Experiment der Woche: Stärkenachweis
In der Ernährung werden drei große Stoffgruppen unterschieden, aus denen die Nahrungsmittel vorrangig bestehen: Kohlenhydrate, Proteine und Fette. Bei den Kohlenhydraten finden sich vielfältige sehr unterschiedliche Strukturen, beispielsweise Stärke, Haushalts- und Traubenzucker. Aufgrund ihrer speziellen Struktur kann das Vorkommen von Stärke in Lebensmitteln gezeigt werden.
Wie aber funktioniert so ein Nachweis und in welchen Lebensmitteln ist Stärke eigentlich enthalten? Und was passiert letztlich mit der Stärke im Zuge unserer Verdauung? Diesen Fragen gehen wir in den folgenden Versuchen nach.
Versuch 1
So wird es gemacht: Zunächste müssen die zu untersuchenden Lebensmittel in kleinen Portionen auf die Teller gelegt werden. Für Obst und Gemüse bitte das kleine Schälmesser benutzen. Dabei achtsam umgehen und notieren wo welche Probe auf dem Teller platziert wurde. Zu Beginn sollten Vermutungen aufgestellt werden, welche der Proben Stärke enthalten könnte. Hierzu kann man eine Tabelle anfertigen, die auf dem Arbeitsblatt zu finden ist.
Anschließend wird die Nachweis-Lösung zubereitet. Hierzu einfach wenige Tropfen der Lugol'schen Lösung in den mit Wasser gefüllten Becher geben. Danach die Falsche umgehend wieder verschließen. Bitte darauf achten, dass die Nachweis-Lösung in einiger Entfernung zu den Schüler*innen steht und nur beim Pipettieren vorischtig genutzt wird. Die Färbung sollte eine durchscheinende, gelb-bräunliche sein.
Hinweis: Bitte besonders achtsam im Umgang mit der Lugol'schen Lösung sein, da die Dämpfe nicht dauerhaft eingeatmet werden sollen.
Nun sachte einen Tropfen der Nachweis-Lösung auf die Kartoffel tropfen. Sie dient uns als Referenz (=Vergleichsprobe). Denn in Kartoffeln ist Stärke enthalten.
Hinweis: Wenn viel Stärke vorliegt, ist die blaue Färbung dunkler und intensiver (schwarz).
Nun nacheinander einen (oder wenige) Tropfen der Nachweis-Lösung auf die unterschiedlichen Proben tropfen und die Ergebnisse in der Tabelle festhalten.
Versuch 2
So wird es gemacht: Eine Löffelspitze voll Mehl in den kleinen Becher geben. Nun die Nachweis-Lösung wie in Versuch 1 zubereiten. So viel Nachweis-Lösung zu dem Mehl tropfen, dass dieses vollständig von der Flüssigkeit bedeckt ist. Den Becher vorsichtig schwenken, um beides gut zu vermischen und die Färbund vermischen.
Was passiert mit der Färbung, wenn man Speichel hinzufügt?
Nun sollen die Vermutungen überprüft werden. Speichel wird nun in den Becher mit der Probe hinzugefügt. Den Becher sachte schwenken und beobachten, was passiert
Hinweis: Bitte unbedingt darauf achten, den Kopf immer nur kurz über den Becher zu halten.
Den Speichel nun etwa 30 Minuten einwirken lassen und die Beobachtungen notieren.
Hier das passende Arbeitsblatt zu unserem Experiment der Woche "Stärkenachweis" zum KOSTENLOSEN Download.
Knobelaufgabe für Stärke-Detektive
Während das ganze Jahr über Kartoffeln draußen auf dem Markt verkauft werden, schließt der Stand bei Temperaturen unter Null Grad. Der Frost schadet den Knollen, die Kartoffeln werden dabei ganz süß.
Überlege, welche Ursache der süße Geschmack in den Knollen hat. Was genau ist passiert und wie könntest du das nachweisen?
Hinweise
Die Verdauung als lebenserhaltender Prozess ist oft schwer nachvollziehbar und unverständlich, wenn er lediglich auf der Theorie-Ebene gestaltet wird. Ein deutlicher Zugewinn an Erkenntnissen und Verständnis lässt sich durch eine Verknüpfung mit praktischen „Selbst“Erfahrungen herbeiführen. So können Lernende ab der Jahrgangsstufe 4 im Zuge einfacher Nachweisreaktionen und einer Verknüpfung mit ihrer unmittelbaren Lebenswelt (gesunde Ernährung) bereits vielfältige grundlegende Mechanismen und Vorgänge begreifen.
Vereinfacht lässt es sich in der Ernährung in drei große Stoffgruppen unterscheiden, aus denen die Nahrungs-mittel vorrangig bestehen: Kohlenhydrate, Proteine und Fette. Die Verdauung dient dazu, die Nahrungsmittel in ihre einzelnen Bausteine aufzuspalten, um aus diesen dann den jeweiligen Bedarf zu decken. Bei Proteinen bauen wir aus den kleinsten Einheiten (= Aminosäuren) körpereigene Strukturen auf. Kohlenhydrate liefern uns mit den Bausteinen (u. a. Glucose) in den Körperzellen Energie und Fette dienen zahlreichen Vorgängen im Körper.
Bei den Kohlenhydraten finden sich vielfältige sehr unterschiedliche Struktu-ren, beispielsweise Glykogen, Stärke, Haushalts-, Frucht- und Traubenzucker. Während Glykogen ein tierisches Speicherkohlenhydrat darstellt, kann das Pendant Stärke ausschließlich von Pflanzen hergestellt werden. Die spezielle Struktur der Stärke erlaubt einen Nachweis mithilfe Lugol’scher Lösung (Iod-Kalium-Iodid): in die enthaltenen Amyloseketten lagert sich das Iodid ein und bildet einen Komplex, bei dem sich die Absorption ändert. In der Folge erken-nen wir das zuvor gelb-bräunliche Nachweismittel als blau (bis schwarz, je nach Konzentration der Lösung und in Abhängigkeit der Menge der vorkommenden Stärke).
Zunächst wird mit den Eingangsfragen für das Bewusstwerden der Thematik gesorgt. Häufig geschieht das Essen in Industrieländern heutzutage „nebenbei“ und hat teilweise einen Charakter der bloßen Grundversorgung oder Nahrungsaufnahme angenommen. Was und wie wir essen, das spielt jedoch eine entscheidende Rolle nicht nur für eine gesunde Entwicklung, sondern auch für das Wohlbefinden und einen ausdauernden, leistungsfähigen Allgemeinzustand.
Im Rahmen gut differenzierbarer und individualisierbarer Versuche werden hier zwei Schwerpunkte fokussiert. Einerseits geht es darum, sich das Vorkommen und den Sinn der Stärke als „Energiespeicher“ (Kohlenhydrat-speicher) klarzumachen. Dabei kommt vor allem der Stärkenachweis in Versuch 1 zum Tragen, der sowohl für Obst und Gemüse als auch für verarbeitete Produkte, die im täglichen Umgang der Schüler*innen eine Rolle spielen, durchgeführt wird. Referenzen und Kontrollen werden ebenso eingesetzt wie das methodisch strukturierte Vorgehen mit anzustellenden Vermutungen, Beobachtungen und entsprechend dazugehörigen Schlussfolgerungen. Darüber hinaus werden die Grenzen der Nachweis-Reaktion unter die Lupe genommen.
Die wissenschaftliche Herangehensweise wird zunächst angeleitet eingeübt und dann durch eigenständige Wiederholung gesichert. Andererseits spielt vorrangig in dem zweiten Experiment die konkrete Verdauung des Speicherkohlenhydrats eine Rolle. Die Lernenden werden zu einer unmittelbaren Erfahrung aufgefordert, die im Zuge der Mundverdauung gut zu veranschaulichen ist. Die Stärke – im Nachweis mit Lugol’scher Lösung blau gefärbt – verändert aufgrund des Speichelenzyms Amylase ihre Struktur. Die in ihr enthaltenen Amyloseketten werden aufgespalten und zerkleinert. Dadurch findet die vormals geschehene Einlagerung des Iodids in die spiralförmige Amylose nun nicht mehr statt. Die Folge ist eine gut erkennbare Entfärbung der Probe.
Die Tabelle in Versuch 1 dient einer übersichtlichen Ergebnissicherung, nachdem zuvor die Vermutungen zu den jeweils ausgewählten Lebensmittelproben eingetragen wurden. Eine Abweichung zwischen erster Überlegung und tatsächlich nachgewiesenem Vorkommen von Stärke ist dabei durchaus erwünscht. Tragen doch Irritation und vermeintliche „Fehler“ (als Fehlen von Erfahrung, Übung und Wissen verstanden) zu einer vertiefenden Erkenntnis bei.
In der Auswertung der Versuchsergebnisse sind die Lernenden auch aufgefordert, die eigenen Vermutungen zu reflektieren und hinsichtlich einer korrekten Ahnung oder vorhandener Irritation oder Verwirrung zu bewerten. Das zielt darauf ab, sich des häufig durch unvollständige Medienberichte oder der Werbung geschuldeten Halbwissens gewahr zu werden. Ein Bewusstwerden der Lebensmittelinhaltsstoffe und damit auch ein Nachdenken über das eigene Ernährungsverhalten anzustoßen, kann ein gewünschter Nebeneffekt sein.
Da den Schlussfolgerungen über das Vorkommen der Stärke ausschließlich die Versuchsergebnisse der Nach-weisreaktion zugrunde liegen, kann hier auch sehr gut die Methodik und Vorgehensweise fokussiert werden. So zeigen naturgemäß die meisten Nachweise ihre Grenzen auf. Eine Blaufärbung lässt zwar eindeutig auf das Vorhandensein von Stärke schließen, doch kann hier keine Mengenangabe oder Konzentration quantitativ abgeleitet werden. Aus einer gelb-bräunlichen Farbe lässt sich lediglich folgern, dass keine Stärke nachgewiesen werden konnte. Eine absolute Stärkefreiheit – wie es beispielsweise bei manchen Lebensmittelallergien oder -unverträglichkeiten erforderlich ist – dagegen nicht. Eine Möglichkeit der Absicherung besteht in der Gestaltung der Versuchsbedingungen, die auf einen sensitiveren Nachweis abzielen (dabei spielen Faktoren wie Konzentra-tion des Nachweis-Reagenz‘, Zugänglichkeit zur Probe, Stoffkonzentration, Einwirkdauer, Kontrollversuche u. a. eine Rolle). In Labors der Lebensmittelchemie werden entsprechende Kriterien berücksichtigt.
Im Rahmen des 2. Experiments wird die konkrete Verdauungssituation sowie der Prozess im Mund untersucht. Dabei geht es zunächst um das Verstehen der Vorgänge und damit einhergehend um die versuchsgestützte Erkenntnisgewinnung. Das mit Lugol’scher Lösung versetzte Mehl zeigt unmittelbar die nach den Vorerfahrun-gen aus Versuch 1 erwartbare Blaufärbung. Die Schüler*innen sollen vermuten, was mit dieser bei Speichel-zugabe passiert. Die auf Theorieebene häufig nur repetierte Zerkleinerung der Nahrungsbestandteile in unter-schiedlichen Schritten und an verschiedenen zum Verdauungsprozess gehörigen Orten und Organen findet eine besondere experimentelle Berücksichtigung und kann somit für einen Aha-Effekt sorgen. Es stehen mögliche Antworten wie „Blaufärbung bleibt bestehen“, „Färbung wechselt zu X“, „Farbe wird heller“, „Lösung entfärbt sich“ zur Option. Diskussionen und das Zulassen sinnvoller Erklärungsversuche legen meist die Schwierigkeiten im Verständnisprozess offen und können gut bearbeitet werden. Durch die tatsächliche Überprüfung der Speichelwirkung – die mitunter individuell unterschiedlich intensiv oder schnell sein kann (je nach Enzymbesatz) – lässt sich das Prinzip der bereits im Mund beginnenden Nahrungszerlegung in kleinere Bestandteile gut nachvollziehen.
Dieser Versuch zeigt also eindrücklich den grundsätzlichen Vorgang der Verdauung von Kohlenhydraten am Beispiel der (enzymatischen) Zerlegung komplexer Stärke in kleinere Bestandteile. Die im Speichel enthaltene Amylase spaltet die Struktur der Stärke auf, sodass die vormals geschehene Einlagerung des Iodids in die spiralförmige Amylose (= Ursache für die Blaufärbung) nun nicht mehr stattfinden kann. Die Folge ist die gut erkennbare Entfärbung der Probe (siehe oben).
Ein Kontrollversuch zu diesem Verdauungsexperiment könnte in Abhängigkeit der Überlegungen unterschiedlich ausfallen: einerseits ließe sich prüfen, ob die Entfärbung der Probe tatsächlich auf die Wirkung des Speichels (oder darin enthaltener Stoffe) auf die Stärke zurückzuführen ist. Hierfür würde ein 30-minütiges Stehenlassen der Mehl-Nachweis-Lösung-Mischung lediglich mit Wasser statt Speichel infrage kommen. Hiermit würde gleichermaßen gezeigt werden, dass die Farbänderung keine bloße zeitliche Konsequenz darstellt.
Andererseits stellt sich die Frage, ob nicht das Nachweis-Reagenz selbst Schaden nimmt bei der Einwirkung von Speichel und deshalb eine Färbung der Probe verblasst. Dies lässt sich herausfinden, indem in einen Becher mit Nachweis-Lösung allerdings ohne stärkehaltige Substanz gespeichelt wird. Hier tritt keine Farbänderung auf; die Lösung bleibt gelb-bräunlich. Damit wird gezeigt, dass der Speichel nicht auf das Nachweis-Reagenz an sich einwirkt, sondern die Entfärbung tatsächlich auf die spezifische Veränderung des Iod-Stärke-Komplexes durch Abbau zurückzuführen ist.
Knobelaufgabe für Stärke-Detektive
Die im Rahmen der Knobelaufgabe angesprochene Alltagssituation soll die Wahr-nehmung der Schüler*innen schärfen. In der unmittelbaren Lebenswelt finden sich vielfältige, oft unreflektierte und einfach als gegeben hingenommene Erscheinungen und „Regeln“, deren Ursachen und Beweggründe selten hinterfragt werden. Warum schließt denn eigentlich der Kartoffelstand auf dem Markt bei zu erwartendem Frost. Mit Sicherheit nicht, weil die Standbetreiber frieren. Tatsächlich schadet die Kälte den Kartoffeln. In den Knollen wird mit dem Kältereiz ein biologisch sinnvoller Abbauprozess in Gang gesetzt. Je nach Temperatur und Dauer des Impulses kann es mehrere Folgen haben: die Auflösung der Stärke in kleinere Kohlenhydratketten wirkt als zellulärer Frostschutz, indem durch die erhöhte Anzahl osmotisch wirksamer Bestandteile die Bildung von Eiskristallen durch frei verfügbares Wasser verhindert wird. Bei zu langer oder intensiver Kälte wird dagegen ein Fäulnisprozess gestartet, der die Stärke abbaut und im Zuge dessen die Kartoffel verwest.
Mit den Erkenntnissen aus den beiden vorgehenden Versuchen können die Schüler*innen gut darauf schließen, dass ein der Verdauung ähnlicher Abbauprozess von Stärke vorliegt. Ein entsprechender Nachweis wäre wie-derum mithilfe Lugol’scher Lösung zu vollziehen. Das Fehlen von Stärke in den dem Frost ausgelieferten Knollen wird durch das Ausbleiben der Blaufärbung gezeigt. Der typisch süße Geschmack lässt sich auf die kurzkettigen Kohlenhydrate und Monosaccharide (wie Glucose) zurückführen.
Hinweis: Auch die für eine vegetative Vermehrung notwendige Zerlegung der gespeicherten Stärke in kleinere und damit leichter verwertbare Kohlenhydrateinheiten bei gesetzten vorgekeimten Kartoffelknollen kann auf diese Weise mit dem qualitativen Nachweis gut gezeigt werden.
Sicherheitshinweise
Im Zuge der Herstellung der Nachweis-Lösung ist die Möglichkeit für das Inhalieren des verdampfenden Iods theoretisch gegeben. Es wird an vielen Stellen immer wieder darauf hingewiesen, die erforderliche Achtsamkeit walten zu lassen und das Einatmen durch zu lange Exposition zu vermeiden.
Achtung
H373: kann die Organe schädigen (Schilddrüse) bei längerer oder wiederholter Exposition (Verschlucken)
P260 P314: Nebel/Dampf/Aerosol nicht einatmen, bei Unwohlsein ärztlichen Rat einholen, ärztliche Hilfe hinzuziehen
