Wie aus Erdbeeren Marmelade wird

Wie aus Erdbeeren Marmelade wird
"Konfitüre selbst machen ist im Grunde ein Kinderspiel: Man vermischt Zucker und Früchte, kocht sie eine Weile
und füllt die erhaltene Masse ab."
(Quelle: Hervé This-Benckhard, Rätsel der Kochkunst, Springer Verlag Berlin 1996 S, 205
Man kann bei der Marmeladenherstellung aber auch viel falsch machen, wie wir - dies ist eine Gruppe des
Grundkurses Chemie im 12. Jahrgangs - selbst erfahren haben.
Auf dieser Seite erfahren Sie, wie man von der Frucht zur Marmelade kommt und was dies mit Chemie zu tun hat.
Bei der Herstellung von Marmelade aus Früchten und Zucker kommt es darauf an, eine
streichbare, geschmeidige und gleichzeitig feste Masse – ein Gel - zu erhalten.
Für die Gelbildung, dem wichtigsten Prozess bei der Marmeladenherstellung, sind vor allem
die Pektine verantwortlich. Gelbildung bedeutet, dass die langen Pektinketten durch
chemische Bindungen miteinander verbunden werden, wobei sich ein dreidimensionales
Netz ausbildet. Die einzelnen Pektinmoleküle können sich nicht mehr unabhängig
voneinander bewegen, so dass der zuvor flüssige Fruchtsaft sehr zähflüssig und gallertartig
wird.
Durch ein Raumnetz aus Seilen, wie man es auf Spielplätzen findet, lässt sich die Bildung
des dreidimensionalen Netzes veranschaulichen
Für die Marmeladenherstellung werden vorwiegend hochveresterte Pektine verwendet. ein Gel bildet, muss Säure anwesend
sein (pH-Wert kleiner als 3,5) und die Zuckerkonzentration muss etwa bei 60% liegen. Die Säure sorgt dafür, dass die
Pektinmoleküle nicht negativ aufgeladen werden und sich somit die Abstoßung zwischen diesen Molekülen verringert. Der
Zucker bindet das Wasser, das ansonsten sehr gerne von den Pektinmolekülen aufgenommen wird, wodurch eine Bindung
zwischen den Molekülen verhindert wird. Wenn die Mengen an Säure und Zucker richtig aufeinander abgestimmt sind und
genügend Pektin vorhanden ist, dann werden die Pektinketten vorwiegend durch Wasserstoffbrückenbindungen miteinander
verbunden.
Mit Pektinen können sich Gele auch mit einer geringeren Menge von Zucker oder
sogar ohne Zucker bilden. Hierzu benötigt man niedrig veresterte Pektine mit einer
großen Zahl von Säuregruppen. Zusätzlich ist die Anwesenheit von Calcium-Ionen
notwendig. Diese bilden bei höheren pH-Werten ( etwa 6,5) als bei den hoch
veresterten Pektinen mit den Säuregruppierungen verschiedener Pektinketten
salzartige Bindungen, wodurch die Ketten zusammenhalten. Der Zucker hat hier
ebenfalls die Aufgabe das Wasser zu binden. Da die Zuckermengen aber sehr viel
geringer sein können als bei den hoch veresterten Pektinen kann man die niedrig
veresterten Pektine zur Herstellung kalorienreduzierter Marmeladen verwenden.
Bilderläuterungen:
Bild 1: Geliermechanismus von hoch veresterten Pektinen (hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen)
Quelle: Herbstreith & Fox, Die Spezialisten für Pektin S. 15
Bild 2: Geliermechanismus von niedrig veresterten Pektinen (Komplexierung von Calciumionen)
Quelle: Herbstreith & Fox, Die Spezialisten für Pektin S. 15
ZUSATZINFORMATIONEN
A: Pektine
Bild: Teile einer Pektinkette
Was sind Pektine?
Pektine sind Polymere aus α-D-Galacturonsäure-Einheiten (Pektinsäure), die über die
Kohlenstoff-Atome 1 und 4 miteinander verknüpft sind. Die α-D-Galacturonsäure leitet
sich von der α-D-Galactose ab.
α-D-Galactose ist ein Zucker, der chemisch zu der gleichen Familie wie die Glucose – der
Traubenzucker – gehört. Im Tier- und Pflanzenreich kommt sie in freier Form praktisch
nicht vor.
Bild: α-D-Galactose
Die Ketten der Pektine bestehen aus etwa 100 bis 400 Einheiten. Ein Teil der
Carboxylgruppen ist mit Methanol verestert. Bei einem Veresterungsgrad von 7 bis 50%
spricht man von niedrig veresterten Pektinen und bei einem Veresterungsgrad zwischen
50 und 75% handelt es sich um hoch veresterte Pektine.
Herstellung von Pektinen
Ausgangsmaterial: Citrusfrüchte, Äpfel, Rüben
Keltern
Auspressen der Früchte und Verarbeitung zu Apfelsaft, Citrussaft
Trester
Fruchtreste nach dem Entsaften und Ausgangsstoff für Pektine
Rückstände werden getrocknet
Extraktion der Pektine aus den Zellwänden:
Pektinextrakt; die entpektinisierten Rohstroffe werden als Futtermittel verwendet
Reinigung durch Filtration:
Abtrennung unlöslicher Bestandteile durch Filtration
Ausfällung der Pektine:
Aus den wässrigen Filtrat wird durch Zugabe von Alkohol das Pektin ausgefällt
Auspressen:
Das ausgefällte Pektin wird ausgepresst, man erhält unstandartisiertes Reinpektin
Trocknen:
Schonendes Trocknen des Pektin
Mahlen, Sieben:
Herstellen eines homogenen Pulvers; fertiges Pektin
Quellen: http://www.herbstreith-fox.de/
Verwendung von Pektinen
Die Anwendungsgebiete von Pektinen sind sehr weit gefächert. Pektine dienen als Gelier, Verdickungs- und Stabilisierungsmittel. Vor allem in der Lebensmittelindustrie werden
sie zur Gelierung und somit zur Herstellung von Marmeladen, Konfitüren bzw. Gelees
benutzt. Auch in Süßwaren, Backwaren und Milchprodukten findet man Pektine.
Sie sind im Allgemeinen als Lebensmittelzusatzstoff E 440 gekennzeichnet.
Pektine gewinnen immer mehr an Bedeutung, da den Verbraucherinnen und Verbraucher
zunehmend Wert auf Naturprodukte legen. Daher finden Pektine unter anderem auch in
der Pharma- und Kosmetikindustrie Verwendung.
Hersteller von Kosmetika benutzen Pektine vor allem für die Produktion von Geles und
Cremes.
Hier ein paar Beispiele von Produkten, in denen Pektin vorhanden ist:
Milchdesserts, Joghurt, Fruchtfüllungen in Backwaren, Tortenguss, Tomatenketchup,
Erfrischungsgetränke.
B: Gele
Gelbildung mit hoch
veresterten Pektinen
Bindungen zwischen den
Pektinketten:
Nebenvalenzbindungen
(Wasserstoff-brückenBindungen, van-derWaalsche Bindungen,
Dipol
Wechselwirkungen).
Voraussetzungen für die
Bildungen der
Bindungen zwischen den
Pektinketten:
Die Abspaltung des
Protons aus der Carboxylgruppe muss verhindert werden; die negativ geladenen
Carboxylat-Gruppen würden zu einer gegenseitigen Abstoßung der Pektinketten führen.
Durch hohe Säurekonzentrationen (pH-Wert < 3,3) lässt sich die Protolyse weitgehend
unterbinden (Verwendung der natürlichen Fruchtsäure oder Zusatz von Citronensäure)
Wassermoleküle müssen gebunden werden; die Pektine binden sehr leicht viel Wasser
(Hydratation), wodurch die Bindung zwischen den Pektinketten verhindert wird. Durch
große Mengen an Zucker (Saccharose) (Zuckergehalt etwa 60%) wird Wasser gebunden.
Damit können die Pektinketten sich untereinander binden, so dass das Gel entsteht.
Gelbildung mit
niedrig veresterten
Pektinen
Bindungen zwischen
den Pektinketten:
Hauptvalenzbindunge
n (Calcium-IonenKomplexe mit den
Carboxylat-Gruppen).
Voraussetzungen für
die Bildungen der
Bindungen zwischen den Pektinketten:
Die Abspaltung des Protons aus der Carboxylgruppe ist hier erwünscht, damit sich die
Ionenbindung ausbilden kann. Wenn allein die Calcium-Ionen für die Bindung zwischen
den Pektinketten verantwortlich sein sollen, dann muss der pH-Wert über 6,5 liegen.
Wassermoleküle müssen gebunden werden; die Pektine binden sehr leicht viel Wasser
(Hydratation), wodurch die Bindung zwischen den Pektinketten verhindert wird. Durch
Zucker (Saccharose) wird Wasser gebunden. Damit können die Pektinketten sich
untereinander binden, so dass das Gel entsteht. Die Zuckerkonzentration kann kleiner
sein als bei hoch veresterten Pektinen.
C: pH-Wert
Der pH-Wert ist ein Maß für den Säuregehalt in einer wässrigen Lösung. Die
konventionelle pH-Skala umfasst einen Bereich von 0 bis 14. Je kleiner der pH-Wert ist,
desto größer ist der Säuregehalt.
Beispiele:
- Haushaltsessig: 2,5 (sauer);
- reines Wasser: 7 (neutral);
- Seifenlösung: 9 (alkalisch)
Eine Lösung mit einem pH-Wert 3 hat einen zehnfach geringeren Säuregehalt als eine
Lösung mit dem pH-Wert 2.
D: Projektteilnehmer
Projektteilnehmer (von links nach rechts):
Daniel Losand
Katrin Matulat
Claas-Eike Seestädt
Franziska Teichmann
Franziska Stammer
Julia Juschkat
Franziska Szallies (hinten)
Nicht abgebildet: Annika Janson, Theresa Kutz
Projektleiter: Dr. Czieslik (nicht abgebildet)