Stärke und Cellulose - Chemie
Stärke und Cellulose - Chemie
Stärke und Cellulose - Chemie
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.
Lernziele
Du kannst nach der Bearbeitung:
- Polysaccharide als Makromoleküle aus vielen Monosacchariden erklären.
- Amylose, Amylopektin und Cellulose strukturell unterscheiden.
- den Einfluss von α- und β-glycosidischen Bindungen auf die Stoffeigenschaften beschreiben.
- die Iodprobe als Stärkenachweis planen und auswerten.
- erklären, warum Menschen Stärke verdauen, Cellulose aber nicht mit eigenen Enzymen spalten können.
Chemische Grundlagen
Glucose als gemeinsamer Baustein
Glucose besitzt die Summenformel . 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:
Die Schreibweise zeigt, dass sich die Wiederholungseinheit sehr oft wiederholt. Das Symbol 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.
Schulversuch
Materialien: Verdünnte Iod-Kaliumiodid-Lösung, Pipette, weiße Unterlage, kleine Proben von Kartoffel, Brot, Mehl, Papier, Watte, Glucose und Wasser.
Durchführung:
- Lege kleine Proben getrennt auf die Unterlage.
- Gib auf jede Probe einen Tropfen der Iodlösung.
- Beobachte die Farbe und vergleiche mit Wasser als Blindprobe.
- 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? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Stärkenachweis: Untersuche mit einer Lehrkraft fünf Lebensmittel durch die Iodprobe und dokumentiere Beobachtung sowie Auswertung.
- Stärkekorn: Zeichne ein beschriftetes Stärkekorn nach einer Mikroskopaufnahme und notiere zwei sichtbare Merkmale.
- Stoffvergleich: Erstelle eine Tabelle mit je drei Vorkommen von Stärke und Cellulose im Alltag.
- Modellbau: Baue aus Papierstreifen zwei Kettenmodelle, die eine helikale und eine lineare Struktur darstellen.
Standard
- Versuchsprotokoll: Verfasse ein vollständiges Protokoll zur Iodprobe mit Fragestellung, Hypothese, Durchführung, Beobachtung und Erklärung.
- Struktur-Eigenschafts-Beziehung: Erkläre an einem selbst gestalteten Schaubild, wie α- und β-Bindungen unterschiedliche Materialeigenschaften verursachen.
- Verkleisterung: Vergleiche das Verhalten von Stärke in kaltem und heißem Wasser und entwickle eine begründete Erklärung.
- Produktanalyse: Untersuche Zutatenlisten und Verpackungen auf Stärke, modifizierte Stärke oder Cellulosederivate und ordne deren Funktion zu.
Schwer
- Enzymwirkung: Plane einen Versuch, mit dem Du die Wirkung von Speichelamylase auf Stärke untersuchen kannst. Berücksichtige eine Kontrollprobe und Hygieneregeln.
- Materialentwicklung: Entwirf ein Konzept für eine Verpackung aus Stärke oder Cellulose und bewerte Stabilität, Rohstoffquelle und Entsorgung.
- Molekülmodell: Stelle Amylose, Amylopektin und Cellulose in einem digitalen Molekülmodell gegenüber und erläutere die Bindungsstellen.
- Bewertungskompetenz: Diskutiere, ob Stärke besser als Lebensmittel, technischer Rohstoff oder Energieträger genutzt werden sollte. Begründe mit mindestens drei Kriterien.
|
|
Lernkontrolle
- Strukturvergleich: Erkläre, warum zwei Polymere aus Glucose unterschiedliche Funktionen besitzen können. Beziehe Bindung, Molekülform und zwischenmolekulare Kräfte ein.
- Unbekannte Probe: Eine Probe färbt sich mit Iodlösung nicht blau. Zeige, warum daraus allein nicht folgt, dass die Probe Cellulose enthält.
- Versuchsplanung: Entwickle einen Versuchsplan, mit dem Stärke in verschiedenen Lebensmitteln vergleichbar nachgewiesen werden kann. Benenne Kontrollvariablen.
- Fehleranalyse: Eine Lerngruppe verwendet eine stark gefärbte Probe und erkennt den Farbumschlag nicht. Schlage zwei Verbesserungen vor und begründe sie.
- Transfer auf Verdauung: Erkläre, weshalb gekochte Kartoffeln Energie liefern, Papier aber trotz Glucosebausteinen kein entsprechendes Lebensmittel ist.
- 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:
- die Begriffe Monomer, Polymer, Polysaccharid und glycosidische Bindung korrekt verwenden.
- Strukturformeln oder vereinfachte Kettenmodelle von Amylose, Amylopektin und Cellulose deuten.
- den Zusammenhang zwischen α- beziehungsweise β-Bindung und Molekülform erklären.
- die Iodprobe sicher beschreiben und ein Ergebnis begründet auswerten.
- Unterschiede bei Funktion, Löslichkeit, Verdauung und Verwendung übertragen können.
- ein Experiment oder Produkt unter chemischen und nachhaltigkeitsbezogenen Kriterien bewerten.
OERs zum Thema
Verknüpfte Lernbereiche
aiMOOC-Projekte
Schulfach+
|
|
aiMOOCs
aiMOOC Projekte
|
|
THE MONKEY DANCE
|
|
|