Vorschlag D – Honig – eine süße Sache

Honig ist eines der ältesten Süßungsmittel der Welt. Aufgrund des Preises wird er häufig verfälscht. Honig ist relativ lange haltbar. Für den süßen Geschmackseindruck ist ein Stoffgemisch verschiedener Zuckerarten verantwortlich.

Gib die Fischer-Projektionsformeln der drei Monosaccharid-Moleküle an (Material 1).

Ordne begründet den Darstellungen der Zuckermoleküle die folgenden Namen zu: Melezitose, Erlose, Turanose, Raffinose und Saccharose (Material 1).

10 BE

Formuliere für die Bildung der Gluconsäure die Teilgleichungen der Oxidation und Reduktion sowie die Gesamtreaktionsgleichung (Material 2).

Beurteile anhand von zwei Aspekten den Einfluss der Reaktionsprodukte dieser Reaktion auf die Haltbarkeit von Honig (Material 2).

10 BE

Berechne die Masse an Gluconsäure, die in $Formula: 50\ \text{g}$ $Formula: 50\ \text{g}$ Honig enthalten ist (Material 2).

Hinweis: Nimm vereinfachend an, dass es keine anderen Verbindungen gibt, die einen Einfluss auf den pH-Wert des Honigs haben. Gehe bei der Berechnung davon aus, dass Gluconsäure eine schwache Säure ist.

5 BE

Plane ein Experiment, mit dem man im Schullabor Melibiose von Raffinose unterscheiden kann (Material 1, Material 3).

Gib jeweils die zu erwartende Beobachtung an.

7 BE

Vergleiche die beiden Kurvenverläufe (Material 3).

Ordne begründet die beiden Honigproben A und B unverfälschtem und verfälschtem Honig zu (Material 3).

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Material 1

Zucker im Honig

Honig ist ein von Honigbienen hergestelltes Lebensmittel, das zu ca. 80 % aus verschiedenen Zuckern besteht, von denen Fructose und Glucose die Hauptbestandteile sind. Auch Saccharose kommt in geringen Anteilen darin vor sowie weitere Mehrfachzucker, z. B. Melezitose, Erlose und Turanose. Zugesetzt wird gelegentlich Raffinose.

Die Haworth-Projektionen dieser Mehrfachzucker sind in Abbildung 1 dargestellt. Sie setzen sich aus Kombinationen der Monosaccharid-Bausteine D-Glucose, D-Fructose und D-Galactose zusammen.

Über diese fünf Di- und Trisaccharide ist Folgendes bekannt:

Wenn man Raffinose vollständig hydrolysiert, entstehen außer D-Galactose noch D-Fructose und D-Glucose.
Die Produkte der vollständigen Hydrolyse der Trisaccharide Erlose und Melezitose sind gleich, allerdings ist nur bei der Erlose eine 1→4-glykosidische Bindung zu finden.
Die Saccharose ist ein Disaccharid mit einer 1→2-glykosidischen Bindung.
Die Turanose ist im Gegensatz zur Saccharose ein reduzierend wirkendes Disaccharid.

Diagramm mehrerer ringförmiger Zuckermoleküle in Kästchen, verschiedene Strukturformeln beschriftet I–V

Abb. 1: Strukturformeln verschiedener Zuckermoleküle der Zucker I bis V

Material 2

Honigreifung

Honig muss einige Zeit reifen. In dieser Zeit nimmt der Wassergehalt durch Verdunstung auf unter 20 % ab. So katalysiert z. B. das Enzym Glucoseoxidase aus dem Speichel der Biene die Reaktion von Glucose mit Sauerstoff zu dem starken, keimtötenden Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid $Formula: (\ce{H2O2})$ $Formula: (\ce{H2O2})$ und zu Gluconsäure $Formula: (M(\ce{C6H12O7})=196{,}0\ \tfrac{\text{g}}{\text{mol}};\ pK_\text{S}(\ce{C6H12O7})=3{,}86).$ $Formula: (M(\ce{C6H12O7})=196{,}0\ \tfrac{\text{g}}{\text{mol}};\ pK_\text{S}(\ce{C6H12O7})=3{,}86).$ Der $Formula: pH\text{-}$ $Formula: pH\text{-}$ Wert kann so bis auf einen Wert von Formula: 4 sinken. Dadurch werden mikrobielle Stoffwechselprozesse gehemmt.

In einem Labor soll Honig untersucht werden. Zur Messung des $Formula: pH\text{-}$ $Formula: pH\text{-}$ Wertes werden $Formula: 50\ \text{g}$ $Formula: 50\ \text{g}$ Honig in einem $Formula: 500\ \text{mL}$ $Formula: 500\ \text{mL}$ Messkolben abgewogen und mit Wasser bis zur Eichmarke aufgefüllt. Der $Formula: pH\text{-}$ $Formula: pH\text{-}$ Wert dieser Lösung beträgt Formula: 5.

Material 3

Verfälschter Honig

Die Gewinnung von Honig durch Imker ist teuer. Betrüger strecken daher den Honig beispielsweise mit billigem Invertzuckersirup. Dieser wird aus Saccharose mithilfe des Katalysators $Formula: \beta\text{-}$ $Formula: \beta\text{-}$ Fructofuranosidase hergestellt. Wird der Honig mit Invertzuckersirup versetzt, so gelangt auch der Katalysator in den Honig.

$Formula: \beta\text{-}$ $Formula: \beta\text{-}$ Fructofuranosidase katalysiert auch die folgende Reaktion:

Raffinose + Wasser → Melibiose + Fructose

Melibiose ist ein Disaccharid aus einem D-Galactose- und einem D-Glucose-Baustein, welche 1→6-glykosidisch verknüpft sind.

Zur Überprüfung, ob Honig mit Invertzuckersirup verfälscht wurde, wird den hier zu untersuchenden Honigproben A und B Raffinose zugesetzt.

Der Gehalt an Raffinose und Melibiose kann dann mithilfe eines Trennverfahrens, einer speziellen Chromatographie (HPLC), ermittelt werden. Dabei wird ein flüssiges Laufmittel unter hohem Druck durch eine Apparatur über einen unbeweglichen Stoff, die sogenannte stationäre Phase, geleitet. Raffinose und Melibiose wandern dabei unterschiedlich schnell durch die Apparatur (Retentionszeit), wobei das größere Molekül hierbei eine höhere Retentionszeit hat. In den Chromatogrammen (Abb. 2) verursachen die beiden Zucker jeweils ein Signal (Peak).

Je größer die Fläche unter dem Peak ist, desto größer ist der Anteil der Zuckerart im Honig.

Zweikurvendiagramm (A durchgezogen, B gestrichelt) mit Peaks bei ~15 und ~21 min; Retentionszeit vs. relative Signalhöhe

Abb. 2: Chromatogramme von verfälschtem und unverfälschtem Honig einige Zeit nach Zugabe gleicher Mengen Raffinose. Der Glucose- und Fructose-Peak erscheint bei einer Retentionszeit unter 10 Minuten.

Quellen:

Aufgabe 1 und Material 1:

URL: https://www.lwg.bayern.de/mam/cms06/bienen/dateien/inhaltsstoffe_von_honig.pdf (abgerufen am 21.03.2024).

Aufgabe 2, 3 und Material 2:

URL: https://uol.de/f/5/inst/chemie/ag/didaktik/Honig_im_Chemieunterricht_V_1.0.pdf (abgerufen am 21.03.2024)

Aufgabe 4 und Material 1, 3:

URL: https://www.lwg.bayern.de/mam/cms06/bienen/dateien/inhaltsstoffe_von_honig.pdf (abgerufen am 21.03.2024).

URL: https://www.ndr.de/nachrichten/mecklenburg-vorpommern/Vorsicht-vor-gepanschtem-Honig,honig370.htm (abgerufen am 13.09.2023).

URL: https://www.tentamus.com/legacy-uploads/sites/11/2018/01/37_DLR92010-SpezialHonigverflschung.pdf (abgerufen am 29.04.2025).

Aufgabe 5 und Material 3:

URL: https://www.ndr.de/nachrichten/mecklenburg-vorpommern/Vorsicht-vor-gepanschtem-Honig,honig370.htm (abgerufen am 13.09.2023).

URL: https://www.tentamus.com/legacy-uploads/sites/11/2018/01/37_DLR92010-SpezialHonigverflschung.pdf (abgerufen am 29.04.2025)

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Angabe der Fischer-Projektionsformeln der drei Monosaccharid-Bausteine

Strukturformel Fischer-Projektion D-Glucose

Strukturformel Fischer-Projektion D-Galactose

Strukturformel Fischer-Projektion D-Fructose

D-Glucose

D-Galactose

D-Fructose

Zuordnung der Zuckermoleküle und Begründung

Trisaccharide:

$Formula: \text{V}$ $Formula: \text{V}$	Raffinose enthält einen Galactose-Baustein (einziger Zucker-Baustein, der nicht Fructose- oder Glucose-Baustein ist)
$Formula: \text{III}$ $Formula: \text{III}$	Erlose hat eine 1→4-Verknüpfung
$Formula: \text{II}$ $Formula: \text{II}$	Melezitose hat die gleichen Hydrolyseprodukte wie die Erlose

Disaccharide:

$Formula: \text{IV}$ $Formula: \text{IV}$	Saccharose ist ein nicht-reduzierend wirkendes Disaccharid
$Formula: \text{I}$ $Formula: \text{I}$	Turanose ist ein reduzierend wirkender Zucker

Formulieren der Teil- und Gesamtreaktionsgleichung der Bildung von Gluconsäure

Strukturformel D-Glucose mit markiertem Rest

$Formula: \begin{array}[t]{rll} &\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}}}{\ce{R-CHO}}\ce{+3H2O \longrightarrow}\overset{\color{#0096C8}{+\text{III}\;\;}}{\ce{R-COOH}}\ce{+2e- + 2H3O+} &\quad\text{Oxidation}& \\[5pt] &\overset{\color{#0096C8}{0\;\,}}{\ce{O2}}\ce{+2H3O+ + 2e- \longrightarrow}\overset{\color{#0096C8}{\;\;-\text{I}}}{\ce{H2O2}}\ce{+2H2O} &\quad\text{Reduktion}& \\[5pt] &\overline{\phantom{\ce{R-CHO + O2 + H2O \longrightarrow R-COOH + H2O2}}} \\&\ce{R-CHO + O2 + H2O \longrightarrow R-COOH + H2O2}& \quad\text{Redoxreaktion} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} &\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}}}{\ce{R-CHO}}\ce{+3H2O \longrightarrow}\overset{\color{#0096C8}{+\text{III}\;\;}}{\ce{R-COOH}}\ce{+2e- + 2H3O+} &\quad\text{Oxidation}& \\[5pt] &\overset{\color{#0096C8}{0\;\,}}{\ce{O2}}\ce{+2H3O+ + 2e- \longrightarrow}\overset{\color{#0096C8}{\;\;-\text{I}}}{\ce{H2O2}}\ce{+2H2O} &\quad\text{Reduktion}& \\[5pt] &\overline{\phantom{\ce{R-CHO + O2 + H2O \longrightarrow R-COOH + H2O2}}} \\&\ce{R-CHO + O2 + H2O \longrightarrow R-COOH + H2O2}& \quad\text{Redoxreaktion} \end{array}$

Oxidation:

$Formula: \overset{\color{#0096C8}{+\text{I}}}{\ce{R-CHO}}\ce{+3H2O \longrightarrow}\overset{\color{#0096C8}{+\text{III}\;\;}}{\ce{R-COOH}}\ce{+2e- + 2H3O+}$ $Formula: \overset{\color{#0096C8}{+\text{I}}}{\ce{R-CHO}}\ce{+3H2O \longrightarrow}\overset{\color{#0096C8}{+\text{III}\;\;}}{\ce{R-COOH}}\ce{+2e- + 2H3O+}$

Reduktion:

$Formula: \overset{\color{#0096C8}{0\;\,}}{\ce{O2}}\ce{+2H3O+ + 2e- \longrightarrow}\overset{\color{#0096C8}{\;\;-\text{I}}}{\ce{H2O2}}\ce{+2H2O}$ $Formula: \overset{\color{#0096C8}{0\;\,}}{\ce{O2}}\ce{+2H3O+ + 2e- \longrightarrow}\overset{\color{#0096C8}{\;\;-\text{I}}}{\ce{H2O2}}\ce{+2H2O}$

Redoxreaktion:

$Formula: \ce{R-CHO + O2 + H2O \longrightarrow R-COOH + H2O2}$ $Formula: \ce{R-CHO + O2 + H2O \longrightarrow R-COOH + H2O2}$

Hinweis: Hier darf auch mit Hydroxid-Ionen ausgeglichen werden.

Beurteilung des Einflusses der Reaktionsprodukte auf die Haltbarkeit von Honig

Es entsteht eine Säure, die den pH-Wert der Lösung senkt und dadurch die Vermehrung von Mikroorganismen behindert. Außerdem entsteht Wasserstoffperoxid, das stark oxidierend und keimtötend bzw. hemmend auf mikrobielle Stoffwechselprozesse wirkt. Dadurch werden Mikroorganismen abgetötet.

Beide Effekte haben eine konservierende Wirkung, was sich positiv auf die Haltbarkeit auswirkt.

Für schwache Säuren bzw. unvollständige Protolyse gilt:

$Formula: pH=\dfrac{1}{2}\cdot\bigl(pK_\text{S}-\lg[c_0(\text{HA})]\bigr)$ $Formula: pH=\dfrac{1}{2}\cdot\bigl(pK_\text{S}-\lg[c_0(\text{HA})]\bigr)$

Für die Stoffmengenkonzentration folgt demnach:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} c_0(\text{HA})&=&10^{pK_\text{S}-2\cdot pH}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\\[5pt] &=&10^{3{,}86-2\cdot5}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\\[5pt] &\approx&7{,}24\cdot10^{-7}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} c_0(\text{HA})&=&10^{pK_\text{S}-2\cdot pH}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\\[5pt] &=&10^{3{,}86-2\cdot5}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\\[5pt] &\approx&7{,}24\cdot10^{-7}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$

Nun können die Stoffmenge und die Masse berechnet werden:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} n&=&c\cdot V\\[5pt] &=&7{,}24\cdot10^{-7}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0{,}5\;\text{L}\\[5pt] &=&3{,}62\cdot10^{-7}\;\text{mol} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} n&=&c\cdot V\\[5pt] &=&7{,}24\cdot10^{-7}\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot0{,}5\;\text{L}\\[5pt] &=&3{,}62\cdot10^{-7}\;\text{mol} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} m&=&n\cdot M\\[5pt] &=&3{,}62\cdot10^{-7}\;\text{mol}\cdot196{,}0\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}}\\[5pt] &=&7{,}1\cdot10^{-5}\;\text{g} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} m&=&n\cdot M\\[5pt] &=&3{,}62\cdot10^{-7}\;\text{mol}\cdot196{,}0\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}}\\[5pt] &=&7{,}1\cdot10^{-5}\;\text{g} \end{array}$

Planung eines Experiments zur Unterscheidung von Melibiose und Raffinose

In Melibiose ist eine Hydroxy-Gruppe am anomeren Kohlenstoff-Atom eines Zucker-Bausteins nicht an der glykosidischen Bindung beteiligt. Dadurch ist eine Ringöffnung möglich, wodurch Melibiose reduzierend wirkt.

Raffinose hingegen wirkt nicht reduzierend.

Durchgeführt wird daher ein Nachweis auf reduzierend wirkende Zucker, z. B. die Fehling-Probe.

Durchführung: In einem Reagenzglas werden einige Milliliter Fehling-Lösung I und II zu gleichen Teilen gemischt und nach Zugabe einiger Milliliter der zu untersuchenden Saccharid-Lösung erwärmt.

Angabe der jeweils zu erwartenden Beobachtung

Bei Vorhandensein von Raffinose bleibt die Lösung blau (negativer Nachweis), bei Melibiose fällt ein ziegelroter Niederschlag aus (positiver Nachweis).

Vergleichen der Kurvenverläufe der Chromatogramme A und B

Die relative Signalhöhe zweier Peaks unterscheidet sich deutlich, ansonsten sind die Kurvenverläufe identisch. Bei der Honigprobe A ist die Fläche unter dem ersten der beiden Peaks deutlich größer als die unter dem zweiten. Bei der Honigprobe B ist die Fläche unter dem zweiten der beiden Peaks deutlich größer als die unter dem ersten.

Begründete Zuordnung beider Honigproben

Raffinose ist ein Trisaccharid. Damit ist das Molekül der Raffinose größer als das des Disaccharids Melibiose. Da das größere Molekül eine längere Retentionszeit hat, entspricht der Peak bei $Formula: 15\ \text{min}$ $Formula: 15\ \text{min}$ Melibiose, der Peak bei $Formula: 21\ \text{min}$ $Formula: 21\ \text{min}$ der Raffinose.

Im verfälschten Honig findet ein Abbau von Raffinose zu Melibiose statt: Verfälschter Honig muss mehr Melibiose (Peak bei $Formula: 15\ \text{min)}$ $Formula: 15\ \text{min)}$ enthalten. Somit entspricht der verfälschte Honig der Honigprobe A.

Unverfälschter Honig muss mehr Raffinose (Peak bei $Formula: 21\ \text{min)}$ $Formula: 21\ \text{min)}$ enthalten. Honigprobe B ist somit der unverfälschte Honig.

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