Die Kartoffel - eine tolle Knolle Experimentalvortrag von Isabelle Kuhn

Gliederung 1. Einleitung 2. Inhaltsstoffe 2.1 Wasser 2.2 Kohlenhydrate 2.3 Enzyme 2.4 weitere Inhaltsstoffe 3. Kartoffelprodukte 4. Schulrelevanz

1. Einleitung

Die Geschichte der Kartoffel 1. Einleitung Die Geschichte der Kartoffel Vom Alten Fritz, dem Preußenkönig, weiß man zwar viel, doch viel zu wenig. So ist es zum Beispiel nicht bekannt, daß er die Bratkartoffeln erfand! Drum heißen sie auch – das ist kein Witz – Pommes Fritz! Heinz Erhard Ursprung der Kartoffel: Südamerika Mitte des 16. Jhd.: spanische Seefahrer brachten Kartoffelknollen nach Europa Zu Beginn des 18. Jhd.: Kartoffeln als Nahrungsmittel 1756 erließ König Friedrich der Große von Preußen den staatlichen Befehl zum Kartoffelanbau

Heute: die Kartoffel auf allen Kontinenten (Anbau in 130 Ländern) 1. Einleitung Mitte des 19. Jhd.: Missernte führte in großen Teilen Europas zu Hungersnöten Ende des 19. Jhd.: Kartoffel beeinflusst Landwirtschaft Deutschlands und Europas Heute: die Kartoffel auf allen Kontinenten (Anbau in 130 Ländern) Herkunft: Anbau:

Botanik der Kartoffel weltweit 5000 kultivierte Sorten 1. Einleitung Botanik der Kartoffel weltweit 5000 kultivierte Sorten hinter Weizen und Reis am meisten produziertes Nahrungsmittel botanisch zählt die Kartoffel - Solanum tuberosum - zu den Solanaceen (Nachtschattengewächse) Kartoffel ist die Speicherknolle der Kartoffelpflanze

Beere oder „Kartoffelapfel“ 1. Einleitung Beere oder „Kartoffelapfel“ Blüte (zartblau, rosa oder weiß) Blätter Wurzeln Ausläufer mit neuen Knollen Mutterknolle

1. Einleitung Verwendung 25 % der Kartoffelernte gelangt direkt zum menschlichen Verzehr 25 % wird zu Stärke (Stärkekartoffeln) und Alkohol (Brennereikartoffeln) ca. 40 % Futterkartoffeln ca. 10 % Saatkartoffeln

1. Einleitung Verbrauch Hoher Konsum an Kartoffelchips, Pommes Frites, Kroketten, Fertig-Rösti und Trockenflocken Alternativen wie Reis und Teigwaren

1. Einleitung Was ist drin?

2. Inhaltsstoffe 2.1 Wasser

Demo 1: Dehydratisieren der Kartoffel 2.1 Wasser Demo 1: Dehydratisieren der Kartoffel Kartoffelscheiben wurden bei 100 °C in den Ofen gegeben... ...und alle 5 Minuten gewogen

2.1 Wasser Ausgangsgewicht 100 g Endgewicht 28 g 72 % Wasser enthalten

2. Inhaltsstoffe 2.2 Kohlenhydrate

Allgemeines Kohlenhydrate: Zusammensetzung aus unterschiedlicher Anzahl von Zuckern (Sacchariden) Man unterscheidet drei Arten von Kohlenhydraten: Monosaccharide (Grundbaustein der Mehrfachzucker): Glucose, Fructose, Galactose Disaccharide: Saccharose, Lactose, Maltose Polysaccharide: Stärke, Cellulose

Cellulose (Zellstoff) 2.2 Kohlenhydrate Cellulose (Zellstoff) Mengenmäßig wichtigste org. Verbindung (10 Billionen Tonnen / Jahr) Zellwände (Pflanzenzellen): unverdauliche Cellulose unverzweigte Poly[β-(1-4)-anhydro-D-glucopyranose]- Ketten Grundbaustein: Glucose

2.2 Kohlenhydrate Intramolekulare Wasserstoffbrücken Intermolekulare Wasserstoffbrücken Cellulose-Faser: durch Zusammenlagern vieler parallel liegender "Seile" aus Fibrillen

Versuch 1: Cellulosenachweis 2.2 Kohlenhydrate Versuch 1: Cellulosenachweis Blaufärbung der Cellulose durch Zinkchloridiod-Lösung Grund: Quellung der Fasern durch Zinkchlorid, Einlagerung von Iod-Molekülen zwischen den Fasern (CT-Komplex)

Stärke Wichtigstes Nahrungskohlenhydrat 2.2 Kohlenhydrate Stärke Wichtigstes Nahrungskohlenhydrat Reservekohlenhydrat der Pflanzen Stärkereich: Kartoffeln, Getreide und Bananen hochmolekulares Polysaccharid (Grundbaustein: Glucose)

Amylose - 20 % der Kartoffelstärke - 2.2 Kohlenhydrate Amylose - 20 % der Kartoffelstärke - α-1,4- glycosidische Verknüpfung Helikale Struktur Kolloidal in Wasser löslich

Amylopektin - 80 % der Kartoffelstärke - 2.2 Kohlenhydrate Amylopektin - 80 % der Kartoffelstärke - α-1,6- & α-1,4- glycosidische Verknüpfung Verzweigte Struktur In Wasser nicht löslich

Versuch 2 : Stärke-Nachweis - Schreiben auf der Kartoffel - 2.2 Kohlenhydrate Versuch 2 : Stärke-Nachweis - Schreiben auf der Kartoffel - Anode: Oxidation -1 ±0 2 I-(s/aq) I2 (aq) + 2 e- Es bilden sich Polyiodide ([I3]-, [I5]-, ...) I2 (aq) + I-(aq) [I3]-(aq) Kathode: Reduktion des Wassers +1 ±0 2 H2O + 2 e- H2 (g)↑ + 2 OH-(aq)

Iod-Stärke-Einschlussverbindung 2.2 Kohlenhydrate Grund für die Blaufärbung: Einlagerung der Polyiodide in die in der Kartoffel enthaltene Stärke Iod-Stärke-Einschlussverbindung (CT-Komplex)

Versuch 3: Säurehydrolyse der Stärke 2.2 Kohlenhydrate Versuch 3: Säurehydrolyse der Stärke

2.2 Kohlenhydrate H H O Die so entstehenden Bruchstücke nennt man Dextrine (können auch beim Erhitzen von Stärke entstehen (Röstdextrine) Braunfärbung)

mit Lugolscher Lösung bildet sich Iod-Stärke-Komplex 2.2 Kohlenhydrate Zu Beginn: 1. Es liegt Stärke vor mit Lugolscher Lösung bildet sich Iod-Stärke-Komplex 2. Es liegen keine Dextrine oder Glucosemoleküle vor Fehling-Reaktion negativ Gegen Ende: 1. Stärke wurde abgebaut Stärkenachweis negativ 2. Es entstehen Dextrine, Maltose und Glucose Fehling positiv

2 Cu2+(aq)+ 2 C4H4O6 2-(aq)+ 2 H2O [Cu2(C4H4O6)2(H2O)2]2-(aq) 2.2 Kohlenhydrate 2 Cu2+(aq)+ 2 C4H4O6 2-(aq)+ 2 H2O [Cu2(C4H4O6)2(H2O)2]2-(aq) blau (Kupfer(II)-Tatrat-Komplex) 2- +2 2 + 5 OH-(aq) +1 +2 Glucose (Aldose) (aq) blau +1 + Cu2O↓ + 2 C4H4O62- (aq) + 7 H2O +3 rot Glucoxylat Kupferoxid

Farbverlauf mit Lugolscher Lösung (Stärke wird abgebaut) Reaktionsverlauf Farbverlauf mit Fehling I und II (Dextrine, Maltose, Glucose entsehen) Reaktionsverlauf

Demo 2: Stärkeabbau durch Speichel 2.2 Kohlenhydrate Demo 2: Stärkeabbau durch Speichel Verdauung: beginnt im Mund Verdauungsenzyme (Amylase) bauen Nahrung ab Analog zur sauren Hydrolyse: Stärke Dextrine Amylase

Versuch 4: Stärkefolie Amylopektin: in kaltem Wasser unlöslich 2.2 Kohlenhydrate Versuch 4: Stärkefolie Amylopektin: in kaltem Wasser unlöslich quillt in heißem ab ca. 58 °C Verkleisterung (Kleister = kolloidale Lsg.) Kleister wird beim Abkühlen fest Glycerin: Weichmacher (Folie wird nicht spröde) ist hygroskopisch Austrocknen wird verhindert Stärkefolie bleibt geschmeidig

Stärke + Glycerin Stärke • Glycerin 2.2 Kohlenhydrate Glycerin schiebt sich zwischen die Stärke verhindert Bildung brüchiger Stärkekristalle Stärke + Glycerin Stärke • Glycerin + ΔH / H2O

Eigenschaften und Verwendung 2.2 Kohlenhydrate Eigenschaften und Verwendung Eigenschaften von Stärke: Kleben Binden und Verdicken Filmbildung Verwendung der Stärke: Nahrungsmittelindustrie: Bindemittel Herstellung von Papier, Wellpappe, Textilien, Arzneimittel, Baustoffe und Kunststoffe Biologisch abbaubares Material

2. Inhaltsstoffe 2.3 Enzyme

Versuch 5: Katalase H2O2: Abfallprodukt des Stoffwechsels 2.3 Enzyme Versuch 5: Katalase H2O2: Abfallprodukt des Stoffwechsels schädigt lebende Zellen Katalase: Kommt in allen Geweben vor Schutzvorrichtung: baut Wasserstoffperoxid zu ungefährlichen Verbindungen ab

eisenhaltiges Enzym, enthält eine Häm-Gruppe im aktiven Zentrum

Kiemer-Stein-Mechanismus: 2.3 Enzyme An das Eisenzentrum dieses Komplexes wird das H2O2- Molekül gebunden und dann gespalten. Kiemer-Stein-Mechanismus: „Oxoeisen(V)Ion“ [Fe3+]

Beim Erhitzen: Katalase denaturiert 2.3 Enzyme Beim Erhitzen: Katalase denaturiert Dadurch kann das Substrat nicht mehr angelagert werden die Reaktion läuft nicht mehr ab

Versuch 6: Enzymatische Bräunung der Kartoffel 2.3 Enzyme Versuch 6: Enzymatische Bräunung der Kartoffel Phenoloxidase löst das Braunwerden der Kartoffel durch Oxidation aus: + H2O Phenoloxidase Phenoloxidase Tyrosin Dopa Dopachinon

Melanine (braune Pigmente) 2.3 Enzyme Dopachinon Leukodopachrom Dopachrom und Indolchinone Polymerisation Melanine (braune Pigmente)

Unterdrückung der Bräunungsreaktion Ascorbinsäure: 2.3 Enzyme Unterdrückung der Bräunungsreaktion Ascorbinsäure: kräftiges Reduktionsmittel (Endiol-Struktur) reduziert gebildeten Chinone (keine Polymerisation) + 2 H+ + 2 e- +1 +2 ±1 Dopa Red. Ox.

2. Inhaltsstoffe 2.4 Weitere Inhaltsstoffe

Wichtige Inhaltsstoffe 2.5 weitere Inhaltsstoffe Wichtige Inhaltsstoffe Mineralstoffe: Kalium, Phosphor, Calcium Citronensäure Vitamin (B1, B2, C) Carotinoide Anthocyane (bei manchen Kartoffelsorten)

Versuch 7: Flammenfärbung 2.3 weitere Inhaltsstoffe Versuch 7: Flammenfärbung Energieschema h • c/λ = Lichtquant E 4p 4p 4p ∆ E h • c/λ Emission 4s 4s 4s Angeregter Zustand (K*) Grundzustand (K) Grundzustand (K)

2.5 weitere Inhaltsstoffe Demo 3: Anthocyane In roten oder violetten Kartoffeln sowie in Süßkartoffeln sind Anthocyane enthalten (z.B.: das Petunidin) Soda (Na2CO3): CO32– (aq) + H2O HCO3– (aq) + OH– (aq)

2.5 weitere Inhaltsstoffe

3. Kartoffelprodukte

3. Kartoffelprodukte Kartoffelprodukte Kartoffelpüree, -klöße, -chips, -puffer, Pommes, Kroketten, Gnocchi etc.

3. Kartoffelprodukte Versuch 8: Sulfit/Ascorbinsäure im Kartoffelpüree - oder warum das Kartoffelpüree aus dem Supermarkt nicht braun wird- Zutaten: Sulfit und Ascorbinsäure „binden“ Sauerstoff (verhindern so das Braunwerden der Kartoffel) z.B.: 2 SO32- (aq) + O2 (g) 2 SO42- (aq) Sulfit Sulfat +4 +6

Mit Stärke blauer Komplex 3. Kartoffelprodukte Allgemein: KI (aq) + I2 (aq) KI3 (aq) Sulfit: H2O + SO32- SO42- + 2 e- + 2 H+ I2 + 2 e- 2 I- ---------------------------------------------------------------------------- SO32- + I2 + H2O SO42- + 2 I- + 2 H+ Mit Stärke blauer Komplex + 4 + 6 ±0 -1 Ascorbinsäure: + I3-(aq) mit Stärke blau (CT-Komplex) + 2 H+(aq) + 3 I- (aq) +1 +1 +2 +2 Dehydroascorbinsäure

Demo 4: Kartoffelchips Einwaage je 10 g Normale Chips: 3. Kartoffelprodukte Demo 4: Kartoffelchips Einwaage je 10 g Normale Chips: Auswaage Fett: 3,42 g Fettgehalt laut Packung (in 100 g): 35 g Chips light: Auswaage Fett: 2,18 g Fettgehalt laut Packung (in 100 g): 21 g selbstgemachte Chips: Auswaage Fett: 0,25 g Klarer Sieger, guten Appetit!!!

4. Schulrelevanz

Sekundarstufe 1 (vereinzelt): 4. Schulrelevanz Grundschule: Kartoffelwoche Sekundarstufe 1 (vereinzelt): Flammenfärbung einmal anders (8. Klasse: Erdalkali- und Alkalimetalle) Kartoffelbatterie (8. Klasse: Ionenwanderung) Hauptbestandteil der Kartoffel Wasser (9. Klasse: Lebensgrundlage Wasser) Nitrate (9. Klasse: Salze)

von der Kartoffel zur Stärke Kartoffelchips (Fette) 4. Schulrelevanz Sekundarstufe 2: 11. Klasse: Naturstoffe von der Kartoffel zur Stärke Kartoffelchips (Fette) Aminosäuren, Proteine und Enzyme die abbaubare Folie (Alternativen zu Kunststoffen) 12. Klasse: Wahlthema angewandte Chemie Nahrungsmittel Umweltchemie Gefahrstoffe (Solanin und Acrylamid)

Gestaltung des Unterrichts nach Leitthemen besseres Verständnis 4. Schulrelevanz Allgemein gilt: Gestaltung des Unterrichts nach Leitthemen besseres Verständnis Thema Kartoffel bietet viele Einsatzmöglichkeiten fördert Verständnis zur: Ernährung Ökologische Bildung Umwelterziehung

Abschiedsworte an PELLKA Jetzt schlägt deine schlimmste Stunde, du Ungleichrunde, du Ausgekochte, du Zeitgeschälte, du Vielgequälte, du Gipfel meines Entzückens. Jetzt kommt der Moment des Zerdrückens mit der Gabel! Sei stark! ... Joachim Ringelnatz (1883 – 1931)