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Fachbereichsarbeit
Physik

Louise-Otto-Peters-Schule, Leipzig

2, Frau Brückner, 2017

Stefan M. ©
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ID# 67324







Louise-Otto-Peters-Gymnasium Leipzig


Nachweis von Radikalen in Lebensmitteln


Facharbeit


Name des Verfasser:,

Name der Betreuerin:Brückner-Krannich, Steffi

Schule:Louise-Otto-Peters-Gymnasium Leipzig

Klasse: 10.1

Leipzig, 30.3.2017


Zwei Dinge sind zu unserer Arbeit nötig:

Unermüdliche Ausdauer und die Bereitschaft,

etwas, in das man viel Zeit und Arbeit gesteckt hat,

wieder wegzuwerfen.

Albert Einstein

14.03.1879 - 18.04.1955


Inhaltsverzeichnis


2. Einleitung 5

Abbildung 3.1: Ein Atom-Modell mit einem ungepaarten Elektron (Freies Radikal). 7

1 Eigenständigkeitserklärung 33


1. Vorwort


An dieser Stelle möchte ich mich gerne bei allen bedanken, die mich bei der Erstellung der Facharbeit unterstützt haben. Besonderer Dank gilt dem Physiker Herrn Prof. Dr. Andreas Pöppl (Fakultät für Physik und Geowissenschaften, Universität Leipzig), welcher mir meine spezifischen Experimente ermöglicht hat, indem er die Geräte der Universität Leipzig zur Verfügung gestellt hat und mich bei der Arbeit betreut hat.

Außerdem hat er sich freundlicherweise noch die Zeit genommen, meine Fragen geduldig und ausführlich zu beantworten. Ebenso danke ich Frau Brückner-Krannich für ihre gute Betreuung und dafür, dass sie für jegliche Fragen immer zur Verfügung stand.


2. Einleitung


Die Frage nach dem Inhalt und der Schädlichkeit der Lebensmittel, die wir zu uns nehmen, hat mich immer schon sehr gereizt. Als ich dann einen Artikel über freie Radikale laß, wollte ich unbedingt mehr über dieses Thema wissen.


Meine Facharbeit basiert auf selbst gemachten Experimenten, in welchen die Anzahl der Radikale in Lebensmitteln untersucht wurde. Zuerst müssen aber die Grundlagen zum Thema geklärt werden. Im Grunde handelt es sich bei Radikalen um Atome oder Moleküle, welche ein ungepaartes Elektron besitzen. Im ersten Kapitel wird es um solche Radikale gehen und beispielsweise die Fragen geklärt werden, wie diese Radikale entstehen, wieso diese schädlich für den Menschen sind und welche Folgen sie für den Menschen haben.

Mein Experiment basiert auf der Fähigkeit des EPR-Spektrometers, diese Radikale in Lebensmitteln messen können. Wie genau diese Methode des Radikalemessens funktioniert, wird dann im zweiten Teil des theoretischen Hauptteils erläutert. Der theoretische Hauptteil soll den Leser auf das praktische Experiment vorbereiten, sodass dieser die Zusammenhänge zwischen der Methode und den Ergebnissen besser verstehen kann.

Im praktischen Teil werden die Proben dann vorgestellt und danach die Ergebnisse analysiert und anschließend ausgewertet. Ziel dieser Facharbeit ist es herauszufinden, ob es Radikale in alltäglichen Lebensmittel gibt. Sofern es diese gibt, sollen auch Art und Menge der Radikale bestimmt werden.


3. Theoretische Grundlagen

3.1 Freie Radikale

3.1.1 Was sind freie Radikale?

Freie Radikale sind Atome oder Moleküle mit einem, manchmal auch mehreren ungepaarten Elektronen [Rüchardt 1992] [Nimse 2015]. Unten ist ein Beispiel für so ein Radikal zu sehen (Abbildung 3.1). Ein Atom besteht aus einem Atomkern und mehreren Elektronenschalen. Das Atom versucht stets, seine äußerste Schale mit der maximalen Anzahl an Elektronen zu füllen. Fehlen solche Elektronen, bleiben ungepaarten Elektronen übrig (rotes Elektron).

Atome etwa wollen immer 8 Elektronen auf ihrer äußersten Elektronenbahn haben. Fehlen diese, sind sie auf der Suche nach einem Bindungspartner. Durch diese Reaktionsfreudigkeit haben die Radikale im Körper einen hohes Schädigungspotential [Ramos 2010].


Abbildung 3.1: Ein Atom-Modell mit einem ungepaarten Elektron (Freies Radikal).


3.1.2 Vorkommen der Radikale

Generell unterscheidet man bei den freien Radikalen zwischen denjenigen, die in unserem Körper entstehen und denjenigen, die uns durch die Umwelt zugeführt werden.


Zum einen sind freie Radikale ein natürliches Produkt aus unserem Stoffwechsel. Sie entstehen in unserem Organismus durch viele Stoffwechselvorgänge, die mit Sauerstoff zu tun haben [Betteridge 2000]. Vor allem die Gewinnung unserer Lebensenergie in den Mitochondrien erzeugt standardmäßig auch freie Radikale im Zuge der inneren Zellatmung. Radikale werden deshalb auch "Oxidantien", abgeleitet von „Oxygenium/Sauerstoff“, oder im Fachjargon „Reactive Oxygen Species“ (ROS) genannt [Alfadda 2012] [Sanz 2016].


Zum anderen wird die Zahl der freien Radikale allerdings auch durch unsere Umwelt beeinflusst. Äußere Einflüsse sind z.B. Rauchen, Alkohol, Medikamente, Luftverschmutzung und radioaktive sowei UV-Strahlung. Auch die Lebensmittel und unsere moderne Ernährung enthalten Radikale, die von äußeren Einflüssen entstammen [Donnelly und Robinson 1995]. Heutzutage bekommen wir viel industriell verarbeitetes und prozessiertes Essen auf den Teller, welches kaum noch funktionelle Inhaltsstoffe für eine gesunde Ernährung enthält.

Stattdessen nehmen wir viele Nahrungsmittelzusatzstoffe und andere Chemikalien auf. Wissenschaftler schätzen, daß wir täglich mit 60.000 - 80.000 Fremdsubstanzen in Berührung kommen.


3.1.3 Warum sind freie Radikale schädlich?

Da freie Radikale immer auf der Suche nach Elektronen sind, die sie an sich reißen können, stören sie beim Stoffwechsel wichtige Prozesse. Sie greifen beispielsweise Proteine und Zellwände an. Dadurch kommt es zu Schäden an verschiedenen Körperzellen, und das wirkt sich auch auf das Aussehen des Menschen aus [Alfadda 2012]. Sogar die Erbsubstanz (DNS) des Menschen wird von den Radikalen angegriffen und verändert.

Der größte Schaden wird aber verursacht, wenn Immunzellen angegriffen werden. Dadurch wird das körpereigene Immunsystem geschwächt und man wird leichter angreifbar gegen Attacken von außen. Zudem kann sich der Körper nicht mehr effektiv gegen die Entstehung von Tumoren, Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder rheumatischen Erkrankungen wehren. Außerdem beschleunigen freie Radikale auch noch den Alterungsprozess [Alfadda 2012] [Panth 2016].

Wie also zu sehen ist, können Radikale dem Menschen einen immensen Schaden ausrichten. Doch glücklicherweise gibt es zahlreiche Stoffe, die diese Radikale an sich binden und damit abfangen, die sogenannten Radikalfänger oder auch Antioxidantien.

Zu den Radikalfängern unter den Vitaminen gehören die Vitamine A, C, und E. Dazu kommen unter anderem Carotinoide (z.B. In Paprika, Orangen, Spinat) und Selen (Fleisch, Vollkornprodukte, Eier) als zuätzliche Quellen für Radikalfänger. Diese Antioxidantien kann der Körper nicht selbständig herstellen. Daher ist eine ausgewogene Ernährung anzuraten.


3.2 EPR-Spektroskopie (EPR)


Die EPR-Spektroskopie beruht auf der Messung von Elektronenspins. Dabei werden Energieunterschiede des Spins festgestellt, die dabei auftreten, wenn ein ungepaartes Elektron in Wechselwirkung mit einem äußeren magnetischen Feld tritt [Hoppe 1982].Paramagnetische Elektronenresonanz-Spektroskopie (EPR) wurde 1944 von dem russischen Physiker E. Zavoisky entdeckt und beruht auf der Wechselwirkung des Spins freier Elektronen im Magnetfeld mit hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung.

EPR ist eine Standardmeßmethode zur detaillierten Untersuchung der mikroskopischen Eigenschaften von Systemen mit ungepaarten (also freien) Elektronen. Mit Hilfe der EPR wird die resonante Mikrowellenabsorption einer Probe in einem äußeren Magnetfeld gemessen. Dies macht sie zu einer hervorragend geeigneten Methode zur Untersuchung von Proben, die über ein permanentes magnetisches Moment (ungepaarte Elektronen) verfügen.


Theoretische Aspekte der EPR-Spektroskopie

D

E = h · υ = g · µB · H0


ie EPR-Spektroskopie basiert auf der Absorption von Mikrowellenstrahlung durch ungepaarte Elektronen, welche sich in einem von außen angelegten Magnetfeld befinden
[Krakowiana 2014]. Ungepaarte Elektronen haben aufgrund ihres Eigendrehimpulses, der auch als „Spin“ bezeichnet wird, ein magnetisches Moment. Wie die Quantentheorie besagt, bestehen für ungepaarte Elektronen in einem äußeren Magnetfeld nur zwei Möglichkeiten der Spin- bzw.


h = Plancksches Wirkungsquantum = 6,6260755 x 10-34 J s

υ = Frequenz der Mikrowellenstrahlung [s-1]

g = Landé-Faktor (g-Wert)

H0 = Feldstärke des äußeren Magnetfeldes [T = Tesla]

µB = Bohr’sches Magneton = 0,92740154 x 10-23 J T-1


Der Wert des Landé-Faktors für ein völlig freies Elektron beträgt g = 2,0023. Dieser g-Wert (g-Faktor) eines ungepaarten Elektrons in einem Radikal oder in einem Übergangsmetallion ist von der Umgebung des Elektrons und der Wechselwirkung mit anderen magnetischen Momenten bzw. Spins abhängig (Stoffkonstante) und liegt für organische Radikale bei etwas über 2,0, für Übergangsmetallionen kann der Wert zwischen 1 und 7 liegen.


Die Resonanzbedingung für eine Probe liegt dann vor, wenn die Energiedifferenz ΔE zwischen angeregtem und Grundzustand bei einer bestimmten Magnetfeldstärke der Energie der konstant eingestrahlten Mikrowellenfrequenz entspricht (Abbildung 3.2). Ist diese Resonanzbedingung erfüllt, so absorbiert das System Mikrowellenstrahlung. Das EPR-Spektrum stellt die Intensität (ΔI), die Differenz der Amplitude der Mikrowelle zwischen Feldstärkenmaximum und -minimum des modulierten Magnetfeldes, geteilt durch die Modulationsamplitude (ΔH) des Magnetfeldes, in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke dar [Lund 2011].


Abbildung 3.2: Abhängigkeit der Energiedifferenz zwischen angeregtem Zustand und Grundzustand von der äußeren Magnetfeldstärke mit graphischer Darstellung der Resonanzbedingung.


Anwendung der EPR für den Nachweis von radikalen in Lebensmitteln


4. Praktischer Teil

4.1 Allgemeines

Alle Proben, die für das Experiment benutzt wurden, sind Lebensmittel, die uns auch im Alltag begegnen. Meine erste Probe ist das Toastbrot, dass „Butter Toast“ von der Firma Golden Toast. Als Kind wurde mir immer gesagt, dass man den schwarzen Teil des Toastes nicht essen sollte. In dieser Arbeit will ich diese Aussage prüfen. Dafür habe ich drei unterschiedliche Proben vorbereitet.

Als erstes habe ich den schwach gerösteten Toast genommen. Dieser wurde genau 2 Minuten getoastet und weist eine nur sehr schwache Bräunung auf (siehe Abbildung 4.1). Die zweite Probe ist der mittelstark geröstete Toast. Wie auf Abbildung 4.1 zu sehen ist, hat dieser eine sehr starke Bräunung und sogar ein Paar fast schwarze Stellen. Für dieses Aussehen musste die Scheibe 6:50 min getoastet werden.

Die dritte Probe ist der stark geröstete Toast. Dieser wurde ganze 9:50 min getoastet und ist komplett schwarz gebrannt (siehe Abbildung 4.1)

Das zweite Lebensmittel, welches ich testen möchte, ist Kaffee. Auch dieser ist ein Produkt, welches wir im Alltag oft zu uns nehmen. Außerdem wird ihm nachgesagt, nicht sehr gesund zu sein. Ob das an seiner Radikalität liegt, soll herausgefunden werden. Dafür habe ich drei unterschiedliche Kaffeesorten ausgewählt: “Indonesisch Sumatra Batak”, “Robusta Tanzania” und “Kuba Serrano” (Rösterei Ganos, Leipzig).

Die dritte Probenreihe ist mit der Frage verbunden, ob und wie sich die Radikalität zwischen verschiedenen Gewürzen unterscheidet. Dafür habe ich Gewürzproben wie Curry, Paprika, Pfeffer, Zimt und Piment ausgewählt.


Abbildung 4.1: Probenmaterialen, die in dieser Studie verwendet wurden. Pfeffer, Zimt und Curry von der Firma: Hallesche Essig- und Senffabrik GmbH, Piment von der Portland Gewürze GmbH und Parika von der FUCHS Gewürze GmbH.


4.2 EPR-Messungen

Proben-Vorbereitung

Bevor die Proben in die EPR-Maschine gegeben werden konnten, mussten sie erst einmal bearbeitet werden. Das EPR-Gerät kann nur zerkleinerte Proben aufnehmen, das bedeutet also, dass die drei Toast-Proben mit einem Stampfer zerkleinert werden mussten (siehe Anhang). Die anderen Proben waren alle schon in pulverisierter Form vorhanden. Danach mussten alle Proben gewogen werden, weil für das Ausrechnen der Radikalmenge das Gewicht der Proben bekannt sein muss.

Weil das EPR-Gerät nur kleine Proben aufnehmen kann, hatten die Proben ein maximales Gewicht von ungefähr 70 mg. Transportiert wurden die Proben in einem dünnen Glasröhrchen mit einem Durchmesser von 3 mm. Dieses wurde dann in das EPR-Gerät getan.


EPR-Messungen

Der Name des EPR-Gerätes ist EMX-MICRO (9,5 GHz, 100 kHz Modulation, Firma Bruker BioSpin GmbH, Rheinstetten, Deutschland) (Abbildung 4.3). Spektren wurden bei einer Mikrowellenleistung von 0,1 mW und Modulationsamplitude von 0,05 oder 0,1 mT aufgezeichnet[Naumov et al. 2014].


Abbildung 4.3: Seitenansicht des EPR-Spektrometers und Beschreibung einiger Einzelteile.


Nachdem mit dem EPR-Spektrometer die Proben gemessen wurden, konnten mit dem Programm WIN-EPR [Duling 1994] die Spektren der Proben graphisch dargestellt werden und auf den eigenen Rechner übertragen werden (Abbildung 4.4).


Abbildung 4.4: Bruker WIN-EPR-Programm, das in dieser Studie zur Datenanalyse und -verarbeitung verwendet wird.


Nachdem man dann die Spektren graphisch dargestellt hat, muss man die Daten auswerten. Falls Radikale vorhanden sind, sind diese durch ein markantes Signal zu sehen. Unten ist das typische Beispiel eines EPR-Spektrums (Abbildung 4.5), das verschiedene Spektralmerkmale für die Analyse von Art und Konzentration von freien Radikalen zeigt [Pawlowska-Goral 2013].





Abbildung 4.5 Parameter eines EPR-Spektrums: A = Amplitute; Bpp = Liniebreite des Signals; Br = Magnetische Feldstärke, bei der die Resonanz auftritt. EPR-Spektren werden, wie hier gezeigt, üblicherweise in erster Ableitung dargestellt.


Durch die Amplitude und die Linienbreite, kann die Fläche des Absorptionssignals bestimmt werden und anhand dieser die Anzahl der ungepaarten Elektronen (Radikalen) in der Probe. Die Liniebreite des Signals zeigt zum Beispiel dynamische Eigenschaften der Probe. Der g-Faktor ist Position des EPR-Signals auf der Frequenz-Achse (x-Achse) des Spektrums. Bei fast allen organischen Radikalen ist g ≈ 2.002. Metalle haben andere g-Faktoren [Pawlowska-Goral 2013]. Die g-Werte stehen im Zusammenhang mit den Kernen, mit denen das freie Elektron in Kontakt kommt.


Das Computer-Programm lässt einen ganz einfach die Amplitude und die Linienbreite des Signals bestimmen (Abbildung 4.4). Durch das System-Menu lässt sich dann noch der „Receiver Gain“ (die Vergrößerung des Signals durch die Elektronik) bestimmen. Nachdem diese Schritte getan sind, lässt sich dann durch folgende Formel die Intensität des Signals ausrechnen:

A = Amplitude

ΔBpp = Linienbreite

I = Intensität


Diese Formel allein ist allerdings nicht genug, um die absolute Anzahl der Radikale zu bestimmen. Dafür verwenden Physiker als Vergleich eine Probe mit Ultramarin, deren Gewicht und Radikalmenge genau bekannt sind. Dadurch, dass die Vergleichsprobe Ultramarin genau 2 x 1016 Radikale besitzt, muss also I von der gesuchten Probe durch I von Ultramarin geteilt werden.

Die erhaltene Zahl ist also das Verhältnis zwischen den Radikalmengen beider Proben. Die herausgekomme Zahl muss also nur noch mit 2 x 1016 multipliziert werden und anschließend noch durch das Gewicht in Gramm geteilt werden, sodass sich die Anzahl der Radikale pro Gramm ergibt und diese Radikalwerte der Proben miteinander verglichen werden können.


I/ Ium = Verhältnis

Verhältnis2 1016 = Anzahl der Radikale in Probe

Anzahl der Radikale in Probe / Gewicht in g = Radikale pro g


= Gesuchte Probe

I = Intensität

Ium = Intensität von Ultramarin


4.3 Ergebnisse und Diskussion

4.3.1 Radikale in geröstetem Toast

B


Abbildung 4.6: EPR-Spektren von (A) schwach- (2 Minuten geröstet), (B) mitttel- (6.5 Minuten geröstet) und (C) stark geröstetem Toast (9.5 Minuten geröstet) gemessen mit einer “Sweep Width” von 300 GHz.

ei der zweiten Probe ist die Radikalität ganz klar zu erkennen. Mit einer Amplitude von 1,4 x 10
5Intensität und die Linienbreite von 8,26 Gauss ist das Radikal klar erkennbar (siehe Abbildung 4.6B). Das Radikal liegt bei dem g-Faktor von ungefähr 2,0. Das bedeutet, dass es sich hierbei um ein organisches Radikal handelt. Durch die in Teil 4.2genannten Formeln erhalten wir eine Radikalenanzahl von 28,6 x 1015 Radikale pro Gramm des mittelstark geröstete Toast.

In der dritten Probe ist - wie zu erwarten – das stärkste Radikalsignal zu erkennen. Mit einer Amplitude von 1,8 x 106 undeiner Linienbreite von 6,38 Gauss hat das stark geröstete Toast 244,5 x1015 Radikale pro Gramm. Der g-Faktor liegt ebenfalls bei 2,0, wodurch es sich auch bei dieser Probe um ein organisches Radikal handeln muss (siehe Abbildung 4.6C).

4.3.2 Messungen von Radikalen in Kaffee-Proben

A


Abbildung 4.7: EPR-Spektren von (A) Kubakaffee, (B) Sumatrakaffee und (C) Tansaniakaffee, gemessen mit einer “Sweep Width” von 500 Gaus.

lle drei Proben des Kaffees weisen Unterschiede hinsichtlich des Röstungsgrads auf [Castillo 2002]. Doch anders als erwartet, scheint dies keinen Einfluss auf die Radikalitätseigenschaften zu haben (siehe Abbildung 4.7). Die Anzahl der Radikale pro Gramm ist jeweils sehr hoch (Kuba-Kaffee 285,7x1015, Sumatra-Kaffee 287,8 x1015, Tanzania-Kaffee 286,3 x1015). Zu erkennen ist, dass zwischen den Amplituden und Linienbreiten der Kaffeesorten kleinere Unterschiede festgestellt werden können.

Bei den Amplituden stellt sich das wie folgt dar: Kubakaffee 7 x 106, Sumatrakaffee 5,9 x106, Tanzaniakaffee 6 x 106; bei den Linienbreiten: Kubakaffee 8,6 Gauss (siehe Abbildung 4.7A)., Sumatrakaffee 8,2 Gauss (siehe Abbildung 4.7B), Tanzaniakaffee 7,5 Gauss (siehe Abbildung 4.7C). Allerdings sind diese Unterschiede durch die verschiedenen Gewichte der Proben begründet.

Außerdem ist zu erkennen, dass genau wie beim dem Toastbrot das Radikal bei dem g-Faktor von ungefähr 2,0 liegt und damit folgerichtig zu den organischen Radikalen gehört [Krakowian et al 2014], [Gonis 1995].

4.3.3 Messungen von Radikalen in Gewürzen

A


Abbildung 4.8: EPR-Spektren von (A) Curry, (B) Paprika, (C) Cayenne-Pfeffer, (D) Piment, (E) Muskat und (F) Zimt.


nders als beim Kaffee haben alle der 6 folgenden Gewürzproben jeweils ein sehr unterschiedliches Spektrensignal. Trotz des unterschiedlichen Aussehens ist allen Gewürze gemeinsam, dass sie relativ wenig organische Radikale haben. Dabei haben die Gewürze, Pfeffer, Muskat und Paprika die wenigsten (13-16 x 10
15 Radikale pro g) und die Gewürze Piment, Curry und Zimt die meisten Radikale (42-48 x 1015 Radikale pro g).

Die geringe Radikalität ist aber nicht das einzige, was an den Spektren zu erkennen ist. Bei vielen der Gewürzproben ist zu erkennen, dass es außer dem organischen Radikal noch weitere Ausschläge gibt. Da diese nicht auf dem g-Faktor von 2,0 liegen, muss es sich hierbei um anorganische Radikale handeln (siehe Abbildung 4.8). Diese können zwar nicht durch das EPR-Gerät näher identifiziert werden, allerdings können wir wegen der Signalform darauf schließen, dass es sich dabei um Metallradikale handelt.


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