Experimentalvortrag OC Alginate und Carrageenane Andrea Ost Gliederung

Experimentalvortrag OC Alginate und Carrageenane Andrea Ost

Gliederung 1. Algen – eine kleine Einführung 2. Alginat – – Gewinnung Aufbau Eigenschaften Anwendung 3. Carrageenan 4. Schulrelevanz 2

1. Algen – eine kleine Einführung Algen • Definition: ein- bis vielzellige, im Wasser lebende, eukaryontische, pflanzenartige Lebewesen mit etwa 80000 Arten => unglaubliche Vielfalt! • Einzeller • Mehrzeller Kieselalge Schraubenalge 3

1. Algen – eine kleine Einführung Algen • Vielzeller – ähnlicher Aufbau wie Landpflanzen (Wurzel, Spross, Blätter) • älteste Pflanzen unseres Planeten • betreiben Photosynthese – enorm wichtige Sauerstoffproduzenten! Riesentang • Verwendung: Nahrungsmittel und industriell • „Wichtigster Rohstoff der Zukunft“ 4

1. Algen – eine kleine Einführung Demo 1 Haptischer Vergleich 5

1. Algen – eine kleine Einführung Beobachtungen • Landpflanze: - feste, starre Struktur - bricht bei Krafteinwirkung • Alge: - flexible Struktur - sehr biegsam - glibberig, schleimig => Was verursacht diesen Unterschied? 6

2. Alginat Festigkeit der Landpflanzen • Gerüstsubstanz: Cellulose-Moleküle => Ausbildung von Wasserstoff-Brückenbindungen 7

2. Alginat Zusammenlagerung zu Strängen durch H-Brücken 8

2. Alginat Flexibilität der Braunalgen • Zellwände bestehen auch aus Cellulose • Aber: Einbettung in Alginate (gelöst oder in Gelform) Was sind Alginate? Kurzdefinition: „Alginate sind Polysaccharid-Derivate, die als Strukturkomponenten in den Zellwänden von Braunalgen vorkommen. “ 9

2. Alginat - Gewinnung Ernte der Braunalgen Ausfällen mit konz. Ca. Cl 2 – Lsg Fester Rückstand: Calciumalginat Behandlung mit verd. HCl (aq) In Lösung: Natriumalginat Waschen mit verd. ethanol. HCl (aq) Fester Rückstand: Alginsäure Behandlung mit verd. Na 2 CO 3 – Lsg Fester Rückstand: Wasserhaltige Alginsäure 10

2. Alginat - Aufbau Bausteine der Alginate: β-D-Mannuronat α-L-Guluronat • Verknüpfung: β-1, 4 - bzw. α-1, 4 -glycosidisch • Monosaccharideinheiten pro Makromolekül: 100 -3000 • Gegenionen: Alkali- und Erdalkalimetallkationen 11

2. Alginat - Aufbau Was sind Uronate? • Uronate sind Salze der Uronsäuren • Uronsäuren entstehen aus Oxidation der endständigen CH 2 OH-Gruppe von Aldosen (min. 4 C-Atome) D-Mannose D-Mannuronsäure D-Mannuronat 12

2. Alginat - Aufbau Struktur der Polysaccharidmoleküle • 1, 4 verknüpftes β-D-Mannuronat (MM-Block) • 1, 4 verknüpftes α-L-Guluronat (GG-Block) 13

2. Alginat - Aufbau Polysaccharidmoleküle • Alternierende Sequenzen (MG- und GM-Blöcke) 14

2. Alginat - Eigenschaften • Stabilisieren Emulsionen und Suspensionen • Bilden Gele • Physiologisch unbedenklich => als Lebensmittelzusatzstoffe zugelassen E 400 Alginsäure E 401 Natriumalginat E 402 Kaliumalginat E 403 Ammoniumalginat E 404 Calciumalginat E 405 Propylenglykolalginat 15

2. Alginat - Eigenschaften Versuch 1 Salatsoße 16

2. Alginat - Eigenschaften Salatsoße • Emulsion (Öl in Wasser) • Suspension (Kräuter in Öl und Wasser) Kräuter Entmischen Öl Kräuter Wasser Öl Wasser 17

2. Alginat - Eigenschaften Stablisierende Wirkung des Alginats 1. Alginat erhöht Viskosität der wässrigen Phase => Kinetischer Effekt 2. Bildung von elektrisch geladenen Filmen an den Berührungsflächen • Alginat: kein typisches grenzflächenaktives Molekül • Polare Carboxylat-Gruppen • Nicht völlig unpolarer Rest • Trotzdem: Ausrichtung kommt zustande => Dispergierte Tropfen/Teilchen stoßen sich ab 18

2. Alginat - Eigenschaften Öl-Tröpfchen/ Feststoff-Partikel Alginat-Molekül mit Polyanionencharakter 19

2. Alginat - Eigenschaften Molekulare Küche • Bedient sich des Alginats und seiner Eigenschaften Ferran Adrià • Spanischer Koch • Eigenes Restaurant „El Bulli“ • „Die magischen Gerichte sind jene, die einen ekelhaft finden und die anderen fantastisch. “ (F. Adrià) „Ferran Adrià gilt als der innovativste, der kreativste, der verrückteste Koch auf Erden. “ (Die ZEIT) 20

2. Alginat - Eigenschaften Versuch 2 Herstellung von Melonenkaviar 21

2. Alginat - Eigenschaften Herstellung von Kaviar • Gelbildung beginnt sofort beim Eintauchen der Natriumalginat-Tropfen in die Ca. Cl 2 – Lösung • Kurze Aushärtungszeit: nicht durchhärten lassen! Natriumalginat Lösung Ca. Cl 2 – Lösung Calciumalginat 22 Gel

2. Alginat - Eigenschaften Gelbildung • Verantwortlich sind Polyguluronat-Sequenzen • Durch Chelatisierung von Ca 2+-Ionen Zusammenlagerung der GG-Blöcke zweier Moleküle • Ca 2+-Ionen in entstandenen Hohlräumen von 10 Sauerstoffatomen koordinativ gebunden 23

2. Alginat - Eigenschaften Gelbildung Schematisch Ca 2+Ionen Natriumalginat - Sol Calciumalginat - Gel inkohärent 24

2. Alginat - Anwendungsgebiete Papierindustrie Lebensmittel industrie Wasser aufbereitung Textilindustrie Alginate Biotechnologie Medizin Kosmetik Pharmazie 25

2. Anwendungsgebiete Demo 2 Restrukturierte Paprika 26

2. Alginat - Anwendungsgebiete Anwendungsgebiet Pharmazie • Alginat zur Herstellung eines Medikaments gegen Sodbrennen • Rückfluss von Magensaft in die Speiseröhre durch Fehlfunktion des Schließmuskels • Magensaft: p. H 0, 9 bis 1, 5 – Greift Schleimhaut an – Brennende Schmerzen in der Speiseröhre – Entzündungen, Geschwüre, Blutungen – Vorstufe von Krebs durch Schleimhautveränderung 27

2. Anwendungsgebiete Versuch 3 Alginatmedikament gegen Sodbrennen 28

2. Alginat - Anwendungsgebiete Reaktionsgleichung (exemplarisch für MM-Blöcke) Poly-β-D-Mannuronat Poly-β-D-Mannuronsäure 29

2. Alginat - Anwendungsgebiete Reaktionsgleichung ↑ ↑ • Entstandenes CO 2 wird im Gel mit eingeschlossen und verschafft Auftrieb! 30

2. Alginat - Anwendungsgebiete Vorteile Nachteile Wirksamer Schutz vor Reflux (mech. Barriere) Kein optimaler Schutz in der Nacht Keine Nebenwirkungen Einnahme nach dem Essen Schnelle Wirkung Langanhaltender Schutz Alginatmedikament „verschließt“ Mageneingang 31

2. Alginat Anwendungsgebiet Medizin Zahnmedizin nutzt Alginat für Zahnabdrücke • Dentalabdruckmasse auf Alginat- Basis seit 1942 auf dem Markt • Einfache Handhabung (Anrühren mit Wasser) • Kurze Wartezeit durch schnelle Gelbildung • Gesundheitlich unbedenklich • Keine Schleimhautreizung • Kostengünstig • Inhaltsstoffe: Alginat, Ca. SO 4. H 2 O, Na 4 P 2 O 7, Zn. O, Kieselgur 32

2. Anwendungsgebiete Versuch 4 Dentalabdruck 33

2. Alginat - Anwendungsgebiete Reaktionsgleichungen Verzögerung der Ca 2+– Freisetzung durch den Retarder ↓ Kontrollierte Bildung des Calciumalginat – Gels p. H- Modifikator Zn. O 34

2. Alginat - Anwendungsgebiete Anwendungsgebiet Medizin Wundauflagen aus Calciumalginat - Fasern • Herstellung: Einbringen von Na-Alginat durch feine Düsen in ein Ca. Cl 2 -Bad, Verweben der Fasern • Zur Behandlung von nässenden/blutenden Wunden • Fasern nehmen Wundflüssigkeit auf und quellen • Austausch der Calcium- durch Natrium-Ionen • Durch Gemisch von Alginat-Sol und -Gel ideales Milieu für Heilung • Kein Verkleben mit der Wunde • Leichtes Entfernen 35

2. Alginat - Anwendungsgebiete Wundauflagen aus Calciumalginat - Fasern Hydrophile Ca. Alginat-Fasern Gelbildung Quellvorgang 36

2. Anwendungsgebiete Demo 3 Alginat – Wundauflage 37

2. Alginat - Anwendungsgebiete Nachweis des Alginats in der Wundauflage 1. Schritt Calciumalginat - Gel Alginsäure - Gel 38

2. Alginat - Anwendungsgebiete Nachweis des Alginats in der Wundauflage 2. Schritt Alginsäure - Gel ↑ Alginat - Lösung 39

2. Alginat - Anwendungsgebiete Nachweis des Alginats in der Wundauflage 3. Schritt Alginat - Lösung Calciumalginat - Gel 40

2. Alginat - Anwendungsgebiete Anwendungsgebiet Biotechnologie • Immobilisierung von Biokatalysatoren – Biokatalysatoren werden „[. . . ] unter Erhalt ihrer Aktivität [. . . ] mit chemischen und/oder physikalischen Methoden [. . . ] in einem definierten Raumbereich so festgehalten [. . . ], daß Mehrfachverwendung bzw. Dauereinsatz möglich wird [. . . ]“ (Gomoll/Berger 1994, S. 449). • Matrixeinschluss in Calciumalginat – Gel • Engmaschig genug, um Auswaschung zu verhindern • Diffusion von Substrat und Reaktionsprodukt nahezu unbehindert 41

2. Alginat - Anwendungsgebiete Anwendungsgebiet Biotechnologie Immobilisierung von Hefe-Zellen Alginat - Lösung Calciumalginat - Gel 42

2. Anwendungsgebiete Versuch 5 Schaumweinherstellung 43

2. Alginat - Anwendungsgebiete [Invertase] Saccharose α-D-Glucopyranose (18%) β-D-Fructofuranose (16%) β-D-Glucopyranose (32%) β-D-Fructopyranose (34%) 44

2. Alginat - Anwendungsgebiete Glykolyse Pyruvat α-D-Glucose Pyruvat. Decarboxylase Alkohol. Dehydrogenase 45

2. Alginat - Anwendungsgebiete Gesamtgleichung: Hefe, 37°C ↑ Nachweis von Kohlendioxid: ↓ 46

2. Alginat - Anwendungsgebiete Anwendungsbeispiele • Flaschengärung – Abtrennung der Hefe nach Gärung aufwendig – Alginatperlen leicht abtrennbar, keine Trübung • Behandlung von Diabetes – Insulinproduzierende Inselzellen in Mikrokapseln – Immobilisation bietet Schutz vor Angriff durch körpereigene Immunzellen – Ende der täglichen Insulin-Injektionen (? ) 47

3. Carrageenan • Polysaccharid – Derivat • Gewinnung aus Rotalgen • Eigenschaften: – Stabilisator – Gelbildner • Einsatzbereiche: – Lebensmittelindustrie (E 407) – Kosmetikindustrie – Pharmaindustrie Chondrus crispus Irish Moss 48

3. Carrageenan Aufbau • Alternierende Copolymere vom Typ (AB)n • Viele Carrageenan-Typen (hauptsächlich ι, κ, λ) Baustein A β-DGalactose. Sulfat Baustein B α-DGalactose. Derivat 49

3. Carrageenan Versuch 6 Nachweis von Carrageenan in Lebensmitteln 50

3. Carrageenan türkis blauviolett 51

4. Schulrelevanz Hessischer Lehrplan G 8 • 10 G Alkanole – alkoholische Gärung • GK 11. 2 Kohlenstoffchemie II (Polysaccharide) Korrelation Struktur und Eigenschaft Kohlenstoffchemie II (Gerüststoffe, nachwachsende Rohstoffe) • LK 11. 2 • LK 12. 1 Katalysatoren/ Enzymkinetik • GK/LK 12. 2 Grenzflächenaktive Stoffe, Nahrungsmittel, Umweltchemie 52