28,08 90 28,24 180 28,26
15 26,95 55 28,11 95 28,26 210 28,26
20 27,34 60 28,15 100 28,26 240 28,26
25 27,52 65 28,17 105 28,26 270 28,25
30 27,77 70 28,19 110 28,26 300 28,25
35 27,92 75 28,21 115 28,26
Tabelle 6.8: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (C)
Abbildung 6.9: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (C)
26
t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]
0 22,64 40 24,34 80 24,74 120 24,84
5 22,65 45 24,43 85 24,77 150 24,87
10 22,73 50 24,52 90 24,79 180 24,89
15 23,09 55 24,6 95 24,8 210 24,9
20 23,47 60 24,63 100 24,82 240 24,91
25 23,82 65 24,66 105 24,83 270 24,92
30 24,04 70 24,7 110 24,84 300 24,92
35 24,18 75 24,72 115 24,84
Tabelle 6.9: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (D)
Abbildung 6.10: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (D)
27
t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]
0 24,78 40 27,18 80 27,69 120 27,8
5 24,78 45 27,33 85 27,72 150 27,81
10 25,05 50 27,43 90 27,73 180 27,83
15 25,61 55 27,53 95 27,75 210 27,83
20 26,12 60 27,56 100 27,77 240 27,83
25 26,56 65 27,63 105 27,78 270 27,83
30 26,81 70 27,65 110 27,79 300 27,83
35 27,04 75 27,68 115 27,8
Tabelle 6.10: Temperatur-Zeit-Verlauf von Saccharose
Abbildung 6.11: Temperatur-Zeit-Verlauf von Saccharose
28
t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]
0 27,57 40 29,19 80 29,48 120 29,55
5 27,58 45 29,22 85 29,5 150 29,55
10 27,75 50 29,3 90 29,51 180 29,55
15 28,2 55 29,33 95 29,52 210 29,55
20 28,55 60 29,42 100 29,52 240 29,54
25 28,71 65 29,42 105 29,53 270 29,53
30 28,89 70 29,44 110 29,54 300 29,52
35 29,04 75 29,46 115 29,54
Tabelle 6.11: Temperatur-Zeit-Verlauf von Erythritol
Abbildung 6.12: Temperatur-Zeit-Verlauf von Erythritol
Alle Graphen ähneln sich in dem grundlegenden Verlauf.
Zunächst ist die Temperatur des Wassers konstant, dann zeigt sich nach erfolgreicher Zündung
der Bombe ein Anstieg im Temperaturverlauf, bis das Maximum erreicht ist und die Temperatur
ungefähr konstant bleibt oder sich das Wasser sogar wieder leicht abkühlt, also Wärme an die
kühlere Umgebung abgibt.
Legt man jeweils eine Ausgleichsgerade durch das Plateau am Anfang und am Ende und legt
anschließend eine Senkrechte so durch diese beiden Geraden, dass die darunter- bzw.
darüberliegenden Flächen ungefähr gleich groß sind, erhält man das jeweilige
Temperaturminimum und –maximum (siehe z.B. Abbildung 6.12).
29
Die Ergebnisse sind in Tabelle 6.12 zusammengetragen. Die Temperaturdifferenz wird als
Differenz beider Werte berechnet und ebenfalls eingetragen.
Die Rechnung wird einmal exemplarisch für Benzoesäure (A) und für die anderen Substanzen
analog durchgeführt.
KCCCTTT AnfangEnde 47,247,289,2336,26 →°=°−°=−=∆
AnfangT [°C] EndeT [°C] T∆ [°C] T∆ [K]
Benzoesäure (A) 23,89 26,36 2,47 2,47
Xylitol 21,63 24,28 2,65 2,65
Fruchtzucker 25,95 28,88 2,93 2,93
Benzoesäure (B) 22,38 23,85 1,47 1,47
Sorbit 23,85 25,52 1,67 1,67
Stevia 25,30 26,03 0,73 0,73
Cyclamat 25,85 26,93 1,08 1,08
Benzoesäure (C) 26,48 28,29 1,81 1,81
Benzoesäure (D) 22,65 24,84 2,19 2,19
Saccharose 24,78 27,80 3,02 3,02
Erythritol 27,58 29,57 1,99 1,99
Tabelle 6.12: Temperaturerhöhung durch die jeweiligen Verbrennungen
Da verschiedene Massen eingesetzt wurden und sich die Substanzen zusätzlich in der Molmasse
unterscheiden, lassen sich aus den bloßen Temperaturdifferenzen noch keine Schlüsse ziehen.
Um die Verbrennungsenergien berechnen zu können, müssen zusätzlich die Stoffmengen, welche
aus eingewogener Masse und bekannter molarer Masse nach Gleichung (3) berechnet werden,
herangezogen werden.
Die Masse der verwendeten Substanz wird über die Differenz aus der Masse eingesetzten
Drahtes und Masse der fertigen Pastille bestimmt.
Auch hier wird wieder eine Rechnung exemplarisch für Benzoesäure (A) und für alle anderen
Substanzen analog durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6.13 dargestellt.
30
Summenformel M [g/mol] mDraht
[g]
mPastille [g] mSubstanz
[g]
n [mol]
Benzoesäure (A) 267 OHC 122,121 0,056 1,039 0,983 31005,8 −⋅
Xylitol 5125 OHC 152,146 0,094 2,047 1,953 0,013
Fructose 6126 OHC 180,156 0,048 2,084 2,036 0,0113
Benzoesäure (B) 267 OHC 122,121 0,040 0,607 0,567 310643,4 −⋅
Sorbit 6146 OHC 182,172 0,057 1,364 1,307 310175,7 −⋅
Stevia 186038 OHC 804,872 0,053 0,396 0,343 410262,4 −⋅
Cyclamat SNNaOHC 3126 201,219 0,052 0,822 0,770 310827,3 −⋅
Benzoesäure (C) 267 OHC 122,121 0,036 0,782 0,746 310109,6 −⋅
Benzoesäure (D) 267 OHC 122,121 0,056 0,928 0,872 31014,7 −⋅
Saccharose 11226 OHC 342,296 0,060 2,028 1,968 31075,5 −⋅
Erythritol 4104 OHC 122,120 0,027 1,375 1,348 0,11
Tabelle 6.13: Stoffmengen der verwendeten Substanzen
Anhand dieser Daten lässt sich zunächst die Wärmekapazität des Wasserbades nach
Gleichung (1) über die Benzoesäure berechnen. Der Veranschaulichung halber, werden diese
Werte einmal pro eingesetzte Masse und einmal pro eingesetzter Stoff-/Molmenge errechnet.
Die Benzoesäure (A) wurde zur Kalibrierung des Wasserwertes bei der Brennwertbestimmung
von Xylitol und Fructose, Benzoesäure (B) und (C) für die Messungen von Sorbit, Stevia und
Cyclamat und Benzoesäure (D) für die Messungen von Saccharose und Erythritol verwendet.
Somit muss lediglich von den durch Benzoesäure (B) und (C) bestimmten Wasserwerten ein
Mittelwert nach Gleichung (4) gebildet werden.
Die Rechnungen sind im Folgenden dargestellt. Für die Berechnung wird der Literaturwert für
die Verbrennungsenthalpie von Benzoesäure mit 26,46 kJ/g bzw. 3232 kJ/mol herangezogen.
molmolg
g
M
mngggmmm DrahtPastillezSubs
3tan 1005,8
/121,122
983,0983,0056,0039,1 −⋅===→=−=−=
31
• Benzoesäure (A):
11
113
53,1047,2
46,26983,0)(
53,1047,2
)3232(1005,8)(
−−
−−−
⋅=⋅⋅−=∆
∆⋅−=
⋅=⋅−⋅⋅−=∆
∆⋅−=
KkJK
gkJg
T
eBenzoesäurUmc
KkJK
molkJmol
T
eBenzoesäurUnc
BW
BW
Da sich bei beiden Möglichkeiten zur Bestimmung des Wasserwertes der gleiche Wert ergibt,
wird im Folgenden lediglich über die Stoffmenge gerechnet.
• Benzoesäure (B):
113
87,952,1
)3232(10643,4)( −−−
⋅=⋅−⋅⋅−=∆
∆⋅−= KkJK
molkJmol
T
eBenzoesäurUnc B
W
• Benzoesäure (C):
113
97,108,1
)3232(10109,6)( −−−
⋅=⋅−⋅⋅−=∆
∆⋅−= KkJK
molkJmol
T
eBenzoesäurUnc B
W
Es wird wie zuvor erläutert der Mittelwert gebildet.
111
42,102
97,1087,9
2
))(())(( −−−
⋅=⋅+⋅=+
= KkJKkJKkJBeBenzoesäurcAeBenzoesäurc
c WWW
• Benzoesäure (D):
113
12,1028,2
)3232(1014,7)( −−−
⋅=⋅−⋅⋅−=∆
∆⋅−= KkJK
molkJmol
T
eBenzoesäurUnc B
W
Alle berechneten Wasserwerte liegen also ungefähr in einem Bereich von 10kJ/K.
Abweichungen untereinander sind auf ungleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb des Wassers,
unterschiedliche Füllgrade der Bombe mit Wasser und die bereits erwähnte Beeinträchtigung
durch während der Verbrennung entstehendes Wasser zurückzuführen.
Einwaageungenauigkeiten und somit Fehler in der Stoffmenge, Ablesefehler der Temperatur,
sowie unzureichende Wärmeisolierung sind im Vergleich eher unbedeutend.
Die Verbrennungsenergie lässt sich abschließend nach Gleichung (2) für jede verbrannte
Substanz unter Einbezug der dazu bestimmten Wärmekapazität sowie eingesetzter Stoffmenge /
Masse berechnen.
Durch Division mit 4,1868 werden die kJ in kcal umgerechnet.
• Xylitol
11868,411
11868,411
49,361,14953,1
71,253,10
29,5421,2195013,0
71,253,10
−÷−−
−÷−−
⋅−= →⋅−=⋅⋅−=∆⋅−=∆
⋅−= →⋅−=⋅⋅−=∆⋅−=∆
gkcalgkJg
KKkJ
m
TcU
molkcalmolkJmol
KKkJ
n
TcU
WR
WR
32
• Fructose
11868,411
11868,411
59,305,15036,2
91,253,10
68,64771,27110113,0
91,253,10
−÷−−
−÷−−
⋅−= →⋅−=⋅⋅−=∆⋅−=∆
⋅−= →⋅−=⋅⋅−=∆⋅−=∆
gkcalgkJg
KKkJ
m
TcU
molkcalmolkJmol
KKkJ
n
TcU
WR
WR
•
Sorbit
11868,411
11868,413
1
18,331,13307,1
67,142,10
27,57928,242510175,7
67,142,10
−÷−−
−÷−−
−
⋅−= →⋅−=⋅⋅−=∆⋅−=∆
⋅−= →⋅−=⋅
⋅⋅−=∆⋅−=∆
gkcalgkJg
KKkJ
m
TcU
molkcalmolkJmol
KKkJ
n
TcU
WR
WR
•Stevia
11868,411
11868,414
1
15,557,21343,0
71,042,10
01,414652,1735810262,4
71,042,10
−÷−−
−÷−−
−
⋅−= →⋅−=⋅⋅−=∆⋅−=∆
⋅−= →⋅−=⋅
⋅⋅−=∆⋅−=∆
gkcalgkJg
KKkJ
m
TcU
molkcalmolkJmol
KKkJ
n
TcU
WR
WR
•Cyclamat
11868,411
11868,413
1
46,348,1477,0
07,142,10
84,69535,291310827,3
07,142,10
−÷−−
−÷−−
−
⋅−= →⋅−=⋅⋅−=∆⋅−=∆
⋅−= →⋅−=⋅
⋅⋅−=∆⋅−=∆
gkcalgkJg
KKkJ
m
TcU
molkcalmolkJmol
KKkJ
n
TcU
WR
WR
•Saccharose
11868,411
11868,413
1
75,368,15968,1
05,312,10
13,128253681075,5
05,312,10
−÷−−
−÷−−
−
⋅−= →⋅−=⋅⋅−=∆⋅−=∆
⋅−= →⋅−=⋅
⋅⋅−=∆⋅−=∆
gkcalgkJg
KKkJ
m
TcU
molkcalmolkJmol
KKkJ
n
TcU
WR
WR
•Erythritol
11868,411
11868,411
55,386,14348,1
98,112,10
51,4316,18211,0
98,112,10
−÷−−
−÷−−
⋅−= →⋅−=⋅⋅−=∆⋅−=∆
⋅−= →⋅−=⋅⋅−=∆⋅−=∆
gkcalgkJg
KKkJ
m
TcU
molkcalmolkJmol
KKkJ
n
TcU
WR
WR
Anhand der berechneten Werte lassen sich die Zuckerersatzstoffe nach aufsteigender
Verbrennungsenergie in kcal/g ordnen.
UR∆ (Sorbit) < UR∆ (Cyclamat) < UR∆ (Xylitol) < UR∆ (Erythritol) < UR∆ (Fructose)
< UR∆ (Saccharose) < UR∆ (Stevia)
Dass Stevia mit Abstand die höchste Verbrennungsenergie besitzt, kommt durch den fast doppelt
so hohen Anteil an Kohlenstoffmolekülen pro Mol zu Stande, da diese zu Kohlenstoffdioxid
verbrannt werden, welcher die Wärmebilanz bedingt. Je mehr Kohlenstoffatome vorhanden,
desto mehr Kohlenstoffdioxid entsteht und desto höher ist auch die Verbrennungsenergie.
33
6.6 Diskussion und Fehlerbetrachtung
Durch den Versuchsaufbau bedingt, werden die Messwerte von den bereits genannten Faktoren
beeinträchtigt.
Rußbildung bei der Verbrennung verhindert eine Druckisolation. Es ist ebenfalls ein Hinweis
darauf, dass die Substanz nicht vollständig verbrannt wurde, somit also in der
Verbrennungsenergie / Wärmebilanz fehlt.
Außerdem wird ein Teil der Verbrennungsenergie zur Verbrennung von Rußrückständen
innerhalb der Bombe aufgebracht. Selbiges gilt für das während der Verbrennung entstandene
Wasser. Ein weiterer Betrag dient zur Verbrennung des Drahtes, welchen wir jedoch (wie bereits
erwähnt) vernachlässigen.
Beim Entfernen der Bombe aus dem Wasserbad geht immer etwas Wasser aus dem Kalorimeter
verloren. Dies verfälscht den mit Benzoesäure kalibrierten Wasserwert, welcher die größte
Fehlerquelle darstellt, da er in alle Berechnungen eingeht. Um diesen Fehler möglichst gering zu
halten, wurde der Wasserwert vor und nach der Messreihe bestimmt, um anschließend einen
Mittelwert zu erhalten.
Des Weiteren tritt ein Abwägefehler durch die Ungenauigkeit der Waage ein, welcher ebenfalls
den berechneten Brennwert beeinflusst.
Mittels Gleichung (5) wird der absolute Fehler mittels Fehlerfortpflanzung für jede Substanz
bestimmt. Da der Wasserwert nicht vor jedem Wasserwechsel bestimmt wurde, muss dieser
Fehler für manche Berechnungen vernachlässigt werden, weshalb der tatsächliche Fehler für
Fructose, Saccharose und Erythritol größer sein müsste.
Anschließend wird daraus der relative Fehler an die jeweilige Verbrennungsenergie bestimmt,
um daraus wiederum über den Dreisatz den eigentlichen Fehler an die Verbrennungsenergie in
kJ/g zu errechnen.
Die Rechnung wird einmal für Xylitol und analog für alle anderen Substanzen durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 6.14 zusammengetragen.
• absoluter Fehler:
222
)(
∆⋅
∂∂+
∆⋅∂∂+
∆⋅∂∂=∆∆ W
W
cc
UT
T
Um
m
UU
34
( )
( ) ( ) ( ) 12121
11
1
12
11
2
28,820,814,1
20,801,0953,1
146,152)53,10()(
14,1001,0953,1
146,15271,253,10
−−−
−−
−
−−
−
⋅=⋅+⋅−=∆∆→
⋅=⋅⋅⋅⋅−−=∆∆⋅⋅−=∆⋅∂∂
⋅−=⋅⋅⋅⋅⋅−=∆⋅⋅∆⋅=∆⋅∂∂
molkJmolkJmolkJU
molkJKg
molgKkJT
m
McT
T
U
molkJgg
molgKKkJm
m
MTcm
m
U
W
W
o
o
• relativer Fehler:
( )%377,01077,3
1,2195
28,8 %10031
1
→⋅=⋅−
⋅±=∆∆∆ ⋅−
−
−
molkJ
molkJ
U
U
• Fehler an den Brennwert in kJ/g bzw. kcal/g
11
11
01,0%100
49,3%377,0)(
06,0%100
61,14%377,0)(
−−
−−
⋅=⋅⋅=∆∆
⋅=⋅⋅=∆∆
gkJgkJ
U
gkJgkJ
U
Brennwert
experimentell
� physikalischer Brennwert
Angabe auf der Verpackung
� physiologischer Brennwert
Substanz kJ/g kcal/g kJ/g kcal/g
Xylitol -14,61±0,06 -3,49±0,01 9,9 2,36
Fructose -15,05±0,05 -3,59±0,01 16,91 3,98
Sorbit -13,31±0,71 -3,18±0,17 9,99 2,4
Stevia -21,57±1,18 -5,15±0,28 0,0 0,0
Cyclamat -14,48±0,78 -3,46±0,19 4105 −⋅ 4101 −⋅
Saccharose -15,68±0,05 -3,75±0,01 17,13 4,09
Erythritol -14,86±0,75 -3,55±0,18 0,84 0,2
Tabelle 6.14: Gegenüberstellung von experimentellen Werten und Inhaltsangaben
35
In der Literatur findet sich für Fructose ein Wert von -15,6 kJ/g und für Saccharose ein Wert von
-16,5 kJ/g. Diese beiden Werte verglichen mit den experimentellen Werten zeigen, dass sie zwar
nicht innerhalb der Fehlergrenzen übereinstimmen, aber dennoch relativ genau bestimmt werden
konnten, auch wenn man davon ausgeht, dass nicht bei Standardbedingungen experimentiert
wurde.
Beim Vergleich von experimentellen Werten mit den Angaben der Verpackung liegt die erste
Auffälligkeit im Vorzeichen der Werte. Während die experimentell bestimmten
Verbrennungsenergien ein negatives Vorzeichen tragen, besitzen die kalorimetrischen
Inhaltsangaben ein positives Vorzeichen. Das liegt daran, dass Brennwerte immer mit einem
positiven Vorzeichen versehen werden, während molare Reaktionsenthalpien auch ein negatives
tragen können.
Im Experiment haben wir die bei der Verbrennung vollständig frei werdende Energie bestimmt,
den sogenannten physikalischen Brennwert.
Der physiologische Brennwert wird bei der Inhaltsangabe preisgegeben. Er gibt die bei der im
Organismus stattfindenden Verbrennung frei werdende Energie an.
Weicht der physiologische Brennwert stark vom physikalischen ab, so bedeutet das, dass der
Körper nur einen geringen Teil der maximal möglichen Verbrennungsenergie effektiv nutzen
kann. Bei natürlichen oder „naturnahen“ Süßungsmitteln stimmen die Werte in etwa überein.
Bei den eher „künstlichen“ Süßstoffen ist der physiologische Brennwert sehr niedrig, was den
Einsatz der Substanz als Lifestyle-Droge bedingt.
Körperliche Funktionen und Tätigkeit benötigen jedoch ein von Grund- und Leistungsumsatz
abhängiges Maß an Energie. Dabei gilt im Schnitt, dass Frauen etwa 3,8 kJ pro Kilogramm und
Größe benötigen, während es bei Männern etwa 4,2 kJ pro Kilogramm und Größe betragen.
36
6.7 Zusammenfassung
Mit Hilfe eines Bombenkalorimeters haben wir die Brennwerte sieben verschiedener
Zuckerersatzstoffe experimentell bestimmt.
Dabei gilt es zwischen physikalischen und physiologischem Brennwert zu unterscheiden.
Der physikalische Brennwert bezeichnet die bei der Verbrennung maximal freiwerdende Energie,
während der physiologische den maximal von dem Organismus nutzbaren Wert an Energie
angibt.
Da jeder Organismus ein Mindestmaß an Energie zum Aufrechterhalten körperlicher Funktionen
benötigt, welches aus dem Verzehr von Kohlenhydraten und dessen Verbrennung bezogen wird.
Lässt sich nur ein geringer Teil des physikalischen Brennwertes als physiologischen nutzen, so
bedeutet das, dass man seine Energie aus anderen Quellen (z.B. Fetten und Eiweißen) beziehen
muss. Nimmt man mehr Energie als notwendig zu sich, so sollte man dies durch sportliche
Betätigung o.ä. kompensieren, um sein Gewicht konstant zu halten.
Süßt man seine Speisen mit Stevia, Cyclamat oder Erythritol, ist es somit sinnvoll genügend
Eiweiße und Fette mit der Nahrung zu konsumieren, da sie praktisch keine Energie liefern,
während Fructose und Saccharose im Vergleich mit ca. 4 kcal/g ein hohes Maß an nutzbarer
Energie liefern und man sparsamer mit dem Verzehr von Eiweißen und Fetten sein sollte.
Xylitol und Sorbit mit einem physiologischen Brennwert von je ca. 2 kcal/g scheinen den besten
Mittelweg für eine ausgewogene Ernährung auf der Grundlage von Kohlenhydraten, Fetten und
Eiweißen zu sein, da man diese drei Energielieferanten in vielerlei Lebensmitteln findet.
37
7 Einfluss von Zuckerersatzstoffen auf E. coli Bakterien
7.1 Vorwort
Um zu beurteilen, welche der untersuchten Stoffe eine gute Alternative zur Saccharose
darstellen, interessierte uns der Einfluss der Zuckerersatzstoffe auf Bakterien, speziell der auf die
tierischen und menschlichen Darmbakterien Escherichia coli (E. coli).
Dabei unterzogen wir dem Vergleich mit Saccharose Glucose, Stevia, Fructose, Xylitol und
Cyclamat, also sowohl Zuckeralkohole, Süßstoffe und andere Zuckeraustauschstoffe.
Stoppen, verlangsamen oder begünstigen sie gar dessen Wachstum?
Und was genau bedeutet das für uns und unseren Körper?
38
7.2 Theoretische Grundlagen
Escherichia coli ist ein Bakterium, welches im menschlichen und tierischen Darm vorkommt. Im
menschlichen Darm dient es als Vitaminproduzent, ist jedoch auch häufigster Verursacher
menschlicher Infektionen.
Als ein Maß für die Bakterienkonzentration lässt sich die Transmission einer Lösung, die sowohl
Bakterien als auch Nährmedium enthält, bestimmen.
Als Transmission bezeichnet man die Menge eines Lichtes bestimmter Wellenlänge die nach
dem Passieren einer Lösung messbar ist. Je niedriger die Transmission, desto höher ist der Anteil
adsorbierten bzw. gestreuten Lichts und damit auch die Bakterienkonzentration.
Als Nährmedium wurde dafür ein sogenanntes Minimalmedium verwendet, welches die – wie
der Name schon sagt – minimal nötige Menge an Energie, welche durch den jeweiligen Zucker
bzw. -ersatzstoff zur Verfügung gestellt wird, sowie andere Inhaltsstoffe (z.B. Salze) enthält, um
das Überleben und die Vermehrung der Bakterien zu ermöglichen.
Die zeitliche Änderung der Transmission stellt dabei ein Maß für die Bakterienkonzentration dar,
wobei der Referenzwert der jeweiligen Lösung die Transmission zum Zeitpunkt 0t ist.
Da E. coli Bakterien sich optimal mit Glucose als Energiequelle vermehren, dient das
Wachstumsverhalten mit Glucose als eingesetzter Energiequelle als Referenzwert aller
untersuchten Zucker und dessen Ersatzstoffen.
Da sich Bakterien ca. alle 20 min bei 37°C teilen, wird über einen Zeitraum von mehreren
Stunden ein exponentielles Wachstum und daher ein exponentielles Absinken der Transmission
erwartet.
Nach längeren Zeiträumen verarmt das Medium an Nährstoffen, wodurch die Teilungsrate
gebremst wird, bis sie sogar ganz zum Erliegen kommt.
39
7.3 Relevante Formeln
Masse des Zuckers / -ersatzstoffes VcMm ⋅⋅= (1) Lambert-Beersches Gesetz: dcE ⋅⋅= 0ε (2)
mit:
m = Masse in g
M = Molare Masse in g/mol
c = Konzentration in mol/l
V = Volumen in l
ε = molarer Absorptionskoeffizient
d = optische Schichtdicke des Reagenzglases ( 1,3 cm = 0,013m)
40
7.4 Apparaturbeschreibung und Versuchsdurchführung
Zunächst wird das Minimalnährmedium ohne Zucker hergestellt. Dafür werden 6 g
Dinatriumhydrogenphosphat (Na2HPO4), 3 g Kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4), 1 g
Ammoniumchlorid (NH4Cl), 0,5 g Natriumchlorid (NaCl), 0,12 g Magnesiumsulfat (MgSO4),
0,01g Calciumchlorid (CaCl) und jeweils 30mM des Zuckers bzw. dessen Ersatzstoffes in 1 l
Wasser gelöst, wobei die Bakterien noch nicht hinzugegeben werden.
Um sicherzustellen, dass sich ausschließlich die antibiotikaresistenten E. coli Bakterien bilden/
teilen und wachsen, werden ca. 1 ml des Antibiotikums Ampicillin hinzugegeben.
50 ml Nährmedium werden in je einen Erlenmeyerkolben pro Substanz gefüllt und der Zucker
bzw. -austauschstoff direkt darin vollständig gelöst.
Sind alle Erlenmeyerkolben vorbereitet, wird je ein Reagenzglas mit drei ml dieser Lösung
befüllt. Er dient als einerseits als Transmissionswert für den Zeitpunkt 0t , welcher mit dem in
Abbildung 7.1 dargestellten Transmissionsmessgerät gemessen wird und andererseits als
Nullkalibrierung vor jeder weiteren Messung, da der Zucker selbst eine bestimmte Menge an
Licht absorbiert, was die nachfolgenden Messwerte verfälschen könnte.
Abbildung 7.1: Transmissionsmessgerät
Zu den verbliebenen Lösungen im Erlenmeyerkolben werden nun 13 ml der zuvor angesetzten
Bakterienkulturen gegeben. Anschließend werden die Erlenmeyerkolben durchgängig auf 37°
temperiert und gleichmäßig gerührt um ein optimales und gleichmäßiges Wachstum zu
ermöglichen. Dafür dient das in Abbildung 7.2 dargestellte Gerät.
41
Abbildung 7.2: Bakterienaufbewahrung während der Wachstums- und Vermehrungsphase
Nun wird so oft wie möglich (am besten alle halbe Stunde) die Transmission gemessen. Dabei
wird zuerst mit der bakterienfreien Zuckerlösung kalibriert und anschließend jeweils drei
Milliliter der temperierten, bakterienhaltigen Zuckerlösung in ein Reagenzglas gefüllt und dieses
anschließend ins Messgerät gestellt. Die Flüssigkeit wird anschließend wieder möglichst
verlustfrei in den dazugehörigen Erlenmeyerkolben überführt.
Erreicht die Transmission einen Wert (deutlich) größer als eins, so muss die Lösung verdünnt
werden, um einen zuverlässigen Wert zu erhalten. Gleichzeitig ist nach Erreichen dieses Wertes
die Messreihe für diese Substanz beendet.
42
7.5 Messwerte und Auswertung
Mittels Gleichung (1) werden zunächst die einzuwiegenden Massen von Glucose und den
Zuckerersatzstoffen berechnet. Die Konzentration beträgt jeweils lmol /1030 3−⋅ und das
Volumen 0,05 l. Lediglich die Molmasse unterscheidet sich.
Die Molmassen und daraus resultierenden einzuwiegenden Massen sind in Tabelle 7.1
zusammengetragen.
Anhand von Glucose wird eine Beispielrechnung durchgeführt.
gllmolmolgllmoleGluMm
VcMm
27,005,0/1030/18005,0/1030)cos( 33 =⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=
⋅⋅=−−
Molmasse [g/mol] einzuwiegende Masse [g]
Glucose 180 0,27
Stevia 804,9 1,21
Saccharose 342,3 0,51
Fructose 180 0,27
Xylitol 152,15 0,23
Cyclamat 201,22 0,30
Tabelle 7.1: einzuwiegende Massen
Nachdem alle Lösungen wie oben beschrieben präpariert wurden, ließen sich die in den Tabellen
7.2-7.7 dargestellten Messwerte aufnehmen. In der dazugehörigen Abbildung wurde die
Extinktion gegen die Zeit aufgetragen, um den zeitlichen Verlauf des Bakterienwachstums zu
veranschaulichen.
43
t [min] E
0 0,11
44 0,14
115 0,22
154 0,22
230 0,56
287 0,69
345 0,76
376 0,85
394 0,87
430 1,01
463 1,11
1431 3.54
Tabelle 7.2: Messwerte für Glucose
44
Abbildung 7.3: Zeit-Extinktion-Verlauf für Glucose
t [min] E
0 0,17
42 0,10
119 0,17
157 0,16
235 0,12
293 0,14
348 0,13
379 0,21
398 0,17
435 0,17
476 0,16
501 0,15
1424 0,17
Tabelle 7.3: Messwerte für Stevia
Abbildung 7.4: Zeit-Extinktion-Verlauf für Stevia
45
t [min] E
0 0,14
48 0,16
119 0,11
157 0,13
236 0,13
294 0,13
348 0,12
380 0,15
399 0,15
436 0,13
470 0,09
504 0,09
1425 0,20
Tabelle 7.4: Messwerte für Saccharose
Abbildung 7.5: Zeit-Extinktion-Verlauf für Saccharose
46
t [min] E
0 0,09
53 0,08
124 0,10
163 0,18
241 0,36
299 0,42
353 0,48
385 0,60
404 0,56
442 0,56
476 0,64
501 0,63
1430 2,00
1434 3,15
Tabelle 7.5: Messwerte für Fructose
Abbildung 7.6: Zeit-Extinktion-Verlauf für Fructose
47
t [min] E
0 0,08
53 0,07
125 0,11
162 0,14
241 0,18
302 0,17
354 0,16
385 0,14
404 0,12
444 0,16
478 0,16
509 0,16
1432 0,31
1558 0,51
1725 0,73
Tabelle 7.6: Messwerte für Xylitol
Abbildung 7.7: Zeit-Extinktion-Verlauf für Xylitol
48
t [min] E
0 0,12
56 0,11
128 0,11
166 0,10
246 0,10
307 0,13
358 0,07
389 0,06
408 0,06
449 0,09
481 0,07
514 0,11
1436 0,09
Tabelle 7.7: Messwerte für Cyclamat
Abbildung 7.8: Zeit-Extinktion-Verlauf für Cyclamat
49
Es zeigt sich in allen Kurvenverläufen eine Unregelmäßigkeit im Bereich von ungefähr 360 –
550 min. Dieser ist darauf zurückzuführen, dass das Gerät statt bei den benötigten 37° nur mit
26,5° heizte, wodurch die Bakterien ein verlangsamtes (bis gar kein) Wachstum zeigten.
Wie aus Gleichung (2), dem Lambert-Beerschen Gesetz ersichtlich, verhalten sich Konzentration
und Extinktion proportional zueinander.
Da der molare Adsorptionskoeffizient der einzelnen untersuchten Substanzen nicht in der
Literatur zu finden ist und demnach experimentell bestimmt werden müsste, lassen sich keine
genauen Konzentrationen berechnen.
Für die E. coli Bakterien in glucosehaltigem Nährmedium lässt sich der erwartete
Wachstumsverlauf beobachten. Auch E.coli Bakterien in fructosehaltiger oder xylitolhaltiger
Lösung zeigen eine ähnliche Wachstumskurve. Dies scheinen also eine mögliche Alternative für
E. coli Bakterien zu sein.
In saccharosehaltigem Nährmedium hingegen kann nur eine geringe Zunahme der Extinktion und
somit auch der Bakterienkonzentration verzeichnet werden, obwohl Saccharose aus Glucose und
Fructose besteht. Offensichtlich scheinen E. coli Bakterien nicht in der Lage zu sein, Saccharose
in seine beiden Bestandteile zu spalten, bzw. es als Energiequelle zu nutzen oder es müsste erst
ein Stoffwechselweg aktiviert werden, welcher das Disaccharid spaltet und so die Einfachzucker
verfügbar macht.
Auch Cyclamat und Stevia stellen anhand der Extinktions-Zeit-Verläufe scheinbar kein Ersatz
für Glucose als Energiequelle zu sein. Es ist lediglich vorstellbar, dass Saccharose, Cyclamat und
Stevia die gerade zum Überleben nötige Energie zur Verfügung stellen, die aber keineswegs
ausreichend für eine Fortpflanzung durch Zellteilung ist. Trägt man alle gemessenen
Wachstumskurven in das selbe Diagramm mit gleicher Skalierung (Abbildung 7.9), so zeigt sich
dies besonders deutlich.
Somit scheinen die natürlichen und naturnahen Süßungsmittel des Wachstum der
Mikroorganismen zu erlauben, während die eher künstlichen Ersatzstoffe von den
Mikroorganismen nicht verarbeitet werden können.
50
7.6 Diskussion und Fehlerbetrachtung
Das verwendete Gerät zur Messung der Transmission besitzt einen Fehler von 2 - 3 %. Es zeigte
teilweise deutliche Schwankungen innerhalb einer Messung einer Probe zu einem beliebigen
Zeitpunkt t auf. Es musste mehrmals mit der jeweiligen bakterienfreien Zuckerlösung kalibriert
und dann die bakterienhaltige Lösung gemessen werden, um einen verlässlichen Wert zu
erhalten.
Trägt man, wie in Abbildung 7.9 alle gemessenen Wachstumskurven in ein Diagramm mit
gleicher Skalierung, so sieht man, dass trotz der Schwankungen, der gesamte Verlauf jedoch
kaum beeinträchtigt wird.
Abbildung 7.9: Wachstumskurven im Vergleich
Unreinheiten auf dem Reagenzglas beeinträchtigten ebenfalls eine exakte Messung der
Extinktion.
Durch Überführen der je Messung entnommenen Probe aus dem Reagenzglas zurück in den
dazugehörigen Erlenmeyerkolben entstanden geringe Verluste von Nährmedium und Bakterien,
welche jedoch während aller Messungen mit allen Lösungen entstanden, wodurch dieser Fehler
alle Werte ungefähr im gleichen Maß beeinflusst. Er ist somit zu vernachlässigen.
51
7.7 Zusammenfassung
Das Bakterium E. coli ist ein natürlicher Bestandteil unseres Darmtrakts, liegt dort jedoch
lediglich in einer Konzentration von unter einem Prozent vor.
Colibakterien sind lebenswichtig zur Erhaltung der Darmflora, indem andere Bakterien durch
deren Anwesenheit abgetötet werden. Im Übermaß agieren sie jedoch auch als Krankheitserreger
und können so zu starken Infektionen führen. Für ein intaktes Stoffwechselsystem ist somit die
richtige Konzentration von E. coli Bakterien von großer Bedeutung.
Wichtig ist eine gleichbleibende Konzentration, da Colibakterien aus unterschiedlichsten
Gründen (z.B Regeneration) absterben und durch Zellteilung die Darmflora intakt bleibt. Denn
auch eine Konzentrationsabnahme und somit das Absterben dieser Bakterien ist ein Auslöser für
Krankheiten, da sich Krankheitserreger sonst ungehindert im Darmtrakt vermehren und auch
andere Organe infizieren könnten.
Dieser Versuch zeigte, dass Cyclamat und Stevia aufgrund der Konzentrationsabnahme zu solch
einer Störung der Darmflora führen könnten, da diese für E. coli Bakterien kein geeignetes
Nährmedium darstellen und die Bakterien somit absterben würden. Somit können Süßstoffe im
übermäßigen Verzehr laut Versuch zellschädigend wirken. Dies ist wahrscheinlich auch ein
Grund dafür, warum Cyclamat als Süßstoff in den USA verboten ist (man bedenke auch den
LD50-Wert von 17 mg / kg). Cyclamat zeigt somit eine toxikologisch nicht unbedenkliche
Wirkung, obwohl es in der EU in bestimmten Lebensmitteln zum Teil in hohen Mengen erlaubt
ist.
Eine kalorienbewusste Alternative wäre Xylitol. Jedoch ist hier mit hoher Wahrscheinlichkeit das
Wachstum zu gering, um eine einwandfreie Funktionsweise des Darmtrakts zu garantieren.
Glucose und Fructose in hohem Maß hingegen würden nach den Versuchsergebnissen zu einer
übermäßigen Vermehrung führen, sodass eine Eigeninfektion durch E.coli daraus resultiert.
Unsere optimalste Lösung wäre Saccharose, da nur ein leichter Anstieg zu verzeichnen war. Das
Wachstum würde dann in etwa dem Absterben der Bakterien im Darmtrakt entsprechen, was wie
gewünscht zu einer konstanten Konzentration führen würde.
Diese Schlussfolgerungen basieren jedoch auf dem theoretischen Wissen aus dem Versuch,
unabhängig davon, ob das verwendete Minimalnährmedium dem des Darmtrakts entspricht.
52
8 Stevia qualitativ aus der Pflanze extrahieren
8.1 Vorwort
Stevia ist der mit Abstand am teuersten Zuckerersatzstoff den wir untersucht haben, deshalb
beschäftigte uns die Frage, wie der hohe Preis zu Stande kommt.
Aus diesem Grund wollten wir den Zuckerersatzstoff direkt aus den selbst getrockneten Blättern
einer Steviapflanze extrahieren und anschleißend destillieren, um einen möglichst großen Teil
des Lösemittels zu entfernen.
Welche Masse an Stevia lässt sich aus einer bestimmten Menge trockener Blätter extrahieren,
sofern es überhaupt möglich ist und erklärt das die hohen Kosten?
53
8.2 Theoretische Grundlagen
Die Extraktion von Substanzen beruht auf der Löslichkeit von zu extrahierender Substanz in dem
verwendeten Lösemittel, wodurch die aus dem in der Extraktionshülse vorliegenden Festkörper
zu extrahierenden Substanzen in die flüssige Phase überführt werden können.
Je größer dabei die Oberfläche des festen Materials, desto besser kann das Lösemittel „reagieren“
und je größer ist die lösbare Menge.
Je nach Anzahl an Durchläufen wird die zu extrahierende Substanz weiter ausgelaugt und dessen
Konzentration im Lösemittel folglich größer.
Durch anschließende Destillation erhält man eine reinere Substanz.
Unter der Destillation versteht man ein Verfahren zur Trennung eines flüssigen Stoffgemischs
durch abwechselndes verdampfen und kondensieren, was auf unterschiedlichen Siedepunkten der
einzelnen Komponenten beruht, die dann so nach und nach separiert werden können.
In diesem Fall bedeutet das, das Lösemittel von den vorher extrahierten Substanzen zu trennen.
54
8.3 Apparaturbeschreibung und Versuchsdurchführung
Bei der hier durchgeführten Soxhlet-Extraktion wird zunächst je eine Extraktionshülse aus Pappe
mit ca. 5g der zerkleinerten, zuvor bereits getrockneten und anschließend gemörserten
Steviablätter befüllt. Das Mörsern dient zur Schaffung einer größeren Oberfläche.
Eine Soxhlet-Apparatur läuft mit Wasser und die andere zum Vergleich mit Ethanol, um den
Einfluss des Lösemittels bzw. die Löslichkeit verschiedener Substanzen in den Blättern zu
vergleichen.
Der Aufbau ist in Abbildung 8.1 dargestellt.
Abbildung 8.1: Aufbau einer Soxhlet- (links) und einer Destillationsapparatur (rechts)
Der in einem Ölbad befindliche Rundkolben wird jeweils mit 100 ml des zu verwendenden
Lösemittel befüllt. Dieser wird nun über das Ölbad bis zum Sieden des Lösemittels erhitzt. Das
Lösemittel kondensiert am Rückflusskühler und tropft so in die Extraktionshülse. Die im
jeweiligen Lösemittel löslichen Bestandteile werden in ebenjenes überführt. Hat sich genug
Lösemittel in und um die Extraktionshülse gesammelt, so fließt es wieder zurück in den Kolben,
um dort wiederum zu kondensieren, sich wieder in der Extraktionshülse zu sammeln und die
Steviablätter so effektiv wie möglich auszulaugen, um entsprechend eine größtmögliche Menge
an Stevia zu extrahieren.
55
Nach drei Überlaufperioden wird die Extraktion beendet, der Rundkolben aus der Apparatur
entfernt, in die Destillationsapparatur überführt und dort nahezu vollständig destilliert, um
möglichst wenig Lösemittel zu behalten.
56
8.4 Auswertung
Für die Extraktion mit Ethanol als Lösemittel wurden 5,02 g der zuvor gemörserten Blätter
eingesetzt, während in die Extraktionshülse der Extraktion mit Wasser mit 5,06 g eine
äquivalente Menge eingesetzt wurde.
Das bei der Extraktion gewonnene Extrakt unterscheidet sich zwischen den Lösemitteln deutlich.
Während Ethanol als Lösemittel eine grünliche Flüssigkeit lieferte, hatte das durch Wasser als
Lösemittel erhaltene Extrakt ein bräunliche Farbe und enthielt braune Stückchen, welche sich
von der Extraktionshülse nach zu starkem Erhitzen ebenjener ablösten.
Durch Ethanol konnte demnach der grüne Farbstoff der Blätter, Chlorophyll extrahiert werden,
während sich anhand des Extrakts durch Extraktion mit Wasser keine vorläufigen Schlüsse auf
dessen Inhaltsstoffe ziehen lassen.
Das durch Ethanolextraktion gewonnene Extrakt wurde in eine Vakuumdestillation überführt, wo
ein Großteil des Lösemittels entfernt und so 7,5 ml Extrakt gewonnen wurde.
Das durch Destillation mit Wasser gewonnene Extrakt wurde mit Stickstoff gefriergetrocknet, da
Wasser mittels Vakuumdestillation nicht zu destillieren ist. Auf diese Weise ließen sich 1,53 g
festes Extrakt gewinnen, was bei der eingesetzten Menge ungefähr 30 % entspricht, wenn man
davon ausgeht, dass das Lösemittel Wasser nahezu vollständig entzogen wurde. Bei einer
anzunehmenden Menge von 7% von Steviosid in getrockneten Steviablättern entspricht das einer
anzunehmenden Masse von 0,11 g Steviosid im Extrakt.
Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass sich Steviosid, der eigentliche Süßstoff der für die
Süßkraft des Stevias verantwortlich ist, eher in Wasser gelöst hat, da es sich um eine polare
Substanz handelt.
57
8.5 Diskussion und Fehlerbetrachtung
Bei der Extraktion mit Wasser mussten zusätzlich 50 ml Wasser hinzugegeben werden, da die
Extraktion kaum voranschritt.
Generell lässt sich sagen, dass eine Extraktion für die angenommene Ausbeute an Steviosid sehr
aufwändig und zeitintensiv ist. Es ist außerdem auf eine ausreichende Wärmeisolation zu achten,
damit die Extraktion schnellstmöglich voranschreitet.
Durch Einsatz eines Bunsenbrenners zur Beschleunigung der Extraktion mit Wasser wurde die
Extraktionshülse beschädigt, sodass ein Teil davon ebenfalls im Extrakt landete, wodurch eine
noch geringere Ausbeute an Steviosid anzunehmen ist.
Sollte eine Extraktion mittels Ethanol möglich sein, so wäre es ebenfalls von großer Bedeutung,
dass Ethanol vollständig abzutrennen, da es gilt, ein für den Menschen unbedenkliches Produkt
zu erhalten.
58
8.6 Zusammenfassung
Das natürliche aus Steviapflanzen gewinnbare Extrakt stellt ein komplexes Gemisch aus
verschiedenen Stevioglykosiden dar. Am süßesten schmeckt Rebaurosid A, weshalb man an
diesem besonders interessiert ist, da es ebenfalls keine bittere Geschmacksnote aufweist.
Andere Stevioglykoside hingegen schmecken zum Teil bitter, worauf der menschliche
Geschmackssinn jedoch empfindlich reagiert, weshalb es nötig ist, diese abzutrennen.
Die Aufreinigung des Stevia-Rohextraktes zur Erhaltung des süßen Rebaurosid A, bedingt den
hohen Preis des käuflichen Stevias, da dieses Verfahren sehr kostenintensiv ist.
Eine denkbare Alternative hingegen ist die direkte Verwendung der getrockneten und
zerriebenen Blätter für die Zubereitung von Speisen. So würde man ein natürliches Produkt frei
von Chemikalien nutzen.
Aufgrund der reinen Extraktion mit anschließender Destillation lassen sich kaum Schlüsse auf
die Inhaltsstoffe ziehen. Lediglich eine Extraktion von Chlorophyll anhand von Ethanol ist zu
erwarten.
Die Frage nach einer geglückten Extraktion des Süßstoffes Stevia aus den Blättern der
zugehörigen Pflanze bleibt noch unbeantwortet und lässt sich erst nach einer anschließenden
Analyse durch Dünnschichtchromatographie beantworten.
Sollte es uns jedoch gelungen sein, Steviosid zu extrahieren, so nur eine sehr geringe Masse, was
den hohen Preis für käufliches Stevia von ca. 10 € für 50 g bei einem rund 96 prozentigem
Steviosidgehalt.
59
9 Dünnschichtchromatographie 9.1 Vorwort
Bevor sich die bereits bei der Extraktion aufgekommene Frage beantworten lässt, muss zunächst
ein qualitativer Vergleich aus erhaltenem Extrakt und käuflich erwerblichem, reinen Stevia
angestellt werden, indem eine chromatographische Auftragung durchgeführt wird.
Ließ sich das Stevia extrahieren?
Falls nicht, was wurde dann extrahiert und wo genau liegt der Fehler?
Bereits in der Vorgehensweise der Extraktion oder erst in der anschließenden Auftragung?
60
9.2 Theoretische Grundlagen
Dünnschichtchromatographie (DC) ist ein physikalisches Trennverfahren welches auf den
Wechselwirkungen (Adhäsion und Kohäsion) zwischen mobiler, flüssiger und stationärer, fester
Phase beruht.
Die stationäre Phase bildet die DC-Platte, welche mit Kieselgel beschichtet ist. Auf dieser wird
die aufzutrennende Substanz aufgebracht. Das Lösemittel, die mobile Phase, wandert aufgrund
von Kapillarkräften entlang der DC-Platte nach oben und ermöglicht so die Auftrennung der
Substanz.
Dabei treten Adhäsion und Kohäsion in Konkurrenz zueinander und bestimmen einerseits,
inwiefern das Lösemittel entlang der DC-Platte läuft und andererseits wie weit und ob eine
Substanz, bzw. dessen einzelne Bestandteile mit der mobilen Phase wandern.
Adhäsion bezeichnet dabei die Wechselwirkung zwischen zwei unterschiedlichen Phasen,
während Kohäsion die Wechselwirkung zwischen den Atomen eines Moleküls bzw. den
Molekülen einer Substanz beschreibt.
Demnach hängt das Wanderungsverhalten also von der Art des Schichtmaterials, als auch von
Fließmittel und Teilchenart.
Da sich „ähnliches am liebsten in ähnlichem“ löst, wählt man also für die Auftrennung polarer
Substanz ein polares Lösemittel, für unpolare ein unpolares und für ein Gemisch ebenfalls ein
geeignetes Lösemittelgemisch.
Nach ausreichender Auftrennung durch Wanderung der mobilen Phase lässt sich dann ein
substanzspezifischer Retentionsfaktor (Rf-Wert) bestimmen, der jedoch vom
chromatographischen System abhängig ist. Er ergibt sich als Quotient aus der Laufstrecke der
jeweiligen Substanz durch die gesamte Laufstrecke, ist also 1≤ .
Durch diesen Wert lässt sich das Chromatogramm auswerten und ein Vergleich zwischen zu
analysierendem Substanzgemisch und beinhalteten Reinsubstanzen anstellen.
61
9.3 Relevante Formeln
Rf-Wert: f
x
S
SRf = (1)
mit:
xS = Laufstrecke der Reinkomponente
fS = Laufstrecke des Fließmittels
62
9.4 Apparaturbeschreibung und Versuchsdurchführung
Zunächst werden vier DC-Platten für die zwei zu untersuchenden Substanzen präpariert.
Am unteren Rand jeder DC-Platte (ungefähr ein Zentimeter über der untersten Kante) wird ein
waagerechter, dünner Bleistiftstrich gezogen. Er markiert die Startlinie. Auf ihr werden zwei
senkrechte, kurze Striche mit ausreichend Abstand zum Rand und zueinander (je mind. zwei
Zentimeter) gezogen, damit die Auftragung der Substanz einfacher und genauer ist und die
Substanzen sich nachher nicht vermischen.
Mit Hilfe einer Kapillare wird nun auf jeweils zwei DC-Platten ein kleiner, intensiver Tropfen
des Extraktes durch Extraktion mit Ethanol bzw. mit Wasser auf die jeweils linke Position
gegeben.
Auf der rechten Position wird je nach des bei der Extraktion verwendeten Lösemittels ein kleiner,
intensiver Tropfen des darin gelösten, reinen Stevias als Referenz aufgetragen. Jeweils ca. 1 ml
von Probe und Referenz sollten genügen.
Anschließend werden je zwei Bechergläser mit Essigsäureethylether bzw. Petrolether ca. 0,5 cm
hoch befüllt, die DC-Platten senkrecht zum Lösemittel in die Bechergläser gestellt und diese mit
Alufolie geschlossen, um ein Verdunsten des Lösemittels zu verhindern.
Dabei kommen die DC-Platte, auf denen das durch Extraktion mit Ethanol erhaltene Extrakt
aufgetragen wurde einmal in Essigsäureethylether und einmal in Petrolether.
Genauso wird mit den anderen beiden DC-Platten verfahren.
Das Lösemittel steigt nun entlang der DC-Platten nach oben (Siehe Abbildung 9.1).
Abbildung 9.1: Versuchsaufbau zur Dünnschichtchromatographie
Die Platten werden aus dem Becherglas entfernt, sobald das Lösemittel ungefähr einen
Zentimeter von der oberen Kante entfernt ist.
Es wird wiederum ein waagerechter Strich gezogen, welcher die Fließmittelfront markiert.
63
Wenn das Fließmittel vollständig verdunstet ist, werden die Platten unter UV-Licht gelegt, um
die Position der aufgetrennten Substanzkomponenten sichtbar zu machen. Die Flecke werden mit
Bleistift umrandet und man erhält ein zu Abbildung 9.2 analoges Chromatogramm.
Abbildung 9.2: Aufbau eines Chromatogramms
Es werden abschließend die Länge der Fließmittelstrecke und die von der Substanz gelaufene
Strecke bestimmt, wobei der Wert von der Startlinie senkrecht hinauf zum Fleckmittelpunkt
gemessen wird, um daraus den Rf-Wert ermitteln zu können.
64
9.5 Auswertung
Nach durchgeführter Dünnschichtchromatographie ließen sich die in Abbildung 9.3 dargestellten
Chromatogramme erhalten. Um möglichst alle aufgetrennten Substanzen sichtbar zu machen,
wurden die DC-Platten ebenfalls mit Licht der Wellenlänge 365 nm und 254 nm bestrahlt.
Abbildung 9.3: oben: Chromatogramm unter Bestrahlung mit UV-Licht (links: 365 nm;
rechts: 254 nm)
unten: Chromatogramm ohne UV-Bestrahlung
Offensichtlich eignet sich Petrolether nicht als Laufmittel zur Auftrennung des gewonnen
Extrakts, da keine Substanzflecke sichtbar geworden sind. Es ist scheinbar zu apolar, um die
wasser-/ethanollöslichen Extrakte zum Laufen zu bewegen.
Des Weiteren zeigt die Auftragung des käuflich erwerblichen Steviosids, unabhängig von
getestetem Löse- und Laufmittel kein sichtbares Resultat, weswegen keine Aussage über den
Inhalt von Steviosid in dem gewonnenen Extrakt möglich ist. Dies könnte durch eine
unzureichend aufgetragene Menge an Referenz begründet sein.
Durch Essigsäureethylether konnten sowohl das durch Wasser, als auch das durch Ethanol als
Lösemittel erhaltene Extrakt aufgetrennt werden.
Nach Gleichung (1) lassen sich die Rf-Werte bestimmen. Dabei konnte eine Komponente des
durch Wasser gewonnene Extrakt aufgetrennt werden, während es bei dem durch Ethanol
gewonnene Extrakt in drei Komponenten aufgetrennt werden.
65
• durch Wasser gewonnenes Extrakt
09,05,5
5,0===
cm
cm
S
SRf
f
x
• durch Ethanol gewonnenes Extrakt (die einzelnen aufgetrennten Substanzen werden von unten
nach oben durchnummeriert)
92,03,5
9,4
71,03,5
75,3
11,03,5
6,0
3
2
1
===
===
===
cm
cm
S
SRf
cm
cm
S
SRf
cm
cm
S
SRf
f
x
f
x
f
x
Da sich kein Vergleichswert für die Dünnschichtchromatographie von Stevioglykosid in
Essigsäureethylether oder Petrolether finden ließ, können die Versuchsergebnisse nicht
angemessen ausgewertet werden. Auch für Chlorophylle, Carotine oder Carotinoide finden sich
keine Vergleichswerte für die Dünnschichtchromatographie in Essigsäureethylether, weshalb es
reine Spekulation bleibt, dass Chlorophylle (grüner Fleck), Carotine oder Carotinoide (orangene
Flecke) extrahiert wurden.
66
9.6 Diskussion und Fehlerbetrachtung
Es wäre sinnvoll gewesen, zunächst Testreihen mit den Referenzsubstanzen durchzuführen, um
die nötige Menge zu quantisieren, ab der etwas auf den DC-Platten sichtbar wird. Auch der
Einsatz alternativer Laufmittel könnte hilfreich sein, da die im Versuch eingesetzten
offensichtlich keine gewünschten Resultate lieferten. Möglicherweise hätten sich Aceton oder
Methanol aufgrund ihrer Polarität oder aber ein Lösemittelgemisch, was eigentlich häufig in der
Dünnschichtchromatographie zum Einsatz kommt, besser geeignet.
Ebenfalls denkbar ist, dass die verwendeten DC-Platten bzw. deren Beschichtung ungeeignet
waren und man ebenfalls Alternativen hätte testen müssen. Also die im Versuch mit Kieselgel
beschichteten Platten z.B. durch mit Cellulose oder Aluminiumoxid beschichtete Platten zu
ersetzen.
Durch die breiten Banden des Chromatogramms des durch Wasser gewonnen Extrakts und des
ersten Substanzflecks auf dem durch Auftragung von Ethanol gewonnenem Extrakts, ist es
möglich, dass es sich um die gleichen Substanzen handelt.
Auch eine mangelnde Auftragung von Reinsubstanzen (z.B. Chlorophyll) verhindert eine
ausreichende Auswertung des Chromatogramms.
Da das käuflich erwerbliche Steviosid in keinem der getesteten Laufmittel keine Bande zeigte,
hätte ein anderes Laufmittel oder ein Gemisch herangezogen werden können.
67
9.7 Zusammenfassung
Anhand der durchgeführten Chromatographie bleibt ungeklärt, ob das Steviosid extrahiert
werden konnte.
Es war jedoch möglich, andere Bestandteile aufzutrennen, wobei ungeklärt bleibt, um welche es
sich dabei genau handelt. Aufgrund der farblichen Erscheinung lässt sich nur vermuten, dass es
Chlorophylle, Carotine oder Carotinoide sind.
Durch Einsatz anderer Laufmittel und DC-Platten könnte es möglich sein, das Steviosid
chromatographisch aufzutrennen.
Sollte das Problem bereits in der durchgeführten Extraktion liegen, so wäre eine Extraktion auf
der Basis anderer Lösemittel durchzuführen.
Zeigt dies auch kein gewünschtes Resultat, so handelt es sich bei der Extraktion wahrscheinlich
um ein schwierigeres Extraktionsverfahren, was den Preis des Steviosids erklären würde.
68
10 Zusammentragung der gewonnen Erkenntnisse
Die Auseinandersetzung mit Zuckerersatzstoffen brachte uns viele neue Erkenntnisse.
Aus der körpereigenen Verbrennung von Zuckerersatzstoffen lässt sich teilweise nur ein
Bruchteil des eigentlichen Brennwertes erhalten. Man spricht von physikalischem und
physiologischem Brennwert. Da jeder Mensch jedoch ein nötiges Maß an Energie benötigt, sollte
dieser Bedarf bei einer unzureichenden Ernährung auf Basis von Zuckerersatzstoffen durch den
Konsum von ausreichend Eiweißen und Fetten kompensiert werden.
Des Weiteren zeigen die untersuchten Saccharosealternativen unterschiedliche Auswirkungen auf
Escherichia coli, unsere Darmbakterien.
Da die Süßstoffe Cyclamat und Stevia praktisch keine physiologischen Brennwerte aufweisen,
stellen sie auch keine geeignete Energiequelle für E. coli Bakterien dar. Die Konzentration in der
Darmflora könnte bei einer dauerhaften Ernährung auf dessen Grundlage abnehmen und diese so
schädigen. Mit Fructose als Energielieferant wachsen die Bakterien so schnell, dass ebenfalls ein
erhöhtes Gesundheitsrisiko bestehen könnte. Lediglich Xylitol scheint neben Saccharose einen
geeignetes Maß an Energie zu liefern, sodass die Bakterien in einem für den Menschen
unschädlichen Umfang wachsen.
Um auf die Ausgangsfrage zurück zu kommen, ist bei einer Ernährung auf der Basis von
Zuckerersatzstoffen auf verschiedene Dinge zu achten. Zuckeraustauschstoffe (wie z.B. Xylitol)
scheinen im Gegensatz zu den Süßstoffen (z.B. Cyclamat und Stevia) eine magenverträgliche
Alternative zu sein. Jedoch kann eine große Menge an Zuckeraustauschstoffen abführend wirken.
Süßstoffe hingegen haben praktisch keine Kalorien, keine Beeinträchtigung auf den
Blutzuckerspiegel und eine erheblich höhere Süßkraft als Zucker, scheinen aber auf Grundlage
unserer Versuche bei dauerhafter Einnahme die Darmflora zu schädigen und eine toxische
Wirkung zu besitzen.
Grundsätzlich gilt, dass man Saccharose durchaus mit einer geeigneten Alternative ersetzen
kann. Unter Beachtung der Vor- und Nachteile und ohne übertriebenen Zuckerkonsum, kann
jeder seine Ernährung auf den passenden Ersatzstoff umstellen.
Ein weiterer Versuch anhand von Steviablättern zeigte, dass sich nicht alles Alternativen zu
Saccharose ohne weiteres synthetisieren lassen, weshalb teilweise sehr hohe Anschaffungskosten
entstehen.
69
11 Ausblick und abschließende Worte
Die Industrie bietet uns die Möglichkeit den üblichen Haushaltszucker mit einer Vielzahl an
Zuckerersatzstoffen auszutauschen. Dabei können Kalorien gespart oder sogar Kariesbefall
eingedämmt werden. „[…] Bekannt und belegt ist [jedoch], dass sämtliche Süßstoffe im Kampf
gegen Übergewicht und Fettleibigkeit scheitern. Und zwar unabhängig davon, ob sie nun
annähernd natürlichen Ursprungs oder rein synthetisch sind. Der Verzicht auf Zucker durch
Ersatzstoffe reicht allein nicht aus, um die Fettpolster schrumpfen zu lassen. Das schafft nur eine
ausgewogene Kombination aus Bewegung und grundsätzlicher Ernährungsumstellung.“ (aus
Zeit-Online).
Jedoch ist man sich kaum über die Folgen des (übermäßigen) Verzehrs solcher Ersatzstoffe
bewusst.
Ebenso ist die Unkenntnis groß, ob diese den Körper eventuell längerfristig schädigen oder gar
Auslöser für Krankheiten sind.
Für zukünftige Forschungen und Studien in diese Richtungen, sollten deshalb besonders die
Langzeitauswirkungen einer Ernährung auf der Basis von Zuckerersatzstoffen im Fokus stehen.
Ein weiterer Aspekt ist die Kostenoptimierung. Der Verbraucher zahlt große Summen an die
Zuckerersatzstoffindustrie, da sich bis heute die Ausbeute aus den Rohstoffen kaum verändert
hat.
Eine Optimierung der Herstellungsmethoden von Zuckerersatzstoffen könnten die
Vertriebskosten senken und den Verbraucher finanziell entlasten und somit eine Ernährung auf
dessen Grundlage für jeden ermöglichen.
Das Modul erlaubte uns, Chemie auch außerhalb des eigentlichen Studiums kennen zu lernen
und selbst zu entdecken. Es wurde uns das eigenständige Arbeiten im Labor mit vielseitigen
Hilfsmitteln und Substanzen näher gebracht. Der Umgang mit selbst gewählten Fragestellung
schuf ein Gefühl für die Herangehensweise an der Lösung dessen anhand von Experimenten.
Fähigkeiten, die für unsere spätere Studien- und Berufszeit einmal von großer Bedeutung sein
könnten.
In diesem Sinne möchten wir uns für die gute Betreuung bei allen Tutoren bedanken. Dabei gilt
es besonders dem Team Prof. Friedrich und Dr. Schmitt zu danken, denn ohne sie wäre die
Umsetzung und Verwirklichung unseres Themas nicht möglich gewesen.
70
12 Quellenangabe
- „Lehrbuch der Organischen Chemie“, Beyer, Walter, 23. Auflage, S. Hirzel Verlag Stuttgart
- „Chemie Oberstufe Gesamtband“, 1. Auflage, Cornelsen Verlag / Volk und Wissen Verlag
- „Echt künstlich“,Hans-Ulrich Grimm, 1.Auflage 2007, S.45-55, 133f, 167-176
- „Lehrbuch der Lebensmittelchemie“, H.-D. Belitz, W. Gosch, P. Schieberle, 6. Auflage,
Springer 2008, S. 63f.
- „Handbuch Süßungsmittel: Eigenschaften und Anwendung“, G.-W.R. Lipinski, H. Schiwek,
Behr's Verlag DE, 1991, S. 459–461
- Praktikumsskripte des Physikalisch-chemischen Grundpraktikums der TU Berlin
- Verbrennungsenergie
- Homogenes Gleichgewicht
- Dokumentation WDR: „Mogelpackung: Zuckerersatzstoffe“ am 19.8.2014 18.20-18.50, WDR
- http://www.steviaratgeber.de am 10.10.14
- http://www.diabetis-ratgeber.net am 10.10.14
- http://www.zuckerinfo.de am 14.10.14
- http://www .seilnacht.com/chemikaliendatenbank am 25.10.14
- http://www.roemp.thieme.de/suessstoffe am 25.10.14
- http://www.bmel.de/DE/Ernaehrung/SichereLebensmittel/SpezielleLebensmittelUndZusaetze/
NovelFood/_Texte/DossierNovelFood.html?nn=620022¬First=true&docId=751940
am 30.10.14
- http://www.vis.bayern.de/ernaehrung/lebensmittel/gruppen/stevia.htm am 01.11.14
- http://www.vis.bayern.de/ernaehrung/lebensmittel/gruppen/zucker.htm am 01.11.14
- http://www.onmeda.de/krankheitserreger/escherichia.html am 11.01.15
- http://www.chempage.de/Tab/thermo.htm am 22.01.15