Aufgabe 2 – Pektin

Das folgende Grundgerüst eines Pektin-Moleküls besteht aus D-Galacturonsäure-Bausteinen. D-Galacturonsäure-Moleküle erhält man durch Oxidation von D-Galactose-Molekülen am sechsten Kohlenstoffatom.

• Zeichne die Strukturformel eines D-Galactose-Moleküls mit allen bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren in der FISCHER-Projektion.
• Kennzeichne alle asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatome und erläutere in diesem Zusammenhang die D- und L-Konfiguration.

In einem Labor wird Pektin hydrolysiert. Um den Erfolg der Hydrolyse zu überprüfen, wird vor und nach der Reaktion die TOLLENS-Probe durchgeführt.

• Erkläre die jeweiligen Ergebnisse der TOLLENS-Proben anhand der strukturellen Eigenschaften der Moleküle.
• Formuliere eine Reaktionsgleichung für die positive Nachweisreaktion.

Gibt man Pektin in Wasser, entsteht eine saure Lösung. Die Wasserlöslichkeit beruht unter anderem darauf, dass sich die Pektin-Moleküle nicht aneinander lagern.

• Formuliere eine begründete Vermutung über den Zusammenhang zwischen Wasserlöslichkeit des Pektins und der Bildung einer sauren Lösung.

• Zeichne eine Strukturformel der oben genannten Aminosäuresequenz.
• Benenne den Reaktionstyp bei der Verknüpfung von Aminosäuren.

• Erkläre das Zustandekommen der positiven Gesamtladung des Casein-Moleküls beim Absinken des pH-Wertes im Joghurt auf
• Erkläre anhand der Abbildung, wie mithilfe von Pektin verhindert werden kann, dass sich Casein am Boden absetzt.

Bei längerer Lagerung sinkt der pH-Wert unter ab und es kommt zum Absetzen des Caseins.

• Deute diese Beobachtung ohne Berücksichtigung möglicher Denaturierungsvorgänge.

In einer Zutatenliste für einen Joghurt-Drink sind die folgenden Inhaltsstoffe aufgeführt: Trotz längerer Lagerung sinkt der pH-Wert in diesem Joghurt-Drink nicht unter pH ab.

• Erkläre dies anhand der Zutatenliste.

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Strukturformel von D-Galactose Zusammenhang der D- und L-Konfiguration Die Lage der Hydroxylgruppe am letzten asymmetrisch substituierten Kohlenstoffatom bestimmt die Benennung nach D-oder L-Form. Zeigt die -Gruppe nach rechts, handelt es sich um eine Aldohexose der D-Reihe. Bei der L-Reihe zeigt die -Gruppe nach links.
D- und L-Galactose sind Enantionemere, verhalten sich also wie Bild und Spiegelbild zueinander.

Ergebnisse der TOLLENS-Proben Vor der Hydrolyse ist die TOLLENS-Probe negativ.
Alle Monosaccharid-Bausteine des Pektin-Moleküls sind über vollacetalische Bindungen verknüpft. Deshalb ist keine Ringöffnung möglich und offenkettige Aldosen liegen nicht vor. Daraus folgt, dass auch keine Aldehydgruppen vorliegen, die reduzierend wirken können. Nach der Hydrolyse ist die TOLLENS-Probe positiv.
Durch die Hydrolyse werden die Bindungen gespalten, wobei sich abspaltet. Die Monosaccharid-Bausteine liegen nun in offenkettiger Form mit Aldehydgruppen vor, die reduzierend wirken können. Die Tollens-Probe ist also positiv. Reaktionsgleichung für die positive Nachweisreaktion

Zusammenhang zwischen Wasserlöslichkeit und sauren Lösungen Der -Wert der Carboxygruppen in den Bausteinen der Galacturonsäure ist geringer als der von vergleichbaren Carbonsäuren wie Cyclohexancarbonsäure. Daher können diese Gruppen über einen breiten pH-Bereich protoniert werden. Aufgrund dieser Eigenschaft tragen die Pektin-Moleküle viele negative Ladungen und fungieren als anionische Polyelektrolyte. In verdünnten wässrigen Lösungen führt die gegenseitige Abstoßung durch starke elektrostatische Kräfte dazu, dass sich die Pektin-Moleküle räumlich voneinander trennen. Zusätzlich entstehen große Hydrathüllen um die Carboxylat-Anionen, was ebenfalls zur räumlichen Distanzierung der Pektin-Ketten beiträgt und somit zu ihrer Wasserlöslichkeit führt.

Strukturformel der Aminosäuresequenz Reaktionstyp Es handelt sich um eine Kondensationsreaktion, bei der Wasser abgespalten wird.

Positive Ladung von Casein bei niedrigen pH-Werten Bei (leicht sauer) werden in einem Protein die Seitenketten der sauren Aminosäuren teilweise protoniert, wodurch ihre negative Ladung neutralisiert wird. Im Fall von Casein ist das Verhältnis der basischen Aminosäuren mit protonierten Seitenketten im Vergleich zu den sauren Aminosäuren hoch. Daher überwiegt die positive Ladung des Proteins. Verhinderung der Absetzung von Casein Die positiv geladenen Casein-Moleküle und die neagtiv geladenen Pektin-Moleküle lagern sich aneinander an.
Wie in Aufgabe 1.3 breits erklärt sind die Pektin-Moleküle gut wasserlöslich. Da sich diese Pektin-Ketten um die Casein-Moleküle lagern, werden die Casein-Moleküle in Lösung gehalten. Deutung der Beobachtung Sinkt der pH-Wert unter ab, kommt es zur Abnahme der negativen Ladungen im Pektin-Molekül. Dabei nehmen die negativ geladenen Säurereste im Pektin-Molekül durch die zunehmende Oxoniumionen-Konzentration Protonen auf. Durch diese Protonenaufnahme sinken die neagtiven Ladungen im Pektin-Molekül.
Folglich verringern sich die Wechselwirkungen zwischen Pektin- und Casein-Moleküle. Die Moleküle können sich nicht mehr so gut aneinder anlagern und es kommt zum Absetzen der Casein-Moleküle – das Milcheiweiß verklumpt.

Erklärung des konstanten pH-Wertes anhand der Zutatenliste Die Zutatenliste zeigt Citronensäure- und Natriumcitrat-Lösung im Joghurt-Drink. Diese Lösung bildet ein Puffersystem, bei dem das Citrat-Ion als Protonenakzeptor wirkt.
Dadurch wird die Zunahme der Oxoniumionen-Konzentration verhindert und der pH-Wert sinkt nicht unter ab, also wird die Ansäuerung verhindert.