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Titel:Alginate und Carrageenane ? Eigenschaften, Gewinnung und Anwendungen in Schule und Hochschule
Autor:Marburger, Anke
Weitere Beteiligte: Perst, Hartwig (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2004
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0110
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-01108
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0110
DDC:540 Chemie
Titel(trans.):Alginates and Carrageenans ? Properties, Isolation and Applications in School and University Chemistry

Dokument

Schlagwörter:
Gewinnung, Algenpolysaccharide, Alginate, Braunalgen, teaching of chemistry, Polysaccharide, carrageenans, Carrageenane, Chemieunterricht, alginates, Eigenschaften, seaweed polysaccharides, Anwendungen, Rotalgen, experiments, Chemiedidaktik, Experiment / Chemieunterricht

Zusammenfassung:
Alginate und Carrageenane sind Polysaccharid-Derivate, die als Strukturkomponenten in den Zellwänden der Braunalgen bzw. bestimmter Rotalgen-Gattungen vorkommen. Obwohl Alginate und Carrageenane bereits seit mehreren Jahrzehnten kommerziell genutzt werden, ist nur wenig über diese Algenpolysaccharide bekannt. Folglich sind wir uns in der Regel nicht der Tatsache bewusst, dass man im Alltagsleben sehr häufig mit diesen Stoffen konfrontiert wird. In der vorliegenden Arbeit findet daher eine detaillierte Auseinandersetzung mit Alginaten und Carrageenanen statt: Ausgehend von einer Diskussion des chemischen Aufbaus und der Struktur der beiden Polysaccharid-Derivate werden zunächst deren wichtigste physikalisch-chemische Eigenschaften betrachtet. Dazu gehören vor allem die Sol- und Gelbildungsfähigkeit sowie die emulsions- und suspensionsstabilisierende Wirkung der Alginate und Carrageenane. Dadurch wird die Basis für das Verständnis der chemischen und prozesstechnischen Vorgänge geschaffen, die mit der industriellen Gewinnung von Alginaten und Carrageenanen aus Braun- bzw. Rotalgen im Zusammenhang stehen. Im Rahmen der Arbeit erfolgte die Entwicklung und Optimierung von Labormethoden zur Extraktion von Alginsäure aus Laminara-Spezies und Fucus vesiculosus. Diese Versuche orientieren sich möglichst eng an den in der Industrie angewandten Produktionsverfahren, sind aber gleichzeitig so angelegt, dass deren Durchführung keinen für den Labormaßstab inakzeptabel hohen apparativen und zeitlichen Aufwand erfordert. Analoges gilt auch für die in der Arbeit entwickelte Versuchsvorschrift zur Isolierung von Carrageenan aus Chondrus crispus, Gigartina radula und Eucheuma cottonii. Im Anschluss an die Diskussion der Gewinnungsmethoden findet eine Beschäftigung mit ausgewählten Anwendungsmöglichkeiten der beiden Algenpolysaccharide statt. Dabei bestand ein Hauptziel der Arbeit darin, bereits existierende alltagsrelevante und zukunftsträchtige Einsatzbeispiele der Alginate und Carrageenane aufzugreifen, bezüglich ihrer chemischen Hintergründe zu untersuchen und in möglichst einfache und anschauliche Versuche umzusetzen, die im schulischen Rahmen realisiert werden können. In der Lebensmittelindustrie kommen Alginate und ihre organischen Derivate unter anderem als Verdickungsmittel und Stabilisatoren zum Einsatz. Außerdem nutzt man sie als Formgeber für künstliche Lebensmittel, wie z. B. Paprikastreifen in gefüllten Oliven. In der Biotechnologie finden die Polysaccharid-Derivate Verwendung als Trägermaterialien für die Immobilisierung von Mikroorganismen und Enzymen. So versucht man beispielsweise, in Calciumalginat-Gel immobilisierte Hefe-Zellen für die fermentative Ethanol-Gewinnung sowie für die Herstellung von Schaumweinen einzusetzen. Des Weiteren spielen Alginate eine wichtige Rolle auf dem medizinisch-pharmazeutischen Sektor: Zur Therapie von Wunden verwendet man z. B. Verbandstoffe aus Calciumalginat-Fasern, die den Heilungsprozess günstig beeinflussen. Ferner sind die Algenpolysaccharide Bestandteile von Dentalabdruckmassen und Arzneimitteln gegen Sodbrennen und werden für die Dekorporierung von radioaktivem Strontium eingesetzt. Der Haupteinsatzbereich der Carrageenane liegt in der Lebensmittelindustrie. In der vorliegenden Arbeit werden Versuche präsentiert, die die Wirkung der Rotalgenpolysaccharide als Verdickungs- und Geliermittel sowie Stabilisatoren in Nahrungsmitteln auf Milch- und Wasserbasis veranschaulichen. Außerdem erfolgte die Entwicklung einer einfachen analytischen Methode, mit der sich die Salatdressings, Tortenguss und Instant-Götterspeise zugesetzten Carrageenane nach Durchführung weniger Aufbereitungsschritte nachweisen lassen. Einen weiteren Schwerpunkt des Anwendungs-Teils dieser Arbeit stellen experimentelle Studien zu potentiellen neuen Einsatzmöglichkeiten der beiden Algenpolysaccharide dar: Für Alginate wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Alginsäure im Säulenbetrieb als Kationen-Austauscher für die quantitative Bestimmung von Calcium-, Strontium-, und Barium-Ionen einsetzen lässt. Im Abschlusskapitel der Arbeit wird die Relevanz der diskutierten Inhalte für den schulischen Chemieunterricht aufgezeigt: Alginat- und Carrageenan-Chemie ist nicht nur für Lehrer und Schüler gleichermaßen neu und faszinierend, sondern weist zahlreiche Berührungsstellen zu zentralen fachwissenschaftlichen, interdisziplinären und anwendungsorientierten Themengebieten des Chemieunterrichtes auf. Die meisten Experimente, die zu den Eigenschaften, der Gewinnung und den Einsatzmöglichkeiten der beiden Algenpolysaccharide entwickelt wurden, zeichnen sich zudem dadurch aus, dass sie auf Phänomene aus der Lebenswirklichkeit der Lernenden eingehen und größtenteils relativ einfach und gefahrlos durchführbar sind. Außerdem existieren für die vorgestellten Versuche verschiedenartige Einsatzmöglichkeiten im Hochschulbereich.

Summary:
Alginates and carrageenans are derivatives of polysaccharides. Whereas alginates occur as structural components in the cell walls of brown seaweed, carrageenans can be found in certain species of red algae. Although the two algal polysaccharides have been applied commercially for several decades, fairly little is known about their properties and applications. Hence we are usually not aware of the fact that we almost daily use products containing these seaweed extracts. In this thesis, alginates and carrageenans are discussed extensively: After a description of their chemical composition and structure the most important functional properties of the two algal polysaccharides are dealt with in detail. These include their ability to form viscous aqueous solutions and gels as well as their stabilising effect on emulsions and suspensions. The solubility and gelation of alginates and carrageenans are also made use of in the manufacture of these polysaccharides from brown and red algae. In this thesis, laboratory methods for the extraction of alginates from Laminaria species and Fucus vesiculosus were developed and optimised. With a minimum of apparatus and time, these experimental procedures mimic major steps of the industrial production process. This is also true for the method which was devised for isolating carrageenan from Chondrus crispus, Gigartina radula and Eucheuma cottonii. The main emphasis of this thesis is set on the applications of alginates and carrageenans. Examples of everyday and promising future uses are examined closely in terms of their chemical background and illustrated with simple, but convincing experiments for teaching purposes. Alginates and their organic derivatives are employed as thickening agents and stabilisers in various food products. In addition, they are utilised in the manufacture of structured food, such as pimiento fillings for olives. In biotechnology, alginates are of importance as immobilisation matrices for micro-organisms and enzymes. For example, yeast cells entrapped in calcium alginate gel beads can be used for the production of ethanol from carbohydrates as well as for the preparation of sparkling wine. Besides, alginates have a variety of pharmaceutical and medical applications: Wounds can be treated with dressings composed of calcium alginate fibres, which have a beneficial effect on the healing process. Furthermore, alginates are contained in dental impression materials as well as in remedies for oesophageal reflux. Finally, the administration of calcium alginate is an effective preventive and therapeutic measure against radiostrontium poisoning. Carrageenans have their main applications in the food industry. This thesis presents experiments which illustrate the use of these red seaweed polysaccharides as thickening and gelling agents in water- and milk-based food systems. Furthermore, a simple analytical method for the detection of carrageenans in salad dressings, glazes and jellies was devised. In addition to demonstrating existing application areas of alginates and carrageenans, the present dissertation had the aim of investigating new potential chemical uses of these algal polysaccharides. This resulted in the development of an experimental procedure for the quantitative determination of calcium, strontium and barium ions, using chromatography columns filled with alginic acid beads as ion exchangers. The relevance of alginates and carrageenans for chemistry lessons at schools is discussed in the final chapter of this dissertation. Dealing with these algal polysaccharides is not only new and fascinating for both teachers and pupils but also gives learners the opportunity of deepening their knowledge of important scientific, interdisciplinary and application-orientated topics of the chemistry curriculum. The experiments designed to illustrate the production process, functional properties and applications of alginates and carrageenans explain interesting phenomena of everyday life. Many experiments can be carried out by pupils since they do not involve the use of hazardous chemicals or complex apparatus. Some of the experiments devised in this thesis are also of relevance for chemistry teaching at university level.


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