Fette


1.1 Grundlegende Versuche zu den Eigenschaften


Versuche:

  1. Gewinnung von Öl durch Pressen (Pressen von Hanfsamen und Erdnüssen mittels einer Knoblauchpresse ohne und mit vorheriger Erwärmung im Wasserbad)
  2. Gewinnung von Öl durch Extraktion (mit Heptan als Extraktionsmittel mit nachfolgender Destillation)
  3. Löslichkeit von Ölen und Fetten in verschiedenen Lösungsmitteln - Emulsionswirkung von Eigelb
  4. Löslichkeit von lipophilen Stoffen in Pflanzenölen (Löslichkeit von Vitamin A im Pflanzenöl)


nach oben



1.2 Bau


Fette sind Ester bestimmter Carbonsäuren (Fettsäuren) und des 1,2,3-Propantriols (Glycerins).


Demnach werden alle drei Hydroxylgruppen des Glycerins mit Fettsäuren verestert. Die Fettsäuren sind ausnahmslos unverzweigt und zeigen eine geradzahlige Anzahl an Kohlenstoffatomen. Diese Geradzahligkeit rührt daher, dass in den Organismen die Fettsäuren aus Einheiten mit zwei Kohlenstoffatomen zusammengesetzt werden.

Folgende Fettsäuren sind häufig am Bau der Fette beteiligt:

Name Formel hoher Anteil in
Laurinsäure C11H23COOH Kokosfett
Palmitinsäure C15H31COOH Schweinefett
Stearinsäure C17H35COOH Schweinefett
Ölsäure C17H33COOH Olivenöl
Linolsäure C17H31COOH Sonnenblumenöl
Linolensäure C17H29COOH Leinöl


Alle in der Tabelle aufgeführten Fettsäuren weisen eine gerade Anzahl an Kohlenstoffatomen auf. Allerdings fällt uns auch auf, dass wir vier Fette mit jeweils 18 Kohlenstoffatomen in der Tabelle haben, die eine unterschiedliche Formel aufweisen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass drei Fettsäuren ungesättigt sind, also Doppelbindungen im Molekül aufweisen. Olivenöl besitzt eine Doppelbindung beim 9. Kohlenstoffatom, Linolsäure bei C-9 und C-12 und schließlich Linolensäure bei den Kohlenstoffatomen 9, 12 und 15. Bei der Nummerierung der C-Atome erhält hier das Kohlenstoffatom der Carboxylgruppe die Nummer 1.

(An dieser Stelle sollten Sie kurz überlegen, wie C-C-Doppelbindungen nachgewiesen werden können.
Natürlich über eine elektrophile Addition von Brom. )

Bleibt noch anzumerken, dass an der Doppelbindung in den allermeisten Fällen eine cis-Konfiguration vorliegt. Demnach ist der systematische Name der Ölsäure cis-Octadeca-9-ensäure.

Schauen wir uns jetzt ein konkretes Fett an, das durch die Veresterung von Glycerin mit Stearinsäure, Ölsäure und Linolsäure entstanden ist. Hierbei stoßen wir gleich auf einen wichtigen Umstand. Bei der Veresterung entstehen Gemische von Estern.



Aufgabe: Wie viele unterschiedliche Triester entstehen bei der gleichzeitigen Veresterung von Glycerin mit Stearinsäure, Ölsäure und Linolsäure?




Auf der linken Seite der folgenden Abbildung sieht man das Fettmolekül, wie es häufig in der Biologie gezeigt wird, während auf der rechten Seite eine vereinfachte Strukturformel gezeigt wird. Ein Nachteil der grob vereinfachten Formel ist, dass die Stellung der Doppelbindung nicht erkennbar ist. Für den Ölsäurerest sollte man daher besser schreiben: CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-CO-O- .


reaktion fett

Die nächste Abbildung zeigt die Struktur des Moleküls recht gut. Die Sauerstoffatome sind rot, die Kohlenstoffatome blau und die Wasserstoffatome weiß dargestellt. Dabei wir deutlich, das der gesättigte Stearinsäurerest geradkettig ist, während die ungesättigten Ölsäure- und Linolensäurereste, bedingt durch die cis-Konfiguration an den Doppelbindungen, ein bzw. drei "Knicke" aufweisen. Diese Knicke besitzen eine große Rolle für die Eigenschaften der jeweiligen Fette.

fett






nach oben



1.3 Eigenschaften


Fette sind Gemische von Carbonsäureestern. Daher besitzen sie keine Schmelztemperatur, sondern einen Schmelztemperaturbereich. Dieser hängt von den folgenden Faktoren ab:
  1. der Kettenlänge,
  2. der Anzahl der C-C-Doppelbindungen und
  3. Konfiguration der beteiligten Fettsäuren.
Je kurzkettiger die beteiligten Fettsäuren sind, desto niedriger ist die jeweilige Schmelztemperatur.
Je gesättigter die beteiligten Fettsäuren sind, desto höher ist die jeweilige Schmelztemperatur.

Durch die Doppelbindungen können sich die Moleküle im kristallinen Verbund nicht so dicht anlagern wie Fettsäuren, die aus gesättigten Fettsäuren bestehen. Daher ist der Schmelztemperaturbereich bei Fetten mit ungesättigten Fettsäuren niedriger. Damit lässt sich erklären, warum z.B. Olivenöl bei Zimmertemperatur flüssig ist.

Fettsäuren mit cis-Konfiguration an den Doppelbindungen (Regelfall) besitzen eine niedrigere Schmelztemperatur als Fettsäuren mit einer trans-Konfiguration an den Fettsäuren, weil die Moleküle mit cis-Konfiguration kompakter sind.

Die polare Bereiche an den drei Esterbindungen der Fette werden durch die langkettigen unpolaren Alkylreste abgeschirmt. Deshalb sind Fette in unpolaren Lösungsmitteln (z.B. Hexan) sehr gut löslich. In Wasser lösen sie sich aus diesem Grund nur sehr geringfügig.

Fette, die bei Zimmertemperatur flüssig sind werden als fette Öle bezeichnet. Diese enthalten im hohen Grad ein- oder mehrfach ungesättigte Fettsäuren, die vom Menschen nicht synthetisiert werden können. Die werden als essenzielle Fettsäuren bezeichnet. Besonders wichtig sind hierbei die Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren. Bei der Benennung mit griechischen Buchstaben bedeutet ω die endständige Position. Demnach ist die Linolensäure eine Omega-3-Fettsäure und die Linolsäure eine Omega-6-Fettsäure.

Alterung von Fetten. Durch Mikroorganismen oder durch die Einwirkung von Licht und Sauerstoff können die Esterbindungen hydrolytisch gespalten werden. Die Veresterung ist eine umkehrbare (reversible) Reaktion. Hierbei können die Fettsäuren freigesetzt werden. Bei der Alterung von Butter wird so die Buttersäure frei, was zu einem unangenehmen Geruch führt. Desweiteren kann Sauerstoff an die Doppelbindungen addiert werden, wodurch die fetten Öle aushärten. Außerdem kommt es zu Polymerisationen.

nach oben



1.4 Reaktionen der Fette


Verseifung (vgl. alkalische Esterspaltung)
Als Seifen werden gewöhnlich die Alkalisalze der Fettsäuren bezeichnet. Diese können durch eine alkalische Esterspaltung hergestellt werden (Seifensiederei):

seife


Die Natriumsalze der Fettsäuren werden als Kernseifen und die Kaliumsalze der Fettsäuren als Schmierseifen bezeichnet.



Fetthärtung
Durch die Fetthärtung werden fette Öle in feste Fette umgewandelt. Hierbei erfolgt eine Hydrierung.

hydrierung_ölsäure


Die Fetthärtung stellt die Grundlage der Margarineherstellung dar. Bei der Härtung von Ölsäure entsteht so Stearinsäure und der Schmelzpunkt steigt von 4 °C auf etwa 35 °C.



Acroleinprobe
Versuch: Acroleinprobe
Aufbau:


acroleinprobe


Durchführung
:
Von einem Fett wird eine Portion mit Kaliumhydrogensulfat erhitzt. Über das Reagenzglas wird ein mit fuchsinschwefliger Säure (Schiffs Reagenz) getränkter Wattebausch gehalten. In einem zweiten Teilversuch wird das entstehende Gas in Bromwasser geleitet.
Beobachtung:

  • Teilversuch 1: Der Wattebausch verfärbt sich violett.
  • Teilversuch 2: Das Bromwasser entfärbt sich.
Deutung:



Beim Erhitzen der Fette mit Kaliumhydrogensulfat entsteht (das hochgiftige) Propenal (Acrolein) aus Glycerin. Diese Probe wird auch als Acroleinprobe bezeichnet.

Acrolein besitzt eine Aldehydgruppe, was durch die Violettfärbung der fuchsinschwefligen Säure nachgewiesen wird.

Acrolein besitzt weiterhin eine C-C-Doppelbindung, die durch das Entfärben des Bromwassers nachgewiesen wird.

Da bei der Acroleinprobe das Vorhandensein von Glycerin festgestellt worden ist, muss es sich bei den Fetten um Glycerinester handeln, nicht um Mineralöle.

nach oben



1.5 Iodzahl und Säurezahl


Die Iodzahl (IZ) gibt an, wie groß der Anteil an ungesättigten Fettsäuren in einem Fett ist. Sie gibt an, wie viel Gramm Iod an 100 g eines Fettes addiert werden kann.

Fettsäure bzw. Fett Iodzahl
Ölsäure (1 Doppelbindung) 90
Linolsäure (2 Doppelbindungen) 180
Linolensäure (3 Doppelbindungen) 270
Kokosfett, Tripalmitin 7 ... 10
Milchfett, Butter 33 ... 43
Rapsöl 97 ... 108
Sonnenblumenöl, Olivenöl 125 ... 136


Im Schulversuch kann man die in Alkohol gelösten Fette solange mit einer alkoholischen Bromlösung versetzen bis die Bromfarbe bestehen bleibt. Aus der Masse des definierten Broms kann dann die Iodzahl berechnet werden.



Aufgabe:
An jeweils 100 g zweier unterschiedlicher Fette wurden 81,0 g und 6,0 g Brom addiert. Geben Sie an, um welche Fette es sich handeln könnte.

Fett 1:
n(Br2) = m(Br2)/M(Br2)
n(Br2) = 81 g / 159,8 g/mol
n(Br2) = 0,507 mol
n(I2) = n(Br2)
m(I2) = n(I2) ∙ M(I2)
m(I2) = 0,507 mol ∙ 254 g/mol
m(I2) = 128,7 g
Iodzahl IZ (Fett 1) = 129

Fett 2:
n(Br2) = m(Br2)/M(Br2)
n(Br2) = 6 g / 159,8 g/mol
n(Br2) = 0,0375 mol
n(I2)  = n(Br2)
m(I2) = n(I2) ∙ M(I2)
m(I2) = 0,0375 mol ∙ 254 g/mol
m(I2) = 9,5 g
Iodzahl IZ
(Fett 2) = 9

Beim Fett 1 mit der Iodzahl 129 könnte es sich um Sonnenblumenöl, beim Fett 2 mit der Iodzahl 9 um Kokosfett handeln.





Die Säurezahl (auch Verseifungszahl, VZ) gibt an, wie viel mg Kaliumhydroxid notwendig sind, um 1 g eines Fettes zu neutralisieren.

Bei frischen Fetten ist die Säurezahl bedeutungslos. Hier ist der Anteil der freien Fettsäuren sehr gering. Bei alten Fetten hingegen ist der Anteil der freien Fettsäuren, bedingt durch die hydrolytische Esterspaltung durch Bakterien, viel größer. Damit wächst die Säurezahl.

Über die Säurezahl ist eine indirekte Aussage über die mittlere Kettenlänge der Kohlenstoffketten der Fettsäuren möglich.

Je kürzer die Kohlenstoffketten, desto höher die Verseifungszahl.
Die Verseifungszahl ist umgekehrt proportional zur mittleren Länge der Kohlenstoffketten.

nach oben



1.6 Bedeutung der Fette für die Ernährung


Aufgabe:
Bei der Verbrennung von 1 mol Palmitinsäure werden etwa 10000 KJ frei:

Pasted Graphic 1


Wie viel Gramm Palmitinsäure werden benötigt um den Tagesenergiebedarf zu decken?

Hinweis: Für den Energiebedarf eines Erwachsenen kann die folgende Überschlagsformel herangezogen werden:

Energiebedarf (in kJ) = Körpergewicht (in kg) × 24 (h) × 4,2 (kJ/kg/h)


Der Tagesenergiebedarf kann bei Extremsportlern oder bei stark körperlicher Arbeit auf einen Wert von 60000 KJ/Tag ansteigen. Dieser Wer wird von Schülern und Lehrern natürlich weit übertroffen.

Im menschlichen Körper wird Fett als Energiereserve (Depotfett) im Unterhautfettgewebe gespeichert. Hierbei gibt es starke geschlechtsspezifische Varianzen. So werden die Fettreserven bei den Männern gern am Bauch gebildet. Bei einigen Tieren dient das Depotfett zusätzlich zur Wärmeregulation. Das ist z.B. bei Robben der Fall.

Bei der Verdauung müssen Fette gespalten werden, um durch die Darmwand aufgenommen werden zu können. Zunächst werden Sie unter Mitwirkung des Bauchspeichels und der Gallenflüssigkeit emulgiert. Hierdurch kommt es zu einer Oberflächenvergrößerung, so dass die fettspaltenden Enzyme, die Lipasen, besser angreifen können.

Bestimmte Fettsäuren, wie die Omega-3-Fettsäuren, sind für den menschlichen Körper essenziell, da wir diese nicht selbst synthetisieren können.

nach oben



Schule macht Spaß