Lebensmittelchemie - Exam

Aufgabe 1)

Kohlenhydrate sind essenzielle Makromoleküle in der Ernährung und treten in verschiedenen Strukturen und Formen auf. Diese Vielfalt ergibt sich aus ihrer Klassifizierung als Monosaccharide, Disaccharide, und Polysaccharide sowie aus ihren unterschiedlichen funktionellen Gruppen und spezifischen chemischen Eigenschaften. Betrachten wir das Beispiel Glucose (C6H12O6), das sowohl in der linearen Form als auch in der zyklischen Form vorkommt. Weiterhin untersuchen wir die Glycosidischen Bindungen, die zur Bildung komplexer Kohlenhydrate beitragen, sowie die Unterschiede zwischen Aldosen und Ketosen. Glucose kann als reduzierender Zucker klassifiziert werden, was auf seine freie Aldehydgruppe zurückzuführen ist. Viele Kohlenhydrate besitzen chirale Zentren und können als D- oder L-Isomere vorliegen. Ferner gibt es die Anomerie, wo α- und β-Formen vorhanden sein können, abhängig von der Position der Hydroxylgruppe am anomeren Kohlenstoffatom. Diese Konzepte sind entscheidend für das Verständnis der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Kohlenhydraten.

a)

Erläutere den Unterschied zwischen einer Aldose und einer Ketose anhand eines konkreten Beispiels. Gehe dabei auf die Position der funktionellen Gruppen und deren Auswirkungen auf die chemischen Eigenschaften ein. Zeichne die Strukturformeln von D-Glucose und D-Fructose und vergleiche ihre Eigenschaften.

Lösung:

Unterschied zwischen Aldosen und Ketosen

Kohlenhydrate werden je nach Position ihrer Carbonylgruppe (C=O) als Aldosen oder Ketosen klassifiziert. Aldosen besitzen eine Aldehydgruppe, während Ketosen eine Ketogruppe aufweisen. Diese Unterschiede haben wesentlichen Einfluss auf ihre chemischen Eigenschaften und Reaktionsverhalten.

• Aldosen: Bei Aldosen befindet sich die Carbonylgruppe an einem terminalen (äußeren) Kohlenstoffatom, also am Ende der Kohlenstoffkette. Ein Beispiel für eine Aldose ist D-Glucose.
• Ketosen: Bei Ketosen befindet sich die Carbonylgruppe an einem internen (inneren) Kohlenstoffatom, typischerweise am zweiten Kohlenstoffatom der Kette. Ein Beispiel für eine Ketose ist D-Fructose.

Jetzt schauen wir uns die Strukturformeln von D-Glucose und D-Fructose an:

• D-Glucose:

HOCH₂-(CHOH)-CHO

D-Glucose ist eine Hexose (bestehend aus sechs Kohlenstoffatomen) mit einer Aldehydgruppe am C1-Atom.

• D-Fructose:

CH₂OH-(CHOH)-C=O-CH₂OH

D-Fructose ist ebenfalls eine Hexose, aber enthält eine Ketogruppe am C2-Atom.

Vergleich der Eigenschaften:

• Reduktionsfähigkeit: Da D-Glucose eine Aldehydgruppe besitzt, kann sie leicht oxidiert werden und wirkt als reduzierender Zucker. D-Fructose, hingegen, ist aufgrund ihrer Ketogruppe in wässriger Lösung weniger reaktionsfreudig, kann aber durch Umwandlung in Glucose eine reduzierende Wirkung zeigen.
• Chiralität: Beide Moleküle haben chirale Kohlenstoffatome, aber ihre Anordnung der Hydroxylgruppen (-OH) unterscheidet sich, was zu unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften führt.
• Geschmack: D-Fructose ist deutlich süßer als D-Glucose, was Rückschlüsse auf unterschiedliche Anwendungen in Lebensmitteln zulässt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der primäre Unterschied zwischen Aldosen und Ketosen in der Position ihrer Carbonylgruppe liegt, was ihre chemische Reaktivität und physikalischen Eigenschaften erheblich beeinflusst.

b)

Beschreibe den Prozess der Mutarotation und erkläre, wie er mit der Anomerie zusammenhängt. Verwende dafür die Glucose als Beispiel für die Erklärungen. Gehe dabei auch auf die chemischen Reaktionen ein, die während der Mutarotation stattfinden. Berechne den spezifischen Drehwinkel einer Lösung, die zu 60% aus α-D-Glucose und zu 40% aus β-D-Glucose besteht, wenn die spezifischen Drehwinkel für reine α-D-Glucose +112° und für reine β-D-Glucose +18° betragen.

Lösung:

Process der Mutarotation

Mutarotation ist der Prozess, bei dem eine Lösung von Zucker ihre optische Drehung ändert, bis ein Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Anomeren erreicht ist. Dieser Prozess tritt insbesondere bei Zuckern auf, die ein anomeres Zentrum und somit α- und β-Formen haben, wie z.B. Glucose.

Bei Glucose gibt es zwei anomere Formen: α-D-Glucose und β-D-Glucose. Diese Formen unterscheiden sich in der Position der Hydroxylgruppe (-OH) am anomeren Kohlenstoffatom (C1). Bei der α-D-Glucose ist die Hydroxylgruppe am C1-Kohlenstoffatom axial, während sie bei der β-D-Glucose äquatorial steht.

Die Mutarotation beginnt, wenn entweder α- oder β-D-Glucose in Wasser gelöst wird. Beide Formen können in eine offene Kettenform übergehen, in der sie durch die Free Rotation der Aldehydgruppe konvertieren können. Während dieser Konversion bildet die Linie zwischen den Formen das dynamische Gleichgewicht.

Während der Mutarotation reagiert das Halbacetalzentrum, öffnet sich und schließt sich wieder, womit sich das Anomere ändert. Im Gleichgewicht enthält die Lösung sowohl α- als auch β-Anomere.

Die Mutarotation kann wie folgt chemisch beschrieben werden:

α-D-Glucose (ring form) ⇌ offener Kettenformat (mit Aldehydgruppe) ⇌ β-D-Glucose (ring form)

Im wässrigen Gleichgewicht befinden sich etwa 36% α-D-Glucose und 64% β-D-Glucose. Dieses Verhältnis kann durch die optische Aktivität gemessen werden.

Anomerie und Mutarotation:

Der Begriff 'Anomerie' bezieht sich auf die Unterschiede in der Konfiguration an dem anomeren Kohlenstoffatom, resultierend in α- und β-Formen des Zuckers. Bei Glucose ist der Unterschied zwischen α- und β-Anomeren die Stellung der Hydroxylgruppe am C1-Atom. Die Umwandlung zwischen diesen Anomeren durch Öffnung und erneutes Schließen des Rings stellt die Mutarotation dar.

Berechnung des spezifischen Drehwinkels:

Angenommen, wir haben eine Lösung, die zu 60% aus α-D-Glucose und zu 40% aus β-D-Glucose besteht. Der spezifische Drehwinkel für reine α-D-Glucose beträgt +112°, und für reine β-D-Glucose beträgt er +18°.

Wir können den spezifischen Drehwinkel dieser Lösung dann wie folgt berechnen:

α-Anteil = 60% = 0.60β-Anteil = 40% = 0.40Drehwinkel (Gesamt) = (0.60 * 112°) + (0.40 * 18°)Drehwinkel (Gesamt) = 67.2° + 7.2°Drehwinkel (Gesamt) = 74.4°

Der spezifische Drehwinkel der Lösung beträgt also +74.4°.

Aufgabe 2)

Im Rahmen eines Experiments zur Untersuchung von Proteinmodifikationen in Lebensmitteln soll eine Fleischprobe unter verschiedenen Bedingungen behandelt werden, um den Einfluss dieser Bedingungen auf die Proteinzusammensetzung und chemische Veränderungen festzustellen. Folgende Schritte sind vorgesehen: Erhitzen der Probe auf 80°C für 30 Minuten, Zugabe von Zucker und Backen bei 150°C für 20 Minuten sowie Einfrieren bei -20°C für 24 Stunden. Analysiere und diskutiere die erwarteten chemischen Veränderungen an den Proteinen während und nach diesen Behandlungen.

a)

• Protein Denaturierung: Erläutere, welche Art von chemischen Veränderungen durch das Erhitzen der Fleischprobe auf 80°C für 30 Minuten auftritt. Welche Proteinstrukturen sind betroffen, und welche Rolle spielt diese Veränderung für die Lebensmittelchemie?

Lösung:

Im Rahmen des Experiments untersuchst Du die Auswirkungen des Erhitzens der Fleischprobe auf 80°C für 30 Minuten, insbesondere auf die Proteinstrukturen und die daraus resultierenden chemischen Veränderungen.

• Protein Denaturierung: Beim Erhitzen einer Fleischprobe auf 80°C für 30 Minuten kommt es zu einer Denaturierung der Proteine. Diesen Prozess sollten wir genauer betrachten:

• Primärstruktur: Die Primärstruktur eines Proteins, also die lineare Sequenz der Aminosäuren, bleibt weitgehend unverändert, da die kovalenten Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren stabil sind und bei diesen Temperaturen nicht brechen.
• Sekundärstruktur: Die Sekundärstrukturen wie Alpha-Helices und Beta-Faltblätter können durch die Hitze zerstört werden. Wasserstoffbrückenbindungen, die diese Strukturen stabilisieren, werden durch die Wärme denaturiert, wodurch sich die Struktur entfaltet.
• Tertiärstruktur: Die Tertiärstruktur, die dreidimensionale Anordnung der Polypeptidkette, ist ebenfalls betroffen. Hydrophobe Wechselwirkungen, Disulfidbrücken und andere nicht-kovalente Bindungen, die die Tertiärstruktur stabilisieren, werden durch die Hitze beeinträchtigt und brechen, was zur Entfaltung und Aggregation der Proteine führt.
• Quartärstruktur: Ist ein Protein aus mehreren Untereinheiten zusammengesetzt, kann die Hitze auch die Quartärstruktur beeinträchtigen. Die nicht-kovalenten Wechselwirkungen zwischen den Untereinheiten werden zerstört, was zur Dissoziation der Untereinheiten führt.

• Rolle in der Lebensmittelchemie: Die Denaturierung der Proteine hat mehrere Auswirkungen auf die Eigenschaften des Lebensmittels:
• Textur und Zähigkeit: Die von der Denaturierung betroffenen Proteine neigen dazu, sich zu aggregieren, was die Textur des Fleisches verändert. Das Fleisch kann fester oder zäher werden.
• Wasserbindungsvermögen: Die Fähigkeit des Fleisches, Wasser zu binden, kann durch die Denaturierung der Proteine beeinflusst werden. Dies hängt von der Art der Proteine und dem Grad der Denaturierung ab.
• Geschmack und Aroma: Die Denaturierung und anschließende Maillard-Reaktion (bei späteren Back- und Garprozessen) können den Geschmack und das Aroma des Fleisches verändern. Die Freisetzung von Aminosäuren kann zu verschiedenen Geschmacksrichtungen beitragen.
• Nährwert: Obwohl die Denaturierung die Struktur der Proteine verändert, bleibt der Nährwert im Wesentlichen erhalten, da die Aminosäuresequenz intakt bleibt.

b)

• Maillard-Reaktion: Berechne die theoretische Ausbeute der Maillard-Reaktion, indem Du annimmst, dass 5 g Zucker (Glucose) mit dem in der Probe enthaltenen Protein reagiert. Gib die Reaktionsgliechung an und diskutiere die Auswirkungen dieser Reaktion auf den Geschmack und die Farbe des Produktes.

Lösung:

Im Rahmen des Experiments soll die Fleischprobe auf 150°C für 20 Minuten gebacken werden, nachdem Zucker hinzugefügt wurde. Dies führt zu einer Maillard-Reaktion, die chemischen Veränderungen an den Proteinen und Zuckern bewirkt.

• Maillard-Reaktion: Die Maillard-Reaktion ist eine nicht-enzymatische Bräunungsreaktion zwischen reduzierenden Zuckern (wie Glucose) und Aminosäuren, die zur Bildung von Aroma- und Farbstoffen führt. Um die theoretische Ausbeute dieser Reaktion zu berechnen, gehen wir von 5 g Glucose aus.

• Reaktionsgleichung: Die detaillierte Reaktionsgleichung für die Maillard-Reaktion ist komplex und umfasst mehrere Schritte und Zwischenprodukte. Eine vereinfachte Gleichung, die die Reaktion zwischen Glucose und einer Aminosäure darstellt, ist:

 C₆H₁₂O₆ (Glucose) + R-NH₂ (Aminosäure) → Melanoidine (braune Pigmente) + Wasser + andere Zwischenprodukte 

• Berechnung der theoretischen Ausbeute: Gehen wir davon aus, dass 100% der Glucose an der Maillard-Reaktion beteiligt sind. Diese Annahme ist aufgrund von unvollständiger Reaktion und Nebenreaktionen in der Praxis jedoch nicht realistisch. Trotzdem können wir die theoretische Menge der Reaktionsprodukte basierend auf der gegebenen Menge an Glucose berechnen:

• • 1 mol Glucose (C₆H₁₂O₆) wiegt etwa 180 g/mol.
  • 5 g Glucose entsprechen \( \frac{5 g}{180 g/mol} ≈ 0.0278 mol\)

• Auswirkungen der Maillard-Reaktion auf Geschmack und Farbe:
• Geschmack: Die Maillard-Reaktion erzeugt eine breite Palette von Aromastoffen, die den Geschmack von Lebensmitteln verbessern. Zu diesen Aromen gehören Röstaromen, nussige und karamellisierte Noten.
• Farbe: Die Reaktion führt zur Bildung von Melanoidinen, die eine bräunliche Färbung aufweisen. Dies trägt zur attraktiven Bräunung des Fleisches bei und ist ein wesentlicher Bestandteil der Farbveränderung während des Kochens.

Insgesamt führt diese experimentelle Behandlung zu verbesserter Textur, Geschmack und Farbe der Fleischprobe, was die Akzeptanz des Produkts bei den Konsumenten erhöhen kann.

c)

• Proteinkonservierung: Analysiere die Effekte des Einfrierens auf Proteine in Lebensmitteln. Diskutiere, warum und wie diese Methode zur Konservierung von Lebensmitteln beiträgt. Beziehe Dich auf die molekularen Mechanismen und strukturellen Veränderungen der Proteine.

Lösung:

Im Rahmen des Experiments soll die Fleischprobe bei -20°C für 24 Stunden eingefroren werden. Dies führt zu bestimmten Veränderungen der Proteine und trägt zur Konservierung der Lebensmittel bei.

• Proteinkonservierung: Das Einfrieren von Lebensmitteln, einschließlich Fleisch, wirkt sich auf verschiedene Weisen auf die Proteine aus und hilft, die Qualität des Lebensmittels zu erhalten.

• Molekulare Mechanismen: Beim Einfrieren verlangsamen sich die chemischen und enzymatischen Reaktionen erheblich. Dies trägt dazu bei, die Nahrung vor mikrobiellem Verderb und chemischen Veränderungen zu schützen:
• Kristallbildung: Während des Gefrierprozesses bilden sich Eiskristalle im Zellinneren und zwischen den Zellen. Diese Eiskristalle können die Zellstrukturen mechanisch beschädigen, was zur Entfaltung oder Denaturierung einiger Proteine führen kann. Ein langsames Gefrieren führt tendenziell zu größeren kristallen, die mehr Schaden verursachen können, während schnelles Einfrieren eher kleinere kristalle bildet, die weniger Schaden anrichten.
• Entwässerung: Während des Einfrierens kommt es zu einer Dehydratisierung der Zellen, da das freie Wasser in den Zellen zu Eis kristallisiert. Dies kann dazu führen, dass Proteine sich aggregieren oder denaturieren, weil die hydrophoben Wechselwirkungen verstärkt werden.
• Strukturelle Veränderungen:
• Denaturierung: Durch das Einfrieren und die Bildung von Eiskristallen können die Sekundär-, Tertiär- und Quartärstrukturen der Proteine gestört werden. Dies kann zur Denaturierung der Proteine führen. Dennoch sind die Auswirkungen des Einfrierens auf die Proteinstruktur in der Regel weniger schwerwiegend als die der Hitzeeinwirkung.
• Reversibilität: Im Vergleich zur Hitzedenaturierung kann die durch Einfrieren verursachte Denaturierung manchmal reversibel sein, vor allem, wenn die Eiskristalle klein genug sind und die Proteine vorsichtig wieder aufgetaut werden.
• Konservierungseffekte: Das Einfrieren trägt erheblich zur Haltbarkeit von Lebensmitteln bei. Hier sind die wichtigsten Vorteile:
• Mikrobielle Sicherheit: Die niedrigen Temperaturen hemmen das Wachstum und die Vermehrung von Bakterien, Hefen und Schimmel.
• Enzymhemmung: Durch das Einfrieren werden auch die enzymatischen Aktivitäten, die z.B. zur Proteolyse (Proteinabbau) führen könnten, stark reduziert.
• Erhalt der Nährstoffe: Das Einfrieren trägt dazu bei, die Nährstoffe und die organoleptischen Eigenschaften (Geschmack, Textur, Farbe) des Lebensmittels weitgehend zu bewahren.

Insgesamt trägt das Einfrieren durch die Hemmung von mikrobiellen und chemischen Prozessen sowie durch den Schutz der Nährstoffe und sensorischen Eigenschaften zur wirksamen Konservierung von Lebensmitteln bei.

Aufgabe 3)

Lipide: Struktur, Funktion und Auswirkungen auf Lebensmittelqualität Lipide sind hydrophobe Moleküle, die als wichtige Energieträger und Strukturkomponenten dienen. Sie umfassen verschiedene Klassen wie Triglyceride, Phospholipide und Steroide. Ihre Funktionen erstrecken sich von der Bereitstellung von Energie (9 kcal/g), der Strukturzunahme in Zellmembranen bis hin zur Signalübertragung durch Hormone und Botenstoffe. In Bezug auf die Lebensmittelqualität beeinflussen sie die Textur und den Geschmack (z.B. Cremigkeit und Fettgehalt), die Stabilität (z.B. durch Oxidation und Ranzigkeit) sowie die Emulsionsstabilisierung durch Phospholipide.

a)

Beschreibe die strukturellen Unterschiede zwischen Triglyceriden, Phospholipiden und Steroiden und erkläre, wie diese Unterschiede ihre jeweilige Funktion in Lebensmitteln und im menschlichen Körper beeinflussen.

Lösung:

Triglyceride, Phospholipide und Steroide: Struktur und Funktion

Um die strukturellen Unterschiede zwischen Triglyceriden, Phospholipiden und Steroiden sowie deren Auswirkungen auf ihre Funktion zu verstehen, betrachten wir jede Klasse von Lipiden einzeln.

• TriglycerideTriglyceride bestehen aus einem Glycerolmolekül, das an drei Fettsäuremoleküle gebunden ist. Jedes Fettsäure-Molekül ist durch eine Esterbindung an das Glycerolmolekül gebunden.
• Struktur:
  • Glycerol: Ein dreiwertiger Alkohol mit drei Hydroxylgruppen (OH)
  • Fettsäuren: Lange Kohlenwasserstoffketten mit einer Carboxylgruppe (COOH) am Ende
• Funktion:
  • Energiestorage: Triglyceride sind die Hauptspeicherform von Fett im Körper und liefern 9 kcal/g Energie
  • Textur und Geschmack: In Lebensmitteln tragen sie zur Cremigkeit und zum Geschmack bei
  • Stabilität: Sie können oxidieren und ranzig werden, was die Haltbarkeit von Lebensmitteln beeinflusst
• PhospholipidePhospholipide bestehen aus einem Glycerolmolekül, zwei Fettsäuren und einer Phosphatgruppe.
• Struktur:
  • Glycerol: Ein dreiwertiger Alkohol mit drei Hydroxylgruppen (OH)
  • Zwei Fettsäuren: Lange Kohlenwasserstoffketten mit einer Carboxylgruppe (COOH) am Ende
  • Phosphatgruppe: Eine Phosphatgruppe (PO4) ist an die dritte Hydroxylgruppe des Glycerols gebunden, oft verbunden mit weiteren Molekülen wie Cholin oder Serin
• Funktion:
  • Strukturkomponenten: Phospholipide sind Hauptbestandteile von Zellmembranen und helfen, diese zu stabilisieren
  • Emulgatoren: Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Emulsionsstabilisierung in Lebensmitteln, indem sie Öl- und Wasserphasen mischen
• SteroideSteroide haben eine ganz andere Struktur bestehend aus vier verbundenen Kohlenstoffringen.
• Struktur:
  • Kohlenstoffringe: Drei sechsgliedrige Ringe und ein fünfgliedriger Ring
  • Unterschiedliche funktionelle Gruppen: Verschiedene Steroide haben unterschiedliche funktionelle Gruppen, die an die Kohlenstoffringe gebunden sind
• Funktion:
  • Hormone: Viele Steroide sind wichtige Hormone, wie Testosteron und Östrogen, die Signalübertragungen im Körper regeln
  • Strukturkomponenten: Cholesterin, ein bekanntes Steroid, ist ein wesentlicher Bestandteil der Zellmembranen und reguliert ihre Fluidität

Zusammengefasst ergeben sich wichtige Unterschiede in der Struktur der Lipide:

• Triglyceride haben drei Fettsäuren und dienen als Energiespeicher und beeinflussen die Lebensmitteltextur.
• Phospholipide haben zwei Fettsäuren und eine Phosphatgruppe, was sie sowohl für Zellmembrane als auch für die Emulsionsstabilisierung in Lebensmitteln wichtig macht.
• Steroide bestehen aus vier Kohlenstoffringen und sind essentielle Hormone und strukturelle Komponenten von Zellmembranen.

b)

Berechne die Energiemenge in Kilokalorien, die durch den vollständigen Abbau von 10 Gramm Fett, bestehend aus Triglyceriden, im menschlichen Körper erzeugt wird.

Lösung:

Um die Energiemenge in Kilokalorien zu berechnen, die durch den vollständigen Abbau von 10 Gramm Fett, bestehend aus Triglyceriden, im menschlichen Körper erzeugt wird, befolgen wir die folgenden Schritte:

• Triglyceride liefern etwa 9 Kilokalorien (kcal) pro Gramm.
• Berechnung für 10 Gramm Fett:
  • Die Energiemenge pro Gramm Fett multiplizieren mit der Anzahl der Gramm:
• \[\text{Energie} = \text{Masse des Fetts} \times \text{Energie pro Gramm Fett}\]
• \[\text{Energie} = 10 \text{ Gramm} \times 9 \text{ kcal/Gramm}\]
• \[\text{Energie} = 90 \text{ kcal}\]

Daher wird durch den vollständigen Abbau von 10 Gramm Fett im menschlichen Körper 90 Kilokalorien erzeugt.

c)

Erkläre, wie die Fähigkeit von Phospholipiden, als Emulgatoren zu wirken, die Stabilität von Lebensmittelemulsionen beeinflusst. Nenne ein Beispiel für ein Lebensmittel, bei dem diese Eigenschaft besonders wichtig ist.

Lösung:

Die Rolle von Phospholipiden als Emulgatoren

Phospholipide spielen eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung von Lebensmittel-Emulsionen aufgrund ihrer amphiphilen Struktur. Diese Eigenschaft ermöglicht es ihnen, als Emulgatoren zu wirken.

• Struktur der Phospholipide: Phospholipide bestehen aus einem hydrophilen (wasserliebenden) Kopf und zwei hydrophoben (wasserabstoßenden) Fettsäure-Schwänzen.
• Funktionsweise: Die hydrophile Kopfgruppe interagiert mit Wasser, während die hydrophoben Schwänze sich mit den Fettmolekülen verbinden. Dies ermöglicht es den Phospholipiden, eine Grenzfläche zwischen Wasser und Fett zu bilden und damit die beiden Phasen zu stabilisieren. Dadurch verhindern sie, dass sich die Fetttröpfchen in der wässrigen Phase zusammenschließen und trennen.

Zusätzlich zu dieser grundlegenden Funktion verbessern Phospholipide die Stabilität von Emulsionen durch:

• Reduzierung der Oberflächenspannung zwischen den beiden Phasen.
• Förderung der Bildung kleinerer, gleichmäßiger Fetttröpfchen.
• Verhindern der Koaleszenz der Tropfen, was zu einer stabileren Emulsion führt.

Beispiel für ein Lebensmittel: Ein herausragendes Beispiel für ein Lebensmittel, bei dem die Eigenschaft der Phospholipide als Emulgator entscheidend ist, ist Mayonnaise. Mayonnaise ist eine Emulsion aus Öl und Wasser (in Form von Essig oder Zitronensaft), die durch Eigelb (welches reich an Phospholipiden ist) stabilisiert wird. In der Herstellung von Mayonnaise sorgt das Eigelb dafür, dass die Öltröpfchen fein und gleichmäßig in der wässrigen Phase verteilt bleiben, wodurch die Struktur und Konsistenz des Endprodukts erhalten bleibt.

Aufgabe 4)

Chromatographische Analyseverfahren in der Lebensmittelchemie

• HPLC: Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, wichtig für die Analyse von nicht-flüchtigen und thermisch instabilen Verbindungen.
• GC: Gaschromatographie, ideal zur Trennung von flüchtigen und thermisch stabilen Substanzen.
• Wichtige Parameter: Retentionszeit \( t_R \), Auflösung \( R_s \), Trennfaktor \( \alpha \).
• Zur Quantifizierung: Einsatz von Standardaddition oder Kalibrierkurve.
• Detektion: UV/Vis- und Fluoreszenzdetektoren (HPLC), FID und MSD (GC).

a)

Erkläre den Unterschied zwischen HPLC und GC hinsichtlich ihrer Anwendung und erläutere, warum die HPLC besser zur Analyse von thermisch instabilen Verbindungen geeignet ist.

Lösung:

Unterschied zwischen HPLC und GC hinsichtlich ihrer Anwendung:

• HPLC (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie): Diese Methode ist ideal für die Analyse von nicht-flüchtigen und thermisch instabilen Verbindungen. Sie wird in der Regel eingesetzt, um Substanzen im flüssigen Zustand zu trennen, und nutzt eine flüssige mobile Phase und eine feste stationäre Phase.
• GC (Gaschromatographie): Diese Methode eignet sich hervorragend für die Trennung von flüchtigen und thermisch stabilen Substanzen. Hierbei wird eine gasförmige mobile Phase verwendet und ebenfalls eine feste oder flüssige stationäre Phase.

Warum ist die HPLC besser zur Analyse von thermisch instabilen Verbindungen geeignet?

• Thermische Stabilität: In der HPLC werden die Analyten nicht erhitzt, da die Methode bei moderaten Temperaturen arbeitet. Dies ist besonders wichtig für thermisch labile Verbindungen, die bei höheren Temperaturen zerfallen oder sich verändern könnten.
• Mobile Phase: Die verwendete flüssige Mobile Phase in der HPLC erzeugt sanftere Bedingungen im Vergleich zur gasförmigen Phase in der GC, wodurch empfindlichere Verbindungen sicher analysiert werden können.
• Anwendungsbereich: HPLC kann für eine große Bandbreite an Verbindungen benutzt werden, einschließlich größerer Biomoleküle wie Proteine und Peptide, die bei GC-typischen Temperaturen denaturieren oder thermisch abbauen würden.

b)

Berechne die Auflösung ( \( R_s \) ) zwischen zwei benachbarten Peaks in einer HPLC-Analyse, wenn die Retentionszeiten \( t_{R1} = 5.0 \text{min} \) und \( t_{R2} = 5.8 \text{min} \) betragen und die Halbwertsbreiten \( w_1 = 0.2 \text{min} \) und \( w_2 = 0.3 \text{min} \) sind. Verwende die folgende Formel: \[ R_s = \frac{2 (t_{R2} - t_{R1})}{w_1 + w_2} \].

Lösung:

Um die Auflösung (\textit{R_s}) zwischen zwei benachbarten Peaks in einer HPLC-Analyse zu berechnen, können wir die gegebene Formel verwenden:

\[ R_s = \frac{2 (t_{R2} - t_{R1})}{w_1 + w_2} \].

Setzen wir die gegebenen Werte ein:

• \( t_{R1} = 5.0 \; \text{min} \)
• \( t_{R2} = 5.8 \; \text{min} \)
• \( w_1 = 0.2 \; \text{min} \)
• \( w_2 = 0.3 \; \text{min} \)

Nun berechnen wir zunächst den Unterschied zwischen den Retentionszeiten:

\[ t_{R2} - t_{R1} = 5.8 \; \text{min} - 5.0 \; \text{min} = 0.8 \; \text{min} \]

Die Summe der Halbwertsbreiten ist:

\[ w_1 + w_2 = 0.2 \; \text{min} + 0.3 \; \text{min} = 0.5 \; \text{min} \]

Dann setzen wir diese Werte in die Formel ein:

\[ R_s = \frac{2 \times 0.8 \; \text{min}}{0.5 \; \text{min}} \]

Und führen die Berechnung aus:

\[ R_s = \frac{1.6}{0.5} = 3.2 \]

Daher beträgt die Auflösung (\textit{R_s}) zwischen den zwei benachbarten Peaks 3,2.