Gärung - Chemie
Gärung - Chemie
Einleitung
Gärung begegnet Dir beim Backen, bei der Herstellung von Joghurt oder Sauerkraut und in vielen technischen Prozessen. Chemisch betrachtet werden dabei energiereiche organische Stoffe, vor allem Zucker, durch Enzyme umgewandelt. In der engeren biochemischen Bedeutung läuft Gärung ohne Sauerstoff als äußeren Elektronenakzeptor ab.
Die Aufnahme zeigt Zellen der Hefe Saccharomyces cerevisiae. Diese Hefe kann Glucose durch alkoholische Gärung zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid umsetzen.
Zielgruppe: Schule, Fach Chemie, besonders Sekundarstufe I und Einführungsphase der Sekundarstufe II.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du
- Gärung als anaeroben Stoffwechselweg erklären.
- die alkoholische Gärung und die Milchsäuregärung vergleichen.
- einfache Reaktionsgleichungen mit der Erweiterung Math lesen.
- den Einfluss von Temperatur, Zuckerangebot und lebenden Mikroorganismen deuten.
- Kohlenstoffdioxid mit der Kalkwasserprobe nachweisen.
- Alltagsanwendungen chemisch begründen und Versuche sicher planen.
Was bedeutet Gärung?
Bei einer Gärung bauen Zellen organische Stoffe unvollständig ab. Die frei werdende Energie wird teilweise in ATP gespeichert. Anders als bei der vollständigen Zellatmung wird der Kohlenstoff des Zuckers nicht vollständig zu Kohlenstoffdioxid oxidiert. Deshalb bleibt in den Endprodukten, etwa Ethanol oder Lactat, noch viel chemische Energie enthalten.
Anaerob bedeutet: Der Prozess benötigt keinen molekularen Sauerstoff als Reaktionspartner. Viele Hefen sind fakultativ anaerob. Sie können je nach Bedingungen Zellatmung oder Gärung nutzen.
Gärung und Fermentation
Im Alltag und in der Lebensmitteltechnik wird der Begriff Fermentation weiter gefasst. Er kann auch mikrobielle oder enzymatische Umwandlungen einschließen, bei denen Sauerstoff beteiligt ist. Die sogenannte Essigsäuregärung ist dafür ein Beispiel: Essigsäurebakterien oxidieren Ethanol mit Sauerstoff zu Essigsäure. Im strengen biochemischen Sinn ist dies daher keine Gärung.
Chemische Grundlage: die Glykolyse
Alkoholische Gärung und Milchsäuregärung beginnen mit der Glykolyse. Dabei wird ein Molekül Glucose im Zellplasma in zwei Moleküle Pyruvat zerlegt. Die Zelle gewinnt netto zwei Moleküle ATP. Außerdem wird der Elektronenüberträger NAD+ zu NADH reduziert.
Damit die Glykolyse weiterlaufen kann, muss NAD+ zurückgebildet werden. Genau diese Aufgabe erfüllt der anschließende Gärungsschritt: NADH gibt Elektronen ab und wird wieder zu NAD+. Gärung ist deshalb nicht nur eine Produktbildung, sondern auch ein Kreislauf für Elektronenüberträger.
Alkoholische Gärung
Bei der alkoholischen Gärung wandeln Hefen Glucose in Ethanol und Kohlenstoffdioxid um. Vereinfacht gilt:
Glucose wird zunächst zu Pyruvat abgebaut. Aus Pyruvat entsteht unter Abspaltung von Kohlenstoffdioxid Ethanal. Ethanal wird anschließend durch NADH zu Ethanol reduziert. Dabei entsteht wieder NAD+.
Warum geht Brotteig auf?
Im Teig vergärt Hefe verfügbare Zucker. Das entstehende Kohlenstoffdioxid bildet Gasblasen, die im Teiggerüst festgehalten werden. Der Teig vergrößert dadurch sein Volumen. Beim Backen entweicht ein großer Teil des Gases; Ethanol verdampft weitgehend.
| Vor der Gärung | Nach der Gärung |
|---|---|
 |
 |
Bedeutung der Produkte
Ethanol ist ein Alkohol mit der Summenformel C2H6O. Kohlenstoffdioxid ist ein farbloses Gas. Beim Backen ist vor allem das Gas erwünscht; bei der Herstellung alkoholischer Getränke ist Ethanol das zentrale Produkt. In beiden Fällen beeinflussen Temperatur, Zuckerkonzentration und Hefemenge die Geschwindigkeit.
Milchsäuregärung
Bei der Milchsäuregärung wird Pyruvat zu Lactat reduziert. Dabei wird NADH wieder zu NAD+ oxidiert. In einer schulisch vereinfachten Gesamtgleichung wird häufig Milchsäure als Produkt geschrieben:
In wässriger Lösung und bei den üblichen pH-Werten liegt ein großer Teil als Lactat-Ion vor. Milchsäurebakterien nutzen diesen Weg bei der Herstellung von Joghurt, Sauerkraut und anderen Lebensmitteln. Auch Muskelzellen können bei sehr hoher Belastung vermehrt Lactat bilden, wenn die aerobe Energiebereitstellung den Bedarf vorübergehend nicht deckt.
Säuerung und Haltbarkeit
Durch die Bildung von Milchsäure sinkt der pH-Wert. Das verändert Geschmack und Struktur eines Lebensmittels und hemmt viele unerwünschte Mikroorganismen. Gärung ersetzt jedoch keine Hygiene: Nur geeignete Kulturen, saubere Geräte und kontrollierte Bedingungen machen Lebensmittelprozesse zuverlässig.
| Milchsäuregärung in Gemüse | Milchsäuregärung in Milch |
|---|---|
 |
 |
Alkoholische und Milchsäuregärung im Vergleich
| Merkmal | Alkoholische Gärung | Milchsäuregärung |
|---|---|---|
| Typische Organismen oder Zellen | Hefen und einige Bakterien | Milchsäurebakterien und zeitweise Muskelzellen |
| Ausgang über die Glykolyse | Glucose wird zu Pyruvat | Glucose wird zu Pyruvat |
| Hauptprodukte | Ethanol und Kohlenstoffdioxid | Lactat beziehungsweise Milchsäure |
| Sichtbare Gasbildung | Ja, durch Kohlenstoffdioxid | Bei der homofermentativen Form normalerweise nein |
| Netto-Energiegewinn | Zwei ATP pro Glucose aus der Glykolyse | Zwei ATP pro Glucose aus der Glykolyse |
| Anwendungen | Brot, Wein, Bier, Bioethanol | Joghurt, Sauerkraut, Silage, Sauerteig |
Merksatz: Beide Wege regenerieren NAD+, damit die Glykolyse ohne Sauerstoff weiter ATP liefern kann.
Bedingungen und Reaktionsgeschwindigkeit
Die Gärgeschwindigkeit hängt von mehreren Bedingungen ab.
- Temperatur: Bei niedriger Temperatur laufen Enzymreaktionen langsam. Mit steigender Temperatur nimmt die Geschwindigkeit zunächst zu. Zu hohe Temperaturen schädigen Enzyme und Zellen.
- Substrat: Hefe benötigt vergärbare Zucker und Wasser. Sehr hohe Zuckerkonzentrationen können Zellen durch osmotischen Stress hemmen.
- Mikroorganismus: Art, Vitalität und Menge der Zellen beeinflussen den Verlauf.
- pH-Wert: Enzyme besitzen einen günstigen pH-Bereich. Starke Abweichungen hemmen die Reaktionen.
- Sauerstoff: Sauerstoff verändert den Stoffwechsel vieler Hefen. Für den Gärungsschritt selbst ist er nicht erforderlich.
- Zeit: Produkte sammeln sich an, während Substrate verbraucht werden. Später kann die Reaktion langsamer werden.
Stoffnachweise im Chemieunterricht
Kohlenstoffdioxid mit Kalkwasser nachweisen
Leitet man das entstandene Gas in Calciumhydroxid-Lösung, wird die Lösung milchig. Es entsteht schwer lösliches Calciumcarbonat:
Die Trübung ist ein Nachweis für Kohlenstoffdioxid. Ein Blindversuch ohne Hefe oder ohne Zucker erhöht die Aussagekraft.
Ethanol nachweisen
Ethanol lässt sich durch geeignete instrumentelle oder enzymatische Verfahren nachweisen. Manche klassische Schulnachweise verwenden gefährliche oder umweltbelastende Reagenzien. Solche Verfahren gehören ausschließlich in einen beaufsichtigten Fachraum und dürfen nicht eigenständig zu Hause durchgeführt werden.
Schulversuch: Hefeballon
Fragestellung: Unter welchen Bedingungen bildet Hefe besonders viel Gas?
Material
- Kleine Kunststoffflaschen
- Luftballons
- Trockenhefe
- Wasser in verschiedenen Temperaturen
- Zucker
- Messzylinder oder Waage
- Thermometer
- Schutzbrille
Durchführung
- Fülle gleich große Mengen Wasser in mehrere Flaschen.
- Verändere jeweils nur einen Faktor, etwa Temperatur oder Zuckermenge.
- Gib in jede Versuchsflasche dieselbe Hefemenge.
- Ziehe sofort einen Luftballon über jede Flaschenöffnung.
- Miss regelmäßig den Ballonumfang oder das verdrängte Gasvolumen.
- Führe einen Kontrollansatz ohne Zucker oder ohne Hefe durch.
Sicherheit: Trage eine Schutzbrille. Verwende keine starr verschlossenen Glasgefäße, da sich Druck aufbauen kann. Koste keine Versuchsansätze. Arbeite bei einem Schulversuch unter Aufsicht.
Auswertung
Eine gute Auswertung trennt Beobachtung und Deutung. Ein größerer Ballon zeigt zunächst nur eine stärkere Gasbildung. Erst durch einen Stoffnachweis lässt sich das Gas als Kohlenstoffdioxid identifizieren. Vergleiche zudem alle Ansätze mit der Kontrolle und erkläre Abweichungen.
Anwendungen
Gärungen verbinden Chemie, Biologie und Technik. Sie werden genutzt, um Lebensmittel herzustellen, Aromen zu erzeugen, Produkte haltbarer zu machen und nachwachsende Rohstoffe umzuwandeln.
| Anwendung | Chemischer Zusammenhang |
|---|---|
| Brot | Kohlenstoffdioxid lockert den Teig |
| Joghurt | Milchsäure senkt den pH-Wert und verändert Milchproteine |
| Sauerkraut | Säurebildung hemmt viele unerwünschte Mikroorganismen |
| Wein und Bier | Hefen bilden Ethanol und Kohlenstoffdioxid |
| Bioethanol | Zuckerhaltige oder aufgeschlossene stärkehaltige Rohstoffe werden vergoren |
| Silage | Milchsäuregärung konserviert Pflanzenmaterial |
Häufige Fehlvorstellungen
- Gärung ist nicht einfach Fäulnis. Gärung bezeichnet bestimmte enzymatische Stoffwechselwege; Fäulnis umfasst andere mikrobielle Abbauprozesse.
- Hefe produziert nicht nur dann Kohlenstoffdioxid, wenn sie stirbt. Lebende Hefezellen setzen das Gas während ihres Stoffwechsels frei.
- Mehr Wärme ist nicht unbegrenzt besser. Oberhalb des geeigneten Bereichs werden Enzyme und Zellen geschädigt.
- Lactat ist nicht allein für Muskelkater verantwortlich. Muskelkater entsteht vor allem durch mikroskopische Schäden und Entzündungsreaktionen nach ungewohnter Belastung.
- Essigsäuregärung ist chemisch eine Oxidation mit Sauerstoff. Der traditionelle Name ist weiter als die strenge biochemische Definition von Gärung.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche Aussage beschreibt Gärung im engeren biochemischen Sinn? (Energiegewinnung ohne Sauerstoff als äußeren Elektronenakzeptor) (!Vollständige Verbrennung von Glucose) (!Ausschließliche Bildung von Sauerstoff) (!Zerlegung von Wasser durch Licht)
Welche Produkte entstehen bei der alkoholischen Gärung aus Glucose? (Ethanol und Kohlenstoffdioxid) (!Milchsäure und Sauerstoff) (!Wasser und Calciumcarbonat) (!Methan und Stickstoff)
Welche Zellen führen typischerweise alkoholische Gärung durch? (Hefezellen) (!Knochenzellen) (!Nervenzellen) (!Fettzellen)
Welche Aufgabe erfüllt die Gärung für den Elektronenüberträger NAD? (Sie regeneriert NAD plus) (!Sie zerstört jedes NAD plus) (!Sie ersetzt Glucose durch Sauerstoff) (!Sie bildet ausschließlich Calcium)
Wie viele ATP entstehen netto pro Glucose bei der Glykolyse? (Zwei ATP) (!Null ATP) (!Zwanzig ATP) (!Hundert ATP)
Wodurch geht Hefeteig auf? (Durch eingeschlossene Kohlenstoffdioxidblasen) (!Durch die Bildung von Kochsalz) (!Durch den Verbrauch von Stickstoff) (!Durch das Erstarren von Wasser)
Was zeigt eine milchige Trübung von Kalkwasser nach Einleiten des Gases? (Kohlenstoffdioxid ist vorhanden) (!Ethanol ist sicher vollständig verbrannt) (!Sauerstoff ist als Feststoff entstanden) (!Glucose ist zu Metall geworden)
Was ist das Hauptprodukt der homofermentativen Milchsäuregärung? (Lactat) (!Ethanol) (!Sauerstoff) (!Calciumcarbonat)
Warum kann eine zu hohe Temperatur die Gärung stoppen? (Enzyme und Zellen werden geschädigt) (!Glucose wird magnetisch) (!Kohlenstoffdioxid wird zu Sauerstoff) (!Wasser verliert alle Moleküle)
Welche Versuchsplanung liefert den besten Vergleich? (Nur einen Einflussfaktor gleichzeitig verändern) (!Alle Bedingungen gleichzeitig verändern) (!Auf einen Kontrollansatz verzichten) (!Messwerte nur aus dem Gedächtnis notieren)
Memory
| Alkoholische Gärung | Ethanol und Kohlenstoffdioxid |
| Milchsäuregärung | Lactat als Hauptprodukt |
| Hefe | Saccharomyces cerevisiae |
| Anaerob | Ohne Sauerstoff |
| Glykolyse | Abbau von Glucose zu Pyruvat |
| Kalkwasserprobe | Nachweis von Kohlenstoffdioxid |
| NAD plus | Regenerierter Elektronenüberträger |
| ATP | Kurzfristiger Energieträger |
Drag and Drop
| Ordne die richtige Deutung zu. | Beobachtung |
|---|---|
| Kohlenstoffdioxid entsteht | Gasblasen im Gäransatz |
| Das Gasvolumen nimmt zu | Der Luftballon wird größer |
| Calciumcarbonat fällt aus | Kalkwasser wird milchig |
| Gas wird im Teig festgehalten | Brotteig vergrößert sein Volumen |
| Eine Säure entsteht | Der pH-Wert sinkt |
| Zellen oder Enzyme sind inaktiv | Abgekochte Hefe zeigt keine Gärung |
Ordne anschließend jeder Beobachtung eine mögliche Kontrollprobe zu.
Kreuzworträtsel
| Glucose | Welcher Zucker dient häufig als Ausgangsstoff der Gärung? |
| Ethanol | Welcher Alkohol entsteht bei der alkoholischen Gärung? |
| Lactat | Welches Teilchen ist das Hauptprodukt der Milchsäuregärung in Zellen? |
| Hefe | Welcher einzellige Pilz lässt Brotteig aufgehen? |
| anaerob | Wie heißt eine Bedingung ohne Sauerstoff als Reaktionspartner? |
| Kalkwasser | Welche Lösung dient zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Begriffsnetz: Verbinde Glucose, Pyruvat, ATP, NAD, Ethanol, Lactat und Kohlenstoffdioxid in einer übersichtlichen Skizze.
- Bildanalyse: Beschreibe eine der Hefeaufnahmen und trenne sichtbare Merkmale von chemischen Vermutungen.
- Alltagsbeispiele: Fotografiere oder zeichne vier Produkte, bei deren Herstellung Gärung eine Rolle spielt, und ordne den Gärungstyp zu.
- Sicherheitsplakat: Gestalte ein Plakat zu Druckaufbau, Schutzbrille, Nicht-Verkosten und sauberem Arbeiten.
Standard
- Versuchsplanung: Plane einen Hefeballon-Versuch mit Fragestellung, Hypothese, Kontrolle, Messgröße und konstanten Bedingungen.
- Temperaturreihe: Untersuche mehrere Temperaturen und stelle Ballonumfang oder Gasvolumen in einem Diagramm dar.
- Kontrollansätze: Vergleiche Ansätze ohne Zucker, ohne Hefe und mit abgekochter Hefe. Erkläre, welche Aussage jeder Ansatz ermöglicht.
- Interview: Befrage eine Bäckerei, Molkerei oder einen lebensmitteltechnischen Betrieb zur Kontrolle von Temperatur, Zeit und Hygiene.
Schwer
- Gasanalyse: Entwickle eine Methode, um das gebildete Kohlenstoffdioxidvolumen über die Zeit möglichst genau zu messen.
- Modellbildung: Erkläre einen typischen Kurvenverlauf mit Anlaufphase, schneller Phase und Abbremsung.
- Vergleich: Erstelle eine fachlich begründete Gegenüberstellung von Zellatmung, alkoholischer Gärung und Milchsäuregärung.
- Erklärmedium: Produziere ein kurzes frei lizenziertes Erklärvideo mit Reaktionsgleichung, Teilchenmodell, Versuch und Quellenangaben.
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Lernkontrolle
- Versuchsauswertung: Zwei Ansätze enthalten gleich viel Hefe, aber unterschiedliche Zuckermengen. Der Ansatz mit sehr hoher Zuckerkonzentration bildet weniger Gas. Entwickle zwei begründete Erklärungen und plane eine Prüfung.
- Stoffidentifikation: In einem Gärversuch entsteht ein Gas. Entwirf eine Nachweiskette, mit der Du eine bloße Volumenbeobachtung von einem Stoffnachweis unterscheidest.
- Produktvergleich: Erkläre, warum Gasbildung beim Brot erwünscht ist, während beim Joghurt vor allem die pH-Absenkung wichtig ist.
- Fehleranalyse: Eine Gruppe verwendet 70 Grad Celsius warmes Wasser und beobachtet keine Gasbildung. Deute das Ergebnis und verbessere die Versuchsanordnung.
- Zusammenhang: Begründe, weshalb die Rückbildung von NAD plus für die fortgesetzte ATP-Bildung wichtiger ist als die Bildung eines bestimmten Endprodukts.
- Begriffsprüfung: Beurteile die Aussage, jede Fermentation sei zwingend anaerob, und unterscheide Alltagsbegriff und biochemische Definition.
Lernnachweis
Für einen überzeugenden Lernnachweis sind folgende Leistungen wichtig:
- Du erklärst Gärung mit den Begriffen anaerob, Glykolyse, Pyruvat, ATP und NAD+.
- Du formulierst die Gesamtgleichungen der alkoholischen und der Milchsäuregärung.
- Du vergleichst Edukte, Produkte, Organismen und Anwendungen.
- Du planst einen kontrollierten Versuch mit nur einer veränderten Einflussgröße.
- Du dokumentierst Messwerte nachvollziehbar in Tabelle und Diagramm.
- Du deutest die Kalkwasserprobe mit einer Reaktionsgleichung.
- Du reflektierst Sicherheit, Fehlerquellen und Grenzen Deiner Aussage.
- Du verwendest Medien und Quellen nachvollziehbar und beachtest freie Lizenzen.
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