Vorschlag C – Honig

Auf dem Weg vom Nektar, den die Bienen sammeln, zum fertigen Honig werden eine Vielzahl an Reifungsprozessen durchlaufen. Der fertige Honig besitzt dann je nach Honigsorte eine charakteristische Zusammensetzung. Diese bestimmt Farbe, Konsistenz, Geruch und Geschmack.

Die Hauptbestandteile von Honig sind Kohlenhydrate und Wasser.

Als Kohlenhydrate findet man im Honig die Monosaccharide Glucose und Fructose sowie das Disaccharid Saccharose (Material 1), aber auch Trisaccharide wie Erlose (Material 2).

Honig enthält außerdem eine Vielzahl weiterer Stoffe, unter anderem sogenannte N-Glycoside, die bei Reaktionen von Aminosäuren und Zuckermolekülen des Nektars entstehen (Material 4).

Bei der Honigernte kann es immer wieder vorkommen, dass eine Biene sich bedroht fühlt und deshalb sticht. Dabei setzt die Biene ein Gift frei, das zu einem großen Teil aus dem Peptid Melittin besteht (Material 6).

Zeichne jeweils die Fischer-Projektion für D-Glucose und D-Fructose sowie die Haworth-Projektion für $\alpha$ -D-Glucose als 6-Ring und $\beta$ -D-Fructose als 5-Ring.

Gib jeweils eine Definition für die Begriffe anomeres Kohlenstoff-Atom sowie Enantiomere.

Benenne die Verknüpfung der Monosaccharid-Einheiten im Saccharose-Molekül (Material 1).

(9 BE)

Mit D-Glucose und mit dem Trisaccharid Erlose (Material 2) wird jeweils die Fehling-Probe durchgeführt.

Beschreibe allgemein die Durchführung einer Fehling-Probe sowie die Beobachtungen bei ihrem positiven Verlauf.

Formuliere die Reaktionsgleichung der Reaktion von D-Glucose mit Fehling-Reagenz.

Entwickle die Haworth-Projektion des Trisaccharids Erlose (Material 2) und erkläre das Verhalten dieses Trisaccharids bei der Fehling-Probe.

(11 BE)

Entwickle unter Verwendung der Fischer-Projektionen für die organischen Verbindungen die Reaktionsgleichung der Honig-Reifung von D-Glucose zu D-Gluconsäure (Material 3) und zeige anhand der wesentlichen Oxidationszahlen und der Elektronenübergänge, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt.

Berechne den pH-Wert sowie den pOH-Wert eines wasserhaltigen Honigs, in dem eine $H_3O^+$ -Ionen-Konzentration von $c = 0,0000794 \,\text{mol} \cdot \text{L}^{-1}$ vorliegt.

(9 BE)

In Material 4 sind Aromastoffe von verschiedenen Honigsorten angegeben.

Beschrifte jeweils die charakteristische funktionelle Gruppe der Moleküle im Material 4 und benenne die Aromastoffe A und B jeweils nach der IUPAC-Nomenklatur.

Gib an, welche der drei Verbindungen (A–C, Material 4) sich mit einem geeigneten Oxidationsmittel ohne Aufbrechen der gesamten Molekülstruktur oxidieren lässt. Formuliere die Strukturformel des möglichen Oxidationsprodukts und benenne diese Verbindung nach der IUPAC-Nomenklatur.

Gib eine Definition für den Begriff „Konstitutionsisomer“ (Strukturisomer) und formuliere jeweils die Strukturformel der drei weiteren Konstitutionsisomere (Strukturisomere) mit derselben funktionellen Gruppe von Verbindung B (Material 4).

(10 BE)

Bei der Honigreifung werden auch Aminosäuren von den Bienen in den Honig gegeben.

Benenne die an der Reaktion beteiligte Aminosäure (Material 5) nach der IUPAC-Nomenklatur.

Beschreibe den in Material 5 abgebildeten Reaktionsschritt und erkläre, um welchen Reaktionstyp es sich hierbei handelt.

(5 BE)

Zeichne einen Strukturformelausschnitt aus dem Peptid Melittin (Material 6) mit der Aminosäureabfolge Valin, Leucin, Lysin.

Formuliere für die Reaktion des Restes von Lysin mit Wasser (Material 6) eine Reaktionsgleichung in Strukturformeln. Nicht relevante Molekülteile können mit „ $R$ “ abgekürzt werden, und beschrifte die korrespondierenden Säure-Base-Paare.

(6 BE)

Material 1

Saccharose

Strukturformel eines Zuckermoleküls mit chemischen Gruppen.

Material 2

Chemische Vorgänge bei der Honig-Reifung: Bildung eines Trisaccharids

Die Bienen sammeln Blütennektar mit ihrem Saugrüssel ein und versetzen den Nektar bei der Aufnahme mit einem Speichelsekret. Dieses Sekret enthält Enzyme, sogenannte Biokatalysatoren, die die chemische Umwandlung einiger Inhaltsstoffe des Nektars bewirken.

Eines der Enzyme ist die sogenannte Honig-Saccharase. Durch dieses Enzym kann das Trisaccharid Erlose gebildet werden. In Erlose ist eine $\alpha$ -D-Glucose-Einheit $\alpha$ -1,4-glycosidisch mit dem D-Glucose-Baustein der Saccharose (Material 1) verknüpft.

Material 3

Chemische Vorgänge bei der Honig-Reifung: Bildung von Gluconsäure

Ein weiteres Enzym aus dem Speichelsekret der Bienen ist die sogenannte Glucooxidase. Diese Verbindung bewirkt die Reaktion von D-Glucose mit elementarem Sauerstoff und Wasser zu D-Gluconsäure und Wasserstoffperoxid $(H_2O_2).$

Durch D-Gluconsäure erhält der gereifte Honig einen $pH$ -Wert im leicht sauren Bereich.

D-Gluconsäure

Material 4

Aromastoffe in Honig

Honig enthält viele verschiedene Aromen, von denen etliche in jedem Honig vorkommen. Die einzelnen Honigsorten unterscheiden sich durch spezifische Aromastoffe. Beispielsweise kommen die Verbindungen A, B und C jeweils nur in einer Honigsorte vor und tragen zu deren charakteristischem Aroma bei.

Setzt man die drei Verbindungen A, B und C jeweils mit einem geeigneten Oxidationsmittel um, so beobachtet man, dass sich nur eine der Verbindungen ohne Aufbrechen der Molekülstruktur oxidieren lässt.

Von Verbindung B existieren drei weitere Konstitutionsisomere (Strukturisomere) mit derselben funktionellen Gruppe.

Honigsorte	Aromastoff
A Sonnenblumenhonig
B Erikahonig
C Eukalyptushonig

Material 5

Chemische Vorgänge bei der Honig-Reifung: Nachdunkeln des Honigs

Bei der Honigreifung werden auch Aminosäuren von den Bienen in den Honig gegeben. Aminosäuren können unter bestimmten Reaktionsbedingungen mit Zuckern unter Ausbildung von gelb bis braun gefärbten Verbindungen reagieren.

Die Reaktionsgleichung zum ersten Schritt dieser „Nachdunkelungsreaktion“ ist unten abgebildet. Dabei entstehen ein Zwischenprodukt und ein weiteres Produkt $X.$

Das entstehende Zwischenprodukt reagiert dann weiter über komplexe Reaktionen und ist an der Bildung der gefärbten Verbindungen beteiligt.

Chemische Reaktion zwischen zwei Molekülen mit Strukturformeln und Produktbildung.

Material 6

Melittin im Bienengift

Das Peptid Melittin aus dem Bienengift besteht aus 26 miteinander verknüpften Aminosäuren, unter anderem gibt es hier die Aminosäureabfolge Valin, Leucin, Lysin. Der Rest der Aminosäure Lysin kann mit Wasser in einer Säure-Base-Reaktion reagieren.

Name der Aminosäure	Rest der Aminosäure
Valin	$CH(CH_3)_2$
Leucin	$CH_2 – CH(CH_3)_2$
Lysin	$CH_2 – CH_2 – CH_2 – CH_2 – NH_2$

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Fischer-Projektionen und Haworth-Projektionen

Fischer-Projektion	Haworth-Projektion
D-Glucose	$\alpha$ -D-Glucose
D-Fructose	$\beta$ -D-Fructose

Definitionen

Anomeres Kohlenstoff-Atom:
Das anomere Kohlenstoffatom ist das $C$ -Atom, das nach dem Ringschluss eines Zuckermoleküls als neues Chiralitätszentrum entsteht. Es entsteht, wenn aus der offenen Kettenform des Zuckers durch Reaktion der Carbonylgruppe (bei Aldosen die Aldehydgruppe) mit einer Hydroxylgruppe ein Halbacetal oder Acetal gebildet wird. Dieses C-Atom wird auch als „anomeres Zentrum“ bezeichnet und kann in zwei unterschiedlichen Konfigurationen vorliegen, was zur Unterscheidung der $\alpha$ - und $\beta$ -Anomere führt.

Enantiomere:
Enantiomere sind Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten, aber nicht deckungsgleich sind. Sie besitzen ein Chiralitätszentrum, an dem vier unterschiedliche Substituenten gebunden sind. Obwohl Enantiomere chemisch sehr ähnlich sind, können sie in biologischen Systemen unterschiedliche Wirkungen haben.

Verknüpfung der Monosaccharide in Saccharose

Die Monosaccharid-Einheiten Glucose und Fructose sind im Saccharose-Molekül durch eine $\alpha$ -1,2-glycosidische Bindung miteinander verknüpft.

Durchführung der Fehling-Probe und Beobachtungen

Die Fehling-Probe ist ein chemischer Nachweis für reduzierende Zucker oder Aldehyde. Bei dieser Reaktion wird eine alkalische Lösung von Kupfer $\text{(II)}$ -Ionen verwendet, die durch die Anwesenheit von Aldehyden reduziert werden.

Dafür werden zwei Lösungen benötigt:

Fehling I: eine wässrige Lösung von Kupfer $\text{(II)}$ -sulfat $(CuSO_4),$ die eine tiefblaue Farbe aufweist.
Fehling II: eine alkalische Lösung von Kalium-Natrium-Tartrat (Rochelle-Salz) in Natronlauge $(NaOH).$

Die beiden Lösungen werden unmittelbar vor dem Test im Verhältnis 1:1 gemischt, wodurch eine tiefblaue Fehling-Lösung entsteht. Diese enthält das Komplexion $[Cu(C_4H_4O_6)_2]^{2-},$ in dem Kupfer $\text{(II)}$ -Ionen komplex gebunden vorliegen. Zu dieser Lösung wird die zu testende Substanz hinzugefügt und anschließend erhitzt.

Bei einem positiven Verlauf der Fehling-Probe, also wenn die Substanz eine Aldehydgruppe enthält oder ein reduzierender Zucker ist, verschwindet die blaue Farbe der Kupfer $\text{(II)}$ -Lösung allmählich und es wird ein rotbrauner Niederschlag von Kupfer $\text{(I)}$ -oxid $(Cu_2O)$ gebildet.

Der entstandene rotbraune Feststoff $(Cu_2O)$ zeigt, dass das Kupfer $\text{(II)}$ -Ion zu Kupfer $\text{(I)}$ -oxid reduziert wurde, was bedeutet, dass eine Reduktion durch die Oxidation einer Aldehydgruppe stattgefunden hat.

Reaktionsgleichung der Fehling-Probe mit D-Glucose

$C_6H_{12}O_6 + 2\, Cu^{2+} + 5\, OH^-$ $\longrightarrow$ $C_6H_{12}O_7 + Cu_2O \downarrow + 3\,H_2O$

Haworth-Projektion von Erlose

Chemische Strukturformel einer organischen Verbindung mit mehreren Hydroxylgruppen.

Verhalten von Erlose bei der Fehling-Probe

Erlose zeigt keine positive Fehling-Probe, da es aufgrund der glykosidischen Bindung keine reduzierende Aldehydgruppe besitzt, die das Kupfer $\text{(II)}$ -Ion reduzieren könnte.

Reaktionsgleichung der Honig-Reifung

Chemische Reaktion mit Oxidation und Reduktion, dargestellt durch Moleküle und Reaktionspfeile.

Oxidationszahlen und Redoxreaktion

Die Oxidationszahl des Kohlenstoffatoms in der Aldehydgruppe der Glucose erhöht sich von $+1$ auf $+3,$ während der elementare Sauerstoff von $0$ auf $-2$ reduziert wird. Dies zeigt, dass es sich um eine Redoxreaktion handelt.

Berechnung des pH- und pOH-Werts

Für den pH-Wert gilt:

$\begin{array}[t]{rll} pH &=& -\log \ [H_3O^{+}] & \\[5pt] &=& -\log \ (0,0000794) & \\[5pt] &\approx& 4,1 \end{array}$

Der pH-Wert eines wasserhaltigen Honigs mit einer $H_3O^+$ -Konzentration von $c = 0,0000794 \text{mol/L}$ beträgt ca. $4,1.$

Für den pOH-Wert folgt:

$\begin{array}[t]{rll} pOH &=& 14- pH & \\[5pt] &=& 14 - 4,1 & \\[5pt] &=& 9,9 \end{array}$

Der pOH-Wert eines wasserhaltigen Honigs beträgt also $9,9.$

Funktionelle Gruppen und IUPAC-Nomenklatur

Honigsorte	Aromastoff	IUPAC-Name
A Sonnen-blumen-honig		3-Methyl-2-butanol / 3-Methylbutan-2-ol
B Erika-honig		2-Methyl-butansäure (2-Methyl-butter-säure)
C Eukalyptus-honig

Oxidierbare Verbindung

Von den Verbindungen A, B und C kann Verbindung A durch ein geeignetes Oxidationsmittel oxidiert werden, ohne dass die gesamte Molekülstruktur aufgebrochen wird. Verbindung A ist ein sekundärer Alkohol und lässt sich durch Oxidation in ein Keton umwandeln. Bei dieser Oxidation wird die Hydroxygruppe $(-OH)$ zu einer Carbonylgruppe $(C=O)$ umgewandelt, ohne dass die restliche Molekülstruktur verändert wird.

Strukturformel des möglichen Oxidationsprodukts von Verbindung A

Molekülstruktur mit Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, einschließlich einer funktionellen Gruppe.

IUPAC-Name: 3-Methylbutanon

Definition Konstitutionsisomer

Konstitutionsisomere sind Moleküle, die die gleiche Summenformel besitzen, sich jedoch in der Verknüpfung der Atome unterscheiden.

Konstitutionsisomere von Verbindung B

Molekülstruktur mit Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, zeigt chemische Bindungen und funktionelle Gruppen.

3-Methylbutansäure

Chemische Strukturformel eines organischen Moleküls mit Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen.

Pentansäure (Valeriansäure)

Chemische Strukturformel eines organischen Moleküls mit Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff.

2,2-Dimethylpropansäure (Pivalinsäure)

Aminosäure bei der Honigreifung

Die an der Reaktion beteiligte Aminosäure ist 2-Aminopropansäure bzw. Alanin.

Reaktionstyp

Der abgebildete Reaktionsschritt ist eine Kondensationsreaktion, die auch Maillard-Reaktion genannt wird.

Hierbei reagiert die Aminogruppe von Glycin mit der Carbonylgruppe des Zuckers. Dabei wird Wasser abgespalten. Es entsteht ein Zwischenprodukt, das zu farbigen Verbindungen weiter reagiert.

Strukturformelausschnitt von Melittin

Diagramm von Peptidbindungen mit chemischen Symbolen und Strukturen.

Reaktionsgleichung der Säure-Base-Reaktion von Lysin

Diagramm zu Reaktionen zwischen Base und Säure mit korrespondierenden Säuren und Basen.

Lysin ist eine Aminosäure mit einer zusätzlichen Aminogruppe $(NH_2)$ in der Seitenkette. In wässriger Lösung kann diese zusätzliche Aminogruppe protoniert werden, da Lysin eine basische Aminosäure ist.

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