S Hefegärung - Experimente Biologie

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S Hefegärung

SEKUNDARSTUFE > S BIOTECHNIK
Hefegärung     
Roland Wick und Volker Schneider
Mit dem Aufkommen von Ackerbau und Viehzucht konnten immer mehr Menschen ernährt werden und sich Städte ausbilden. Gleichzeitig aber wuchs das Problem der Trinkwasserversorgung. Im Mittelalter waren Wein und Bier als Grundgetränk weit verbreitet. Noch bis ins 19 Jahrhundert hinein waren alkoholische Getränke deutlich weniger gesundheitsschädlich als das übliche Trinkwasser in Städten. Die Herstellung von alkoholischen Getränken wird daher als wesentliche Begleiterscheinung für die menschliche Kultur angesehen, wobei die berauschende Wirkung wohl zunächst als angenehme Begleiterscheinung zu gelten hat (vgl. Vallee, B.L.: Kleine Kulturgeschichte des Alkohols IN. Spetrum der Wiss. 1999, 62-67).
Heute ist die berauschende Wirkung von „Alkoholischen Getränken“ ein gesellschaftliches Problem, weil Alkohol giftig ist. Weitaus größere Bedeutung hat Alkohol als Lösungsmittel und Grundstoff im technischen Bereich für Synthesen, neuerdings auch in der Kraftstoffindustrie: Etwa 85% von Biosprit bestehen aus Ethanol. Eine 70% Lösung von Ethanol dient in der Medizin und im Haushalt als gutes Desinfektionsmittel.
LIT:  http://de.wikipedia.org/wiki/Destillation; 
http://www.seilnacht.com/versuche/destill.html; 
http://de.wikipedia.org/wiki/Ethanol ; http://de.wikipedia.org/wiki/Methanol ; http://de.wikipedia.org/wiki/Azeotrop

Erster Schritt: Gärung: Pflanzliche Zucker werden mit Hilfe von Hefestämmen in großen Fermentern zu Alkoholen vergoren. Im Schulversuch eignen sich ein fünf Liter Kanister mit Traubensaft oder 5%ige Zuckerlösung (Haushaltszucker) mit dem Zusatz von reichlich Bäckerhefe. Nach einigen Tagen nimmt die CO2 Entwicklung ab, es sind nun etwa 13% Alkohol in der Maische (bei rund 13% Alkohol sterben die Hefezellen ab.)  
Zweiter Schritt: Destillation von Alkoholen: Als Modell für die Destillation kann man wegen der Farbe Rotwein benutzen, aber auch eine selbst hergestellte alkoholhaltige Lösung. Während der Destillation sollte die Temperatur langsam hochgefahren werden, so dass bei 65 Grad der evt. entstandene sehr giftige Metylalkohol sich in der Apparatur niederschlagen kann. Erst bei 78 o  lässt sich dann Ethanol destillieren, der noch relativ viel Wasser enthält. 
Zusatzinformationen: Azeotrope Gemische: Alkohol und Wasser bilden ein azeotropes Gemisch, das bei 78,17 o siedet und aus 95,58% Ethanol und 4,42% Wasser besteht. Durch Destillieren lässt sich das Wasser nicht weiter entfernen.  Mit Hilfe des Zusatzes von getrocknetem Calzium-Chlorid Pulver (zuvor im Backofen bei 200o 20min lang getrocknet) wird das Wasser als Kristallwasser in das CaCl2 aufgenommen. Eine Überprüfung ist mit Wassertestpapier möglich. 
Wassernachweispapier: Grundlage: Blaues Kupfersulfat verliert in der Wärme das Kristallwasser und wird weiß, bei Wasseraufnahme wieder blau.  Man tränkt Papier mit Kupfersulfat und trocknet im Ofen bei 200 Grad: das weiße Testpapier kann man nutzen, um Wasser nachzuweisen. 
Didaktischer Hintergrund: Der Versuch eignet sich für folgende grundlegende Begriffe: Destillieren, Dekantieren, Filtrieren, Sieden, Verdampfen. Kondensieren, azeotrope Gemische, Nachweisverfahren, Kristallwasser, Einführung in einen großtechnischen Prozess und dessen Kontrolle. 
         
 vgl. auch Enzyme-Gärung
 

Hefegärung Arbeitsunterlage 1 -------------------------------------------------------
Hefegärung Genauigkeit von Messgeräten

 1) Wählen Sie aus!
In Schulversuchen sind folgende Messmöglichkeiten empfohlen:
 

Lösungen:
4g Bäckerhefe in 50ml Wasser suspendiert, Wasser, 3,6 g Glucose in 100ml Wasser,
7,2g Haushaltszucker in 100ml Wasser, 5%ige Stärkelösung
 
Versuch:
Je 5 ml Hefesuspension werden mit 5ml von einer der genannten Lösungen vermischt. Man misst in 10minütigem Abstand das entstandene Gasvolumen und trägt die Werte in eine Tabelle ein.
Ein mögliches Ergebnis:    
 
 
Aufgabe Erläutern Sie die unterschiedlichen Reaktionsweisen der drei Substrate!
 
 




Hefegärung Arbeitsunterlage 1-------------------------------------------------------
Hefezellen unter dem Mikroskop

Aufgabe: Suspendiere Bäckerhefe (aus der Nahrungsmittelabteilung) in Wasser und untersuche unter dem Mikroskop!
 
 
 Fertige eine möglichst genaue, naturgetreue Zeichnung an! Die Hefezellen so groß, dass der Daumen hineinpasst! 
Einige Zellen zeigen deutliche Ausbuchtungen. Manche Zellen hängen fest zusammen. Wenn man solche Zellen entdeckt, hat man sich teilende Zellen gefunden. Dies ist ein Zeichen, dass die Zellen sich teilen, also lebendig sind. 
Zeichnungen:
 
 
Hefegärung Arbeitsunterlage 2 -------------------------------
Hefegärung - qualitativ
 
Vorbereitung:
Stelle eine Apparatur wie angegeben zusammen. Die Apparatur muss luftdicht verschließbar sein!
 
·        Marmeladenglas mit dicht schließendem Deckel und Loch in der Mitte (mit einem Schraubenzieher einschlagen und passend vergrößert). 
·        Gummistopfen
·        Dichtmasse (Dauerplastische Masse - Bastelzubehör)
·        Biegsames Röhrchen (sauberes Absaugröhrchen Zahnarzt)
·        Becherglas oder Plastikbecher
 
2) Vorversuche:
1)   In je 40 ml 1 Molare Saccharose- Lösung (= 13.7 g / 40 ml) gibt man 5 g Hefe
2)   Mehrfach mit einer Pipette aufsaugen und gut durchmischen.
3)   50 ml der Reaktionslösung in das Gefäß füllen.
4)   Luftdicht abschließen!
5)   Testgefäß mit Wasser füllen
6)   Im Abstand von  3 min jeweils für 3 Minuten die Anzahl der Gasblasen notieren.
 
 
3) Protokoll: 
Es wird dreimal gemessen im Abstand von 5 min:
 
Blasen pro min  _________   ________  _______
 
Blasen pro min bei halber Hefemenge:  _______  _______  ______
 
Blasen pro min bei doppelter Hefemenge: _______  _______   ________
 
Blasen pro min bei doppelter Hefemenge
(vorher aufgekocht und abgekühlt:    _______  _______  ________
 
Folgerungen:
 
 
 
 
4) Informiere dich über die großtechnische Bedeutung der Hefegärung aus dem Internet. Stelle die wirtschaftliche Bedeutung nach Umsatzzahlen zusammen!
 
 
 
Hefegärung Arbeitsunterlage 3-------------------------------------------------------
Hefegärung - quantitativ
 
Vorbereitung:
1) Stellen Sie sich eine Messapparatur wie angegeben zusammen. 
Die Apparatur muss luftdicht sein!
10ml Plastikspritze ,
Stopfen, Stück Gummi oder Plastikschlauch,
10ml Pipette
100 ml Becherglas
Halterung für Pipette
Lösung: 200 ml Saccharoselösung ( 68g Haushaltszucker auf 200 ml)
Hefe Frische Hefe (Kaufhaus)
 
2) Vorversuche:
7)   In je 40 ml 1 Molare Saccharose- Lösung (= 13.7 g / 40 ml) gibt man 5 g Hefe
8)   Mehrfach mit Pipette aufsaugen und durchmischen.
9)   Mit der Plastikspritze bis zur Markierung 0 hochsaugen.
10)Immer nach 2 min das Gasvolumen notieren.
11)Mit der Spritze wieder auf 0 hochsaugen, so dass immer dieselbe Menge Reaktionsvolumen  (10 ml) vorhanden ist.
Im Vorversuch sollten 2ml Gas nach 5 bis 10 Minuten entstanden sein.
 
3) Entwerfen Sie einen Protokollbogen für die ausgewählte Versuchsreihe und notieren Sie die gemessenen Werte.
 








mögliche Anschlussversuche:
Substatspezifität:
dieselben Volumina, nur 1 molare Glucoselösung, 1 molare Fruktoselösung, 1 molare Mannitlösung, 1 molare Laktoselösung, 1molare Alaninlösung einsetzen.
 
Empfindlichkeit:
Versetzen einer optimal laufenden Reaktion nach 15 min mit einer Schwermetall-Lösung (z. B. Bleiacetat-- Vorsicht, nur durch die Lehrperson!!, oder 10 Tropfen einer konzentrierten Spülmittel- Lösung),
 
Temperaturempfindlichkeit:
1)   Aufwärmen der fertig zusammengestellten sechs Testlösungen (in sechs Bechergläsern) auf 10 20 30 40 50 und 60 Grad.
2)   Einige Zeit warten, um die Lag- Phase zu vermeiden.
3)   In 10 min Abständen die Gasentwicklung in 3 min messen.
4)   Wieder bei 0 beginnen.
 
 
 
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