HT 1 – 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 einem Liter der untersuchten Cola-Probe in Form von Phosphaten enthalten ist (M 2).

(10 BE)

Beurteile, ob ein Jugendlicher mit einem Körpergewicht von $60 \;\text{kg}$ 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 $m = 0,186\; \text{g}.$

(3 BE)

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

(3 BE)

M 1: Phosphorsäure

Phosphorsäure $(\ce{H3PO4})$ 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 $(\ce{P4})$ wird verbrannt und das dabei entstehende Oxid $(\ce{P4O10})$ 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 $(\ce{H2PO4-}),$ das Hydrogenphosphat-Ion $(\ce{HPO4^2-})$ und das Phosphat-Ion $(\ce{PO4^3-}).$

M 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. 5 Minuten lang unter Rühren auf $60\; ^\circ\text{C}$ 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 $c(\ce{H3PO4}) = 0,007\; \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$ ermittelt.

M 3: Phosphorsäure, Phosphate und unsere Gesundheit

Ein vermeidbares Gesundheitsproblem verbirgt sich hinter der verbreiteten 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 z. B. Brühwürste und 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 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 im Laufe eines Lebens konsumiert werden kann, ohne dass sie ein merkliches Risiko für die Gesundheit birgt. Der ADI-Wert für Phosphor beträgt $40\; \text{mg}$ pro kg Körpergewicht. Eine $70\; \text{kg}$ schwere, gesunde Person hat daher bei einer täglichen Aufnahme von $2,8\; \text{g}$ 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 $1000\; \text{mg}$ pro Tag als Orientierung gilt.

Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!

monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?

Herstellung von Phosphorsäure
Schritt 1: Verbrennung
$\ce{P4 +5O2 -> P4O10}$
Schritt 2: Hydrolyse
$\ce{P4O10 + 6H2O -> 4H3PO4}$

Ermittlung und Begründung der Redoxreaktion
Bei einer Redoxreaktion (Elektronenübertragungsreaktion) kommt es zu einer Änderung der Oxidationszahlen bestimmter Atome, wobei diese von den Edukten zu den Produkten hin verändert werden. Die Erhöhung der Oxidationszahl bedeutet die Oxidation und die Erniedrigung der Oxidationszahl die Reduktion des entsprechenden Teilchens.
Eine solche Änderung der Oxidationszahl lässt sich bei der Verbrennung von Phosphor (Schritt 1) erkennen.
Die Oxidationszahl $(OZ)$ des elementaren Phosphors $(\ce{P4})$ erhöht sich hierbei von $OZ=0$ zu $OZ=+5$ beim Phosphoroxid $(\ce{P4O10}).$ Phosphor wird also oxidiert.
Die entsprechende Reduktion findet sich beim elementaren Sauerstoff $(\ce{O2}),$ dessen Oxidationszahl von $OZ=0$ zu $OZ=-2$ im Phosphoroxid $(\ce{P4O10})$ sinkt.

Stufenweise Protolyse der Phosphorsäure
1. Protolysestufe
$\ce{H3PO4 +H2O <=>H2PO4- +H3O+}$
2. Protolysestufe
$\ce{H2PO4- +H2O <=>HPO4^2- +H3O+}$

Erläuterung des Brønsted-Konzepts anhand der 2. Protolysestufe
Laut dem Säure-Base-Konzept nach Brønsted sind Säuren Protonendonatoren und Basen Protonenakzeptoren. In diesem Fall wirkt $\ce{H2PO4-}$ als Säure und $\ce{H2O}$ als Base. Die Abgabe bzw. Aufnahme von Protonen $(\ce{H+})$ führt zur Bildung entsprechender korrespondierender Säure-Base-Paare $(\ce{H2PO4-}/\ce{HPO4^2-}$ bzw. $\: \ce{H2O}/\ce{H3O+}).$
Hinweis: Zur Erreichung der vollen Punktzahl ist auch die analoge Erläuterung anhand der ersten Protolysestufe möglich.

Erläuterung des Begriffs „Ampholyt“
Der Begriff „Ampholyt“ bezeichnet eine Substanz, die sowohl als Säure als auch als Base wirken kann. Hierzu zählt beispielsweise das Dihydrogenphosphat-Ion, da es zum einen, wie oben in der Reaktionsgleichung zu sehen, als Säure wirken kann, gleichzeitig durch Aufnahme eines Protons jedoch auch zurück zu Phosphorsäure und somit als Base reagieren kann.

Begründung der Notwendigkeit des Erhitzens zur Probenvorbereitung
Cola enthält neben Phosphorsäure auch Kohlensäure, welche die Phosphorsäuretitration und somit die Bestimmung der Äquivalenzpunkte ohne Vorbehandlung stören würde. Ziel der Vorbereitung ist es also, so viel Kohlensäure wie möglich aus der Cola-Probe als $\ce{CO2}$ zu verflüchtigen, was durch das Erhitzen bewerkstelligt wird.

Nachweis für das ausgetriebene Gas
Um das $\ce{CO2}$ nachzuweisen, kann man eine Kalkwasserprobe durchführen.
Hierfür wird die Cola-Probe beispielsweise in einem Erlenmeyerkolben erhitzt und über eine Waschflasche in eine klar sichtbare Calciumhydroxid-Lösung (Kalkwasser) geleitet. Eine Weißtrübung der Flüssigkeit zeigt an, dass die Probe positiv und somit $\ce{CO2}$ enthalten ist.

Reaktionsgleichung der Kalkwasserprobe
$\ce{CO2 +Ca(OH)2->CaCO3\downarrow +H2O}$

Berechnung der Masse an Phosphor in einem Liter Cola-Probe
Gegeben
$c(\ce{H3PO4})=0,007\;\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$
$M(\ce{P})=31,0\;\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$ (PSE)
Berechnung
Da jedes Phosphorsäure-Molekül ein Phosphoratom besitzt gilt für den Zusammenhang der Stoffmenge:
$n(\ce{H3PO4})=n(\ce{Phosphor})$
Gesamt ergibt sich also:

$\begin{array}[t]{rlll} m(\ce{Phosphor})&=& n(\ce{Phosphor})\cdot M(\ce{P}) \\[5pt] &=& n(\ce{H3PO4})\cdot M(\ce{P})\\[5pt] &=& c(\ce{H3PO4}) \cdot V(\ce{H3PO4})\cdot M(\ce{P})\\[5pt] &=& 0,007\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \cdot 1\;\text{L} \cdot 31,0\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}}\\[5pt] &=& 0,217\;\text{g} \end{array}$

Die Masse an Phosphor in einem Liter der Cola-Probe beträgt also $0,217\;\text{g}.$

Vergleich der täglich aufgenommenen Phosphorsäuremenge mit dem ADI-Wert
$\begin{array}[t]{rlll} m_{\text{täglich}}(\ce{H3PO4})&=&217\;\text{mg}\\[5pt] \end{array}$

$\begin{array}[t]{rlll} m_{\text{verträglich}}(\ce{H3PO4})&=& 40\;\dfrac{\text{mg}}{\text{kg}}\cdot 60\;\text{kg}\\[5pt] &=& 2400\;\text{mg} \end{array}$

Die aufgenommene Menge Phosphorsäure unterschreitet ganz klar den ADI-Wert, weshalb von keiner gesundheitlichen Gefahr bezüglich des Phosphorsäuregehalts für den Jugendlichen auszugehen ist.
Jedoch ist hierbei festzuhalten, dass sich diese Betrachtung lediglich auf den Inhaltsstoff Phosphorsäure bezieht und durchaus eine gesundheitliche Gefahr eines solchen täglichen Konsums durch andere Inhaltsstoffe, zum Beispiel des Zuckers, entstehen kann.

Diskussion zur Phosphatkennzeichnung auf Lebensmittelverpackungen
Die Kennzeichnung des Phosphatgehalts auf Lebensmittelverpackungen bietet Vorteile in Bezug auf Transparenz und die Möglichkeit, den Phosphorverbrauch zu überwachen, insbesondere für Risikogruppen wie z.B. Menschen mit Nierenproblemen.
Andererseits könnte sie zu Informationsüberflutung führen, da viele Verbraucher mit den zusätzlichen Angaben überfordert sein könnten. Zudem besteht die Gefahr, dass natürliche Phosphatquellen in Lebensmitteln (wie in Milchprodukten oder Fleisch) fälschlicherweise als ungesund wahrgenommen werden, was zu Verwirrung führen könnte. Insgesamt würde eine Kennzeichnung den gesundheitlichen Risiken durch Phosphoraufnahme entgegenwirken, könnte jedoch in der Praxis zu Verwirrung und Missverständnissen führen.

Weiter lernen mit SchulLV-PLUS!

monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?