Stärke und Cellulose - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 5-6, G-Niveau

Einleitung

Stärke und Cellulose gehören zu den Kohlenhydraten. Beide sind Polysaccharide und bestehen aus vielen Glucose-Bausteinen. Trotzdem erfüllen sie in Pflanzen unterschiedliche Aufgaben: Stärke speichert Energie, Cellulose stabilisiert Zellwände. Der entscheidende Unterschied liegt in der räumlichen Anordnung der Glucose und in der Art der glycosidischen Bindung.

In diesem aiMOOC lernst Du, wie aus demselben Grundbaustein zwei Stoffe mit sehr verschiedenen Eigenschaften entstehen. Du vergleichst Struktur, Vorkommen, Nachweise, Verdauung und Verwendung.

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Lernziele

Du kannst nach der Bearbeitung:

1. Polysaccharide als Makromoleküle aus vielen Monosacchariden erklären.
2. Amylose, Amylopektin und Cellulose strukturell unterscheiden.
3. den Einfluss von α- und β-glycosidischen Bindungen auf die Stoffeigenschaften beschreiben.
4. die Iodprobe als Stärkenachweis planen und auswerten.
5. erklären, warum Menschen Stärke verdauen, Cellulose aber nicht mit eigenen Enzymen spalten können.

Chemische Grundlagen

Glucose als gemeinsamer Baustein

Glucose besitzt die Summenformel ${\mathrm{C}}_{\mathrm{6}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{12}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{6}}$. In wässriger Lösung liegt sie überwiegend in Ringformen vor. Für Stärke ist vor allem α-D-Glucose wichtig, für Cellulose β-D-Glucose. Der Unterschied betrifft die Stellung der Hydroxygruppe am ersten Kohlenstoffatom der Ringform.

Beim Verknüpfen vieler Glucosemoleküle entstehen glycosidische Bindungen. Vereinfacht kann die Polykondensation so dargestellt werden:

$n{\mathrm{C}}_{\mathrm{6}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{12}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{6}}⟶({\mathrm{C}}_{\mathrm{6}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{10}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{5}}{)}_n+(n-1){\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Die Schreibweise $({\mathrm{C}}_{\mathrm{6}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{10}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{5}}{)}_n$ zeigt, dass sich die Wiederholungseinheit sehr oft wiederholt. Das Symbol $n$ steht für eine große, nicht festgelegte Anzahl.

Warum die Bindungsart wichtig ist

Bei einer α-1,4-glycosidischen Bindung sind die Glucoseeinheiten so verbunden, dass sich gebogene oder schraubenförmige Ketten bilden können. Bei der β-1,4-glycosidischen Bindung ist jede zweite Glucoseeinheit gegenüber der vorherigen gedreht. Dadurch entstehen lange, gestreckte Celluloseketten. Zwischen diesen Ketten bilden sich zahlreiche Wasserstoffbrücken, die Faserverbände stabilisieren.

Stärke

Stärke ist ein wichtiger pflanzlicher Speicherstoff für Glucose. Sie kommt unter anderem in Kartoffeln, Mais, Reis, Weizen und Hülsenfrüchten vor. Pflanzliche Zellen lagern sie in Form von Stärkekörnern ein.

Amylose

Amylose besteht überwiegend aus unverzweigten Ketten von α-D-Glucose. Die Bausteine sind durch α-1,4-glycosidische Bindungen verknüpft. Die Kette kann eine Helix bilden.

Die Helix ist für die Iodprobe bedeutsam: Iodhaltige Teilchen können sich in den Hohlraum der Helix einlagern. Dabei entsteht die typische dunkelblaue bis blauviolette Färbung.

Amylopektin

Amylopektin ist verzweigt. In den Ketten liegen α-1,4-glycosidische Bindungen vor; an den Verzweigungsstellen treten α-1,6-glycosidische Bindungen auf. In natürlicher Stärke ist Amylopektin meist der größere Anteil.

Eigenschaften der Stärke

Stärke ist in kaltem Wasser nahezu unlöslich. Beim Erwärmen mit Wasser quellen Stärkekörner auf; es entsteht ein zähflüssiger Stärkekleister. Diesen Vorgang nennt man Verkleisterung. Deshalb kann Stärke Suppen, Soßen und Pudding verdicken. Außerdem wird sie unter anderem in Klebstoffen, Papierbeschichtungen und biologisch abbaubaren Werkstoffen eingesetzt.

Cellulose

Cellulose ist ein Gerüststoff. Sie bildet einen wesentlichen Bestandteil pflanzlicher Zellwände und verleiht ihnen Zugfestigkeit. Baumwollfasern bestehen zu einem sehr hohen Anteil aus Cellulose; auch Holz und Papier enthalten viel Cellulose.

Aufbau der Cellulose

Cellulose besteht aus langen, unverzweigten Ketten von β-D-Glucose. Die Bausteine sind β-1,4-glycosidisch verknüpft. Jede zweite Glucoseeinheit ist um 180 Grad gedreht. Viele parallele Ketten lagern sich durch Wasserstoffbrücken zu stabilen Fasern und Mikrofibrillen zusammen.

Cellulosefasern sind zugfest; Stärke bildet keine vergleichbar belastbaren Fasern. Aus Cellulose werden Papier, Karton, Baumwolltextilien und regenerierte Fasern wie Viskose hergestellt. Auch Cellulosederivate werden als Verdickungs-, Beschichtungs- oder Filmbildner genutzt.

Vergleich von Stärke und Cellulose

Merkmal	Stärke	Cellulose
Grundbaustein	α-D-Glucose	β-D-Glucose
wichtigste Bindung	α-1,4-glycosidisch	β-1,4-glycosidisch
zusätzliche Bindung	α-1,6-glycosidisch im Amylopektin	keine Verzweigungsbindung
Molekülform	helikal oder verzweigt	linear und faserbildend
Funktion in Pflanzen	Energiespeicher	Gerüststoff
Iodprobe	blau bis blauviolett	keine typische Blaufärbung
Verdauung durch Menschen	durch Amylasen möglich	nicht durch körpereigene Cellulasen

Schon eine kleine Änderung der räumlichen Anordnung am Glucosebaustein führt damit zu einer anderen Molekülform und zu anderen Stoffeigenschaften. Dies ist ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaft.

Nachweis von Stärke: Iodprobe

Die Iodprobe ist ein qualitativer Nachweis. Eine Iod-Kaliumiodid-Lösung, häufig Lugolsche Lösung genannt, färbt stärkehaltige Proben dunkelblau bis blauviolett. Die Färbung entsteht durch die Wechselwirkung iodhaltiger Teilchen mit der Helix der Amylose.

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Schulversuch

Materialien: Verdünnte Iod-Kaliumiodid-Lösung, Pipette, weiße Unterlage, kleine Proben von Kartoffel, Brot, Mehl, Papier, Watte, Glucose und Wasser.

Durchführung:

1. Lege kleine Proben getrennt auf die Unterlage.
2. Gib auf jede Probe einen Tropfen der Iodlösung.
3. Beobachte die Farbe und vergleiche mit Wasser als Blindprobe.
4. Ordne die Proben als stärkehaltig oder nicht stärkehaltig ein.

Probe	Erwartete Beobachtung	Auswertung
Kartoffel oder Mehl	dunkelblau bis blauviolett	Stärke vorhanden
Brot	häufig dunkel gefärbt	Stärke vorhanden
Papier oder Watte	keine typische Blaufärbung	Cellulose, aber kein positiver Stärkenachweis
Glucoselösung	keine typische Blaufärbung	Glucose ist keine Stärke
Wasser	gelblich-braune Eigenfarbe	Blindprobe

Sicherheit: Trage eine Schutzbrille. Iodlösung darf nicht verschluckt werden und kann Haut sowie Kleidung verfärben. Arbeite nur mit der von der Lehrkraft bereitgestellten verdünnten Lösung und entsorge Reste nach Anweisung.

Verdauung und biologische Bedeutung

Das Enzym Amylase spaltet α-glycosidische Bindungen der Stärke schrittweise. Dadurch entstehen kleinere Zucker, die weiter bis zur Glucose abgebaut werden können. Der menschliche Körper besitzt jedoch keine eigene Cellulase, die β-1,4-glycosidische Bindungen der Cellulose spaltet. Cellulose wirkt deshalb als Ballaststoff. Ein Teil kann im Dickdarm durch Mikroorganismen verarbeitet werden.

Pflanzen nutzen Stärke als chemischen Energiespeicher und Cellulose als mechanisch belastbaren Baustoff. Der Vergleich zeigt, dass biologische Funktionen direkt aus dem molekularen Aufbau hervorgehen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welcher Grundbaustein kommt in Stärke und Cellulose vor? (Glucose) (!Fructose) (!Glycerin) (!Aminosäure)

Welche Aufgabe erfüllt Stärke in Pflanzen hauptsächlich? (Energiespeicherung) (!Informationsspeicherung) (!Sauerstofftransport) (!Lichtaufnahme)

Welche Bindung dominiert in Cellulose? (Beta-1,4-glycosidische Bindung) (!Alpha-1,6-glycosidische Bindung) (!Peptidbindung) (!Esterbindung)

Welcher Bestandteil der Stärke ist stark verzweigt? (Amylopektin) (!Amylose) (!Cellulose) (!Glucose)

Welche Struktur bildet Amylose häufig? (Helix) (!Doppelschichtmembran) (!Metallgitter) (!Proteinfaser)

Welche Beobachtung zeigt einen positiven Stärkenachweis? (Blauviolette Färbung) (!Gasentwicklung) (!Silberspiegel) (!Roter Niederschlag)

Warum ist Cellulose besonders zugfest? (Viele Wasserstoffbrücken verbinden parallele Ketten) (!Sie besteht aus Metallionen) (!Sie enthält Peptidbindungen) (!Sie ist stark verzweigt)

Welches Enzym beginnt beim Menschen den Stärkeabbau? (Amylase) (!Cellulase) (!Katalase) (!Lipase)

Was geschieht beim Erwärmen von Stärke mit Wasser? (Die Stärkekörner quellen und verkleistern) (!Die Stärke wird zu Cellulose) (!Die Glucose wird zu Protein) (!Die Stärke verdampft vollständig)

Warum kann der Mensch Cellulose nicht mit eigenen Enzymen vollständig spalten? (Ihm fehlt eine Cellulase für Beta-1,4-Bindungen) (!Cellulose enthält keine chemischen Bindungen) (!Cellulose besteht aus Aminosäuren) (!Cellulose löst sich sofort im Magen)

Memory

Amylose	weitgehend unverzweigter Stärkeanteil
Amylopektin	verzweigter Stärkeanteil
Cellulose	Baustoff pflanzlicher Zellwände
Alpha-1,4-Bindung	Kettenbindung in Amylose
Beta-1,4-Bindung	Kettenbindung im Gerüstpolymer
Iodprobe	qualitativer Stärkenachweis
Amylase	Enzym des Stärkeabbaus
Wasserstoffbrücke	stabilisierende Wechselwirkung zwischen Faserketten

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Speicherstoff	Stärke
Gerüststoff	Cellulose
Helix	Amylose
Verzweigung	Amylopektin
Blaufärbung	Iodprobe

Kreuzworträtsel

Glucose	Welcher Einfachzucker ist der Grundbaustein beider Polymere?
Amylose	Welcher Stärkeanteil bildet häufig eine Helix?
Cellulose	Welcher Stoff stabilisiert pflanzliche Zellwände?
Amylase	Welches Enzym spaltet Stärke?
Helix	Welche räumliche Form kann die unverzweigte Stärkekette annehmen?
Iodprobe	Wie heißt der qualitative Nachweis für Stärke?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Stärke und Cellulose gehören zu den . Ihr gemeinsamer Grundbaustein ist . Der weitgehend unverzweigte Stärkeanteil heißt . Der stark verzweigte Stärkeanteil heißt . In Cellulose sind die Bausteine durch verknüpft. Ein positiver Stärkenachweis zeigt eine Färbung. Cellulose stabilisiert pflanzliche . Menschen besitzen keine körpereigene für den vollständigen Abbau der Cellulose.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Stärkenachweis: Untersuche mit einer Lehrkraft fünf Lebensmittel durch die Iodprobe und dokumentiere Beobachtung sowie Auswertung.
2. Stärkekorn: Zeichne ein beschriftetes Stärkekorn nach einer Mikroskopaufnahme und notiere zwei sichtbare Merkmale.
3. Stoffvergleich: Erstelle eine Tabelle mit je drei Vorkommen von Stärke und Cellulose im Alltag.
4. Modellbau: Baue aus Papierstreifen zwei Kettenmodelle, die eine helikale und eine lineare Struktur darstellen.

Standard

1. Versuchsprotokoll: Verfasse ein vollständiges Protokoll zur Iodprobe mit Fragestellung, Hypothese, Durchführung, Beobachtung und Erklärung.
2. Struktur-Eigenschafts-Beziehung: Erkläre an einem selbst gestalteten Schaubild, wie α- und β-Bindungen unterschiedliche Materialeigenschaften verursachen.
3. Verkleisterung: Vergleiche das Verhalten von Stärke in kaltem und heißem Wasser und entwickle eine begründete Erklärung.
4. Produktanalyse: Untersuche Zutatenlisten und Verpackungen auf Stärke, modifizierte Stärke oder Cellulosederivate und ordne deren Funktion zu.

Schwer

1. Enzymwirkung: Plane einen Versuch, mit dem Du die Wirkung von Speichelamylase auf Stärke untersuchen kannst. Berücksichtige eine Kontrollprobe und Hygieneregeln.
2. Materialentwicklung: Entwirf ein Konzept für eine Verpackung aus Stärke oder Cellulose und bewerte Stabilität, Rohstoffquelle und Entsorgung.
3. Molekülmodell: Stelle Amylose, Amylopektin und Cellulose in einem digitalen Molekülmodell gegenüber und erläutere die Bindungsstellen.
4. Bewertungskompetenz: Diskutiere, ob Stärke besser als Lebensmittel, technischer Rohstoff oder Energieträger genutzt werden sollte. Begründe mit mindestens drei Kriterien.

Lernkontrolle

1. Strukturvergleich: Erkläre, warum zwei Polymere aus Glucose unterschiedliche Funktionen besitzen können. Beziehe Bindung, Molekülform und zwischenmolekulare Kräfte ein.
2. Unbekannte Probe: Eine Probe färbt sich mit Iodlösung nicht blau. Zeige, warum daraus allein nicht folgt, dass die Probe Cellulose enthält.
3. Versuchsplanung: Entwickle einen Versuchsplan, mit dem Stärke in verschiedenen Lebensmitteln vergleichbar nachgewiesen werden kann. Benenne Kontrollvariablen.
4. Fehleranalyse: Eine Lerngruppe verwendet eine stark gefärbte Probe und erkennt den Farbumschlag nicht. Schlage zwei Verbesserungen vor und begründe sie.
5. Transfer auf Verdauung: Erkläre, weshalb gekochte Kartoffeln Energie liefern, Papier aber trotz Glucosebausteinen kein entsprechendes Lebensmittel ist.
6. Nachhaltigkeitsbewertung: Vergleiche ein Produkt aus erdölbasiertem Kunststoff mit einem Produkt aus Stärke oder Cellulose. Berücksichtige Rohstoff, Nutzung, Haltbarkeit und Entsorgung.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du:

1. die Begriffe Monomer, Polymer, Polysaccharid und glycosidische Bindung korrekt verwenden.
2. Strukturformeln oder vereinfachte Kettenmodelle von Amylose, Amylopektin und Cellulose deuten.
3. den Zusammenhang zwischen α- beziehungsweise β-Bindung und Molekülform erklären.
4. die Iodprobe sicher beschreiben und ein Ergebnis begründet auswerten.
5. Unterschiede bei Funktion, Löslichkeit, Verdauung und Verwendung übertragen können.
6. ein Experiment oder Produkt unter chemischen und nachhaltigkeitsbezogenen Kriterien bewerten.

Verknüpfte Lernbereiche

Stärke und Cellulose - Chemie Kohlenhydrate Glucose Polysaccharide Glycosidische Bindung Amylose Amylopektin Cellulose Iodprobe Enzyme Struktur-Eigenschafts-Beziehung