Laktosefreie Milch
AFB I–IIMilch enthält etwa 4,8 g Lactose (Milchzucker, \(\ce{C12H22O11}\), \(M = 342{,}30\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\)) pro 100 mL. Lactose besteht aus β-Galactose und Glucose, die über C1 der Galactose und C4 der Glucose verknüpft sind. Menschen mit Lactoseintoleranz bilden zu wenig des Enzyms Lactase, das diese Bindung spaltet. Für laktosefreie Milch wird der Milch Lactase zugesetzt; sie schmeckt danach merklich süßer, obwohl kein Zucker zugegeben wurde.
| Zucker | relative Süßkraft (Saccharose = 1) |
|---|---|
| Lactose | etwa 0,3 |
| Galactose | etwa 0,3 |
| Glucose | etwa 0,7 |
- Nennen Sie die Bausteine der Lactose und die Art der glykosidischen Bindung.
- Formulieren Sie die Hydrolyse der Lactose mit Summenformeln.
- Berechnen Sie die Masse an Glucose, die in 1,0 L laktosefreier Milch aus der Lactose entstanden ist.
- Erklären Sie mithilfe von M1, warum laktosefreie Milch süßer schmeckt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Bausteine: β-Galactose und Glucose; β-1,4-glykosidische Bindung (O-Brücke zwischen C1 der Galactose in β-Stellung und C4 der Glucose).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(\ce{C12H22O11 + H2O -> C6H12O6 + C6H12O6}\) (Galactose + Glucose).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(m(\text{Lactose}) = 48\,\mathrm{g}\) in 1,0 L; \(n = 48/342{,}30 = 0{,}140\,\mathrm{mol} = n(\text{Glucose})\); \(m = 0{,}140\cdot180{,}16 \approx 25\,\mathrm{g}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Aus jedem Lactose-Molekül entstehen zwei Monosaccharid-Moleküle; es liegen doppelt so viele Zuckerteilchen vor. Glucose schmeckt mehr als doppelt so süß wie Lactose, Galactose etwa gleich süß. Die Summe der Süßkraft steigt daher deutlich (grob von 0,3 auf 0,3 + 0,7 je ursprünglichem Lactose-Molekül) — die Milch schmeckt süßer, ohne dass Zucker zugesetzt wurde.
Bioethanol aus Stroh
AFB II–IIIBioethanol wird heute überwiegend aus stärkehaltigen Pflanzen wie Mais oder Weizen gewonnen: Die Stärke wird enzymatisch zu Glucose gespalten, die Hefe zu Ethanol vergärt. Forschungsanlagen nutzen stattdessen Stroh, das zu etwa 40 % aus Cellulose besteht. Die Cellulose muss dafür zunächst mit Dampf und Säure aufgeschlossen und dann mit speziellen Enzymen aus Pilzen gespalten werden.
| Größe | Wert |
|---|---|
| Cellulose-Anteil im Stroh | etwa 40 % |
| Stärke-Anteil im Weizenkorn | etwa 60 % |
| \(M(\ce{C6H10O5})\), \(M(\ce{C2H5OH})\) | \(162{,}14\) bzw. \(46{,}07\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| Gärung | \(\ce{C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2}\) |
- Vergleichen Sie den Bau von Stärke und Cellulose.
- Erläutern Sie, warum die Spaltung von Cellulose deutlich aufwendiger ist als die von Stärke.
- Ermitteln Sie die maximale Masse an Ethanol, die aus 1,00 t Stroh gewonnen werden kann.
- Beurteilen Sie die Nutzung von Stroh statt Weizen als Rohstoff für Bioethanol.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Gemeinsam: Polysaccharide aus Glucose-Bausteinen, Formel (C₆H₁₀O₅)ₙ, 1,4-glykosidische Bindungen. Unterschiede: Stärke besteht aus α-Glucose (α-1,4), Amylose windet sich zur Schraube, Amylopektin ist zusätzlich α-1,6-verzweigt. Cellulose besteht aus β-Glucose (β-1,4), jeder zweite Baustein ist gedreht, die Ketten sind gestreckt und unverzweigt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die gestreckten Cellulose-Ketten liegen parallel und sind über sehr viele Wasserstoffbrücken zu Fasern verbunden; sie sind unlöslich, Wasser und Enzyme erreichen die Bindungen kaum — deshalb der Aufschluss mit Dampf und Säure. Außerdem sind β-1,4-Bindungen nur für spezielle Enzyme (z. B. aus Pilzen) spaltbar; die Enzyme, die Stärke spalten, passen nicht. Stärke ist dagegen quellbar bzw. in heißem Wasser löslich und wird von Amylasen leicht gespalten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(m(\text{Cellulose}) = 400\,\mathrm{kg}\); \(n(\text{Bausteine}) = 400\,000/162{,}14 = 2467\,\mathrm{mol} = n(\text{Glucose})\); \(n(\text{Ethanol}) = 2\cdot2467 = 4934\,\mathrm{mol}\); \(m = 4934\cdot46{,}07\,\mathrm{g} \approx 227\,\mathrm{kg}\) (theoretischer Höchstwert).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für Stroh: Es ist ein Reststoff, konkurriert nicht mit Nahrungsmitteln („Tank oder Teller“) und benötigt keine zusätzliche Anbaufläche. Gegen Stroh: Aufschluss und Spezialenzyme sind energie- und kostenintensiv; der Cellulose-Anteil ist niedriger als der Stärke-Anteil im Korn; Stroh auf dem Feld zu lassen, erhält den Humusgehalt des Bodens. Urteil: Ökologisch ist Stroh der sinnvollere Rohstoff, sofern Aufschluss und Enzymherstellung energieeffizient gelingen und ein Teil des Strohs auf dem Feld bleibt.