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Stärke und Cellulose

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Die Autor*innen
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André Otto
Stärke und Cellulose
lernst du in der Sekundarstufe 4. Klasse - 5. Klasse

Grundlagen zum Thema Stärke und Cellulose

Inhalt

Cellulose und Stärke – Chemie

Was haben wohl eine Kartoffel und die Tablette im Medizinschrank gemeinsam? Oder welche Gemeinsamkeit verbindet ein Taschentuch und ein Stück Holz? Sie bestehen aus Stärke bzw. Cellulose. Warum man diese Stoffe auch als Biopolymere bezeichnet und welche Eigenschaften sie haben, wollen wir im Folgenden klären.

Vorwissen
Du solltest bereits Vorkenntnisse über Kohlenhydrate in der Chemie haben. Außerdem solltest du die Begriffe Monosaccharide, Disaccharide und vielleicht auch Polysaccharide kennen und verstehen.

Cellulose und Stärke – Definition

Sowohl bei Stärke als auch bei Cellulose handelt es sich um Polysaccharide (Vielfachzucker) aus der Stoffgruppe der Kohlenhydrate. Sie setzen sich aus mehreren Einheiten von Monosacchariden – hier ist das strukturgebende Monosaccharid die Glucose – zusammen, die über glykosidische Bindungen miteinander verknüpft sind. Die allgemeine Summenformel für Cellulose und Stärke wird mit $\ce{(C6H10O5)_n}$ angegeben, wobei $n \geq 11$ ist. Analog zu den Kunststoffen bezeichnet man Stärke und Cellulose auch als Biopolymere.

Cellulose und Stärke – Strukturen

Doch was sind die strukturellen Unterschiede zwischen Stärke und Cellulose?
Beide bestehen aus dem Monomer D-Glucose. Betrachtet man die Glucose in der Haworth-Projektion, so fällt auf, dass die Hydroxygruppe ($\ce{-OH}$) am anomeren Kohlenstoffatom einmal nach oben und einmal nach unten gerichtet sein kann. Das anomere Kohlenstoffatom stellt ein sogenanntes Chiralitätszentrum dar. Nähere Erläuterung findest du im Video zur Chiralität und optischen Aktivität. Für die Struktur der Cellulose und der Stärke musst du dir so viel merken: Steht die Hydroxygruppe nach unten, spricht man von der $\alpha$-D-Glucose. Sie ist der Grundbaustein der Stärke. Steht die Hydroxygruppe nach oben, spricht man von der $\beta$-D-Glucose, dem Grundbaustein der Cellulose.

Strukturunterschiede alpha beta Glucose

Abhängig von der Lage der Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoffatom unterscheidet sich auch die Verknüpfung der Glucosemoleküle untereinander. So herrscht im Makromolekül Cellulose eine $\beta$-glykosidische Verbindung zwischen den Glucosemolekülen. Wir finden hier lange unverzweigte Ketten vor.
Im kettenförmigen Bestandteil der Stärke, der Amylose, sind die $\alpha$-D-Glucosemoleküle über eine $\alpha$-1,4-glykosidische Verbindung verknüpft. Treten zusätzlich noch $\alpha$-1,6-glykosidische Verbindungen auf, handelt es sich um den verzweigten Teil der Stärke, das Amylopektin. Beide Varianten bauen gemeinsam zu unterschiedlichen Anteilen das Stärkemolekül auf. Die Zahlen in den Bindungsbezeichnungen sagen dir dabei, welche Kohlenstoffatome der Glucosebausteine jeweils miteinander verknüpft sind.

Cellulose Stärke grundlegende Struktur

Cellulose und Stärke – Eigenschaften

Auch wenn Cellulose und Stärke aus den gleichen Grundbausteinen aufgebaut sind, so führt doch die unterschiedliche Lage der Hydroxygruppe ($\ce{-OH}$) am anomeren C-Atom zu unterschiedlichen Verknüpfungen der Glucoseeinheiten. Die strukturellen Unterschiede spiegeln sich demzufolge auch in den Eigenschaften wider. Betrachten wir zunächst die Eigenschaften von Cellulose:

  • Geruchloses, weißes Pulver
  • Unlöslich in organischen Lösungsmitteln
  • Wasserunlöslich
  • Dichte: $\rho\pu{=1,5 g//cm3}$

Im Gegensatz zur Cellulose handelt es sich bei Stärke nicht um ein homogenes Biopolymer. Es besteht hingegen aus den zwei Stoffen Amylose (20–30 %) und Amylopektin (70–80 %). Während es sich bei Amylose um ein langkettiges, unverzweigtes Molekül ähnlich dem der Cellulose handelt, zeichnet sich das Amylopektin durch zahlreiche Querverknüpfungen aus. Daher unterscheiden sich auch die Eigenschaften der Stärke teilweise von denen der Cellulose.

  • Geruchloses, weißes Pulver
  • Unlöslich in organischen Lösungsmitteln
  • In kaltem Wasser unlöslich
  • In heißem Wasser ($\geq \pu{60°C}$) teilweise löslich, Quellen der Stärke zu Stärkekleister
  • Dichte: $\rho \pu{=1,5 g//cm3}$

Cellulose und Stärke – Abbau und Verwertung

Sowohl Stärke als auch Cellulose können durch spezifische Enzyme abgebaut werden. Der Mensch besitzt das Enzym Amylase, das im Zuge der Verdauung Stärke bis hin zur Glucose abbaut. Cellulose können wir Menschen nicht enzymatisch verwerten und scheiden diese unverdaut wieder aus. Im Gegensatz dazu können Wiederkäuer wie Kühe Cellulose durch das Enzym Cellulase abbauen. Cellulase wird jedoch nicht von den Wiederkäuern selbst, sondern von Mikroorganismen wie den Wimpertierchen produziert. Aber auch Pilze und Bakterien können Cellulase produzieren und somit Cellulose spalten.

In der Chemie lassen sich Cellulose und Stärke in Anwesenheit von Säuren in ihre Glucosemonomere spalten. Die Reaktion bezeichnet man als saure Hydrolyse.

Vorkommen und Anwendung von Cellulose und Stärke

Sicher fallen dir auf Anhieb einige Stoffe ein, die Stärke oder Cellulose enthalten. Im Folgenden sind einige Beispiele für das Vorkommen beider Biopolymere aufgeführt:

Stärke
Stärke findet man häufig in sogenannten Nutzpflanzen – Pflanzen, die wir für unsere Ernährung oder die Ernährung von Tieren benötigen. Dazu zählen beispielsweise Reis, Mais, Kartoffeln, Weizen und Roggen. Stärke wird aber auch in großen Mengen in der Lebensmittelindustrie verwendet – als Verdickungsmittel in Fertiggerichten, als Zutat in Back- und Süßwaren oder als Grundstoff zur Herstellung von Dextrose, auch als Traubenzucker bzw. Glucose bekannt. Auch in der Pharmazie und Kosmetik findet Stärke Anwendung als Bindemittel, Füllstoff oder Pudergrundlage, aber auch in Form von Biokunststoff.

Cellulose
Cellulose bildet den Hauptanteil der pflanzlichen Zellwände. Demzufolge ist sie Bestandteil von Holz, Baumwolle, Jute und Grundlage für die Herstellung von Papier. Futtercellulose wird in der Ernährung von Tieren eingesetzt. Beispielsweise wenn diese an erhöhten Blutzuckerwerten leiden. Cellophan ist chemisch modifizierte Cellulose und wird als Verpackungsmaterial eingesetzt.

Zusammenfassung – Cellulose und Stärke

In der folgenden Tabelle sind Stärke und Cellulose im Vergleich gegenübergestellt. So hast du Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Biopolymere schnell auf einen Blick parat.

Stärke Cellulose
Summenformel $\ce{(C6H10O5)_n}$ $\ce{(C6H10O5)_n}$
Grundbaustein $\alpha$-D-Glucose $\beta$-D-Glucose
Art des Polymermoleküls Amylose: unverzweigt
Amylopektin: verzweigt
unverzweigt
Beispiele für Vorkommen Kartoffelknolle Holz, Baumwolle
Löslichkeit teilweise löslich in heißem Wasser unlöslich in Wasser

Das Video Stärke und Cellulose kurz zusammengefasst

In diesem Video lernst du die Polysaccharide Stärke und Cellulose kennen. Ihre Strukturen, ihre Eigenschaften und ihre Vorkommen in der Natur werden dir genauer vorgestellt. Außerdem lernst du, wie Cellulose und Stärke abgebaut werden können. Dein neu gewonnenes Wissen kannst du anschließend mit interaktiven Übungen sowie einem Arbeitsblatt zum Herunterladen festigen.

Transkript Stärke und Cellulose

Guten Tag und herzlich willkommen. 

Dieses Video heißt: Stärke und Cellulose. Der Film gehört zur Reihe Kohlenhydrate. Als Vorkenntnisse solltest du über die Begriffe Kohlenhydrate, Monosaccharide, Disaccharide, Polysaccharide und Glucose gut Bescheid wissen. Ziel des Videos ist es, Stärke und Cellulose im Vergleich darzustellen. 

Der Film ist wie folgt untergliedert:

  1. Strukturelle Zuordnung
  2. Was ist der Unterschied?
  3. Eigenschaften
  4. Biologischer Abbau
  5. Vorkommen
  6. Verwendung
  7. Nachweis

  8. Strukturelle Zuordnung 

Sowohl bei Stärke als auch bei Cellulose, handelt es sich um Biopolymere. Es sind Kohlenhydrate. Als Polymere sind sie Polysaccharide, das bedeutet, es handelt sich um Vielfachzucker. Ihr Baustein ist jeweils die Glucose.

  1. Was ist der Unterschied zwischen Stärke und Cellulose?

Hier seht ihr ein Modell der D-Glucose. Von Bedeutung ist dieses Kohlenstoff-Atom, man nennt es das anomere Kohlenstoffatom. Die Hydroxylgruppe, hier kaum zu sehen, unten rechts etwas, zeigt nach unten. Bei dieser Struktur handelt es sich um Alpha-D-Glucose. Alpha-D-Glucose ist der Stärkebaustein. Und noch mal ein Molekül der D-Glucose. Wieder betrachten wir das anomere Kohlenstoffatom, die Hydroxylgruppe zeigt diesmal nach oben. Es ist das Molekül der Beta-D-Glucose.

Schauen wir uns die beiden Anomere Alpha und Beta in Haworth Schreibweise an. Wichtig ist die Stellung der Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoffatom, sie zeigt nach unten. Es ist das Alpha-Anomer. Zeigt die Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoffatom nach oben, so ist es das Beta Anomer. In beiden Fällen handelt es sich um Glucose. Aus Alpha-D-Glucose wird Stärke gebildet. Beta-D-Glucose ist der Baustein des Cellulosemoleküls.

Es gibt noch einen 2. Unterschied. Stärke besteht aus den Stoffen Amylose und Amylopektin. Amylose ist zu 20-30 % enthalten, Amylopektin zu 70-80 %. 

Cellulose besteht nur aus unverzweigten Molekülen.

Noch einmal: D-Glucose ist der Baustein sowohl von Stärke als auch von Cellulose. Stärke besteht aus Molekülen von Alpha-D-Glucose. Cellulose ist aus Beta-D-Glucose Molekülen aufgebaut. Stärke besteht aus 2 Stoffen, aus Amylose, mit unverzweigten Ketten und aus Amylopektin, das man kann sagen, eine Tannenbaumstruktur besitzt. Cellulose besteht nur aus unverzweigten Polymermolekülen.   3. Eigenschaften

Betrachten wir einige wichtige Eigenschaften von Stärke und Cellulose. Es handelt sich in jedem Fall um weiße, geruchlose Pulver. Stärke ist etwas löslich in Wasser, 50g/l Wasser, allerdings erst bei 90°C. Cellulose ist nicht löslich in Wasser und in den herkömmlichen organischen Lösungsmitteln. Die Dichten beider Ploysaccharide liegen bei etwa 1,5g/cm3. Hydrolyse sowohl von Stärke als auch von Cellulose führt zu Glucose.

  1. Biologischer Abbau

Bei Stärke erfolgt durch körpereigene Enzyme des Menschen der Abbau bis hin zur Glucose. Solche Enzyme nennt man Amylase. 

Dem Menschen fehlen Enzyme um Cellulose abzubauen, der Abbau geschieht jedoch im Wiederkäuermagen. Das Enzym, die Cellulase, wird jedoch von der Wiederkäuern nicht produziert. Cellulase produzieren Wimperntierchen. Auch Flagellaten können das. Genauso können Pilze und Bakterien Cellulase produzieren. 

  1. Vorkommen

Stärke findet man häufig in Pflanzen, die für die Ernährung vorgesehen sind.

Reis, er enthält 89% Stärke.

Die Kartoffel 82%, Maniok 77%, Gerste 74% Stärke, Weizen 75% Stärke, Roggen 72 % und Mais 71%.

Cellulose findet man vorzugsweise in Holz, Baumwolle, Jute und Flachs.   6. Verwendung

An Stärke werden in Deutschland jährlich etwa 2 Millionen Tonnen verbraucht. Man verwendet sie in der Lebensmittelindustrie und als nachwachsende Rohstoffe. Die Anteile betragen 55% und 45%.

Stärke wird heute hauptsächlich aus Kartoffeln und Getreide gewonnen. In der Nahrungsmittelindustrie verwendet man Stärke hauptsächlich für folgende Dinge: Süßwaren, Backwaren, Milchprodukte, Glucosesirup und zur Herstellung von Dextrose.

Stärke dient zur Erzeugung von Wellpappe und Papier. Weitere Anwendungen sind: Beizen von Baumwolle, Biokunststoff als Verpackung, als Einweggeschirr, als Bindemittel oder als Pudergrundlage und modifiziert als Sprengstoff. 

Cellulose verwendet man für die Herstellung von Papier. Sie ist ein wichtiges Futtermittel. Cellulose ist Brennstoff. Celluphan, ist modifizierte Glucose, ein Verpackungsmaterial.

  1. Nachweis

Stärke wird durch ein klassisches Reagenz nachgewiesen, Iod-Kaliumiodid-Lösung, die Lugolsche Lösung. Mit Stärke entsteht ein violetter Komplex. 

Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen.          

2 Kommentare

2 Kommentare
  1. Das sollte nicht vorkommen. Wir werden uns um die Korrektur kümmern. Vielen Dank für den Hinweis!

    Von Bianca Blankschein, vor mehr als 4 Jahren
  2. Es wäre schön, wenn Sie kenntlich machen würden falls es im Video zu so starkem Flimmern kommt.

    Von Juliastandke95, vor mehr als 4 Jahren

Stärke und Cellulose Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Stärke und Cellulose kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die strukturelle Zuordnung von Stärke und Cellulose.

    Tipps

    Polysaccharide sind Mehrfachzucker.

    Der Grundbaustein für Cellulose und Stärke ist Glucose.

    Lösung

    Stärke und Cellulose stellen als nachwachsende Rohstoffe und mit ihren zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten wichtige chemische Verbindungen dar. Die beiden Stoffe haben als Grundbaustein (Monomer) das Glucosemolekül. So gehören beide Verbindungen zur organischen Chemie, also der Kohlenstoffchemie.

    Da sie natürlich vorkommende Polymerverbindungen sind, werden sie als Biopolymere bezeichnet. Sie setzen sich beide aus dem Einfachzucker Glucose zusammen und sind daher Mehrfachzucker oder auch Polysaccharide. Sie gehören also zu der Klasse der Kohlenhydrate, die uns im Alltag in einer Vielzahl von Speisen begegnen.

  • Bestimme die Vorkommen von Stärke und Cellulose.

    Tipps

    Viele Lebensmittel auf pflanzlicher Basis enthalten Stärke.

    Cellulose ist relativ stabil, sodass es unter anderem in Stoffen für die Kleiderherstellung vorkommt.

    Lösung

    Cellulose und Stärke sind zwei wichtige Stoffe. Ihre Vorkommen sind trotz ihres relativ identischen chemischen Aufbaus sehr unterschiedlich:

    Stärke kann häufig in Lebensmitteln gefunden werden. Hier kann man Reis, Kartoffeln, Gerste, Weizen, Roggen und Mais nennen. Der Mensch nimmt also z.B. durch Brot viel Stärke auf. Stärke gehört zu den Kohlenhydraten und kann im Gegensatz zu Cellulose vom menschlichen Magen verarbeitet werden. Hierfür gibt es ein eigenes Enzym, die sogenannte Amylase. Sie ist dafür verantwortlich, dass die Glykosidbindungen gespalten und abgebaut werden können.

    Cellulose dagegen kommt in vielen festen Materialien in der Natur vor. Hier kann man Holz, Jute, Baumwolle und Flachs erwähnen. Cellulose begegnet den Menschen im Alltag also viel in Kleidung und Möbelstücken.

  • Beschreibe den Aufbau der Cellulose.

    Tipps

    Die Bindungsreaktion erfolgt analog zur Esterbildung unter Wasserabspaltung.

    Lösung

    Die Cellulose ist ein Polysaccharid. Sie ist aus vielen Monomeren aufgebaut. Die Monomere sind alle gleich, es sind D-Glucosemoleküle. Die Ausrichtung der Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoffatom bestimmt, ob es sich um die $\alpha$- oder $\beta$-Form handelt. In der Cellulose liegen alle Glucosemoleküle in der $\beta$-Form vor.

    Die Reaktion, die zur Bindung zwischen zwei Monomeren führt, ist eine Kondensationsreaktion. Dabei bildet sich die Bindung unter Abspaltung eines Wassermoleküls aus.

    Das Sauerstoffatom, welches im Ring liegt, bildet mit einer benachbarten Hydroxygruppe schwache Wasserstoffbrücken aus.

  • Erkläre den Stärkenachweis an einer Kartoffel.

    Tipps

    Eine Kartoffel ist ein stärkehaltiger Stoff.

    Lösung

    Der Stärkenachweis kann an vielen Dingen aus dem alltäglichen Leben durchgeführt werden. So nimmt man in diesem Beispiel eine Kartoffel, da diese, ähnlich wie Reis, einen hohen Stärkeanteil besitzt.

    Im ersten Schritt schneidet man die Kartoffel auf. Zum Nachweis wird eine Iod-Kaliumiodid-Lösung verwendet. Diese dient dazu, dass sich Polyiodid-Anionen $[I_5]^-$ bilden. Nun träufelt man die Lösung auf die Kartoffel. Ein Bestandteil der Stärke ist die Amylose. Diese liegt in einer sogenannten Helixstruktur vor (siehe Abbildung). In diese Helix lagern sich die $[I_5]^-$-Ionen ein und es entsteht ein Charge-Transfer-Komplex. Dieser ist ein Elektronen-Akzeptor-Donator-Komplex, aus welchem die charakteristische dunkelblaue Farbe resultiert.

    Allerdings ist dieser Zustand reversibel. Beim Erwärmen verschwindet die Färbung auf Grund von vermehrten Molekülschwingungen. Die benötigte Anordnung kommt hierbei nicht zustande.

  • Beschreibe die Eigenschaften von Stärke und Cellulose.

    Tipps

    Die OH-Gruppe am anomeren Kohlenstoffatom der Glucose zeigt bei Stärke nach unten. Bei Cellulose zeigt die OH-Gruppe nach oben.

    Die Hydrolyse spaltet die Polymere.

    Lösung

    Die beiden Moleküle Cellulose und Stärke bestehen aus D-Glucose. Sie unterscheiden sich allerdings darin, dass Stärke aus $\alpha$-D-Glucose aufgebaut ist und Cellulose aus $\beta$-D-Glucose.

    Stärke besteht aus $\alpha$-D-Glucose, da die OH-Gruppe am anomeren Kohlenstoffatom nach unten zeigt. Bei der Cellulose zeigt die OH-Gruppe nach oben, hier liegt also $\beta$-D-Glucose vor. Weiterhin liegt in Stärke eine Mischung aus Amylose und Amylopektin vor, wogegen Cellulose lange, unverzweigte Molekülketten (Polymermoleküle) bildet.

    Beide sind geruchslose, farblose Pulver und haben in etwa dieselbe Dichte ($\rho =1,5\frac {g}{cm^3} $). Cellulose ist nicht löslich in Wasser, Stärke nur in erwärmtem Wasser. Wenn man beide Moleküle der Hydrolyse aussetzt, so werden beide in Glucose gespalten.

  • Erkläre, warum Cellulose in Wasser unlöslich ist.

    Tipps

    Je länger die Kette, desto höher werden die intermolekularen Kräfte, die überwunden werden müssen.

    Zwischen den OH-Gruppen der einzelnen Pyranringe bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen.

    Lösung

    Die Unlöslichkeit in Wasser der Cellulose und teilweise auch der Stärke lässt sich einfach erläutern:

    Je größer die Ketten werden, desto mehr intermolekulare Kräfte (Van-der-Waals) treten auf. Diese müssen jedoch beim Lösen überwunden werden, sodass die sehr langkettige Cellulose sich nicht lösen kann.

    Bei der Stärke liegt ein Gemisch kürzerer Amolyseketten vor, die sich entsprechend lösen, wobei jedoch den größere Anteil Amylopektin ausmacht, welches sehr verzweigt vorliegt. Beide Moleküle sind jedoch kein Bestandteil der Cellulose.

    Ein weiterer Grund ist die Wasserstoffbrückenbindung zwischen den OH-Gruppen, die in benachbarten Pyranringen vorliegen. Diese zusätzlichen Bindungen führen zu einer fast gitterartigen Vernetzung der einzelnen Celluloseketten. Ein Eindringen von Wassermolekülen ist nicht möglich.

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