Im Nanobereich verändern sich die chemisch-physikalischen Eigenschaften, wie Farbe, Löslichkeit oder Leitfähigkeit eines Stoffes. Dazu kommt eine höhere chemische und biologische Reaktivität.In unserer Versuchsreihe zum Thema Nanotechnologie haben wir uns intensiv mit Alginaten beschäftigt und durch Experimente, Recherchen und zuvor erworbene Kenntnisse die Möglichkeiten, Anwendungsbereiche und Zukunftsperspektiven von Alginaten untersucht.

Die Verwendung von AlginatenAlginaten werden in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen gebraucht, wie unsere Recherchen zeigen:

1. AlginatabformungenUm eine Abformung von einer Skulptur, einem Relief oder einem Körperteil mit Alginat zu machen, muss die Oberfläche wasserfest und nicht stark saugend sein. Falls dies der Fall ist, kann z.B. Trennwachs die wasserlöslichen Materialien schützen und das zu schnelle Austrocknen des Alginatbreis verhindern.Das Arbeiten mit Alginat ist hervorragend für Zuhause geeignet, um kleinere Objekte abzuformen, da die Herstellung und Durchführung simpel ist, der Alginatbrei nach wenigen Minuten erstarrt und ohne Probleme abgenommen werden kann. Außerdem verbindet sich das Abformmaterial nicht mit anderen Materialien.

2. AlginatverbandAlginatverbände besitzen gegenüber herkömmlichen Verbänden den Vorteil, dass sie bei Flüssigkeitsaufnahme (Exsudatsaufnahme) durch den Ionenaustausch zwischen Wunde und Verband ein kohäsives, strukturbeständiges Gel absondern, das den Heilungsprozess begünstigt und als Wundsekret Gewebetrümmer einschließt, sodass diese beim nächsten Verbandswechsel entfernt werden können und die bakterielle Belastung reduziert wird.

3. Alginat als Quellstoff zum AbnehmenZur Unterstützung oder zu Beginn einer Gewichtsreduzierung kann die Einnahme von sogenannten Quellstoffen hilfreich sein. Bei der Einnahme ist jedoch Vorsicht geboten, auch sollten die Angaben auf den Verpackungen und den Beipackzetteln genau gelesen und beachtet werden. Quellstoffe ersetzen nicht eine ballaststoffreiche Ernährung, können aber Hungerattacken vermeiden und Sättigungsgefühle erreichen. Die Quellwirkung von Alginat und seine Fähigkeit, Flüssigkeit aufzusaugen und zu gelieren, wird auch in der diätetischen Ernährung genutzt. Kapseln mit Alginat aus der Braunalge Laminaria digitata werden als Quellmittel verkauft und sorgen im Magen für ein Sättigungsgefühl. Wer einen vollen Bauch hat, isst automatisch weniger das ist klar. Nach etwa acht Stunden wandert das Gelpaket in den Darm weiter und wird unverdaut ausgeschieden. Da für diese Verfahrensweise noch nicht ausreichend Studien vorhanden sind, ist die therapeutische Wirksamkeit der Alginate nicht ausreichend nachgewiesen.

4. Alginat in der KücheAlginate gehören zur Gruppe der Gelier- und Verdickungsmittel. Die Lebensmittelindustrie nutzt die verschiedenen Eigenschaften der Alginate, um Konsistenz oder Aussehen von Nahrungsmitteln zu verändern. Die Fähigkeit der Substanz, eine viskose Sole zu bilden macht sie geeignet als Verdickungsmittel und Stabilisator zu wirken. So findet man Alginat in Eis, Milchmixgetränken, Suppen, Mayonnaisen oder Salatdressings.Alginate werden vom Körper nicht verwertet und tragen somit auch nicht zum Nährwert der Nahrung bei. Sie gelten als gesundheitlich vollig unbedenklich, demzufolge gibt es auch keine Beschränkungen oder Empfehlungen über eventuelle Höchstmengen, die verzehrt werden dürfen. Sie werden unverdaut wieder ausgeschieden.

5. MolekularkücheDie Verwendungsmöglichkeiten von Natriumalginat in der Molekularküche wurden der breiten Masse hauptsächlich mit der Popularisierung der Sphärenbildung durch den katalanischen Chefkoch Ferran Adria zugänglich.Durch Auflösen einer kleinen Menge Natriumalginat in einer Flüssigkeit nach Wahl kann man Perlen mit einer Wand aus Gelee und flüssigem Inneren herstellen. Dazu genügt es, diese Lösung tropfenweise in eine Calciumlösung zu träufeln. Das Alginat und das Calcium verbinden sich und bilden um die flüssige Perle herum eine Geleewand. Sie können warm und kalt serviert werden, beispielsweise in Form eines kleinen Berges, der an Kaviar erinnert, oder aber verteilt in einem Cocktail.

„NanoBio“ am St. Ursula Gymnasium Düsseldorf - Alginate und Überzüge

In unserem Experiment haben wir mit Früchten, Pflanzen aus dem Schulgarten und „Bubbles" gearbeitet.In der Doktorarbeit von O. L. Freichel1 wird deutlich, dass Alginate im Sauren stabiler sind. Deshalb haben wir uns folgende Fragen gestellt, die wir mithilfe von Experimenten beantworten wollen:

1. Wirken Alginate wie Küchenfolie und verlängern die Haltbarkeit?2. Schützen Alginate vor Luftsauerstoff und so vor dem Braunwerden der Früchte?3. Sind die Alginatüberzüge stabil?

Kontrolle ohne Hülle mit Hülle aus 1% Natriumalginat

Erdbeere Kartoffel Erdbeere Kartoffel

Start normal normal glänzt glänzt

30 min normal normal glänzt glänzt

60 min sehr leichte Bräunung

leichte Bräunung glänzt etwas weniger glänzt etwas weniger

240 min leichte Bräunung stärkere Bräunung glänzt etwas weniger leicht braun

24 h nicht mehr genießbar und schimmeln

nicht mehr genießbar und schimmeln

glänzt immer noch und weist keine Bräunung auf

starke Bräunung kein Glanz

Hydrokolloide/Überzüge auf Früchten und Gemüse1% Natriumalginat + Methylenblau0,2% Calciumchlorid

Durchführung:Zuerst wird das Objekt in Alginatlösung eingetaucht. Dann wird das Objekt für ca. 10 Sekunden in Calciumchlorid getaucht.Wir vergleichen die unbehandelten und die mit Alginat überzogenen Früchte in bestimmten Zeitabständen.

Dauer der Elution

Extinktion bei 655 nm

30 min 0,010 %

90 min 0,387 %

120 min 0,496 %

150 min 0,510 %

46 h 0,45 %* die Abnahme der Extraktion ist wohl durch Absorption der blauen Farbe an den Holzstäben zu deuten

Birne Kartoffel Zwiebel Erdbeere

glänzt nach 2h nicht mehr und wird braun

glänzt nach 2h nicht mehr und wird braun

Alginatschicht glänzt auch noch nach 48h

Alginatschicht glänzt auch noch nach 48h

Masse vorher 6,80 g 7,54 g 7,83 g 5 g

Masse nachher 4,10 g 6,21 g 6,88 g 4,76 g

Differenz 2,70 g /39,70 %

1,33 g / 17,63 %

0,95 g /12,31 %

0,33 g /6,6 %

An rauen Oberflächen bildet das Alginat nur kurzzeitig eine glatte Oberfläche. Die Abnahme der Masse diverser Früchte (Apfel, Birne, Kartoffel) lässt vermuten, dass Alginat wasserziehend wirkt, indem es quillt. Einen Schutz vor dem Luftsauerstoff, der zum Beispiel Phenoloxidasen auslöst, ist nicht gegeben. Bei ganzen Erdbeeren ist die Oberfläche glatt. Die Erdbeeren bleiben mit Alginat länger frisch, denn die Verdunstung durch die Oberfläche der Frucht wird verhindert. Einen Schutz vor dem Luftsauerstoff, der zum Beispiel das Braunwerden durch Phenoloxidasen auslöst, ist gegeben. Die Masse der Erdbeerscheiben, sowie diverser Früchte nimmt ab. Dies lässt vermuten, dass das Alginat wasserziehend wirkt, indem es quillt. Da Erbeeren leicht sauer sind, kann man vermuten, dass die Alginate schneller quellen. Dies haben wir nicht beobachtet. Bei einem pH-Wert von 7 haftet unser Alginat auf glatten Oberflächen.

Bei diversen Früchten sieht man deutlich, dass Alginate keine Wirkung haben, wenn die Oberflächen porös sind. Wir haben deshalb die Erdbeere und die Gewichtsveränderungen genauer untersucht.

Methylenfärbung von Alginat an gelben Tomaten.Wir haben bei pH = 3,4 und pH = 7,4 gearbeitet. Die saure Alginatmasse geliert und bindet kaum an den gelben Tomaten. Die alkalische Alginatmasse wurde mehrfach aufgetragen. Dann wurden beide Ansätze in 50 ml Wasser eluiert. Die Menge an Methylenblau wurde fotometrisch bestimmt.

pH-Wert Zeit Blau, Lila, Grün Rot

pH = 4

60 min keine Veränderung keine Veränderung

120 min

Kügelchen werden kleiner und Anzahl nimmt ab

Kügelchen werden kleiner und Anzahl nimmt kaum ab

22 h es sind immer noch Kügelchen vorhanden

es sind immer noch Kügelchen vorhanden

46 h Keine wesentliche Veränderung Keine wesentliche Veränderung

pH = 7

60 min Kügelchen werden kleiner und die Anzahl nimmt stark ab

Kügelchen werden kleiner und die Anzahl nimmt stark ab

120 min

Kügelchen werden kleiner und die Anzahl nimmt sehr stark ab

Kügelchen werden kleiner und die Anzahl nimmt sehr stark ab

22 h es sind nur noch sehr wenige Kügelchen vorhanden

es sind nur noch sehr wenige Kügelchen vorhanden

46 h Keine wesentliche Veränderung Keine wesentliche Veränderung

Nanotechnologie stellt eine Zukunftstechnologie dar. Das Wort Nano stammt aus dem griechischen von „νᾶνοϛ“, was Zwerg bedeutet. Doch Nano-Teilchen sind kleiner als Zwerge. Sie beschreiben eine Größenordnung von 10m-9, dass sind 0,000.000.001m. Der Nanobereich befindet sich nahe den Atomgrößen, sodass Gesetzen der Quantenphysik mehr Bedeutung zukommt. Charakteristisch für die Nanostoffe ist deren Oberfläche, die im Vergleich zum Volumen des Stoffes an Bedeutung im Mikrokosmos gewinnt.Dabei bleibt das Volumen im Nanobereich gleich, sodass sich nur die Oberfläche im Vergleich zum selben Stoff im Makrokosmos vergrößert.

vom Makrokosmos hin zum Mikrokosmos

Alginate in der FloristikUnser Alginat reagiert auch mit den Xylem-Schnittstellen der Pflanzen mit kräftiger Cuticula und hält diese länger frisch. Man kann dies nutzen, in dem man Schnittblumen mit Alginat versiegelt beim Transport zur Vase sollten dann keine Luftblasen im Xylem hochsteigen, ein anschneiden der Pflanzen ist dann nicht nötig, denn das Alginat löst sich in der Vase im Wasser auf.

Wie stabil sind Alginate?Alginate sind im Sauren stabil. Dies geht aus der Doktorarbeit von O. L. Freichel hervor. Legt man sie nun in ein neutrales Medium, werden die Alginate durchlässig.Dies testen wir, indem wir gelbe Tomaten mit Methylenblau färben und die Extraktion durch eine fotometrische Analyse bestimmen.Im Sauren geliert das Alginat sehr stark. An den glatten Oberflächen der gelben Tomaten lösen sich Alginate mit Methylenblau wie folgt:

Das Alginat ist ein Polysaccharid. Die Kapselbildung beruht auf der Komplettierung der gelösten Alginatmoleküle durch die Calcium-Ionen. Diese verbinden über die COO--Gruppen die Alginatmoleküle. Somit entsteht ein Netz aus den langen Polysaccharidmolekülen. Wenn die Alginatlösung in die Calciumlactat-Lösung eingetropft wird, findet die Netzbildung nur an der Grenzfläche zwischen den Tropfen und der umgebenden Lösung statt. dadurch erhält man Kapseln aus vernetztem Alginat. Das Innere der Tropfen bleibt in Abhängigkeit von deren Größe, der Wartezeit und Konzentration des Algonats bzw. Des Calciumsalzes unverletzt. Die Freisetzung des unverletzten Alginats im innern geschieht durch Diffusion.

Vernetzung des Alginatmoleküls durch Calcium-Ionen

Wie stabil sind „Bubbles“?Wie können wir also die Ergebnisse nutzen? Beliebt sind farbige Alginat-Kügelchen, sogenannte „Bubbles“ in Getränken. Wir stellen diese Kügelchen mit verschiedenen Lebensmittelfarben (Dr. Oetker) her und beobachten die Elution in Wasser und einer Salzsäurelösung mit einem pH-Wert von 4,5. Dies ist der pH-Wert diverser Erfrischungsgetränke.

6. Alginat als MedikamentenhülleIn der Doktorarbeit von O. L. Freichel1 wird deutlich, dass Alginathüllen im Sauren stabil sind und somit als Hülle für Medikamente dienen können. Das Natriumalginat kann in Kombination mit dem Arzneistoff Theophyllin als Einbettungmaterial von Medikamenten genutzt werden. Das in einer Hülle aus Natriumalginat verpackte Medikament setzt seinen Wirkstoff im Alkalischen frei. Dies kann z. B. Für Darmmedikamente genutzt werden, die im sauren Milieu des Magens stabil bleiben und den Wirkstoff im alkalischen Darm (genauer ab einem pH-Wert von 4,5) abgeben.

Verwendung:Diese „Bubbles“ finden vor allem Anwendung in der Molekularküche. Doch auch in vielen Erfrischungsgetränken, die mit einem pH-Wert von 4,5 sauer sind, können „Bubbles“ z.B. in der Form des „Bubble Tea“ auftreten. In Asien werden die Alginate als Schaum auf Kaffee-Getränken verwendet.Schüler des Chemie GK 6 des St. Ursula Gymnasium Düsseldorf im Alter

zwischen 15 und 16

Überzüge können Lebensmittel länger frisch halten. So haben wir Früchte und Gemüse mit einer Alginatschicht überzogen. Ex

tinkt

ion

in %

0 %

0,5 %

1 %

1,5 %

2 %

2,5 %

Konzentration in %

0 % 0,5 % 1 % 1,5 % 2 % 2,5 % 3 %

R² = 0,9908

Extinktion lineare Regression

Versuch:Jeweils 20 ml 1%ige Alginatlösung werden mit einigen Tropfen Lebensmittelfarbe versetzt und dann mit der Tropfpipette in 20 ml Calciumchloridlösung (0,2%) gegeben. Die Kugeln werden auf einem Sieb abgetropft und mit je 10 ml Wasser bzw. 10 ml sehr stark verdünnter HCl (pH-Wert von 4) versetzt. Größe und Menge der Kügelchen werden beobachtet.

DeutungDie frisch aus dem Schulgarten geernteten Pflanzen (Hyazynthen, Bellis) haben eine unterschiedlich starke Cuticula. Verschließt man die Schnittflächen mit blauem Alginat, so bleibt die Hyazynthe mit der dickeren Cuticula 48 Stunden frisch. Die Bellis mit der feinen Cuticula kann den Wasserverlust durch Verdunstung nicht durch den Alginatverschluss ausgleichen. Sie welkt bereits nach 4 Stunden.

Auswertung:Mithilfe der linearen Regression, also der Eichkurve von Methylenblau, können wir nun ermitteln wie hoch die Konzentration von Methylenblau zu bestimmten Zeitpunkten war. Wir rechnen mit der Funktionsgleichung der Eichkurve die Konzentration aus. Bei unserem Messpunkt nach 30 min lag die Extinktion bei 0,01%. Daraus ergibt sich eine Konzentration von 0,29%. Nach 90 min liegt die Konzentration bei 1,46%. Der Höchstwert der Konzentration tritt nach 150 min mit 1,84 % ein. Danach sinkt die Konzentration nach 46 h auf 1,6% , da die Holzstäbchen, an denen wir die Tomaten befestigt hatten, das Methylenblau absorbierten. So haben wir bewiesen, dass die alkalische Alginatmasse im neutralen Milieu schon nach 150 min zerfällt.

Konz

entra

tion

in %

0 %

0,5 %

1 %

1,5 %

2 %

Extin

ktio

n in

%

0 %

0,2 %

0,4 %

0,6 %

Dauer der Elution

30 min 90 min 120 min 150 min 46 h

Extinktion Konzentration an Methylenblau

Start nach 24h

Beobachtung:Im sauren Ansatz war die blaue Farbe nicht nachweisbar. Wahrscheinlich ist Methylenblau an den Holzstielen, mit denen die Tomaten fixiert wurden, adsorbiert (s. Foto).Deutung:Im alkalischen Ansatz nahm die Farbintensität in der Waschlösung langsam zu und blieb nach etwa 4 Stunden konstant.Alginate lösen sich langsam ab einem pH-Wert von 7 auf. Die Oberflächenbehandlung bietet in wässriger Lösung nur für wenige Stunden Schutz.

1Oliver Ludwig Freichel: Hydrokolloidretardarzneiformen mit endbeschleunigter Freisetzung, Heinrich-Heine-Universität, Düsseldorf, 2002