Aufgabe B – E 338 – ein vielfach verwendeter Lebensmittelzusatzstoff

Bei dem Lebensmittelzusatzstoff E 338 handelt es sich um Phosphorsäure, die in einigen Lebensmitteln als Säuerungs- und Konservierungsmittel enthalten ist. Doch seit einigen Jahren kommen Zweifel hinsichtlich der Unbedenklichkeit des ungebremsten Konsums an Phosphorsäure und ihren Salzen auf.

Formuliere die Reaktionsgleichungen für die Herstellung von Phosphorsäure aus Phosphor (M 1).

Begründe für eine der beiden Reaktionen, dass es sich um eine Elektronenübertragungsreaktion handelt.

6 BE

Formuliere die Reaktionsgleichungen der ersten beiden Protolysestufen des Phosphorsäure-Moleküls im wässrigen Medium (M 1).

Erläutere das Säure-Base-Konzept nach Brønsted am Beispiel einer der Protolysestufen (M 1).

Erläutere den Begriff „Ampholyt“ am Beispiel des Dihydrogenphosphat-Ions (M 1).

8 BE

Begründe die Notwendigkeit des Erhitzens der Cola-Probe vor der Titration (M 2).

Plane einen Nachweis für das ausgetriebene Gas und gib die zu erwartende Beobachtung an. Formuliere dazu die Reaktionsgleichung (M 2).

Berechne die Masse an Phosphor, die in $Formula: 1\;\text{L}$ $Formula: 1\;\text{L}$ der untersuchten Cola-Probe in Form von Phosphaten enthalten ist (M 2).

10 BE

Beurteile, ob ein Jugendlicher mit einem Körpergewicht von $Formula: 60\;\text{kg}$ $Formula: 60\;\text{kg}$ durch das tägliche Trinken von einem Liter der untersuchten Cola mit gesundheitlichen Gefahren durch die Aufnahme von Phosphor in Verbindungen rechnen muss (M 2, M 3).

Hinweis: Sollte die Berechnung in Aufgabe 3 kein Ergebnis liefern, gehe von folgendem Ersatzwert aus: Masse an Phosphor $Formula: m=0,186\;\text{g}.$ $Formula: m=0,186\;\text{g}.$

3 BE

Diskutiere anhand von zwei Argumenten, ob der Phosphatgehalt auf Lebensmittelverpackungen gekennzeichnet werden soll.

3 BE

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Material 1: Phosphorsäure

Phosphorsäure $Formula: (\ce{H3PO4})$ $Formula: (\ce{H3PO4})$ ist in einigen Nahrungsmitteln, wie z. B. Cola-Getränken, als Säuerungsmittel enthalten (Lebensmittelzusatzstoff E 338).

Reine Phosphorsäure kann in zwei Schritten aus Phosphor hergestellt werden: Elementarer Phosphor $Formula: (\text{P}_4)$ $Formula: (\text{P}_4)$ wird verbrannt und das dabei entstehende Oxid $Formula: (\ce{P4O10})$ $Formula: (\ce{P4O10})$ wird anschließend mit Wasser umgesetzt.

Phosphorsäure-Moleküle sind dreiprotonig, das heißt, sie können stufenweise bis zu drei Protonen in Säure-Base-Reaktionen abgeben.

Bei den einzelnen Protolysestufen bilden sich ausgehend vom Phosphorsäure-Molekül nacheinander das Dihydrogenphosphat-Ion $Formula: (\ce{H2PO_4^-}),$ $Formula: (\ce{H2PO_4^-}),$ das Hydrogenphosphat-Ion $Formula: (\ce{HPO_4^2-})$ $Formula: (\ce{HPO_4^2-})$ und das Phosphat-Ion $Formula: (\ce{PO_4^3-}).$ $Formula: (\ce{PO_4^3-}).$

Material 2: Bestimmung der Stoffmengenkonzentration der Phosphorsäure in Cola

Neben der in den meisten Erfrischungsgetränken enthaltenen Kohlensäure findet sich in Cola zusätzlich Phosphorsäure als Säuerungsmittel.

Vor der Bestimmung der Stoffmengenkonzentration der Phosphorsäure in einer Cola-Probe wird die Probe ca. Formula: 5 Minuten lang unter Rühren auf $Formula: 60\:^\circ\text{C}$ $Formula: 60\:^\circ\text{C}$ erhitzt. Beim Erhitzen kann das Entweichen eines Gases beobachtet werden. Nach dem Abkühlen wird die Probe titriert.

Bei einer in einem Lebensmittellabor untersuchten Cola wurde eine Stoffmengenkonzentration an Phosphorsäure von $Formula: c=0,007\;\tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ $Formula: c=0,007\;\tfrac{\text{mol}}{\text{L}}$ ermittelt.

Material 3: Phosphorsäure, Phosphate und unsere Gesundheit

Ein vermeidbares Gesundheitsproblem verbirgt sich hinter der Verwendung von Phosphorsäure und deren Salzen als Zusatzstoffe in Nahrungsmitteln. Dieses „freie“ Phosphat wird sehr effektiv vom Körper aufgenommen. Neben der Verwendung der Phosphorsäure in Cola werden in fast allen verarbeiteten Fleischprodukten (wie Brühwürste, Kochschinken), aber auch in Schmelzkäse und anderen Käsezubereitungen sowie in vielen Fertiggerichten Phosphate eingesetzt, um Wasser zu binden.

Im Jahr 2019 wurde deshalb ein ADI-Wert bezogen auf die tägliche Aufnahme von Phosphor in Verbindungen (z. B. Phosphorsäure, Phosphate, Polyphosphate oder Ähnliches) festgelegt. Der ADI-Wert (acceptable daily intake) ist die geschätzte Menge eines Stoffes in Lebensmitteln pro Kilogramm Körpergewicht, die täglich ein Leben lang konsumiert werden kann, ohne dass sie ein merkliches Risiko für die Gesundheit birgt. Der ADI-Wert für Phosphor beträgt $Formula: 40\;\text{mg pro kg}$ $Formula: 40\;\text{mg pro kg}$ Körpergewicht. Eine $Formula: 70\;\text{kg}$ $Formula: 70\;\text{kg}$ schwere, gesunde Person hat daher bei einer täglichen Aufnahme von $Formula: 2,8\;\text{g}$ $Formula: 2,8\;\text{g}$ Phosphor in Verbindungen nicht mit gesundheitlichen Beeinträchtigungen zu rechnen. Zu berücksichtigen ist hierbei aber, dass viele eiweißreiche Lebensmittel wie Milchprodukte einen natürlichen, hohen Gehalt an Phosphaten aufweisen. Schätzungen zufolge kann der ADI-Wert insbesondere bei Säuglingen, Kleinkindern und Kindern bereits mit einer durchschnittlichen Aufnahme von Phosphat über die Ernährung überschritten werden. Dies gilt auch für Jugendliche, deren Ernährung reich an Phosphorsäure bzw. Phosphaten ist. Ebenso ist zu beachten, dass für Personen mit mittelschwerer bis schwerer Einschränkung der Nierenfunktion ein ADI-Wert von $Formula: 1000\;\text{mg}$ $Formula: 1000\;\text{mg}$ pro Tag als Orientierung gilt.

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Formulierung der Reaktionsgleichungen zur Herstellung von Phosphorsäure

$Formula: \ce{P4 + 5O2 \longrightarrow P4O10}$ $Formula: \ce{P4 + 5O2 \longrightarrow P4O10}$

$Formula: \ce{P4O10 + 6H2O \longrightarrow 4H3PO4}$ $Formula: \ce{P4O10 + 6H2O \longrightarrow 4H3PO4}$

Begründung der Elektronenübertragungsreaktion

Im ersten Schritt werden Phosphor-Atome oxidiert, wobei sich ihre Oxidationszahl von Formula: 0 im elementaren Phosphor auf $Formula: +\text{V}$ $Formula: +\text{V}$ im Phosphorpentoxid erhöht. Sauerstoff-Atome werden hingegen reduziert, denn ihre Oxidationszahl ändert sich von im elementaren Sauerstoff auf $Formula: -\text{II}$ $Formula: -\text{II}$ im Phosphorpentoxid. Somit handelt es sich um eine Redoxreaktion.

Formulierung der Reaktionsgleichungen für die ersten beiden Protolysestufen

$Formula: \ce{H3PO4 + H2O \rightleftharpoons H2PO4^- + H3O^+}$ $Formula: \ce{H3PO4 + H2O \rightleftharpoons H2PO4^- + H3O^+}$

$Formula: \ce{H2PO4^- + H2O \rightleftharpoons HPO4^2- + H3O^+}$ $Formula: \ce{H2PO4^- + H2O \rightleftharpoons HPO4^2- + H3O^+}$

Erläuterung des Säure-Base-Konzepts nach Brønsted

Das Phosphorsäure-Molekül ist eine Brønsted-Säure, weil es ein Proton abgibt (Protonendonator).
Das Wasser-Molekül ist eine Brønsted-Base, weil es ein Proton aufnimmt (Protonenakzeptor).
Insgesamt handelt es sich um eine Protonenübertragungsreaktion.

Erläuterung des Begriffs „Ampholyt“

Das Dihydrogenphosphat-Ion kann je nach Reaktionspartner sowohl ein Proton abgeben und dabei zum Hydrogenphosphat-Ion reagieren oder es kann ein Proton aufnehmen und zum Phosphorsäure-Molekül reagieren.
Teilchen, die je nach Reaktionspartner sowohl als Protonendonatoren als auch als Protonenakzeptoren wirken können, sind Ampholyte. Daher ist das Dihydrogenphosphat-Ion ein Ampholyt.

Begründung der Vorbehandlung der Cola-Probe

Die durch das gelöste Kohlenstoffdioxid entstehende Kohlensäure würde bei der Titration das Ergebnis verfälschen. Sie wirkt ebenfalls als Protonendonator und würde mit der Maßlösung reagieren. Dadurch ergäbe sich eine zu hohe Oxonium-Ionen-Konzentration. Beim Erhitzen der Cola-Probe wird Kohlenstoffdioxid ausgetrieben.

Planung des Nachweises des ausgetriebenen Gases und zu erwartende Beobachtung

Das ausgetriebene Gas wird durch eine Lösung von Calciumhydroxid (Kalkwasser) geleitet. Es entsteht weißes Calciumcarbonat, das die Lösung deutlich trübt.

Formulierung der Reaktionsgleichung

$Formula: \ce{CO2 + Ca^2+ +2OH^- \longrightarrow CaCO3 + H2O}$ $Formula: \ce{CO2 + Ca^2+ +2OH^- \longrightarrow CaCO3 + H2O}$

Berechnung der Masse an Phosphor in einem Liter Cola

Aus der Summenformel der Phosphorsäure ergibt sich:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} n(\text{P})&=&n(\ce{H3PO4})\\[5pt] &=&c(\ce{H3PO4})\cdot V(\ce{H3PO4})\\[5pt] &=&0,007\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot1,0\;\text{L}\\[5pt] &=&0,007\;\text{L} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} n(\text{P})&=&n(\ce{H3PO4})\\[5pt] &=&c(\ce{H3PO4})\cdot V(\ce{H3PO4})\\[5pt] &=&0,007\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot1,0\;\text{L}\\[5pt] &=&0,007\;\text{L} \end{array}$

$Formula: m(\text{P})=0,007\;\text{mol}\cdot31,0\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}}=0,217\;\text{g}$ $Formula: m(\text{P})=0,007\;\text{mol}\cdot31,0\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}}=0,217\;\text{g}$

Beurteilung von gesundheitlichen Gefahren

Laut ADI-Wert sollte man mit einem Körpergewicht von $Formula: 60\;\text{kg}$ $Formula: 60\;\text{kg}$ höchstens eine Masse von $Formula: 2400\;\text{mg}$ $Formula: 2400\;\text{mg}$ Phosphor (auf die aufgenommenen Phosphorverbindungen bezogen) pro Tag aufnehmen. Die Menge an Phosphor in einem Liter untersuchter Cola beträgt $Formula: 217\;\text{mg}$ $Formula: 217\;\text{mg}$ (Ersatzwert $Formula: 186\;\text{mg}).$ $Formula: 186\;\text{mg}).$ Das entspricht nur einem Bruchteil $Formula: (\lt10\,\%)$ $Formula: (\lt10\,\%)$ der zulässigen Höchstmenge an Phosphor pro Tag. Beim Trinken von einem Liter täglich sollten keine gesundheitlichen Gefahren ausgehen.

Diskussion zur Kennzeichnung des Phosphatgehalts

Pro-Argumente:

Um sich bei der Ernährung bewusst an Obergrenzen bei der Aufnahme an zugesetzten Phosphorverbindungen orientieren zu können, benötigt man die Angaben auf den Verpackungen bzw. Flaschen.
Spätfolgen, die aus einem dauerhaften, übermäßigen Konsum herrühren, werden vermieden, insbesondere bei Nierenkranken.

Contra-Argumente:

Bei einem gesunden Erwachsenen sind die erlaubten Maximalwerte recht hoch und nicht sehr schnell zu überschreiten, daher wäre es nicht unbedingt notwendig, Angaben zu machen.

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