Futtersirup für Bienen
AFB I–IIImker füttern ihre Völker im Herbst mit Invertzuckersirup. Er wird industriell aus Saccharose-Lösung mit dem Enzym Invertase hergestellt und enthält etwa 72 % Zucker (Massenanteil), überwiegend Glucose und Fructose zu gleichen Teilen. Eine Saccharose-Lösung gleicher Konzentration kristallisiert bei Kellertemperatur dagegen schnell aus.
| Stoff | M in g/mol | Löslichkeit (20 °C) in g pro 100 g Wasser | relative Süßkraft |
|---|---|---|---|
| Saccharose | 342,30 | 204 | 1,0 |
| Glucose | 180,16 | 90 | 0,7 |
| Fructose | 180,16 | 375 | 1,4 |
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der Hydrolyse mit Summenformeln und beschreiben Sie, welche Bindung gespalten wird.
- Berechnen Sie die Masse an Saccharose, die für 1,00 kg Sirup (72 % Invertzucker) benötigt wird.
- Erklären Sie mithilfe der Tabelle, warum Invertzuckersirup im Gegensatz zu gleich konzentrierter Saccharose-Lösung flüssig bleibt.
- Beurteilen Sie die Werbeaussage „Invertzucker ist süßer und daher kalorienärmer als Haushaltszucker“.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{C12H22O11 + H2O -> C6H12O6 + C6H12O6}\) (Glucose + Fructose). Gespalten wird die α,β-1,2-glykosidische Bindung zwischen C1 der Glucose und C2 der Fructose; Wasser wird eingebaut.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(m(\text{Invertzucker}) = 720\,\text{g} \Rightarrow n(\ce{C6H12O6}) = \tfrac{720\,\text{g}}{180{,}16\,\text{g/mol}} = 4{,}00\,\text{mol}\); \(n(\text{Saccharose}) = 2{,}00\,\text{mol} \Rightarrow m = 2{,}00\,\text{mol} \cdot 342{,}30\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 684\,\text{g}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Der Sirup enthält 720 g Zucker in 280 g Wasser, also 257 g pro 100 g Wasser — mehr, als Saccharose (204 g) lösen kann: Eine solche Saccharose-Lösung ist übersättigt und kristallisiert. Im Invertzucker verteilt sich die Menge auf zwei Stoffe: je 129 g Glucose bzw. Fructose pro 100 g Wasser. Fructose bleibt sicher gelöst; Glucose ist zwar übersättigt, kristallisiert aber wegen der hohen Viskosität und der gelösten Fructose nur sehr langsam (manchmal nach Wochen).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Süßkraft des Gemischs ist mit etwa \(\tfrac{0{,}7 + 1{,}4}{2} \approx 1{,}05\) kaum höher als die der Saccharose. Der Energiegehalt pro Gramm ist nahezu gleich (beide ≈ 17 kJ/g), da der Körper Saccharose ohnehin zu Glucose und Fructose spaltet. Kalorien spart man nur, wenn man wegen der etwas höheren Süße weniger verwendet — rund 5 %. Die Aussage ist daher nicht haltbar.
Bioethanol aus Mais oder Stroh
AFB II–IIIBioethanol der ersten Generation wird aus Maisstärke gewonnen, Ethanol der zweiten Generation aus Stroh, das zu etwa 40 % aus Cellulose besteht. In beiden Fällen werden die Polysaccharide zunächst enzymatisch zu Glucose hydrolysiert, die dann von Hefen vergoren wird: \(\ce{C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2}\). Ein Versuch lieferte folgende Daten (je 1,00 kg Polysaccharid, gleiche Enzymmenge, 50 °C):
| Zeit in h | 0 | 2 | 6 | 24 | 72 |
|---|---|---|---|---|---|
| Glucose aus Stärke in g | 0 | 620 | 980 | 1090 | 1100 |
| Glucose aus Cellulose in g | 0 | 35 | 110 | 390 | 720 |
- Vergleichen Sie den molekularen Aufbau von Amylose und Cellulose.
- Berechnen Sie die maximal mögliche Masse an Glucose und an Ethanol aus 1,00 kg Polysaccharid.
- Werten Sie die Messdaten aus und erklären Sie den Unterschied strukturell.
- Beurteilen Sie, ob Ethanol aus Stroh gegenüber Ethanol aus Mais vorzuziehen ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Gleich: Baustein D-Glucose, 1,4-glykosidisch, unverzweigt, \(\ce{(C6H10O5)_n}\). Unterschied: Amylose α-1,4 → gekrümmte Kette, Helix; Cellulose β-1,4, jede zweite Einheit um 180° gedreht → gestreckte Ketten, die parallel liegen und viele Wasserstoffbrücken untereinander bilden (teilkristalline Mikrofibrillen).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(n = \tfrac{1000\,\text{g}}{162{,}14\,\text{g/mol}} = 6{,}17\,\text{mol}\) → \(m(\text{Glc}) = 6{,}17\,\text{mol} \cdot 180{,}16\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 1111\,\text{g}\); \(m(\text{Ethanol}) = 2 \cdot 6{,}17\,\text{mol} \cdot 46{,}07\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 568\,\text{g}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Stärke: nach 6 h bereits 88 %, nach 72 h 99 % der theoretischen 1111 g. Cellulose: nach 72 h erst 65 %, anfangs sehr langsam. Grund: Die Cellulose-Ketten sind über Wasserstoffbrücken zu kristallinen Bereichen gepackt, Wasser und Enzyme erreichen die β-glykosidischen Bindungen kaum; Stärke-Helices und das verzweigte Amylopektin sind locker gebaut und quellen in warmem Wasser.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Contra Stroh: langsamere, unvollständige Hydrolyse, Vorbehandlung (Aufschluss, Ligninabtrennung) und Enzyme kosten Energie und Geld. Pro Stroh: Reststoff, keine Konkurrenz zu Nahrungs- und Futtermitteln („Tank oder Teller“), keine zusätzliche Anbaufläche. Urteil (begründet): Trotz geringerer Ausbeute ist Stroh-Ethanol ökologisch und ethisch vorzuziehen, sofern genug Stroh als Humus auf dem Feld verbleibt.