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Stärke und Cellulose

Die Polysaccharide Stärke und Cellulose sind wichtige Biopolymere, die aus Glucose aufgebaut sind. Stärke ist teilweise in heißem Wasser löslich und dient als Verdickungsmittel, während Cellulose in Pflanzen vorkommt und z. B. für Papier verwendet wird. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text.

Alle Inhalte sind von Lehrkräften & Lernexperten erstellt
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Die Autor*innen
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André Otto
Stärke und Cellulose
lernst du in der Oberstufe 6. Klasse - 7. Klasse

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.