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<strong>Junge</strong><br />
<strong>Wissenschaft</strong><br />
Young Researcher<br />
Mathematik:<br />
Die Welt<br />
aus Zahlen<br />
Themen:<br />
Leckerer Schutz für Vitamin C // Maßgeschneiderte optische<br />
Eigenschaften // Flieg Ahorn, flieg! // Alarm bei Leckage<br />
Jugend forscht in Natur und Technik<br />
The European Journal of Science and Technology<br />
Außerdem im Heft: 10 Jahre juFORUM e. V. // MINT-Initiative Roberta® //<br />
Spezialeffekte dank Mathematik // Mathematisch-Naturwissenschaftliche<br />
Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und vieles mehr<br />
Ausgabe Nr. <strong>87</strong> // 25. Jahrgang // 2010<br />
Medienpartner des<br />
<strong>Wissenschaft</strong>sjahres 2010<br />
W i s s e n s c h a f t s j a h r<br />
2 0 0 1 1 0<br />
0<br />
Die Zukunft Zukunft der<br />
der<br />
Energie<br />
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Das Magazin<br />
für Nachwuchsforscher<br />
Innovative Experimente, wissenschaftliche Beiträge und spannende Ergebnisse:
4<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> <strong>87</strong> // 2010<br />
Inhalt<br />
Editorial 3<br />
Inhalt 4 – 5<br />
Neues 6 – 11<br />
Seit einem Jahrzehnt vernetzen<br />
sich deutsche Jungforscher 6<br />
Primfaktorzerlegung in XXL 7<br />
Wie Spinnen spinnen 7<br />
Nicht mehr sichere Helme duften 8<br />
Die besondere Nachricht:<br />
Auch ein Genie kann sich irren 9<br />
Ordnung ist das ganze Leben 9<br />
Mit Mathematik gegen<br />
den Herzinfarkt 10<br />
Dem einen stinkt’s,<br />
dem anderen nicht 11<br />
66<br />
Die Mathematik sorgt für die Spezialeffekte<br />
Superhelden, die durch die Luft fliegen, Zauberstäbe, die Funken sprühen<br />
und Feuersbrünste ausbrechen lassen sowie geradezu greifbare Ungeheuer<br />
und Fabelwesen: All das sind Spezialeffekte, ohne die Kinofilme,<br />
Fernsehfilme und Computerspiele heute nicht mehr denkbar sind und die<br />
am Computer entstehen.<br />
Magazin I 12 – 17<br />
Roberta lässt die Puppen tanzen 12<br />
Vom Militärgelände zur 0-City 14<br />
In nur fünf Semestern:<br />
Bachelorabschluss mit Note 1,5 16<br />
Magazin II 60 – 74<br />
Studium & Beruf:<br />
Umwelttechnik 60<br />
Die Mathematik sorgt für die<br />
Spezialeffekte 66<br />
Porträt: Die Zukunft im Blick 68<br />
Aktuare – Experten der<br />
Versicherungsbranche 70<br />
Mit Φ-liki auf dem Weg zu<br />
anschaulichem Unterricht 72<br />
Buchrezensionen 73<br />
12<br />
Roberta lässt die Puppen<br />
tanzen<br />
Roberta® ist eine eine Initiative des<br />
Fraunhofer IAIS. Ziel der Roberta® ist<br />
es, das Interesse insbesondere von<br />
Mädchen – aber auch von <strong>Junge</strong>n – für<br />
Informatik, Technik und Naturwissenschaften<br />
nachhaltig zu wecken.<br />
Jugend forscht 18 – 59<br />
Leckerer Schutz für Vitamin C<br />
Neues aus der molekularen Küche:<br />
Cyclodextrin schützt Vitamin C 18<br />
Maßgeschneiderte<br />
optische Eigenschaften<br />
Die Plasmonenresonanz von<br />
Nano-Goldpartikeln 27<br />
Flieg Ahorn, flieg!<br />
Analyse des Flugverhaltens<br />
von Ahornsamen 40<br />
Alarm bei Leckage<br />
Entwicklung eines Sensors<br />
zur Erkennung kleiner<br />
Flüssigkeitsmengen 52
Leckerer Schutz<br />
für Vitamin C<br />
Der Vitamin C Gehalt von Obst und<br />
Gemüse nimmt beim Kochen und Lagern<br />
ab. Durch Zugabe des erlaubten Lebensmittelzusatzes<br />
ß-Cyclodextrin können die<br />
Verluste deutlich gemindert werden.<br />
Autoren: Thomas Fuchs, Timo Imhof<br />
Maßgeschneiderte<br />
optische Eigenschaften<br />
Nano-Goldpartikel sind nicht golden, sondern<br />
rot. Ursache ist ihre geringe Größe,<br />
die das optische Absorptionsvermögen<br />
beeinflusst. Untersuchungen und Berechnungen<br />
zeigen, wie Form und Größe die<br />
Farbe bestimmen.<br />
Autoren: Karen Wintersperger, Lucas Rott<br />
Flieg Ahorn, flieg!<br />
Ahornsamen fallen nicht einfach zu<br />
Boden, sondern vollführen Dank ihrer<br />
Form einen faszinierenden Flug. Welche<br />
physikalischen Eigenschaften des Samens<br />
diesen Flug und vor allem seine Weite<br />
bestimmen, wird hier untersucht.<br />
Autoren: Sebastian Schulz, Christopher<br />
Rheinsberg<br />
Alarm bei Leckage<br />
Bereits kleinste Flüssigkeitsmengen, die<br />
aus Zuleitungen in einem Roboterarm<br />
einer Lackiererei austreten, können diesen<br />
schädigen. Ein kleiner, sehr robuster<br />
Sensor wird dies in Zukunft verhindern.<br />
Autor: Thomas Nesch<br />
18<br />
27<br />
40<br />
52<br />
Inhalt<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> –<br />
Jugend forscht in Natur<br />
und Technik<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> veröffentlicht Originalbeiträge<br />
junger Autoren bis zum Alter von<br />
23 Jahren mit anspruchsvollen Themen aus<br />
allen Bereichen der Naturwissenschaften<br />
und Technik.<br />
Gründungsherausgeber:<br />
Prof. Dr. rer. nat. Paul Dobrinski †<br />
Herausgeber:<br />
Prof. Dr. Manfred Euler<br />
Dr. Dr. Jens Simon<br />
Dr.-Ing. Sabine Walter<br />
Beirat:<br />
Dr. J. Georg Bednorz<br />
Nobelpreisträger<br />
IBM Research Division<br />
Forschungslaboratorium Zürich<br />
Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.<br />
Manfred Eigen<br />
Nobelpreisträger,<br />
Max-Planck-Institut für<br />
Biophysikalische Chemie,<br />
Göttingen<br />
Prof. Dr. Gerhard Ertl<br />
Nobelpreisträger<br />
Fritz-Haber-Institut der<br />
Max-Planck-Gesellschaft, Berlin<br />
Prof. Dr. Ernst O. Göbel<br />
Präsident der Physikalisch-<br />
Technischen Bundesanstalt,<br />
Braunschweig und Berlin<br />
Dr. Uwe Groth<br />
VDI Projektleitung<br />
„Jugend entdeckt Technik“,<br />
Hemmingen<br />
Prof. Dr. Elke Hartmann<br />
Universität Halle<br />
VDI Bereichsvorstand<br />
„Technik und Bildung“<br />
Dr. Jörg F. Maas<br />
Geschäftsführer der Stiftung<br />
„Jugend forscht“ e. V.,<br />
Hamburg<br />
Prof. Dr. Bernd Ralle<br />
Schriftführer der Zeitschrift MNU,<br />
Fachbereich Chemie,<br />
Universität Dortmund<br />
Wolfgang Scheunemann<br />
Geschäftsführer der dokeo GmbH,<br />
Stuttgart<br />
5
er<br />
Ausgabe Nr. 84 // 24. Jahrgang // 2009<br />
<strong>Junge</strong><br />
<strong>Wissenschaft</strong><br />
nschaft<br />
Jugend forscht in Natur und Technik<br />
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<strong>Wissenschaft</strong>sjahres 2009<br />
The European Journal of Science and Technology<br />
Young Researcher<br />
Bionik:<br />
Technik nach<br />
dem Vorbild<br />
der Natur<br />
l –<br />
ielseitiger<br />
kstoff<br />
:<br />
e im Tsunamistrudel // Mindestens 17 müssen<br />
// Organe aus dem Spinnennetz // Widerstand<br />
los // Wenn sich das Gehirn selbst betrachtet<br />
rdem im Heft: Ganz großes Kino auf der Edelstahlhülle //<br />
ung Jugend forscht e.V. // Weltrekord im Brückenbau –<br />
Viadukt von Millau // Hochschulportrait TU Bergakademie Freiberg //<br />
dienführer Werkstoff- und Materialwissenschaften und vieles mehr...<br />
Das Magazin<br />
für Nachwuchsforscher<br />
Innovative Experimente, wissenschaftliche Beiträge und spannende Ergebnisse:<br />
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<strong>Junge</strong><br />
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Themen:<br />
Edelsteine aus dem Reagenzglas – Synthese von Opalen //<br />
Schräg um die Kurve // Auomatic Guitar Tuner – ein Helfer in<br />
der Musik // Nützliche Hologramme // Ordnung und Chaos<br />
Außerdem im Heft: Kleben lernen von der Taupfl anze // JufoBase//<br />
Inspiriert vom Prinzip Natur // Bionikkompetenz im Saarland und in<br />
Bremen // Studienführer Bionik und Biologie<br />
„ Als Schüler wollte ich die Welt erobern.<br />
Jetzt ist erstmal die Sonne dran.“<br />
www.verlag-jungewissenschaft.de<br />
Ja, ich möchte keine <strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> mehr versäumen.<br />
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Name, Vorname<br />
Neugier ist der stärkste Antrieb. Prof. Dr. Robert Pitz-Paal vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt<br />
forscht am solarthermischen Kraftwerk. Und damit an der Zukunft von uns allen. Jetzt mitforschen unter<br />
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Ausgabe Nr. 85 // 25. Jahrgang // 2010<br />
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Luft- und<br />
Raumfahrttechnik:<br />
Den Sternen<br />
so nah<br />
Themen:<br />
Vom Korn zum Brot // Wasser in der Wüste // Nur eine Lage<br />
Kohlenstoff // Tarnung für Titan // Bilder begreifen<br />
Außerdem im Heft: 50 Jahre Laserlicht // MINToring // DLR Special //<br />
Felix-Klein-Zentrum für Mathematik und vieles mehr<br />
Ausgabe Nr. 86 // 25. Jahrgang // 2010<br />
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40221 Düsseldorf, zu erklären.<br />
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Mathematik<br />
Primfaktorzerlegung in XXL<br />
Neues<br />
Ein internationales Team von <strong>Wissenschaft</strong>lern unter Beteiligung der Universität Bonn hat eine<br />
232-stellige Zahl in ihre Primfaktoren zerlegt. Für ihre Berechnung nutzten sie vernetzte Computer -<br />
ein einzelner handelsüblicher Rechner wäre knapp 2.000 Jahre beschäftigt gewesen.<br />
Viele Verfahren zur Verschlüsselung sensibler<br />
Daten beruhen auf der Schwierigkeit,<br />
große Zahlen zu zerlegen. Die US-<br />
Forscher Ron Rivest, Adi Shamir und<br />
Leonard Adleman hatten 1977 das so<br />
genannte RSA-Verfahren zur Verschlüsselung<br />
von Daten entwickelt und später<br />
die Firma RSA Security gegründet.<br />
Ihre Technik steckt inzwischen in jedem<br />
Internet-Browser: Ein kleines Programm<br />
verschlüsselt dort beispielsweise Kreditkarten-Nummern<br />
so, dass ein böswilliger<br />
Lauscher mit ihnen nichts anfangen kann.<br />
Der Code beruht auf der Schwierigkeit,<br />
Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen.<br />
Denn was bei "21 = 7 mal 3" noch jeder<br />
Drittklässler problemlos schafft, wird bei<br />
genügend großen Zahlen fast unmöglich.<br />
Sichere Schlüssel sollten heute mindestens<br />
1024 Bit groß sein. Anders gesagt:<br />
Als Binärzahl aus Nullen und Einsen<br />
geschrieben, hätten sie eine Länge von<br />
1024 Ziffern.<br />
Die jetzt geknackte Zahl trägt die nüchterne<br />
Bezeichnung RSA-768, das heißt,<br />
sie hat 768 Bit. In Dezim<strong>als</strong>chreibweise<br />
entspricht das 232 Stellen. Damit handelt<br />
Biologie<br />
Wie Spinnen spinnen<br />
Die jetzt geknackte Primzahl hat in Binärschreibweise<br />
768 Stellen<br />
Spinnenseide ist fünfmal so reißfest wie Stahl und dreimal so fest wie die derzeit besten synthetischen<br />
Fasern. Wie schafft es die Spinne, in Sekundenbruchteilen lange, hochstabile und elastische<br />
Fäden zu ziehen? Diesem Geheimnis sind <strong>Wissenschaft</strong>ler aus Bayreuth und München nun auf die<br />
Spur gekommen.<br />
"Die hohe Elastizität und extreme Reißfestigkeit<br />
der natürlichen Spinnenseide<br />
erreichen selbst Fasern aus reinem<br />
Spinnenseiden-Protein bisher nicht,"<br />
sagt Professor Horst Kessler der Technischen<br />
Universität München. Daher ist<br />
eine Schlüsselfrage bei der künstlichen<br />
Herstellung stabiler Spinnenseide-Fäden:<br />
Wie schafft es die Spinne, das Rohmaterial<br />
in der Spinndrüse in hoher Konzen-<br />
es sich um das größte Zahlenungetüm<br />
von allgemeiner Form, das bislang in seine<br />
Primfaktoren zerlegt wurde.<br />
An dem Weltrekord waren neben der<br />
Uni Bonn das Bundesamt für Sicherheit<br />
in der Informationstechnologie, sowie<br />
Informatiker aus den Niederlanden, der<br />
Schweiz, Frankreich und Japan beteiligt.<br />
Die Berechnung lief verteilt auf zahlreichen<br />
Rechnern und beanspruchte insgesamt<br />
knapp 2000 Prozessor-Jahre. Die<br />
für den Rekord benutzte Software wurde<br />
zu erheblichen Teilen am Institut für Mathematik<br />
der Universität Bonn<br />
entwickelt. Das Bonner Institut<br />
für numerische Simulation stellte<br />
Hardware für diese Entwicklungsarbeiten<br />
sowie einen Teil<br />
der Rechenzeit für den aktuellen<br />
Rekord zur Verfügung.<br />
"Die Zerlegung eines 1024-Bit-<br />
Schlüssels wäre um drei Größenordnungen<br />
schwieriger<br />
<strong>als</strong> das jetzt abgeschlossene<br />
Projekt und würde teilweise<br />
nichttriviale Modifikationen<br />
tration bereit zu halten und bei Bedarf in<br />
Bruchteilen einer Sekunde daraus einen<br />
reißfesten Faden zu ziehen? Professor<br />
Thomas Scheibel, Inhaber des Lehrstuhls<br />
Biomaterialien der Universität Bayreuth,<br />
ist dem Geheimnis der Spinnenseiden<br />
seit einigen Jahren auf der Spur.<br />
Spinnenfäden bestehen aus Eiweißmolekülen,<br />
langen Ketten, die aus Tausenden<br />
der vorhandenen Software erfordern",<br />
erklärt Professor Dr. Jens Franke<br />
vom Institut für Mathematik der Uni<br />
Bonn. Dennoch werde der erste 1024-Bit-<br />
Schlüssel vermutlich noch vor Ende des<br />
Jahrzehnts geknackt. Gestützt wird diese<br />
Einschätzung durch die bisherigen Rekorde:<br />
1999 fiel RSA-512, 2005 RSA-663<br />
und nun RSA-768. Gängige Standards<br />
empfehlen übrigens, zur Gewährleistung<br />
eines langfristigen Sicherheitsniveaus<br />
nach Ende dieses Jahres keine 1024-Bit-<br />
Schlüssel mehr zu verwenden, sondern zu<br />
2048-Bit-Schlüsseln überzugehen.<br />
von Aminosäure-Bausteinen aufgebaut<br />
sind. Röntgenstreuungsexperimente zeigen,<br />
dass sich im fertigen Faden Bereiche<br />
befinden, in denen mehrere Eiweißketten<br />
über stabile physikalische Bindungen<br />
miteinander vernetzt sind. Sie bewirken<br />
die Stabilität. Dazwischen befinden sich<br />
unvernetzte Bereiche, sie sind für die hohe<br />
Elastizität verantwortlich. In der Spinndrüse<br />
herrschen ganz andere Verhältnisse:<br />
7<br />
Young Researcher
8<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> <strong>87</strong> // 2010<br />
Neues<br />
In einer wässrigen Umgebung lagern hier<br />
die Seiden-Proteine in hoher Konzen-<br />
tration und warten auf ihren Einsatz. Die<br />
für die festen Quervernetzungen verantwortlichen<br />
Bereiche dürfen sich dabei<br />
nicht zu nahe kommen, da sonst die Ei-<br />
weiße augenblicklich verklumpen wür-<br />
den. Es musste <strong>als</strong>o eine Art Speicher-<br />
form dieser Moleküle geben. Die Untersuchungsmethode<br />
der Wahl war die Kernmagnetische<br />
Resonanz-Spektroskopie<br />
(NMR), mit der die Struktur eines Regulationselements<br />
aufgeklärt wurde, das für<br />
die Bildung des festen Fadens verantwortlich<br />
ist. "Unter den Speicherbedingungen<br />
in der Spinndrüse sind immer zwei dieser<br />
Regulationsbereiche so miteinander verknüpft,<br />
dass die quervernetzenden Bereiche<br />
beider Ketten nicht parallel zueinander<br />
liegen können," erläutert Thomas<br />
Scheibel die Ergebnisse. "Die Vernetzung<br />
ist damit wirkungsvoll<br />
unterbunden."<br />
Die Eiweißketten<br />
lagern sich dann<br />
so zusammen, dass<br />
polare Bereiche<br />
außen sind und<br />
die Wasser abweisenden<br />
Teile der<br />
Kette innen. Dies<br />
stellt die gute Löslichkeit<br />
in der wässrigen<br />
Umgebung<br />
sicher.“<br />
Gelangen die so geschützten Proteine in<br />
den Spinnkanal, finden sie dort eine völlig<br />
andere Salzkonzentration und -zusammensetzung<br />
vor. Die beiden Salzbrücken<br />
der Regulatordomäne werden dadurch<br />
instabil und die Kette kann sich entfalten.<br />
Werkstofftechnik<br />
Nicht mehr sichere Helme duften<br />
Spinnenseiden sind inhomogen aufgebaut und erreichen so sowohl hohe<br />
Festigkeit <strong>als</strong> auch hohe Elastizität. Wie ein solcher Faden in Sekundenbruchteilen<br />
entsteht, wurde nun herausgefunden.<br />
Durch die Strömung im engen Spinnkanal<br />
treten zudem starke Scherkräfte auf.<br />
Die langen Eiweißketten werden parallel<br />
zueinander ausgerichtet, und nun liegen<br />
auch die für die Quervernetzung verantwortlichen<br />
Bereiche direkt nebeneinander.<br />
Ein stabiler Spinnenseidenfaden entsteht.<br />
Am Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik wurden Kunststoffe mit Mikrokapseln, die Duftöle enthalten,<br />
entwickelt. So können kleine Risse zum Beispiel in Fahrradhelmen durch Duftstoffe angezeigt<br />
werden.<br />
Fahrradhelme sollen den Kopf des Trägers<br />
schützen. Doch nur einwandfreie<br />
Helme halten im Notfall, was sie versprechen.<br />
Daher empfiehlt es sich, den Kopfschutz<br />
nach einiger Zeit auszutauschen.<br />
Aber wer erneuert schon gerne auf Verdacht<br />
seine Ausrüstung?<br />
Ein beschädigter Fahrradhelm setzt Duftstoffe frei. Rechts unten: die<br />
aufgerissene Mikrokapsel. (Quelle: Fraunhofer IWM)<br />
Daher haben Forscher des Fraunhofer-<br />
Instituts für Werkstoffmechanik IWM in<br />
Freiburg in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut<br />
für Umwelt-, Sicherheits-<br />
und Energietechnik in Oberhausen ein<br />
Verfahren entwickelt haben, um Risse<br />
durch Geruch erkennbar zu machen.<br />
Die Forscher arbeiten<br />
die Mikrokapseln <strong>als</strong><br />
Zusatzstoff in eine<br />
Polypropylenmasse ein,<br />
die sie dann im Spritzgussverfahren<br />
zum endgültigen<br />
Bauteil formen<br />
können. Im Fall des<br />
Fahrradhelms haben sie<br />
die Kügelchen in eine<br />
dicke Folie aus dem<br />
Polymerwerkstoff Polypropylen<br />
eingebracht.<br />
Die Folie wird am<br />
Kopfschutz befestigt.<br />
Eine Schicht aus Melaminformaldehydharz<br />
verschließt die Kapseln<br />
geruchsdicht und mechanisch. Sie<br />
schützt die Kügelchen, schließlich müssen<br />
diese im Spritzgussverfahren Temperaturen<br />
von 200 bis 300 Grad Celsius<br />
aushalten und darüber hinaus statischen<br />
Drücken von bis zu 100 bar standhalten<br />
Das Verfahren eignet sich nicht nur für<br />
alle schwer auf Defekte zu testenden<br />
Teile wie Fahrrad-, Motorrad- oder Bauhelme.<br />
Vielmehr lässt es sich auch zum<br />
Überprüfen von Druckschläuchen wie<br />
Waschmaschinenzuleitungen einsetzen,<br />
die verdeckt verbaut sind. Geruchssensoren<br />
könnten auch Kunststoffrohre<br />
für die Wasser- und Gasversorgung auf<br />
kritische Risse überwachen, da sie ausströmende<br />
Duftstoffe über weite Entfernungen<br />
hinweg registrieren. „Bei beschichteten<br />
Bauteilen aus Metall wird<br />
die Geruchsdetektion bereits eingesetzt.<br />
Wir wenden das Verfahren erstm<strong>als</strong> auf<br />
Polymerwerkstoffe an,“ erläutert einer<br />
der Forscher.
12<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> <strong>87</strong> // 2010<br />
Magazin<br />
MINT<br />
Roberta lässt die Puppen tanzen<br />
Anja Tempelhoff ist Re<strong>als</strong>chulrektorin und unterrichtet an der Wolfgang-Borchert-Schule in Berlin-<br />
Spandau Informatik. Sie ist Landesmentorin für Roberta in Berlin und MINT Botschafterin der Initiative<br />
MINT Zukunft schaffen.<br />
Frau Tempelhoff, Sie haben beobachtet,<br />
dass an den Informatikkursen in Ihrer<br />
Schule im Allgemeinen höchstens 20<br />
Prozent Mädchen teilnehmen. Woran<br />
kann das liegen?<br />
Anja Tempelhoff: Im Informatikunterricht<br />
in der Re<strong>als</strong>chule muss ich immer<br />
wieder feststellen, dass Mädchen und<br />
<strong>Junge</strong>n eine völlig unterschiedliche<br />
Herangehensweise an Computer besitzen.<br />
Während Mädchen verstärkt den<br />
kommunikativen Aspekt der Technologie<br />
erlernen und nutzen wollen, wie<br />
Chat-rooms und E-Mail, oder sich für<br />
Homepages von Popstars interessieren,<br />
wollen sich die <strong>Junge</strong>n verstärkt mit<br />
den technischen Aspekten beschäftigen.<br />
Tauschen <strong>Junge</strong>n Erfahrungen über<br />
Computer aus, so schließen sie dabei<br />
häufig Mädchen aus, indem sie – sicherlich<br />
zum Teil unbewusst – technische<br />
Fachtermini verwenden, ohne diese weiter<br />
zu erklären.<br />
Außerdem zeigen sich viele <strong>Junge</strong>n beinahe<br />
„ritterlich“, indem sie Mädchen<br />
schnell bei Computerproblemen helfen<br />
oder beraten. Mädchen reagieren bei<br />
Fehlermeldungen auch häufig ängstlich<br />
und unsicher, zum Teil sogar frustriert,<br />
während <strong>Junge</strong>n ohne Zögern versuchen,<br />
die Probleme selbstständig zu lösen.<br />
Informatik <strong>als</strong> mathematisch-technische<br />
Disziplin ist für viele Mädchen schlichtweg<br />
mit Vorurteilen belastet.<br />
Sie versuchen das zu ändern und bringen<br />
im Informatikunterricht Roboter ins<br />
Spiel.<br />
Anja Tempelhoff: Richtig, denn Roboter<br />
strahlen eine gewisse Faszination aus. Sie<br />
halten auch immer stärker Einzug in den<br />
Alltag der jungen Generation und sind<br />
ein attraktives Mittel, um technisches<br />
Wissen zu vermitteln. Mit Hilfe von<br />
Robotern lassen sich die Grundlagen<br />
der Programmierung in der Informatik<br />
begreifbar machen. Einfache Befehle<br />
können programmiert und sofort am<br />
Roboter erprobt werden. Die Schülerinnen<br />
erhalten somit eine unmittelbare<br />
Kontrollmöglichkeit ihrer Programmier-<br />
fähigkeiten und ihrer Programme. Während<br />
der Konstruktion und Programmierung<br />
von Robotern erfahren die<br />
Berlin STOMPYs - ein Roberta Team der Wolfgang-Borchert-Oberschule aus Berlin Spandau<br />
(Quelle: MINT Zukunft schaffen)<br />
Schülerinnen, dass die Arbeit mit Technik<br />
Spaß macht. Der Umgang mit<br />
Robotern kann ein sehr kreativer sein,<br />
da besonders LEGO-Roboter den Bau<br />
zahlreicher Modelle ermöglichen, die<br />
sich durch Umbau immer weiter optimieren<br />
lassen, so dass immer wieder neue<br />
Aufgaben gelöst werden können.<br />
Was beobachten Sie noch bei der Arbeit<br />
mit den Robotern?<br />
Anja Tempelhoff: Neben dem fachlichen<br />
Wissen wird bei der Arbeit mit<br />
Robotern auch die Sozialkompetenz der<br />
Schülerinnen gefördert. Diese arbeiten<br />
im Team zusammen, teilen sich in der<br />
Regel zu dritt oder viert einen Roboter-<br />
Baukasten, präsentieren nach der Bearbeitung<br />
einzelner Aufgabenstellungen<br />
ihre Ergebnisse, tauschen ihre Erfahrungen<br />
in der Konstruktion und Programmierung<br />
aus und erläutern ihre<br />
Problemlösungsstrategie. Durch diesen<br />
hohen Stellenwert der Präsentation während<br />
der Arbeit mit Robotern, wird insbesondere<br />
die Kommunikations- und<br />
Dokumentationsfähigkeit der Schülerinnen<br />
gefördert.<br />
Welche Bedeutung hat das Roberta<br />
Projekt der Fraunhofer Gesellschaft?<br />
Anja Tempelhoff: Es gibt bisher kaum<br />
Unterrichtsmaterial, das die Interessen<br />
und Fähigkeiten der Mädchen im Fach<br />
Informatik berücksichtigt. Obwohl<br />
bekannt ist, das Mädchen eine andere<br />
Herangehensweise an Computer und<br />
Technik haben, wird in der Informatikdidaktik<br />
dieses Problem weitgehend<br />
außer Acht gelassen. Das Fraunhofer-<br />
Institut für Intelligente Analyse- und<br />
Informationssysteme IAIS versucht,<br />
auf diesem Gebiet mit ihrem Roberta-<br />
Projekt Abhilfe zu schaffen. Das Fraunhofer-Institut<br />
hat in ihren Roberta-<br />
Kursen bereits die Erfahrung gemacht,<br />
dass Mädchen erst dann bereit sind,<br />
sich mit einem Thema auseinanderzusetzen,<br />
wenn sie einen Grund dafür
Roberta® -<br />
eine Initiative des Fraunhofer IAIS<br />
Ziel der Roberta® -Initiative ist es, das Interesse<br />
insbesondere von Mädchen – aber<br />
auch von <strong>Junge</strong>n – für Informatik, Technik<br />
und Naturwissenschaften nachhaltig zu<br />
wecken.<br />
Mit speziellem gendergerechtem Lehr- und<br />
Lernmaterialien und einem Schulungskonzept<br />
wurde in den vergangenen Jahren ein<br />
nachhaltiges Bildungsangebot etabliert.<br />
Regionale Roberta® RegioZentren und<br />
zertifizierte Roberta® -Kursleitungen<br />
bilden mittlerweile ein europäisches Netzwerk<br />
für den Erfahrungsaustausch und die<br />
Weiterentwicklung von Roberta.<br />
Weitere Informationen unter:<br />
http://www.roberta-home.de/<br />
Magazin<br />
akzeptieren können. Diese Erfahrung<br />
kann ich bestätigen: Es ist zu beobachten,<br />
dass die Mädchen meiner Roberta-<br />
Teams viel stärker an Fragestellungen<br />
interessiert sind, die den Robotern „sinnvolle“<br />
Aufgaben abverlangen.<br />
Welche Erfolge konnten Sie bereits mit<br />
Ihren Schülerinnen im Roberta Projekt<br />
erzielen?<br />
Anja Tempelhoff: Seit 2005 nehme ich<br />
mit jeweils mindestens einem Mädchenteam<br />
am RoboCupJunior, einem Robotikwettbewerb,<br />
teil. In diesem Jahr fand<br />
die Weltmeisterschaft in Singapur statt,<br />
von der wir <strong>als</strong> Weltmeister heimkehrten.<br />
Aber auch in den Jahren davor ist es mir<br />
jedes Mal gelungen, ein Team für die<br />
Weltmeisterschaft zu qualifizieren und<br />
mit diesem Titel bzw. Sonderpreise zu<br />
erhalten.<br />
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18<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> <strong>87</strong> <strong>87</strong> // 2010<br />
Jugend forscht<br />
Leckerer Schutz für Vitamin C<br />
Neues aus der molekularen Küche: Cyclodextrin schützt Vitamin C<br />
Vitamin C ist ein empfindliches Molekül. Doch man muss es nicht hinnehmen, dass beim Kochen oder<br />
Lagern von Obst und Gemüse wesentliche Anteile des Vitamins zerstört werden. Wir wiesen in zahlreichen<br />
Laborversuchen nach, dass der Lebensmittelzusatz ß-Cyclodextrin die Vitaminverluste um<br />
durchschnittlich 30-50% mindern kann.<br />
1 Kochen ist Chemie<br />
Die Zauberformel „molekulare Küche“ haben<br />
Gourmet-Köche unserer Zeit geprägt:<br />
Sie experimentieren in Küchen mit physikalischen<br />
und chemischen Methoden<br />
und Geräten, und sie erkennen, dass die<br />
Zubereitung von Speisen auf beeinflussbaren<br />
chemischen Vorgängen beruht. Kochen<br />
ist Chemie, das war schon immer so!<br />
Jetzt klingt es endlich anspruchsvoll und<br />
wissenschaftlich. Gerade weil es da allerlei<br />
Hokuspokus gibt, wollen wir mit unserer<br />
Arbeit zum Schutz von Ascorbinsäure-<br />
Molekülen in den molekularen Höhlen<br />
von Wirts-Molekülen einen seriösen Beitrag<br />
zur molekularen Küche leisten.<br />
2. Einführung und Problemstellung<br />
Der Tagesbedarf eines Erwachsenen an<br />
Vitamin C wird von der Deutschen Gesellschaft<br />
für Ernährung mit 100 mg<br />
angegeben. Die Meinungen gehen jedoch<br />
weit auseinander. Der Chemie-<br />
Nobelpreisträger Linus Pauling war ein<br />
engagierter Vertreter der hoch dosierten<br />
Anwendung von Vitamin C. Fest steht,<br />
dass Dosierungen bis zu 5000 mg kurzzeitig<br />
<strong>als</strong> unbedenklich gelten. Überschüssige<br />
Mengen werden vom Körper über den<br />
Urin ausgeschieden. Ganz anders sieht es<br />
mit der Unterversorgung aus. Der Mangel<br />
von Vitamin C in der Ernährung führt<br />
zum Krankheitsbild des Skorbuts, der vor<br />
allem bei den Seefahrern der letzten Jahrhunderte<br />
auftrat.<br />
Es wird berichtet, dass beim Kochen von<br />
Vitamin C-haltigen Speisen ein Vitaminverlust<br />
von 25% bis 60% auftreten kann<br />
[1]. Auch das Umrühren hat offenbar<br />
einen Einfluss, da dabei oxidierend wirkender<br />
Sauerstoff eingetragen werden<br />
kann. Tatsache ist, dass die Zerstörung von<br />
Vitaminen in Lebensmitteln durch unsachgemäße<br />
Behandlung zu einer Verminderung<br />
ihres ernährungsphysiologischen<br />
Thomas Fuchs * 1993<br />
Dammbach/Wintersbach<br />
Timo Imhof * 1992<br />
Johannesberg<br />
Schule:<br />
Hanns-Seidel Gymnasium Hösbach,<br />
Hösbach<br />
Eingang der Arbeit: Juli 2009<br />
Zur Veröffentlichung angenommen:<br />
November 2009<br />
Wertes führt. Der Vitamin C-Verlust von<br />
Speisen beim Kochen wurde in der Vergangenheit<br />
ausführlich untersucht [12].<br />
Daher fragten wir uns, ob es nicht innerhalb<br />
des erlaubten Sortiments Stoffe<br />
gibt, die eine Art Schutzfunktion für das<br />
sensible Vitamin C übernehmen könnten.<br />
Wir dachten hier in erster Linie an die Cyclodextrine,<br />
die man auch etwas flapsig <strong>als</strong><br />
molekulare Zuckertüten bezeichnet. Ihre<br />
molekularen Höhlen werden bereits bei<br />
anderen Anwendungen <strong>als</strong> Stoffdepot genutzt.<br />
Eine Konservierung von Vitamin C<br />
auf molekularer Ebene ist unseres Wissens<br />
bislang nicht beschrieben. Sie wäre auch<br />
deshalb interessant, weil ß-Cyclodextrin<br />
seit dem 24. November 2000 in der Bundesrepublik<br />
<strong>als</strong> Lebensmittelzusatzstoff<br />
(E 459) zugelassen ist [2]. Am 26. Mai<br />
2008 hat die zuständige EU-Kommission<br />
nun auch dem α-Cyclodextrin die Zulassung<br />
<strong>als</strong> Lebensmittelzusatz erteilt [3].
Abb. 1: Blick von oben in ein β-Cyclodextrin-Molekül nach [4]<br />
3 Grundlagen der Wirt-Gast-Chemie:<br />
Charakterisierung der Ausgangsstoffe<br />
3.1 Cyclodextrine<br />
Cyclodextrine (kurz: CD) wurden von<br />
Villiers 1891 erstm<strong>als</strong> isoliert. Schardinger<br />
konnte die neue Stoffklasse 1903 <strong>als</strong> Oligosaccharide<br />
charakterisieren. Lange Zeit<br />
blieben sie eine Laborkuriosität. Je nach<br />
Anzahl der sie aufbauenden Glucosemoleküle<br />
(6–8) erhalten sie einen griechischen<br />
Buchstaben von α bis γ <strong>als</strong> Präfix.<br />
Chemisch gesehen sind Cyclodextrine<br />
eine Klasse von Verbindungen, die zu<br />
Abb. 2: Querschnitt durch ein α-Cyclodextrin-Molekül nach [4]<br />
Molare Masse<br />
[g/mol]<br />
Höhe der Kavität<br />
[nm]<br />
den cyclischen, nicht reduzierenden Oligosacchariden<br />
mit 1,4-α-glykosidisch<br />
verknüpften Glucose-Einheiten gehören<br />
(siehe Abb.1). Sie stellen Abbauprodukte<br />
von Stärke dar. Das praktische Interesse<br />
an dieser Verbindungsklasse ergibt sich<br />
aus der interessanten Molekül-Architektur.<br />
Ihre dreidimensionale Form kann <strong>als</strong><br />
offener Kegelstumpf beschrieben werden.<br />
Die Glucose-Einheiten sind so angeordnet,<br />
dass eine hydrophile Außenseite und<br />
ein hydrophober Hohlraum entstehen.<br />
Abb. 2 zeigt, dass sich die Hydroxygruppen<br />
am oberen und unteren Rand des<br />
Moleküls befinden. Sie verleihen den<br />
Durchmesser<br />
der Kavität [nm]<br />
Jugend forscht<br />
Cyclodextrinen eine polare äußere Oberfläche.<br />
Das Innere des Hohlkörpers hat<br />
einen eher unpolaren Charakter. Als Folge<br />
davon sind Cyclodextrine in der Lage,<br />
lipophile Moleküle geeigneter Größe<br />
einzuschließen, wenn die Gastkomponente<br />
entweder ganz oder teilweise in<br />
den Hohlraum hineinpasst (Einschlussverbindung).<br />
Sie kann sich aber auch nur<br />
von außen an das Cyclodextrin anlagern<br />
(Anlagerungsverbindung).<br />
Lange schien es, dass die Cyclodextrine<br />
wegen ihres hohen Preises für eine Anwendung<br />
in der Praxis nicht in Frage<br />
kommen. Heute hat die starke Nachfrage<br />
auch die Preise enorm fallen lassen.<br />
Ihre Wasserlöslichkeit und die Fähigkeit,<br />
Einschlussverbindungen zu bilden, machen<br />
sie zu einem immer wichtigeren<br />
Gegenstand der pharmazeutischen<br />
und der kosmetischen Forschung.<br />
Die weiteste technische Verbreitung<br />
hat das β-Cyclodextrin (siehe Tab. 1).<br />
Das Einsatzspektrum reicht heute von<br />
der Medizin über die Sensorik und die<br />
Landwirtschaft bis hin zur Verpackungsindustrie.<br />
Dem Verbraucher begegnen<br />
Cyclodextrine mittlerweile unter dem<br />
Handelsnamen Febreze®, Bounce® oder<br />
Oust®. Die in diesen Produkten enthaltenen<br />
Cyclodextrin-Derivate können<br />
unangenehme Geruchsstoffe binden<br />
und sind gleichermaßen Träger von<br />
Außendurchmesser<br />
der Kavität [nm]<br />
α-CD 972 0,79 0,47 – 0,53 1,46 ± 40 145<br />
β-CD 1135 0,79 0,60 – 0,65 1,54 ± 40 18,5<br />
γ-CD 1297 0,79 0,75 – 0,83 1,75 ± 40 232<br />
Tab. 1: Eigenschaften der verfügbaren Cyclodextrine nach [4]<br />
Löslichkeit in<br />
Wasser, 25°C [g/L]<br />
19<br />
Young Researcher
20<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> <strong>87</strong> // 2010<br />
Jugend forscht<br />
Duftstoffen. WACKER SPECIALITIES<br />
entwickelte ein Produkt, das die Fixierung<br />
der Cyclodextrine über kovalente<br />
Bindungen an den OH-Gruppen von<br />
Baumwollfasern ermöglicht. Die imprägnierten<br />
Textilien zeichnen sich durch<br />
eine lang anhaltende Frische aus, weil<br />
Geruchskomponenten aus dem Körperschweiß<br />
eingekapselt werden können.<br />
3.2 Ascorbinsäure: Struktur und Analytik<br />
Ascorbinsäure (Vitamin C) ist ein weißer,<br />
kristalliner, wasserlöslicher Feststoff.<br />
Aus der Strukturformel (Abb. 3) wird<br />
die Anordnung zweier benachbarter<br />
OH-Gruppen an einer C═C-Doppelbindung<br />
ersichtlich. Die Endiol-Gruppe<br />
bedingt den sauren Charakter sowie das<br />
starke Reduktionsvermögen der Ascorbinsäure.<br />
Beide Eigenschaften stellen<br />
auch die Grundlage für die quantitativen<br />
Bestimmungsmethoden dar.<br />
Die Anwendbarkeit möglicher Untersuchungsmethoden<br />
hängt im Wesentlichen<br />
von der stofflichen Umgebung des<br />
Vitamin C ab. Säure-Base-Titrationen<br />
kommen dann in Frage, wenn keine störenden<br />
Begleitstoffe vorliegen. Dies ist<br />
bei Lösungen von reinem Vitamin C in<br />
Wasser der Fall. Bei der Untersuchung<br />
des Vitamin C Gehaltes von Naturprodukten<br />
mit zusätzlichen pflanzlichen<br />
Inhaltsstoffen hat sich die Titration mit<br />
2,6-Dichlorphenolindophenol bewährt.<br />
2,6-Dichlorphenolindophenol ist ein selektives<br />
Reagenz auf Vitamin C.<br />
Zunächst galt es, die für uns optimale<br />
Methode zur quantitativen Vitamin<br />
C Bestimmung zu finden. Sie sollte<br />
möglichst wenig aufwändig sein, vor<br />
allem im Hinblick auf die geplanten<br />
Untersuchungsreihen, bei denen viele<br />
Quantitative Bestimmungsmethoden für Vitamin C<br />
Säure-Base-Titration<br />
Titration mit Iod im Anschluss an Säure-Base-Titration<br />
Direkte Titration mit Iod<br />
Rücktitration von überschüssigem Iod mit Thiosulfat<br />
Titration mit Iodat<br />
Titration mit 2,6-Dichlorphenolindophenol<br />
Bestimmungen hintereinander<br />
anfielen<br />
(siehe auch Tab. 2).<br />
Anfangs bestimmten wir<br />
Vitamin C durch Titration<br />
mit einer Kaliumiodat-<br />
Maßlösung. Dies erwies<br />
sich jedoch für den Routinebetrieb<br />
<strong>als</strong> zu umständlich,<br />
weil man jedes Mal<br />
eine frische Maßlösung ansetzen musste.<br />
Hinzu kam, dass die Cyclodextrine<br />
das Ergebnis geringfügig beeinflussen.<br />
Für die Hauptuntersuchungen stiegen<br />
wir deshalb auf die Säure-Base-Titration<br />
um. Dabei erfasst man das Vitamin C<br />
<strong>als</strong> schwache, einbasige Säure mit Na-<br />
OH-Maßlösung (c = 0,01 mol/L). Für<br />
größere Untersuchungsreihen setzten<br />
wir jeweils Vitamin C Lösungen im Litermaßstab<br />
mit einer Konzentration von<br />
200 mg Vitamin C/L an. Diese Stammlösung<br />
wurde vor jeder Untersuchungsreihe<br />
frisch bereitet.<br />
Als günstiger Indikator erwies<br />
sich Thymolblau mit einem<br />
Farbumschlag von gelbgrünlich<br />
nach blau zwischen pH<br />
7,8 und 9,5. 2,6-Dichlorphenolindophenol<br />
(DCPIP)<br />
(Tillmans-Reagenz, siehe<br />
Abb. 4) bildet in neutralem<br />
und basischem Milieu eine<br />
tiefblaue Lösung. Durch die<br />
reduzierende Wirkung der Ascorbinsäure<br />
kommt es zur Entfärbung,<br />
weil die blaue Form<br />
in die Leukoverbindung übergeht.<br />
Zur Herstellung einer<br />
Maßlösung werden 60 mg<br />
2,6-DCPIP in 100 mL Wasser<br />
gelöst und nach intensivem<br />
Rühren durch einen<br />
Fotometrische Bestimmung mit 2,6-Dichlorphenolindophenol<br />
Tab. 2: Methoden zur quantitativen Bestimmung von Ascorbinsäure nach [5]<br />
Abb. 3: Strukturformel von Vitamin C<br />
Faltenfilter in einen Messkolben filtriert.<br />
Vor der eigentlichen Bestimmung muss<br />
der Titer der Lösung bestimmt werden.<br />
Zu 50 mL einer Ascorbinsäurelösung<br />
bekannter Konzentration gibt man<br />
2 mL Eisessig und titriert bis zur Rosafärbung.<br />
Daraus ergibt sich, welcher<br />
Menge Vitamin C 1 mL der eingesetzten<br />
2,6-DCPIP-Lösung entspricht. Vergleichsuntersuchungen<br />
zeigen, dass es<br />
zwischen den genannten analytischen<br />
Methoden praktisch keine signifikanten<br />
Abweichungen gibt.<br />
Abb. 4: Strukturformel von 2,6-DCPIP
4. Die Stress-Faktoren für Vitamin C<br />
und der Einfluss von Cyclodextrin<br />
4.1. Der Faktor Luft<br />
Vitamin C-Lösungen altern alleine durch<br />
längeres Stehen an Luft. Wir wollten die<br />
Verluste quantitativ erfassen und prüfen,<br />
ob β-Cyclodextrin Verluste minimieren<br />
kann. Es wurden nach stöchiometrischen<br />
Berechnungen pro 10 mg Vitamin C<br />
immer ca. 130 mg β-CD bzw. 65 mg<br />
α-CD verwendet. Wir ließen Vitamin<br />
C-Lösungen mit und ohne CD bis<br />
14 Tage an Luft stehen und prüften von<br />
Zeit zu Zeit den Vitamin C-Gehalt.<br />
Abb. 5 zeigt, dass die Vitamin C-Abnahme<br />
schon nach 2 Stunden 4,8% beträgt.<br />
β-Cyclodextrin kann diesen Verlust<br />
komplett verhindern. Über 2 Wochen<br />
steigen die Einbußen kontinuierlich bis<br />
auf fast 30%. Die β-Cyclodextrin-<br />
Lösungen sind nicht ganz verlustfrei.<br />
Die Vitamin C-Verluste können<br />
allerdings um ca. 50% reduziert werden.<br />
Verschiedene Grade des Lufteintrages<br />
simulierten wir auf dem Magnetrührer<br />
über eine Zeit von 30 Minuten und durch<br />
Einstellen der Rührgeschwindigkeit. Das<br />
Ergebnis in Abb. 6 zeigt den Einfluss<br />
auf die Vitamin C-Zerstörung und die<br />
konservierende Wirkung von Cyclodextrin.<br />
Diese Einbußen treten bereits bei<br />
Raumtemperatur auf. Später haben wir<br />
die Vitamin C-Lösungen 1 Stunde bei<br />
60°C gerührt. Die Verluste belaufen sich<br />
hier bei schwachem Rühren auf 53%.<br />
Bei hoher Rührgeschwindigkeit sind es<br />
beachtliche 76%.<br />
4.2. Der Faktor Temperatur<br />
Wir waren sicher, dass auch die Temperatur<br />
einen Einfluss auf die Vitamin<br />
C-Stabilität hat. Die Ergebnisse dieser<br />
Reihe zeigt Abb. 7. Bei 80°C bleiben von<br />
10 mg Vitamin C noch 5,76 mg übrig.<br />
4.3. Der Faktor Cyclodextrin<br />
In einer weiteren Reihe sollte der Vitamin<br />
C-Schutz aller vorliegenden Cyclodextrine<br />
erfasst werden. Der Vitamin<br />
C-Gehalt der Lösungen wurde nach<br />
60 Minuten bei 80°C titrimetrisch erfasst.<br />
Das Ergebnis zeigt die Tabelle 3.<br />
Alle drei Cyclodextrine können die Vitamin<br />
C-Verluste deutlich senken. Einen<br />
kleinen Vorteil hat das β-Cyclodextrin.<br />
Das ist gut so, denn es war lange Zeit <strong>als</strong><br />
einziges Cyclodextrin für den Einsatz in<br />
Lebensmitteln zugelassen. Aus diesem<br />
Jugend forscht<br />
Abb. 5: Vitamin C-Verluste beim Stehen wässriger Lösung und die Schutzfunktion von<br />
β-Cyclodextrin<br />
Abb. 6: Vitamin C-Verluste beim Rühren bei Raumtemperatur und die Schutzfunktion von β-CD<br />
Abb. 7: Vitamin C-Verluste in wässriger Lösung in Abhängigkeit von der Temperatur (Dauer: 1h)<br />
ohne CD α-CD β-CD γ-CD<br />
Vitamin C-Gehalt [mg] 8,10 9,48 9,65 9,48<br />
Vitamin C-Verlust [%] 19 5,2 3,5 5,2<br />
Tab. 3: Vitamin C-Verluste bei 80°C mit verschiedenen Cyclodextrinen ausgehend von 10 mg<br />
Vitamin C<br />
21<br />
Young Researcher
22<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> <strong>87</strong> // 2010<br />
Jugend forscht<br />
rund beschränken wir uns hier nahezu<br />
ausschließlich auf β-Cyclodextrin.<br />
In einer späteren Phase unserer Arbeit<br />
stellten wir einen Großteil des Untersuchungsprogramms<br />
auch mit α-CD nach.<br />
Die Ergebnisse decken sich weitgehend<br />
mit den bei β-CD erhaltenen.<br />
4.4. Der Faktor Zeit<br />
Schon bei 4.1. wird ersichtlich, dass nicht<br />
nur der Faktor Luft, sondern auch der<br />
Faktor Zeit über den Vitamin C-Verlust<br />
entscheidet. Bei der folgenden Untersuchungsreihe<br />
erhitzten wir jeweils 200 mL<br />
der wässrigen Vitamin C-Lösungen 5, 10,<br />
20 und 30 Minuten lang in getrennten<br />
Bechergläsern auf der Herdplatte bis<br />
zum Sieden. Mit Erreichen der Siede-<br />
temperatur wurde die Stoppuhr eingeschaltet.<br />
Danach ließen wir die Lösungen<br />
abkühlen, füllten sie in einen Messkolben<br />
und glichen die Kochverluste durch<br />
Zugabe von Wasser aus. Dann wurden<br />
50 mL-Proben titriert. In dieser Reihe<br />
sollten nochm<strong>als</strong> die verschiedenen<br />
Cyclodextrine zum Einsatz kommen.<br />
Die Werte differieren nicht stark.<br />
β-Cyclodextrin ist leicht im Vorteil.<br />
Diese Daten sind in Abb. 8 grafisch<br />
Abb. 8: Vitamin C-Gehalt in siedenden Lösungen in Abhängigkeit von der Zeit mit und ohne β-CD<br />
Abb. 9: Vitamin C-Verluste in Lösungen verschiedener pH-Werte mit und ohne β-CD<br />
Tab. 4: Vitamin C Gehalte und Verluste in Abhängigkeit von der Kochzeit bei Zugabe verschiedener Cyclodextrine<br />
dargestellt. Auch mit Cyclodextrin zeigt<br />
Vitamin C in siedendem Wasser Verluste,<br />
die mit der Kochzeit steigen. Bei 10<br />
Minuten Kochzeit kann β-Cyclodextrin<br />
sie jedoch um 83% reduzieren.<br />
4.5. Der Faktor pH-Wert<br />
Uns interessierte auch die Frage, ob<br />
die Stabilität des Vitamin C vom<br />
pH-Wert der Lösung beeinflusst werden<br />
kann. Hier war die Bestimmung des<br />
Vitamin C-Gehaltes über die Säure-Base-<br />
Titration nicht mehr die Methode der<br />
Wahl, weil die pH-Werte mit Puffersystemen<br />
eingestellt wurden, die den<br />
Endpunkt der Bestimmung maßgeblich<br />
beeinflussen. Also griffen wir<br />
zum Tillmans-Reagenz und titrierten<br />
mit einer eingestellten 2,6-Dichlorphenolindophenolnatrium-Lösung.<br />
Da wir schon bei 10-minütigem Stehen<br />
der Lösung einen erheblichen<br />
Vitamin C-Verlust feststellten, hielten<br />
wir es nicht für nötig, zu erhitzen oder<br />
gar zu kochen. Wir sehen, dass das<br />
Vitamin C vor allem im alkalischen<br />
Milieu ganz besonders labil ist (siehe<br />
Abb. 9). Nach 1 Stunde betragen die<br />
Verluste schon über 90%, während sie im<br />
Sauren erst bei ca. 20% liegen. Bei kleinen<br />
pH-Werten, <strong>als</strong>o im sauren Bereich,<br />
funktioniert der Schutz durch Cyclodextrine<br />
wesentlich besser <strong>als</strong> im basischen<br />
Bereich.<br />
4.6. Der Faktor Licht<br />
In der Lebensmittelchemie wird Vitamin<br />
C <strong>als</strong> lichtempfindlich eingestuft. Es wird<br />
berichtet, dass die Vitamin C-Verluste<br />
von Gemüse 65% betragen können,<br />
wenn man es über drei Stunden dem<br />
Sonnenlicht aussetzt [6].<br />
Da uns Jahreszeit bedingt kein intensives<br />
Sonnenlicht zur Verfügung<br />
stand, bestrahlten wir wässrige Lösungen<br />
von Vitamin C mit und ohne<br />
β-Cyclodextrin-Zusatz über drei Stunden<br />
mit einer UV-Lampe und bestimmten<br />
den Vitamin C-Gehalt. Das<br />
Zeit 5 min 10 min 20 min 30 min<br />
Gehalt [mg] Verlust [%] Gehalt [mg] Verlust [%] Gehalt [mg] Verlust [%] Gehalt [mg] Verlust [%]<br />
ohne CD 8,95 10,5 7,90 21 6,94 30,6 6,26 37,4<br />
α-CD 10,00 0 9,29 7,1 8,70 13 7,91 20,9<br />
ß-CD 10,00 0 9,65 3,5 8,93 10,7 8,15 18,5<br />
γ-CD 9,84 1,6 9,37 6,3 8,45 15,5 7,69 23,1
Ergebnis zeigt Abb. 10. Die Verluste ohne<br />
CD-Schutz liegen bei 8 - 14%. β -Cyclodextrin<br />
kann sie auf 2 – 9% reduzieren.<br />
4.7. Der Faktor Kochtechnik<br />
In der nächsten Versuchsreihe wollten<br />
wir klären, ob die Kochtechnik einen<br />
Einfluss auf die Stabilität von Vitamin<br />
C hat. Hier konkurrieren das Erwärmen<br />
auf der Herdplatte mit dem Erwärmen<br />
in der Mikrowelle und schließlich<br />
sollte auch der Dampfkochtopf einbezogen<br />
werden. Letzterer arbeitet laut<br />
Information des Herstellers Silit bei<br />
120°C und entwickelt bei dieser Temperatur<br />
einen Innendruck von 0,9 bis 1,5<br />
bar. Die Ergebnisse sind in Abb. 11 zusammengefasst.<br />
Man erkennt, dass es zwischen<br />
Herd und Mikrowelle nahezu keinen<br />
Unterschied gibt. Beim Erhitzen im<br />
Dampfkochtopf sind die Verluste gewaltig.<br />
Sie liegen je nach Kochzeit zwischen<br />
40 und fast 70%. Ganz allgemein kann<br />
man sagen, dass die Vitamin C-Verluste<br />
durch Cyclodextrin-Einsatz in der Regel<br />
zwischen 30% und 50% verringert werden<br />
können. Dies ist eine erstaunliche<br />
Erkenntnis. Im Dampfkochtopf macht<br />
sich der positive Cyclodextrin-Einfluss<br />
besonders stark bemerkbar.<br />
5. Rezepte gegen die Vitamin C<br />
Verluste bei der Saft- und Marmelade-<br />
herstellung<br />
5.1. Obstsäfte: Orange und Kiwi<br />
Wir bestimmten über die 2,6-<br />
Dichlorphenolindophenol-Methode den<br />
Vitamin C-Gehalt von frisch gepresstem<br />
Orangensaft. Dazu haben wir den Saft im<br />
Verhältnis 1 : 12,5 mit Wasser verdünnt.<br />
Die Säfte ließen wir bei Raumtemperatur<br />
und im Kühlschrank bei 6°C jeweils drei<br />
Tage lang stehen und bestimmten dann<br />
Abb. 10: Vitamin C-Verluste beim Bestrahlen mit UV-Licht mit und ohne β-CD<br />
den Vitamin C-Gehalt. Eine weitere Probe<br />
wurde in der Mikrowelle 10 min am<br />
Sieden gehalten. Die Ergebnisse veranschaulicht<br />
Abb. 12. Im frisch gepressten<br />
Saft finden wir einen Gehalt von 234 mg<br />
Vitamin C bezogen auf 100 mL Orangensaft.<br />
Im Kühlschrank beträgt der Vitamin<br />
C-Verlust nach drei Tagen 16,5%,<br />
bei Raumtemperatur sind es 23,3%.<br />
Durch β-Cyclodextrin-Zusatz können<br />
diese Verluste jeweils halbiert werden.<br />
Wird der frisch gepresste Saft 10 min<br />
gekocht, beträgt der Vitamin C-Verlust<br />
16,5%, mit Cyclodextrin nur ein Drittel<br />
davon. Erstaunlich ist vor allem der<br />
geschmackliche Eindruck des gepressten<br />
Saftes, den wir uns von vielen Test-<br />
personen haben bestätigen lassen. Nach<br />
drei bis vier Tagen schmeckt der Saft<br />
ohne Zusatz schon schal und bitter, während<br />
die Cyclodextrin-Probe immer noch<br />
einen frischen, fruchtigen Geschmackseindruck<br />
hinterlässt. Dies kann auch<br />
damit zu tun haben, dass Cyclodextrin<br />
auch Bitterstoffe binden kann [4].<br />
Abb. 11: Vitamin C-Verluste bei verschiedenen Kochtechniken mit und ohne β-Cyclodextrin<br />
Jugend forscht<br />
Bei der Untersuchung weiterer Obstsäfte<br />
entschieden wir uns, auf Rot- und<br />
Braunsäfte (z.B. Johannisbeere, Apfel<br />
etc.) zu verzichten, da wegen deren<br />
Eigenfarbe die Erkennung des Endpunktes<br />
der Titration mit Tillmans-Reagenz<br />
nahezu unmöglich ist.<br />
Die Kiwi liefert einen hellgrünen Saft<br />
und gilt mit 46 mg pro 100 g Frucht auch<br />
<strong>als</strong> reich an Vitamin C [8]. Wir fanden<br />
im frisch gepressten Kiwisaft einen Vitamin<br />
C-Gehalt von 52,7 mg bezogen auf<br />
100 mL Saft. Nach dem Pressen wurde<br />
eine Probe mit β-Cyclodextrin versetzt.<br />
Dann wurden, wie bei der Saftherstellung<br />
üblich, zum Pasteurisieren 5 min auf<br />
80°C erhitzt. Die bestimmten Vitamin<br />
C-Werte (siehe Abb. 13) zeigen, dass<br />
Cyclodextrin in der Saftherstellung den<br />
Vitamin C-Verlust um ca. 80% reduzieren<br />
kann.<br />
5.2. Marmeladen: Mango und Kiwi<br />
Mango ist eine Frucht, die in vielen<br />
Marmeladen enthalten ist. Ihr Vitamin<br />
C-Gehalt wird in der Literatur mit<br />
37 mg pro 100 g Frucht angegeben [9].<br />
Unsere Marmelade stellten wir nach<br />
folgendem Rezept her: Wir pürierten<br />
200 g Mango-Fruchtfleisch, versetzten<br />
dies im Verhältnis 2 : 1 mit Gelierzucker<br />
und bestimmten zunächst den Vitamin<br />
C-Nullwert mit 8,77 mg, bezogen<br />
auf 100 g Frucht. Zu einer 100 g-Probe<br />
gaben wir 2 g β-Cyclodextrin. Dann<br />
wurden beide unter ständigem Rühren<br />
4 Minuten gekocht. Nach dem Abkühlen<br />
führten wir mit den fertigen Marmeladen<br />
die Vitamin C-Bestimmungen<br />
durch (siehe Abb. 14). Sie ergeben, dass<br />
die Verluste mit Cyclodextrin um fast<br />
90% zurück gedrängt werden können.<br />
23<br />
Young Researcher
24<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> <strong>87</strong> // 2010<br />
Jugend forscht<br />
Analog wurde auch Kiwi-Marmelade<br />
mit der „Goldenen Kiwi“ hergestellt. Bei<br />
ihr sind die Farbverhältnisse so günstig,<br />
dass der Farbumschlag bei Titration mit<br />
Tillmans-Reagenz noch deutlich erkannt<br />
werden kann. Hier sollte der Vitamin C-<br />
Gehalt nicht nur nach dem Einkochen,<br />
sondern auch vier Wochen danach bestimmt<br />
werden. Den Vitamin C-Gehalt<br />
der frischen Kiwi ermittelten wir mit<br />
82,3 mg pro 100 g Frucht. Die Ergebnisse<br />
bei der Untersuchung der Kiwimarmelade<br />
ähneln denen der Mangomarmelade.<br />
Auch hier wird der schützende Effekt des<br />
Cyclodextrins offenkundig. Allerdings<br />
sind nach vier Wochen schon deutliche<br />
Vitamin C-Verluste zu registrieren, die das<br />
Cyclodextrin etwas abfangen kann. (siehe<br />
Abb. 15)<br />
6. Gibt es einen Vitamin C-Cyclodextrin-<br />
Komplex?<br />
Nach unseren vielen analytischen Versuchen,<br />
die unserer Meinung nach klar die<br />
positive Wirkung des Cyclodextrins auf<br />
die Vitamin C-Verluste beweisen, stellten<br />
wir uns die Frage, wie diese Verminderung<br />
der Verluste zustande kommt. Klar ist,<br />
dass es Wechselwirkungen zwischen den<br />
Vitamin C- und den Cyclodextrinmolekülen<br />
geben muss. Unser Interesse richtete<br />
sich auf die Frage, ob dies nur leichte<br />
zwischenmolekularen Kräfte sind, die das<br />
Vitamin C- Molekül stabilisieren und vor<br />
Oxidation schützen oder ob sich ein fester<br />
Komplex zwischen diesen beiden Molekülen<br />
bildet. Bei der Komplexbildung gibt<br />
es im wesentlichen zwei Möglichkeiten:<br />
Zum einen den 1 : 1 Komplex, bei dem<br />
sich jeweils ein Vitamin C mit einem<br />
Cyclodextrinmolekül verbinden würde<br />
und zum anderen den 2 : 1 Komplex, bei<br />
dem ein Vitamin C-Molekül von zwei<br />
Cyclodextrinen quasi umschlossen wäre.<br />
Theoretisch wären auch noch Komplexe<br />
mit mehr Cyclodextrinmolekülen möglich.<br />
Aufgrund einiger in verschiedenen<br />
Literaturstellen beschriebener Komplexe<br />
anderer Moleküle mit Cyclodextrinen sind<br />
diese allerdings sehr unwahrscheinlich.<br />
Außerdem gilt es, wenn ein Komplex vorhanden<br />
ist, noch die Frage zu klären, ob<br />
das Vitamin C vollständig in die Kavität<br />
des Cyclodextrins eingeschlossen wird<br />
(„Einschlussverbindung“) oder ob es sich<br />
lediglich außen an dem Cyclodextrin anlagert<br />
(„Anlagerungsverbindung“). (siehe Abb. 16)<br />
Zu Beginn diskutierten wir aufgrund<br />
unserer analytischen Befunde den<br />
Abb. 12: Vitamin C-Gehalt von 100 mL selbst gepresstem Orangensaft mit und ohne β-CD<br />
Abb. 13: Vitamin C-Gehalt von selbst gepresstem Kiwisaft mit und ohne β-CD beim Pasteurisieren<br />
Abb. 14: Vitamin C-Verluste beim Einkochen von Mango-Marmelade mit und ohne β-CD<br />
2 : 1 CD-Ascorbinsäure-Komplex. Beim<br />
Zusammengeben der gesättigten wässrigen<br />
Lösungen von Vitamin C und<br />
ß-Cyclodextrin hatten sich im Kühlschrank<br />
Kristalle gebildet, von denen wir<br />
annehmen durften, dass es sich um den<br />
auskristallisierten Komplex handelt. Zur<br />
Lösung des Struktur-Problems entwickelten<br />
wir eine einfache Strategie: Man<br />
nehme eine definierte Menge Komplexverbindung,<br />
löse sie und bestimme die Stoffmenge<br />
der enthaltenen Ascorbinsäure.<br />
Über die Molekülmassen sollte sich dann<br />
der Stoffmengenanteil der Säure an der<br />
Einwaage Gesamtkomplex bestimmen<br />
lassen. Vom vermeintlichen Komplex<br />
wurden nach einer Woche Trocknung im<br />
Exsikkator 250 mg abgewogen, in 20 mL<br />
Wasser gelöst und mit 0,001 n NaOH gegen<br />
Phenolphthalein titriert. Das Ergebnis<br />
zeigt Tab.5.<br />
Das Ergebnis war in jeder Hinsicht unbefriedigend,<br />
da die Stoffmenge an<br />
Ascorbinsäure, bezogen auf einen postulierten<br />
2 : 1–Komplex um das 2,6-fache,<br />
und auf einen 1 : 1-Komplex um das<br />
4,9-fache zu gering ausfällt. Dennoch
Abb. 15: Vitamin C-Verluste beim Einkochen von Kiwi-Marmelade mit und ohne β-CD<br />
Abb. 16 (links) Modell eines 2:1 Cyclodextrin-Vitamin<br />
C-Komplexes<br />
Abb. 16 (rechts) Modell einer einer<br />
1:1-Anlagerungsverbindung<br />
Abb. 17: 1 HNMR-Spektrum von β-CD (Uni Würzburg) und Zuordnungshilfen nach [10]<br />
Vit.C/CD-Komplex (1 : 2)<br />
(2444 g/mol)<br />
Vit.C/CD-Komplex (1 : 1)<br />
(1310 g/mol)<br />
Einwaage Komplex [mg] 250 250 250<br />
Ascorbinsäure [mg] 18 33,6 6,9<br />
Ascorbinsäure [μmoL]) 102,3 190,8 39<br />
Tab. 5: Titrationsergebnis bei der Bestimmung der Ascorbinsäure im vermeintlichen Gesamtkomplex<br />
Jugend forscht<br />
erscheint der 2 : 1-Komplex plausibler, vor<br />
allem mit Blick auf die Literatur, die von<br />
erheblichen Kristallwasser-Anteilen bei<br />
auskristallisierten CD-Komplexen berichtet<br />
[7]. Das UV/VIS-Spektrum des vermuteten<br />
Komplexes zeigt eine schwache<br />
Verschiebung des Absorptionsmaximums<br />
gegenüber reiner Ascorbinsäure von 257 auf<br />
264 nm, was wir mutig <strong>als</strong> schwache Wirt-<br />
Gast-Wechselwirkung deuten wollten.<br />
Die Informationen, die uns Prof. Schenk<br />
von der Universität Würzburg zukommen<br />
ließ, belehrte uns eines Besseren.<br />
Wir hatten schon vorher von dort Literaturhinweise<br />
bekommen, dass sich<br />
Wirt-Gast-Komplexe mit Cyclodextrinen<br />
1 H-NMR-spektroskopisch durch eine<br />
Änderung der chemischen Verschiebung<br />
der H-Atome gegenüber dem unkomplexierten<br />
CD nachweisen lassen [10]. Wenn<br />
der Gast in die Kavität eindringt, werden<br />
die Signale der Protonen H(3) und H(5)<br />
verschoben. Bei Koordination in der äußeren<br />
Sphäre ändert sich die chemische<br />
Verschiebung von H(1), H(2), H(4) und<br />
H(6) (siehe Abb. 17). Im Falle der Ascorbinsäure<br />
sprechen die vorliegenden Daten<br />
gegen ein Eindringen des Gastes in die<br />
CD-Kavität. Sie legen schwache Wechselwirkungen<br />
zwischen Wirt und Gast nahe.<br />
Einer zweiten Publikation zu diesem Thema<br />
liegt die Erhebung thermodynamischer<br />
Daten (Calorimetrie, Bestimmung von<br />
ΔG und ΔH) zu Grunde [11]. Die Autoren<br />
kommen zu dem Ergebnis, dass Ascorbinsäure<br />
mit α-Cyclodextrin einen echten<br />
1 : 1-Komplex bildet. Bei β-Cyclodextrin<br />
kommt es nicht zur Komplexbildung. Es<br />
wird von schwachen Wechselwirkungen<br />
gesprochen, die, so sagen die Autoren,<br />
immerhin zu einer Stabilisierung der Ascorbinsäure<br />
gegenüber Oxidation beiträgt.<br />
Die für uns an der Universität Würzburg<br />
aufgenommen 1 H-NMR-Spektren sprechen<br />
eine klare Sprache: Das Spektrum<br />
des vermeintlichen Komplexes deckt sich<br />
mit dem des reinen β-Cyclodextrins. Daraus<br />
folgt, dass es sich bei den gefundenen<br />
Kristallen nicht um den Komplex, sondern<br />
Tatsächlicher Komplex<br />
25<br />
Young Researcher
26<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> <strong>87</strong> // 2010<br />
Jugend forscht<br />
um reines β-CD handelt. Das UV/VIS-<br />
Spektrum stützt diese Erkenntnis, denn<br />
eine Verschiebung von 7 nm liegt wohl<br />
doch noch innerhalb der Messfehlergrenzen.<br />
Eines scheint in der Strukturfrage sicher:<br />
In wässriger Lösung gibt es keinen echten<br />
Komplex, sondern nur schwache<br />
intermolekulare Wechselwirkungen zwischen<br />
Wirt und Gast. Die Ergebnisse der<br />
Untersuchung der durch Auskristalli-<br />
sation erhaltenen Produkte lassen sich in<br />
der Tat mehrdeutig interpretieren. Die Titration<br />
mit Natronlauge weist einen Säureanteil<br />
ausdrücklich nach. Dieser ließe sich<br />
so erklären, dass das auskristallisierende<br />
Cyclodextrin auch Ascorbinsäure-Kristalle<br />
„mitreißt“ und es zu einem nichtstöchiometrischen<br />
Gemisch von Ascorbinsäure/Cyclodextrin-Kristallen<br />
kommt.<br />
Mehrfache Titrationen zeigen eine breite<br />
Streuung, aber bei dem für die Kernresonanzuntersuchung<br />
ausgefällten Produkt<br />
muss der Ascorbinsäure-Anteil mangels<br />
entsprechender Signale wohl mit Null<br />
angenommen werden. Andererseits lässt<br />
sich aber auch nicht ausschließen, dass es<br />
im festen Zustand einen echten Komplex<br />
gibt, der <strong>als</strong> Komponente im auskristallisierten<br />
Produkt enthalten ist.<br />
7. Zusammenfassung<br />
In dieser Arbeit gingen wir der Frage nach,<br />
ob man die Vitamin C-Verluste beim Kochen<br />
und Lagern von Obst und Gemüse<br />
hinnehmen muss.Unser Ziel war es, die<br />
Konservierung von Vitamin C auf molekularer<br />
Ebene mit Cyclodextrinen zu<br />
überprüfen. Zunächst gingen wir davon<br />
aus, dass β-Cyclodextrin mit Ascorbinsäure<br />
einen 2 : 1-Komplex bildet. 1 H-NMRspektroskopische<br />
Untersuchungen an der<br />
Universität Würzburg und zwei russische<br />
Studien, sprechen dafür, dass es zumindest<br />
in wässrigen Lösungen nur zur Ausbildung<br />
von schwachen Wechselwirkungen zwischen<br />
Ascorbinsäure und β-Cyclodextrin<br />
kommt, ohne Bildung eines echten Komplexes.<br />
Bei α-Cyclodextrin wurde allerdings<br />
in der Tat ein 1:1-Komplex mit<br />
einem tiefen Eindringen des Gastes in die<br />
Kavität des Wirts-Moleküls nachgewiesen.<br />
Da neuerdings auch α-CD <strong>als</strong> Lebensmittelzusatzstoff<br />
zugelassen ist, wiederholten<br />
wir einen Großteil der hier mit β-CD<br />
beschriebenen Untersuchungen auch mit<br />
diesem Wirtsmolekül. Die Ergebnisse<br />
bestätigten jedoch nicht die Spekulation,<br />
dass α-CD einen noch besseren Vitamin<br />
C-Schutz bietet.<br />
Was den Vitamin C-Stress angeht, zeigt<br />
es sich, dass schon der blanke Luftkontakt<br />
schadet. Kräftiges Umrühren führt<br />
durch Luftsauerstoffeintrag zu weiteren<br />
Verlusten, die mit der Rührstärke<br />
korrelieren. Hitze ist ein besonders<br />
wirksamer Vitamin C-Zerstörer. Die<br />
Verluste steigen mit der Temperatur<br />
und der Zeit des Erhitzens. Die Retter<br />
sind in der Tat die Cyclodextrine,<br />
ein erlaubter Lebensmittelzusatzstoff.<br />
β-Cyclodextrin kann die Verluste vor<br />
allem bei höheren Temperaturen um<br />
über 80% mindern. Vitamin C ist lichtempfindlich<br />
und empfindlich gegenüber<br />
alkalischem Milieu. Es gelang uns, in<br />
beiden Fällen eine deutliche Schutzfunktion<br />
des Cyclodextrins nachzuweisen.<br />
Und wie steht es mit der Kochmethode?<br />
Wir konnten zeigen, dass es zwischen<br />
dem Erwärmen auf dem Herd oder in der<br />
Mikrowelle nahezu keinen Unterschied<br />
gibt. Beim Erhitzen im Dampfkochtopf<br />
sind allerdings die Verluste gewaltig. Sie<br />
liegen je nach Kochzeit zwischen 40 und<br />
fast 70%. Immerhin können aber bei<br />
30-minütigem Kochen die hohen Verluste<br />
um die Hälfte durch die Zugabe von Cyclodextrin<br />
reduziert werden.<br />
Schließlich sollte unsere molekulare Küche<br />
auch eigene Produkten anbieten. Beim<br />
Literatur:<br />
selbst gepressten Orangensaft gelang es,<br />
die Vitamin C-Verluste mit Cyclodextrin<br />
zu halbieren, beim Kochen sogar zu<br />
dritteln. Erstaunlicher ist jedoch die geschmackliche<br />
Frische. Am Beispiel eines<br />
frisch gepressten Kiwisaftes konnten wir<br />
deutlich machen, dass die Vitamin C-<br />
Einbußen beim Pasteurisieren des Saftes<br />
mit Cyclodextrin um 80% gesenkt werden<br />
können. Unsere molekulare Küche liefert<br />
<strong>als</strong> Krönung zum Dessert eine Mangound<br />
eine Kiwi-Marmelade, die nicht nur<br />
frischer schmecken, sondern auch einen<br />
Vitamin C-Gehalt besitzen, der deutlich<br />
höher liegt <strong>als</strong> der bei herkömmlich eingekochter<br />
Marmelade.<br />
Danksagung<br />
Unser Dank gilt unserem Betreuungslehrer,<br />
Dr. Roland Full, der uns bei der Themenfindung<br />
behilflich war und uns mit<br />
großem Engagement betreut hat. Es hat<br />
uns viel Freude bereitet mit anderen Schülern<br />
der Jugend-forscht-Gruppe zusammenzuarbeiten.<br />
Wir möchten uns auch bei unserer Schule,<br />
dem Hanns-Seidel-Gymnasium, für die<br />
Bereitstellung aller Mittel und Geräte bedanken.<br />
Auch unseren Eltern, die uns oft<br />
an Samstagen und in den Ferien mit dem<br />
Auto in die Schule gefahren haben, gilt<br />
unser Dank.<br />
[1] www.energeia.org/Vitamine/C/Vorkommen.htm, Zugriff am 06.01.2009<br />
[2] Bundesgesetzblatt, Teil I, G 5702, 24. November 2000, Nr. 50, S 1527<br />
[3] www.bfr.bund.de/cm/208/alpha_cyclodextrin.pdf -Zugriff am 05.04.2009<br />
[4] http://www.chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/disido_cy/cyde/info/03_physical_cy.htm,<br />
Zugriff am 10.12.2007<br />
[5] P.J. de Rijke, W. van der Veer, „Ascorbinsäure – Quantitative Untersuchungen<br />
von Vitamin C und vitamin-C-haltigen Stoffen“ in PdN-Ch 4/41. Jg. 1992, S.<br />
21 – 31<br />
[6] http://www.lebensmittellexikon.de/v0000100.php, Zugriff am 13.03.2008<br />
[7] F. Cramer, F.M. Henglein, Gesetzmäßigkeiten bei der Bildung von Addukten<br />
der Cylodextrine, Chem. Ber. 90, 1957, S. 2563<br />
[8] http://ernaehrungsstudio.nestle.de/start/fitnessvitalitaet/abwehrkraefte/ExotischeVitamine<br />
Winter.htm, Zugriff am 09.03.2008<br />
[9] http://www.mama-online.de/Ernaehrung/Mango.htm, Zugriff am 09.<br />
06.2008<br />
[10] I.V. Terekhova, O.V. Kulikov, R.S. Kumeev, M. Yu. Nikiforov, G.A, Al’per, 1H-<br />
NMR-study of complexation of α- und ß-cyclodextrins with some biologically<br />
active acids, in Russian journal of coordination chemistry, Vol. 31, No. 3, 2005,<br />
S 218 - 220<br />
[11] I.V. Terekhova, O.V. Kulikov, Thermodynamics of the interactions of ascorbic<br />
acid with α- and β-cyclodextrins in aqueous solutions, in Mendeleev Commun.,<br />
2002, 12(3), 111-112<br />
[12] http://www.buetzer.info/fileadmin/pb/HTML-Files/<br />
Vitamin_C.htm#_Toc205858807 Zugriff am 20.08.2009
66<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> <strong>87</strong> <strong>87</strong> // 2010<br />
Magazin<br />
Mathematische Filmwelten<br />
Die Mathematik sorgt für die Spezialeffekte<br />
Superhelden, die durch die Luft fliegen, Zauberstäbe, die Funken sprühen und Feuersbrünste ausbrechen<br />
lassen, sowie geradezu greifbare Ungeheuer und Fabelwesen: All das sind Spezialeffekte,<br />
ohne die Kinofilme, Fernsehfilme und Computerspiele heute nicht mehr denkbar sind und die am<br />
Computer entstehen.<br />
Die Spezialeffekte sind einfach da.<br />
Kaum ein Zuschauer oder Nutzer aber<br />
macht sich Gedanken, wie diese Fiktionen<br />
so lebensecht auf die Leinwand,<br />
in den Computer oder in den Fernseher<br />
Das Netz auf dem Feline-Modell wurde automatisch<br />
mit dem QuadCover-Algorithmus erzeugt, der<br />
in der Kooperation von Polthier mit mental images<br />
entwickelt wurde. (Quelle: DFG-Forschungszentrum<br />
MATHEON)<br />
Links: "Dreiecksmännchen" ("Triangle Man")<br />
Ausschnitt aus dem Film "mesh", eine Reise durch die diskrete<br />
Geometrie von Konrad Polthier und Beau Janzen (erschienen bei Springer)<br />
(Quelle: DFG-Forschungszentrum MATHEON)<br />
kommen. Hinter all diesen phantastischen<br />
Figuren steckt sehr viel Arbeit und Können.<br />
Arbeit, die zunächst einmal von<br />
Mathematikerinnen und Mathematikern<br />
geleistet wird. Denn ohne Mathematik<br />
geht wie in vielen anderen Technologien<br />
auch hier gar nichts. Einer der Mathematiker,<br />
der diese virtuelle „Effekthascherei“<br />
besonders gut beherrscht, ist Konrad<br />
Polthier, Mitglied im Berliner DFG-<br />
Forschungszentrum MATHEON und<br />
Professor an der Freien Universität Berlin.<br />
„Aufgabe des Mathematikers bei der<br />
Simulation realistisch wirkender Effekte<br />
ist die Verpackung physikalischer<br />
Gesetze in mathematische Algorithmen.<br />
Wir liefern die mathematischen Methoden<br />
und Verfahren, die dann auf ganz beliebige<br />
Effekte anwendbar sind“, schildert<br />
der Mathematiker seine Arbeit. Manche<br />
physikalischen Phänomene geben nach<br />
seinen Aussagen nicht mehr so große Probleme<br />
auf, andere dagegen umso mehr.<br />
„Die natürliche Darstellung von Wasser,<br />
Feuer oder Wind stellen uns noch immer<br />
vor einige Probleme“, sagt Polthier.<br />
Vorlage für Drachen, Ungeheuer oder<br />
andere Fabelwesen sind oft kleine<br />
Modelle, die mittels Laserstrahlen<br />
abgetastet werden und eine Wolke aus<br />
Punkten erzeugen, die dann im Computer<br />
zu einem Netz verbunden werden.<br />
Dabei treten jedoch viele Fehler auf, die<br />
dazu führen, dass das Objekt „verrauscht“,<br />
<strong>als</strong>o unscharf ist und keine glatten Kanten<br />
hat. Konrad Polthiers Forschungen<br />
bieten hier allerdings eine hervorragende<br />
Lösung, um die Kanten zu glätten. Seine<br />
Algorithmen gehören auf diesem Gebiet<br />
weltweit zu den besten. Unschlagbar sind<br />
sie, was die Qualität und Schnelligkeit<br />
angeht, mit der sie arbeiten. Neben dem<br />
qualitativen Aspekt ist dies bei der Herstellung<br />
von Filmen natürlich ein erheblicher<br />
Kostenfaktor.<br />
An dieser Beschreibung wird deutlich:<br />
Einfach zu erstellen sind animierte<br />
Filmszenen nicht und bevor ein Fantasywesen<br />
über die Leinwand schreitet, ist eine<br />
Menge grundlegender Vorbereitungen<br />
nötig. Dies verdeutlichen beispielsweise<br />
die Zahlen der Herstellung<br />
des Filmes „Shrek der Dritte“. Rund<br />
20 Terabyte Speicherplatz wurden für<br />
diesen Film insgesamt benötigt, das entspricht<br />
in etwa der Speicherkapazität
Kipphebel – rocker arm (Quelle: febi bilstein)<br />
von 100 herkömmlichen Personal-<br />
Computern. Die Rechner waren<br />
alleine für einen einzigen Film etwa<br />
20 Millionen Stunden im Einsatz, um<br />
die Figuren so realistisch wie möglich<br />
erscheinen zu lassen. Dies verdeutlicht,<br />
wie wichtig eine optimale<br />
Komprimierung solch riesiger Daten<br />
ist und welche grundlegenden Vorteile<br />
die Gleichungen von Konrad Polthier<br />
und seinem Team bieten, wenn damit<br />
solche Daten weiter erheblich komprimiert<br />
werden können. „Wir verändern<br />
die Darstellung von Netzen so, dass so<br />
wenig überflüssige Informationen wie<br />
möglich entstehen und alles nicht<br />
unbedingt Nötige vernachlässigt werden<br />
kann.<br />
Derzeit können wir bereits die Standarddarstellung<br />
eines Dreiecksnetzes von<br />
200 Megabyte auf 1 Megabyte verlust-<br />
frei komprimieren, sind aber natürlich<br />
weiter bemüht, noch bessere<br />
Ergebnisse zu erzielen“ sagt Polthier.<br />
Kein Wunder <strong>als</strong>o, dass sowohl<br />
die Filmindustrie wie die Entwickler<br />
von Computerspielen an den von<br />
Konrad Polthier im MATHEON erzielten<br />
Ergebnissen sehr interessiert<br />
sind, denn die Dank der Mathematik<br />
erreichte Einsparung von Kosten ist<br />
bei solchen Zahlen offensichtlich, zu-<br />
Magazin<br />
Auch in der industriellen Anwendung haben sich die Algorithmen von Konrad Polthier bewährt<br />
(Quelle: DFG-Forschungszentrum MATHEON)<br />
mal sie in der Regel auch noch mit einer<br />
Steigerung der Qualität einhergeht.<br />
Nutznießer dieser Mathematik ist beispielsweise<br />
die Firma „mental images“ in<br />
Berlin. Die Firma, die mittlerweile zur<br />
„NVIDIA-Gruppe“ gehört, ist weltweit<br />
einer der größten Hersteller von Film-<br />
Animationen. Hier wurden und werden<br />
einige der Superhelden Hollywoods „errechnet“.<br />
Mit der Software von „mental<br />
images“ können sogar animierte Szenen<br />
mit real gefilmten Sequenzen nahtlos verbunden<br />
werden. Damit ist die Illusion<br />
perfekt, denn für den Zuschauer ist so<br />
nicht mehr zu erkennen, ob eine Szene<br />
real gefilmt oder simuliert worden ist.<br />
Für die Arbeiten von Prof. Konrad<br />
Polthier bietet das Forschungszentrum<br />
MATHEON in Berlin ein optimales<br />
Umfeld, weil, so Polthier „sich im<br />
Beispiel einer entrauschten Figur nach 100 Iterationen (Quelle: DFG-Forschungszentrum MATHEON)<br />
MATHEON eine große Anzahl der besten<br />
Mathematikerinnen und Mathe-<br />
matiker zusammengeschlossen haben,<br />
die aus allen mathematischen Fachgebieten<br />
stammen und so die<br />
Voraussetzungen schaffen, völlig neue<br />
Wege für Problemlösungen zu gehen<br />
und damit auch herausragende Lösungen<br />
anbieten können." Auch für<br />
Ludwig von Reiche, den Geschäftsführer<br />
von „mental images“, ist der Standort<br />
Berlin sehr vorteilhaft, weil sich in der<br />
deutschen Hauptstadt und der Region in<br />
den vergangenen Jahren eine rege Filmwirtschaft<br />
angesiedelt hat.<br />
(Bildautoren: Felix Kälberer, Matthias<br />
Nieser, Konrad Polthier, Beau Janzen)<br />
MATHEON<br />
Das DFG-Forschungszentrum<br />
MATHEON ist ein Zusammenschluss von<br />
Mathematikerinnen und Mathematikern<br />
der drei Berliner Universitäten, der Technischen,<br />
der Freien und der Humboldt<br />
Universität sowie dem Zuse-<br />
Institut und dem Weiherstraß-Institut.<br />
Das MATHEON ist ein weltweit anerkanntes<br />
Vorzeigeprojekt, wenn es um<br />
Angewandte Mathematik geht. Etwa 200<br />
Forscherinnen und Forscher arbeiten im<br />
MATHEON in ca. 80 Projekten in den Bereichen<br />
Lebenswissenschaften, Optimierung<br />
von Netzen, Produktion, optischen<br />
Komponenten, Finanzen, Bildung und<br />
Visualisierung<br />
67<br />
67<br />
Young Researcher
72<br />
<strong>Junge</strong> <strong>Wissenschaft</strong> <strong>87</strong> // 2010<br />
Magazin<br />
Die Mathematisch-Naturwissenschaftliche<br />
Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel<br />
Mit Φ-liki auf dem Weg zu anschaulichem Unterricht<br />
Die Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel setzt<br />
verstärkt auf Vernetzung und Austausch bei der Nachwuchsförderung.<br />
Schon seit jeher hat das Schulfach Physik<br />
die Meinungen gespalten. Auf der einen<br />
Seite die an <strong>Wissenschaft</strong> und Technik<br />
Interessierten, für die es gar nicht genug<br />
Versuche und Experimente geben kann.<br />
Auf der anderen Seite die Technik-Muffel,<br />
für die Gesetzmäßigkeiten, Formeln und<br />
das Verständnis für die Zusammenhänge<br />
schier unüberwindliche Hindernisse darstellen.<br />
Und mittendrin der Physik-Lehrer,<br />
der beiden Seiten gerecht werden muss<br />
und seinen Unterricht nicht nur verständlich<br />
und informativ sondern auch unterhaltsam<br />
und mit bleibenden Eindrücken<br />
gestalten möchte.<br />
Eine neue Internetplattform könnte wertvolle<br />
Dienste leisten. Ihr Name: Φ-liki<br />
Physiklehrer Wikipedia<br />
Physiklehrer Wikipedia, oder kurz<br />
Φ-liki, ist ein neues Online-Angebot<br />
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen<br />
Fakultät (MNF) der Christian-<br />
Albrechts-Universität zu Kiel für Lehrer<br />
aller Schulformen. Es wird im Web<br />
unter philiki.uni-kiel.de für registrierte<br />
Benutzer erreichbar sein. Die Testphase<br />
dauert bis Ende August 2010, rechtzeitig<br />
zum Beginn des neuen Schuljahres<br />
2010/2011 soll Φ-liki dann allen<br />
Lehrerausbildung in der Chemie. Der »Eier-<br />
Trick« lässt sich in jeden Unterricht einbauen,<br />
meinen Dr. Daniela Efler-Mikat (links) und Dr.<br />
Stefan Petersen (Im Leibniz-Instituts für die Pädagogik<br />
der Naturwissenschaften, IPN) (Quelle:<br />
Jana E. Seidel, Copyright: Uni Kiel)<br />
Physiklehrern in Schleswig-Holstein zugänglich<br />
gemacht werden.<br />
Das Φ-liki funktioniert in seinen<br />
Grundzügen wie das bekannte und viel<br />
genutzte Online-Lexikon Wikipedia.<br />
Registrierte Physiklehrer schleswigholsteinischer<br />
Schulen können nach<br />
passenden Versuchen für ihren Unterricht<br />
suchen und selbst Anleitungen zu<br />
Experimenten einstellen. Jeder Nutzer<br />
hat zudem die Möglichkeit die vorhandenen<br />
Einträge zu bewerten. Auf diese<br />
Weise lässt sich die Vorbereitungszeit<br />
für den Fachunterricht Physik verkürzen<br />
bzw. optimieren. „Besonders junge<br />
Lehrer werden von den Angeboten des<br />
Φ-liki profitieren, da sie sich stärker<br />
auf die didaktischen Methoden konzentrieren<br />
können, anstatt viel Zeit für die<br />
Suche nach geeigneten Experimenten<br />
aufzuwenden.“ betont Privatdozent Dr.<br />
Dietmar Block vom Institut für Experimentelle<br />
und Angewandte Physik, und<br />
ergänzt: „Das Konzept an sich ließe sich<br />
mit wenigen Modifikationen auch auf<br />
andere naturwissenschaftliche Fachbereiche<br />
ausweiten.“<br />
Zusammenarbeit<br />
Die Physik Wikipedia ist die neueste<br />
Idee, aber nicht das einzige Beispiel erfolgreicher<br />
Zusammenarbeit der Kieler<br />
Universität mit Schulen. Die Mathematisch-Naturwissenschaftliche<br />
Fakultät<br />
engagiert sich vielfältig in verschiedenen<br />
Fachbereichen für die Schulen, um den<br />
mathematisch-naturwissenschaftlichen<br />
Unterricht dort auf dem aktuellen<br />
Stand der Forschung zu halten.<br />
Grundschüler können im Botanischen<br />
Garten <strong>als</strong> Kleine Gärtner das ganze Jahr<br />
über die Beete und Gewächshäuser erkunden.<br />
Das Leibniz-Institut für die Pädagogik<br />
der Naturwissenschaften und<br />
Mathematik bietet in Zusammenarbeit<br />
mit der Universität Kiel Forscher Ferien,<br />
eine naturwissenschaftliche Sommer-<br />
schule für Grundschulkinder aus sozial<br />
benachteiligten Umgebungen,<br />
an. Auch der Forschungsexpress, ein<br />
Nina Schwalb bei der Justierung des Femtosekundenlaserspektroskops<br />
(im Institut für<br />
Physikalische Chemie) (Quelle: Jürgen Haacks /<br />
Uni Kiel)<br />
mobiles Schülerlabor, ist für die<br />
Jüngsten in Schleswig-Holstein unterwegs.<br />
Die Kinder- und Schüler-Uni des fakultätsübergreifenden<br />
Exzellenzclusters<br />
Ozean der Zukunft bietet in regelmäßigen<br />
Abständen verschiedene wissenschaftliche<br />
Themen an.<br />
Die Reihe Saturday Morning Physics begeistert<br />
Schüler der Mittel- und Oberstufe<br />
und interessierte Erwachsene jedes<br />
Jahr aufs Neue mit spannenden Vorträgen<br />
rund um die Physik. Mitarbeiter<br />
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen<br />
Fakultät beteiligen sich zudem<br />
regelmäßig an Jugend forscht-Projekten.<br />
Das an die Universität Kiel angegliederte<br />
Leibniz-Institut für Meereswissenschaften<br />
(IFM-GEOMAR) lädt Oberstufenschüler<br />
ein, sich im Rahmen von<br />
NaT-Working Meeresforschung mit eigenen<br />
Projekten aktuellen Forschungsfragen<br />
zu widmen.<br />
Abgerundet wird die Förderung des<br />
mathematisch-naturwissenschaftlichen<br />
Nachwuchses durch mathematische Vorkurse<br />
für angehende Studierende der<br />
MNF.<br />
Weitere Informationen:<br />
Mathematisch-<br />
Naturwissenschaftliche Fakultät<br />
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel<br />
24098 Kiel<br />
Internet: www.mathnat.uni-kiel.de
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Young Researcher