013 – Nährstoffe

Jedes Lebensmittel ist eine Mischung aus biologischen Molekülen, und vier Familien dominieren: einfache Zucker, Stärken, Lipide und Proteine. Zu wissen, welche davon ein Lebensmittel enthält, ist die Grundlage der Nährwertkennzeichnung, der Ernährungsberatung und der Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie – und lange bevor es Instrumente gab, fanden Chemiker die Antwort mit einer Handvoll Farbreaktionen, die auch heute noch gelehrt und als Schnelltests eingesetzt werden.

Jeder Test funktioniert, weil ein Reagenz mit einem spezifischen chemischen Merkmal reagiert und eine sichtbare Veränderung hervorruft. Fehlings Lösung wird durch die freie Aldehydgruppe eines reduzierenden Zuckers reduziert, und das darin enthaltene Kupfer(II) wird zu ziegelrotem Kupfer(I)-oxid umgewandelt. Lugolsche Lösung schlüpft in die helixförmige Windung eines Stärkemoleküls und bildet einen intensiv gefärbten Iod-Stärke-Komplex. Sudan IV ist ein fettlöslicher Farbstoff, der das Wasser verlässt und sich in jedem vorhandenen Lipidtropfen löst, wodurch dieser rot gefärbt wird. Das Biuret-Reagenz, Kupfer(II) in alkalischer Lösung, bildet mit den Peptidbindungen, die Aminosäuren in einem Protein verknüpfen, einen violetten Komplex. Keiner dieser Tests reagiert empfindlich auf etwas anderes, was die Testreihe so aussagekräftig macht.

In diesem Labor untersuchen Sie vier alltägliche Lebensmittel – Apfelsaft, Eiweiß, eine Getreidelösung und Milch – auf alle vier Nährstofffamilien. Jedes Lebensmittel wird auf ein Reagenzglas für den erhitzen Fehling-Test und drei Vertiefungen einer Mikrotiterplatte aufgeteilt, und zwar eine für jeden der Kaltests. Sie erhitzen die Fehling-Gläser in einem Wasserbad über 70 °C, geben jedes Reagenz in die dafür beschriftete Vertiefung und tragen die resultierenden sechzehn Beobachtungen in eine Ergebnistabelle ein. Anhand dieser Farben erstellen Sie für jedes Lebensmittel ein Nährstoffprofil und gleichen es mit dem ab, was Sie bereits darüber wissen, woher Zucker, Stärke, Fett und Protein stammen.

Bildungsziele

Einarbeitung in die Laborumgebung

• Finden und benutzen Sie die Geräte eines Biochemie-Arbeitsplatzes: das Reagenzglasgestell, die Mikrotiterplatten, die Heizplatte und das Wasserbad, Stative und Klemmen, Tropfpipetten und die Mikropipette, Glasrührstäbe sowie den Auffangbehälter.

Verwendung von Schutzausrüstung und sicherer Umgang mit Reagenzien

• Tragen Sie Handschuhe und Augenschutz und bedenken Sie, dass Fehlings Lösung und das Biuret-Reagenz stark alkalisch und ätzend sind.
• Leeren Sie jeden Behälter in den Auffangbehälter statt in das Spülbecken und erhitzen Sie Reagenzgläser in einem Wasserbad statt direkt auf der Platte.

Vorbereitung und Teilung von Proben

• Messen Sie von jedem Lebensmittel 10 mL mit der Pipette ab und überführen Sie es verlustfrei in sein nummeriertes Reagenzglas.
• Befüllen Sie die drei Mikroplatten-Vertiefungen, die zu jedem Lebensmittel gehören, und verstehen Sie, warum dieselbe Probe auf separate Vertiefungen aufgeteilt werden muss, anstatt sie nacheinander in einer einzigen zu testen.

Vermeidung von Kreuzkontaminationen

• Reinigen Sie den Glasstab nach jedem Umrühren.
• Erkläre, wie eine einzige nicht abgespülte Pipette oder ein einzelnes Stäbchen ein negatives Well positiv machen und die gesamte Platte ungültig machen kann.

Durchführung der vier Nährstofftests

• Führen Sie den Fehling-Test mit dem über 70 °C erhitzten Wasserbad durch und erklären Sie, warum nur dieser Test Wärme benötigt.
• Führen Sie die Lugol-, Sudan-IV- und Biuret-Tests bei Raumtemperatur durch und geben Sie das Biuret-Reagenz in der richtigen Reihenfolge hinzu — zuerst die Lauge, dann das Kupfersulfat.

Ergebnisse ablesen und aufzeichnen

• Zeichnen Sie jede Beobachtung als Farbe auf und klassifizieren Sie sie anhand der genannten Kriterien als positiv oder negativ.
• Fassen Sie die sechzehn Beobachtungen zu einem Nährstoffprofil für jedes der vier Lebensmittel zusammen.

Farbreaktionen chemisch deuten

• Ordnen Sie jede Farbänderung der nachgewiesenen chemischen Gruppe zu: Aldehyd, Stärkehelix, Lipidphase, Peptidbindung.
• Erläutern Sie, warum eine Kontrolluntersuchung erforderlich ist und was es bedeuten würde, wenn ein Lebensmittel eine Farbe aufweisen würde, die eigentlich nicht vorhanden sein sollte.

Protokoll

Vorbereitung von Lebensmittelproben

1. Messen Sie mit der Pipette 10 mL der Apfelsaftprobe ab.
2. Gießen Sie die 10 ml Apfelsaft in Reagenzglas 1.
3. Geben Sie mit einer Tropfpipette 5 bis 10 Tropfen Apfelsaft in jede der drei Vertiefungen der Wellplatte mit der Kennzeichnung «J».
4. Das überschüssige Material aus der Pipette in den Auffangbehälter leeren.
5. Wiederholen Sie die Schritte 1 bis 4 für:

• Das Eiweiß, das in das Reagenzglas 2 und in die 3 Vertiefungen der Wellplatte mit der Kennzeichnung «B» kommt
• Die Getreidelösung, die in das Reagenzglas 3 und in die 3 Vertiefungen der Wellplatte mit der Kennzeichnung «C» kommt
• Die Milch, die in das Reagenzglas 4 und in die 3 Vertiefungen der Wellplatte mit der Kennzeichnung «L» kommt.

Identifizierung von einfachen Kohlenhydraten in Lebensmitteln

1. Füllen Sie 400 ml Leitungswasser in einen 500-ml-Becher.
2. Führen Sie den Magnetrührstab in den Becher ein.
3. Stellen Sie den Becher auf die Heizplatte und stellen Sie ihn auf 75°C ein. Warten Sie, bis die Temperatur erreicht ist.
4. Schalten Sie den Magnetrührer ein (linke Taste).
5. Geben Sie mit der Pipette 10 mL Fehling A in jedes der Reagenzgläser 1 bis 4 mit dem Lebensmittel.
6. Geben Sie mit der Pipette 10 mL Fehling B in jedes der Reagenzgläser 1 bis 4 mit den Lebensmitteln.
7. Mischen Sie den Inhalt von Reagenzglas 1 durch Schwenken in kreisender Bewegung.
8. Wiederholen Sie den vorherigen Schritt mit den anderen drei Reagenzgläsern.
9. Bringen Sie eine Universalklemme am linken Stativ an, oberhalb des in Schritt 1 vorbereiteten 500-mL-Becherglases.
10. Befestigen Sie das Reagenzglas 1 an der Universalklemme über der Mitte des Becherglases.
11. Überprüfen Sie, ob im Reagenzglas eine Temperatur über 70 °C erreicht wird.
12. Nehmen Sie das Reagenzglas 1 und stellen Sie es zurück an seine ursprüngliche Position im Reagenzglasständer.
13. Mischen Sie den Inhalt des Reagenzglases, indem Sie einige Sekunden mit dem Glasstab umrühren.
14. Wiederholen Sie die Schritte 10 bis 13 mit den Reagenzgläsern 2, 3 und 4.
15. Senken Sie die Temperatur der Heizplatte auf 15 °C.
16. Schalten Sie den Magnetrührer aus.

Die Beobachtungen der Kontrollreaktion finden sich in der Ergebnistabelle.

Identifizierung komplexer Kohlenhydrate in Lebensmitteln

1. Geben Sie mit der Tropfpipette 5 bis 10 Tropfen Lugolsche Lösung in jede der 4 mit «Lugol» gekennzeichneten Vertiefungen.
2. Das überschüssige Material aus der Pipette in den Auffangbehälter leeren.
3. Mischen Sie den Inhalt mit dem Glasstab. Achtung: Reinigen Sie den Glasstab nach jedem Umrühren gründlich, um ein Vermischen der Substanzen zu vermeiden!

Identifizierung von Lipiden in Lebensmitteln

1. Geben Sie mit der Tropfpipette 5 bis 10 Tropfen Sudan IV in jede der 4 mit «Sudan IV» gekennzeichneten Vertiefungen.
2. Das überschüssige Material aus der Pipette in den Auffangbehälter leeren.
3. Die Inhalte mit dem Glasstab vermischen.

Identifizierung von Proteinen in Lebensmitteln

1. Geben Sie mit der Tropfpipette 1 Tropfen Natriumhydroxid (NaOH) in jede der 4 mit «Biuret» gekennzeichneten Vertiefungen.
2. Das überschüssige Material aus der Pipette in den Auffangbehälter leeren.
3. Ziehen Sie mit der Pipette 1 volle Pipette (10 mL) Kupfersulfat (CuSO4) auf.
4. Geben Sie mit der Pipette 1 mL Kupfersulfat (CuSO4) in dieselben mit «Biuret» beschrifteten Vertiefungen.

• Die Vertiefung «J» (Biuret)
• Die Vertiefung «B» (Biuret)
• Die Vertiefung «C» (Biuret)
• Die Vertiefung «L» (Biuret)

5. Leeren Sie die überschüssige Flüssigkeit von der Pipette in den Auffangbehälter.
6. Die Inhalte mit dem Glasstab vermischen.

Die Beobachtungen finden sich in der Ergebnistabelle.

• Ein positives Ergebnis für das Vorhandensein von einfachen Kohlenhydraten führt zu einem ziegelroten Niederschlag (Cu₂O) im Reagenzglas (Fehling-Reaktion).
• Ein positives Ergebnis für die Anwesenheit von komplexen Kohlenhydraten führt zu einer violetten Färbung (Iod-Stärke-Komplex) in der Vertiefung (Lugol-Test).
• Ein positives Ergebnis auf das Vorhandensein von Lipiden führt zu einer roten Färbung (Sudan IV – Lipidekomplex) in der Vertiefung (Sudan IV-Test).
• Ein positives Ergebnis für die Anwesenheit von Proteinen führt zu einer lilafarbenen Färbung (Biuret-Komplex) in der Vertiefung (Biuret-Test).

Erwartete Ergebnisse

Die vollständigen Ergebnisse. Vier Lebensmittel werden auf vier Nährstoffe untersucht, was insgesamt sechzehn Messwerte ergibt. Der Fehling-Test wird im erhitzten Reagenzglas abgelesen; die anderen drei werden in den beschrifteten Mikrotiterplatten-Vertiefungen abgelesen.

Einfache Zucker — Fehling-Test. Fehlings Lösung ist Kupfer(II), das durch Tartrat in stark alkalischer Lösung gehalten wird. Ein reduzierender Zucker — Glucose, Fructose, Maltose, Lactose, jeder Zucker mit einem freien Aldehyd oder einem Ring, der sich zu einem öffnen kann — wird von diesem Kupfer(II) oxidiert, das dabei selbst zu Kupfer(I) reduziert wird und als ziegelrotes Kupfer(I)-oxid ausfällt:

R–CHO + 2 Cu²⁺ + 5 OH⁻ → R–COO⁻ + Cu₂O(s) + 3 H₂O

Die Reaktion verläuft bei Raumtemperatur langsam, weshalb nur dieser Test das Wasserbad über 70 °C benötigt; das Protokoll lässt Sie diese Temperatur im Reagenzglas vor dem Ablesen bestätigen. Apfelsaft ist positiv, weil Fruchtsaft größtenteils aus freier Fructose und Glucose besteht. Auch die Getreidelösung ist positiv, weil der teilweise Abbau der Stärke reduzierende Zucker in der Suspension hinterlässt. Saccharose dagegen ergäbe ein negatives Ergebnis, obwohl sie ein Zucker ist, weil ihre beiden Ringe miteinander verriegelt sind und kein freies Aldehyd übrig bleibt — eine nützliche Erinnerung daran, dass «reduzierender Zucker» eine engere Kategorie ist als «Zucker».

Stärke — Lugol-Test. Lugolsches Reagenz ist in Kaliumiodid gelöstes Iod, das hauptsächlich als Triiodid-Ion I₃⁻vorliegt. Amylose, die lineare Komponente der Stärke, windet sich zu einer Helix, deren Inneres gerade breit genug ist, um eine Kette dieser Ionen aufzunehmen. Der entstehende Einschlusskomplex absorbiert stark in der Mitte des sichtbaren Spektrums und erscheint blauschwarz bis tiefviolett. Nur die Getreidelösung verfärbt sich; die anderen drei Lebensmittel enthalten keine Stärke. Da die Farbe von der intakten Helix abhängt, würde das Erhitzen einer positiven Vertiefung das Blau verblassen lassen — die Helix entwindet sich — und beim Abkühlen kehrte die Farbe zurück.

Lipide — Sudan-IV-Test. Sudan IV ist ein Lysochrom: ein Farbstoff ohne Affinität zu Wasser und mit starker Affinität zu Fetten. In eine Vertiefung gegeben, geht er fast vollständig in jede vorhandene Lipidphase über und färbt sie rot, während die wässrige Phase blass bleibt. Milch ist positiv, weil das Milchfett darin als Emulsion feiner Tröpfchen verteilt ist. Chemisch wird hier nichts verbraucht — dies ist ein Löslichkeitstest, keine Reaktion, weshalb er kalt und sofort funktioniert.

Proteine — Biuret-Test. Das Protokoll sieht vor, dass Sie zuerst Natriumhydroxid und an zweiter Stelle Kupfersulfat hinzufügen, und die Reihenfolge ist wichtig: Die Lauge ermöglicht es dem Kupfer(II)-Ion, sich an die Stickstoffatome des Peptidrückgrats zu koordinieren. Vier solche Stickstoffatome von benachbarten Peptidbindungen chelatisieren ein Cu²⁺, und der entstehende Komplex absorbiert um 540 nm und ergibt das charakteristische Malvenviolett. Eiweiß und Milch sind beide positiv, wie ihre Namen in jeder Nährwerttabelle erwarten ließen. Der Test erfordert mindestens zwei aufeinanderfolgende Peptidbindungen, sodass eine Lösung freier Aminosäuren keine Farbe ergäbe — der Test weist Protein nach, nicht Stickstoff.

Warum eine positive Biuret-Vertiefung sowohl eine Farbe als auch einen Niederschlag zeigt. Die beiden Signale sind zwei verschiedene Verbindungen desselben Kupfers. Der malvenfarbene Ton der Flüssigkeit ist der Biuret-Komplex selbst: Das von den Stickstoffatomen benachbarter Peptidbindungen gehaltene Cu²⁺ ist löslich und färbt daher die ganze Vertiefung gleichmäßig. Der Niederschlag ist Kupfer(II)-hydroxid, das überall dort entsteht, wo ein Cu²⁺ Ion auf Hydroxid-Ionen trifft, bevor es auf eine Peptidbindung trifft: Cu²⁺ + 2 OH⁻ → Cu(OH)₂(s), ein blassblauer Feststoff. Kupfer(II)-hydroxid gehört zu den am wenigsten löslichen gängigen Hydroxiden, sodass, sobald die vorhandenen Peptidbindungen ihren Anteil am Kupfer aufgenommen haben, der Überschuss die Lösung als dieser Feststoff verlässt. Die beiden Beobachtungen erzählen daher dieselbe Geschichte zweimal: Das Protein beansprucht einen Teil des Kupfer als löslichen, malvenfarbenen Komplex, und das Hydroxid beansprucht den Rest als Feststoff.

Warum Reagenzglas 4 schwach lila wird. Die Milch im Fehling-Reagenzglas entwickelt einen blassen Violettton, aber keinen ziegelroten Niederschlag. Das ist kein positiver Fehling-Befund. Fehlings Lösung liefert Kupfer(II) in stark alkalischem Milieu — genau die Bedingungen des Biuret-Tests — sodass das Milchprotein im Fehling-Reagenzglas den violetten Biuret-Komplex bildet. Streng gelesen lautet das Ergebnis: kein reduzierender Zucker nachgewiesen. Es ist ein gutes Beispiel dafür, warum ein positives Ergebnis durch eine benannte Farbe und eine benannte Form definiert wird, Niederschlag oder Färbung, und nicht durch «irgendetwas ist passiert». Milch enthält durchaus Lactose, einen reduzierenden Zucker, sodass eine längere oder heißere Inkubation auch einen echten ziegelroten Niederschlag ergeben dürfte.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

• Fokus die vier Nährstofffamilien und die Farbe, die jede einzelne enthüllt, sowie eine sorgfältige, kontaminationsfreie Technik.
• Aktivitäten: Bereiten Sie die vier Proben vor und befüllen Sie die Röhrchen und Vertiefungen; führen Sie alle vier Tests durch; tragen Sie die sechzehn Beobachtungen als Farben in die Ergebnistabelle ein; geben Sie an, welche Nährstoffe die jeweiligen Lebensmittel enthalten, und überprüfen Sie, ob die Ergebnisse mit den Angaben auf einem Nährwertkennzeichen übereinstimmen.

11. Klasse

• Fokus die Chemie hinter jedem Farbwechsel und die Logik, die eine Beobachtung in eine Schlussfolgerung verwandelt.
• Aktivitäten: die von jedem Reagenz nachgewiesene chemische Gruppe benennen; erklären, warum nur der Fehling-Test ein Erhitzen über 70 °C benötigt; erklären, warum das Natriumhydroxid im Biuret-Test vor dem Kupfersulfat kommt; begründen, warum die Getreidelösung sowohl bei Fehling als auch bei Lugol positiv ist; den blassen Violettton in Reagenzglas 4 erklären, ohne ihn als positiven Fehling-Befund zu bezeichnen.

12. Klasse / College-Niveau

• Fokus Spezifität, Kontrollen und die Grenzen der qualitativen Analyse.
• Aktivitäten: Schreiben Sie die Redox-Halbreaktionen für den Fehling-Test auf und bestimmen Sie, was oxidiert und was reduziert wird; das Ergebnis der Untersuchung einer reinen Saccharoselösung vorhersagen und die Vorhersage begründen; die positiven und negativen Kontrollen entwerfen, die erforderlich wären, um dieses Protokoll zu rechtfertigen, und angeben, was jeweils ausgeschlossen würde; die Nachweisgrenze jedes Tests erörtern und begründen, warum ein negatives Ergebnis ein schwächerer Beweis ist als ein positives; beschreiben, wie der Biuret-Test angepasst wird, um die Proteinkonzentration quantitativ zu messen.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Reagenzgläser 50 mL ×4
• Reagenzglashalter
• Mikrotiterplatten (Wellplatten) ×2
• Pipette (10 mL)
• Tropfer (1 mL)
• Becherglas (500 ml)
• Heizplatte
• Magnetrührer & Magnetrührstäbchen
• Thermometer
• Ständer & Klemmen
• Glasstäbe
• Waschflasche
• Rückgewinnungsbehälter
• Küchenrolle
• Handschuhe und Augenschutz

Produkte

• Apfelsaft
• Eiweiß in Lösung
• Getreide in Suspension
• Milch 3% Fett
• Leitungswasser (Wasserbad, 400 ml)
• Fehling-Reagenz, Lösungen A und B
• Lugolsche Iodlösung 2%
• Sudan IV-Lösung
• Biuret-Reagenz — Natriumhydroxid, NaOH 2,5 M
• Biuretreagenz — Kupfersulfat, CuSO₄ 0,0094 M