Experimentalvortrag OC Alginate und Carrageenane Andrea Ost

Gliederung Algen – eine kleine Einführung Alginat Carrageenan Gewinnung Aufbau Eigenschaften Anwendung Carrageenan Schulrelevanz

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

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

1. Algen – eine kleine Einführung Demo 1 Haptischer Vergleich

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

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

Zusammenlagerung zu Strängen durch H-Brücken 2. Alginat Zusammenlagerung zu Strängen durch H-Brücken

Flexibilität der Braunalgen 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.“

Gewinnung Ernte der Braunalgen Behandlung mit verd. HCl (aq) 2. Alginat - Gewinnung Gewinnung Ernte der Braunalgen Behandlung mit verd. HCl (aq) Fester Rückstand: Alginsäure Ausfällen mit konz. CaCl2 – Lsg Behandlung mit verd. Na2CO3 – Lsg In Lösung: Natriumalginat Fester Rückstand: Calciumalginat Waschen mit verd. ethanol. HCl (aq) Fester Rückstand: Wasserhaltige Alginsäure

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

Was sind Uronate? Uronate sind Salze der Uronsäuren 2. Alginat - Aufbau Was sind Uronate? Uronate sind Salze der Uronsäuren Uronsäuren entstehen aus Oxidation der endständigen CH2OH-Gruppe von Aldosen (min. 4 C-Atome) D-Mannose D-Mannuronsäure D-Mannuronat

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

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

2. Alginat - Eigenschaften Stabilisieren Emulsionen und Suspensionen Bilden Gele Physiologisch unbedenklich => als Lebensmittelzusatzstoffe zugelassen E400 Alginsäure E403 Ammoniumalginat E401 Natriumalginat E404 Calciumalginat E402 Kaliumalginat E405 Propylenglykolalginat

2. Alginat - Eigenschaften Versuch 1 Salatsoße

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

2. Alginat - Eigenschaften Stablisierende Wirkung des Alginats Alginat erhöht Viskosität der wässrigen Phase => Kinetischer Effekt 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

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

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 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)

2. Alginat - Eigenschaften Versuch 2 Herstellung von Melonenkaviar

2. Alginat - Eigenschaften Herstellung von Kaviar Gelbildung beginnt sofort beim Eintauchen der Natriumalginat-Tropfen in die CaCl2 – Lösung Kurze Aushärtungszeit: nicht durchhärten lassen! Natrium- alginat Natriumalginat - Lösung CaCl2 – Lösung Calciumalginat - Gel

2. Alginat - Eigenschaften Gelbildung Verantwortlich sind Polyguluronat-Sequenzen Durch Chelatisierung von Ca2+-Ionen Zusammenlagerung der GG-Blöcke zweier Moleküle Ca2+-Ionen in entstandenen Hohlräumen von 10 Sauerstoffatomen koordinativ gebunden

2. Alginat - Eigenschaften Gelbildung Schematisch Ca2+-Ionen Natriumalginat - Sol Calciumalginat - Gel inkohärent kohärent

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

Restrukturierte Paprika 2. Anwendungsgebiete Demo 2 Restrukturierte Paprika

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

Alginatmedikament gegen Sodbrennen 2. Anwendungsgebiete Versuch 3 Alginatmedikament gegen Sodbrennen

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

2. Alginat - Anwendungsgebiete Reaktionsgleichung Entstandenes CO2 wird im Gel mit eingeschlossen und verschafft Auftrieb! ↑ ↑

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

Anwendungsgebiet Medizin 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, CaSO4 . H2O, Na4P2O7, ZnO, Kieselgur

2. Anwendungsgebiete Versuch 4 Dentalabdruck

2. Alginat - Anwendungsgebiete Reaktionsgleichungen Verzögerung der Ca2+– Freisetzung durch den Retarder Kontrollierte Bildung des Calciumalginat – Gels pH- Modifikator ZnO ↓

2. Alginat - Anwendungsgebiete Anwendungsgebiet Medizin Wundauflagen aus Calciumalginat - Fasern Herstellung: Einbringen von Na-Alginat durch feine Düsen in ein CaCl2-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

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

2. Anwendungsgebiete Demo 3 Alginat – Wundauflage

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

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

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

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

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

Schaumweinherstellung 2. Anwendungsgebiete Versuch 5 Schaumweinherstellung

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

2. Alginat - Anwendungsgebiete Glykolyse Pyruvat α-D-Glucose Pyruvat-Decarboxy-lase Alkohol-Dehydrogenase

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

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 (?)

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

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

Nachweis von Carrageenan in Lebensmitteln Versuch 6 Nachweis von Carrageenan in Lebensmitteln

3. Carrageenan türkis blauviolett

Hessischer Lehrplan G8 10 G Alkanole – alkoholische Gärung 4. Schulrelevanz Hessischer Lehrplan G8 10 G Alkanole – alkoholische Gärung GK 11.2 Kohlenstoffchemie II (Polysaccharide) Korrelation Struktur und Eigenschaft LK 11.2 Kohlenstoffchemie II (Gerüststoffe, nachwachsende Rohstoffe) LK 12.1 Katalysatoren/ Enzymkinetik GK/LK 12.2 Grenzflächenaktive Stoffe, Nahrungsmittel, Umweltchemie