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Es ist Frühling – eine wunderbare Zeit für Experimente, für die man etwas Platz braucht. Deshalb habe ich heute für euch ein lustiges wie lehrreiches Spektakel für Balkon und Terrasse (oder auch für drinnen): Die Elefantenzahnpasta!

Das bekannte Experiment zeigt eine weitere wichtige Fähigkeit (die Gärung könnt ihr ja hier erforschen), die nicht nur Hefezellen, sondern auch unsere Zellen haben: Die Fähigkeit, sich vor Oxidationsmitteln zu schützen. Und da dabei eine Menge Gas entsteht, kann man diese Fähigkeit für dieses spassige Experiment nutzen.

Ihr braucht dazu

  • Hefe: am einfachsten geht das Experiment mit Trockenhefe
  • ein Gefäss mit schmaler Öffnung: z.B. eine 0,5l PET-Flasche oder ein Reagenzglas
  • etwas warmes Wasser (lauwarm, wie Hefe es gern hat)
  • etwas Geschirrspülmittel
  • ein Oxidationsmittel: Wasserstoffperoxid, als Lösung (3 – 6%) aus der Apotheke/Drogerie
  • Optional: Lebensmittelfarbe
  • Einen Trichter, der auf das schmale Gefäss passt
  • Schutzbrille, ggfs. Labormantel/Malschürze
  • Ein Backblech oder Tablett als Unterlage
Wasserstoffperoxid, Trockenhefe, Spülmittel, Lebensmittelfarbe, Reagenzglas, Schutzbrille, Trichter - das braucht ihr für die Elefantenzahnpasta!

So geht’s

  • Rührt die Trockenhefe in das warme Wasser ein, bis es keine Klumpen mehr gibt.
  • Füllt Wasserstoffperoxid in das schmale Gefäss (bis es zu ca. einem Fünftel (mit 6% H2O2) bzw. zwei Fünftel (mit 3% H2O2) gefüllt ist – verwendet dazu den Trichter!) und mischt Lebensmittelfarbe und einen Schuss Spülmittel hinein.
  • Stellt das Gefäss in das Backblech.
  • Giesst das Hefewasser schnell in das Gefäss und tretet zurück! Die Reaktion beginnt sofort!
Wasserstoffperoxid ist mit roter Farbe und Spülmittel gemischt, die Hefe in Wasser suspendiert
Alles parat: Rechts im Reagenzglas Wasserstoffperoxid-Lösung (Drogisten benutzen gerne lateinisierte Stoffnamen – hier “Hydrogenii peroxidum” , die schonmal zu Kommunikationsschwierigkeiten mit einkaufenden Chemikern führen) mit roter Lebensmittelfarbe und Spülmittel. Links ein Teelöffel Trockenhefe in Wasser. Nun das Linke in das Rechte giessen und los gehts!

Was ihr beobachten könnt

Die Mischung beginnt sofort zu sprudeln und heftig zu schäumen. Wie ein Zahnpastastrang quillt der Schaum aus der Gefässöffnung und ergiesst/schlängelt sich auf dem Backblech aussen herum.

Elefantenzahnpasta quillt aus dem Reagenzglas!
Zahnpasta für Zwergelefanten: Einem der Chemiker-Grundsätze – so viel wie nötig, so wenig wie möglich – zuliebe habe ich den kleinen Massstab im Reagenzglas gewählt. Zudem hatte “meine” Drogerie gerade nur 3% H2O2-Lösung vorrätig – mit 6% käme wohl noch mehr Schaum heraus. Im Übrigen: Ein guter Drogist oder Apotheker fragt nach, was ihr mit der Lösung vorhabt. Nicht irritieren lassen und ehrlich sein – sie geben sie dann schon heraus!

Sicherheitshinweise

Auch wenn sie gerne so genannt wird: Die “Elefantenzahnpasta” eignet sich nicht zum Zähneputzen! Nehmt sie also nicht in den Mund!

Wasserstoffperoxid wirkt ätzend auf Haut und Schleimhäute (die typischen weissen Verletzungen werden manchmal erst verzögert sichtbar und tun manchmal auch dann erst weh). Wenn euch etwas von der Lösung auf die Haut gerät, spült es gründlich mit fliessendem Wasser ab. Sollte euch trotz aller Vorsicht etwas ins Auge spritzen, spült das Auge sehr gründlich mit fliessendem Wasser aus (10 Minuten lang ist Labor-Standard!) und geht bei Beschwerden zum Augenarzt!

Ausserdem kann Wasserstoffperoxid farbige Textilien bleichen. Der Labormantel bzw. die Malschürze soll eure Kleider davor schützen.

Die “Zahnpasta” selbst enthält kaum bis kein Wasserstoffperoxid mehr und kann daher gefahrlos angefasst werden.

Entsorgung

Die “Zahnpasta” und Reste im Reaktionsbehälter können mit viel Wasser in den Abfluss entsorgt werden. Übrige Wasserstoffperoxidlösung könnt ihr im dicht schliessenden Originalbehälter in einem dunklen Schrank aufbewahren und später für weitere Experimente verwenden.


Was passiert da – Wie entsteht die Elefantenzahnpasta?

Wasserstoffperoxid – H2O2 – ist eine recht instabile Verbindung. Unter alltäglichen Bedingungen ohne Reaktionspartner zerfällt es sehr langsam in Wasser und Sauerstoff:

2H_{2}O_{2}\rightarrow 2H_{2}O+O_{2}

Kommt Wasserstoffperoxid allerdings mit anderen Stoffen in Berührung, oxidiert es die meisten davon. Das gilt insbesondere für die Bestandteile von Lebewesen. Deshalb solltet ihr bei diesem Experiment Schutzbrille und -kleidung tragen!

Schutz vor Oxidation durch Aufräum-Enzyme

Wenn die Zellen sauerstoffatmender Lebewesen (Menschen, Tiere, Hefepilze,…) Energie aus Sauerstoff gewinnen, kann in ihnen jedoch H2O2 als unerwünschtes Nebenprodukt entstehen (so ausgeklügelt die Reaktionswege sind, fehlerfrei laufen sie noch lange nicht). Damit dieses Wasserstoffperoxid nicht wild herumoxidiert, haben die Zellen ein Aufräumkommando, das durch Fehler entstehendes H2O2 schnellstmöglich aus der Welt schafft.

Dabei handelt es sich um Enzyme mit dem Namen Katalase. Das sind Proteine, die die natürliche Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff um ein Vielfaches beschleunigen – indem sie den Ablauf der Reaktion erheblich erleichtern.

Ein Biokatalysator erleichtert den Reaktionsablauf

Denn Reaktionen laufen dann leichter ab, wenn weniger Energie nötig ist, um sie zu starten. Ein Stoff, der eine Reaktion beschleunigen kann (ohne selbst abzureagieren), indem er die zum Start der Reaktion nötige Aktivierungsenergie verringern kann, wird Katalysator genannt.

Im Auto ist der Katalysator eine Metalloberfläche, an welcher giftige Abgase zu weniger giftigen Stoffen reagieren (mehr dazu findet ihr hier). In Lebewesen heissen die Katalysatoren Enzyme. Enzyme sind also Proteine, die Reaktionen erleichtern und damit beschleunigen. Die Katalasen gehören unter diesen zu den schnellsten Enzymen überhaupt: Ein einziges Katalase-Molekül schätzungsweise bis zu 10 Millionen H2O2-Moleküle in der Sekunde umsetzen! Das hat zur Folge, dass die Geschwindigkeit des Wasserstoffperoxid-Abbaus mit Katalase praktisch nur davon abhängt, wie viel H2O2 das Enzym in gegebener Zeit “zu fassen” bekommt.

Gasentwicklung dank Katalase

Damit ist die Katalase bestens geeignet, um durch Fehler in anderen Reaktionsabläufen entstehendes Wasserstoffperoxid sofort wieder verschwinden zu lassen – oder um aus Wasserstoffperoxid, das von aussen eindringt, in kürzester Zeit grosse Mengen Sauerstoff-Gas freizusetzen.

Wenn wir unsere Hefe durch Mischen mit Wasserstoffperoxid-Lösung (relativ) grossen Mengen H2O2 aussetzen, stürmen diese kleinen Moleküle die Hefezellen und werden dort postwendend zu Wasser und Sauerstoff-Gas umgesetzt. Sollten die Zellen dabei platzen oder ihre Aussenwände kaputt oxidiert werden, kommt die Katalase zudem direkt mit der Wasserstoffperoxid-Lösung in Berührung und das Gas entsteht noch schneller.

Nun brauchen gasförmige Stoffe ein Vielfaches mehr an Platz als flüssige Stoffe aus den gleichen Teilchen, sodass sich das Sauerstoff-Gas sehr schnell ausdehnt. Da unser Gemisch aber Seife enthält, werden die entstehenden Sauerstoffportionen in winzige Seifenbläschen eingeschlossen (über diese und andere Superkräfte von Seife könnt ihr hier nachlesen): Es entsteht Schaum.

Elefantenzahnpasta von Nahem gesehen: Die Schaumbläschen sind erkennbar.
Wenn ihr euch die “Elefantenzahnpasta” ganz aus der Nähe anschaut, könnt ihr die kleinen Schaumbläschen erkennen.

Und dieser Schaum, nass von Seifenwasser und Hefezellresten, quillt als “Elefantenzahnpasta”-Schlange aus dem Gefäss heraus.

Zusammenfassung

Die “Elefantenzahnpasta” besteht also aus Schaum aus Seife und Sauerstoff, der durch “Überfütterung” der Oxidationsschutz-Enzyme von Hefezellen mit Wasserstoffperoxid entsteht.

Auch Menschenzellen haben Katalasen, die den Abbau von Wasserstoffperoxid in der gleichen Weise beschleunigen: Wenn Wasserstoffperoxid in unsere Haut gelangt, entstehen im Gewebe kleine Sauerstoffbläschen, welche wir als die weissen Verletzungen sehen können.

Wichtig: Die Schutzenzyme des Körpers sind genau darauf ausgelegt, solche Oxidationsmittel zu entfernen, die bei Fehlern in zelleigenen Prozessen entstehen. Andere Oxidations- und Bleichmittel, insbesondere unter dem Kürzel “MMS” als “Wunderheilmittel” vertriebene gefährliche Chlorverbindungen gehören da nicht zu! Gegen solche Stoffe hat der menschliche Körper keine eigenen Schutzmassnahmen!

Und habt ihr das Elefanzenzahnpasta-Experiment schon einmal ausprobiert? Wozu sonst verwendet ihr Wasserstoffperoxid?

Experiment: Gärung - die Superkraft von Hefe

Vor ein paar Tagen war es einmal wieder soweit: Ich hatte Geburtstag. Zur Feier des Tages habe ich mich in die Küche gestellt und der Biochemie gewidmet….ähm, Kuchen gebacken. Und zwar mit Hefe! Und damit wird das Kuchenbacken tatsächlich echte Küchen-Biochemie.

Was ist eigentlich Hefe?

Unsere Backhefe besteht aus richtigen Lebewesen! Aber nicht aus Pflanzen oder Tieren, sondern aus Pilzen mit dem komplizierten Namen “Saccharomyces cervisiae”.

Wenn ihr euch jetzt an Asterix und Obelix erinnert fühlt…richtig: Das Lieblingsgetränk der beiden Comic-Gallier ist lauwarme Cervisia – ein Bier. Tatsächlich ist die Backhefe der gleiche Pilz, der auch zum Bierbrauen verwendet wird.

Der erste Teil des Namens bedeutet übrigens so viel wie “Zuckerpilz”, womit der ganze Name sich etwa mit “Bier-Zuckerpilz” übersetzen lässt. Damit ist auch geklärt, wovon diese Pilze sich ernähren.

Hefen bilden übrigens keine Schirme und Hüte im Wald, wie ihr sie von anderen Pilzen kennt. Sie gehören nämlich zu den Einzellern und vermehren sich durch Zellteilung oder die Bildung von Ablegern. Deswegen sehen wir von ihnen ohne Mikroskop auch nicht mehr als eine gelblich-graue Masse. Mit einem Mikroskop hingegen kann man die einzelnen Hefezellen sehen:

Backhefe unter dem Mikroskop: Die Einzelzellen sind jetzt gut erkennbar.

Backhefe unter dem Mikroskop: Die Teilstriche der Skala sind jeweils 11 Mikrometer (Millionstel Meter!) voneinander entfernt. By Bob Blaylock [CC BY-SA 3.0 or GFDL], from Wikimedia Commons

Was macht ein Pilz in Brot und Kuchen?

Er lebt! Zumindest vor dem Backen. Und zwar wie alle Lebewesen von Zuckern. Nur ist Hefe dabei nicht zwingend auf Sauerstoff zum Atmen angewiesen. Während Menschen Sauerstoff als Oxidationsmittel brauchen, um aus den Zuckern chemische Energie zu gewinnen, können Hefen dazu auch andere chemische Reaktionen nutzen, die ohne Sauerstoff auskommen.

Solche Reaktionen werden zusammengefasst “Gärung” genannt. Bei der Gärung durch Hefe entsteht als “Abfall” der Trink-Alkohol “Ethanol” (auf den es die Bierbrauer abgesehen haben), und… findet es selbst heraus!

 

Experiment 1: Hefegärung sichtbar machen

Ihr braucht dazu

Eine Glasflasche mit engem Hals (ca. 0,5l),
Einen Luftballon, nicht aufgeblasen
Backhefe (1 Päckchen Trockenhefe)
Wasser (lauwarm)
Einen Teelöffel Haushaltszucker

Das braucht ihr für das Experiment

So geht es

Blast den Luftballon mehrmals hintereinander auf und lasst die Luft immer wieder heraus. So wird die Ballonhülle schon einmal gedehnt und lässt sich später leichter aufblasen.

Füllt die Flasche halb mit lauwarmem Wasser und löst den Zucker darin auf. Gebt die Hefe dazu und schwenkt die Flasche kurz, sodass sich alles gut mischt.

Stülpt dann die Öffnung des Luftballons über die Flaschenöffnung und stellt das Ganze an einen warmen Ort (ideal sind 28-32°C).

Wartet ab und beobachtet, was geschieht: In der Flasche geht es sichtlich geschäftig zu, und: Der Ballon bläht sich auf!

Im Laufe von 45 Minuten bläht der Ballon sich immer weiter auf!

Ein Gas entsteht: Links der Aufbau zu Beginn des Experiments, dann von links nach rechts: nach 15min, 30min, 45min

Was geschieht da?

Die Hefe verdaut den Zucker. Dabei entsteht ein Gas, das den Ballon füllt!

Was für ein Gas ist das?

Ihr könnt es selbst nachweisen!

Experiment 2: Gas-Nachweis

Ihr braucht dazu

Die Hefemischung in der Flasche aus Experiment 1
Ein Streichholz, etwas zum Anzünden
Eine Pinzette

So geht es

Entfernt den Luftballon von der Flasche. Entzündet das Streichholz und führt es mit Hilfe der Pinzette in die Flasche mit der Hefemischung (nicht eintauchen!). Beobachtet: Das Streichholz geht aus!

Was passiert da?

Das Gas, welches die Hefe produziert, ist Kohlenstoffdioxid (CO2)! Es ist schwerer als Luft und verdrängt so den Sauerstoff nach oben aus der Flasche. Ohne Sauerstoff kann Feuer nicht brennen – und geht aus.

 

Was in den Hefezellen passiert

Der wichtigste Zucker, von dem Hefe sich ernährt, ist Traubenzucker (Glucose). Das ist ein “Einfachzucker” (ein Monosaccharid), besteht also aus überschaubar kleinen, einzelnen Zuckermolekülen.

alpha-D-Glucose in 6-Ringform: Haworth-Strukturformel

Ein Glucose-Molekül

Aus Traubenzucker- bzw. Glucose-Molekülen können alle Lebewesen schnell Energie gewinnen. Die Hefe verwendet dazu eine Folge von Reaktionen, die die Biochemiker als “anaerobe Glykolyse” bezeichnen.

Dabei wird aus einem Molekül Glucose in mehreren Schritten ein Molekül “Pyruvat” hergestellt. Im Zuge dieser Schritte werden zwei Energieträger-Moleküle, die die Biochemiker abgekürzt “ADP” nennen, “aufgeladen”, indem je ein Phosphorsäure-Anion an jedes dieser Moleküle gehängt wird (die aufgeladenen Energieträger-Moleküle heissen dann “ATP”).

Für das Aufladen sind jedoch weitere Reaktionspartner (Moleküle namens NAD+) nötig, die ihrerseits recycelt werden müssen.

Gärung: Aus Pyruvat wird Ethanol. Dabei wird ein Molekül CO2 frei und ein Molekül NAD+ rezykliert.

Alkoholische Gärung By Arne “Norro” Nordmann. [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC BY-SA 2.5 ], via Wikimedia Commons

Deswegen haben die Hefepilze ein weiteres Enzym (die Pyruvatdecarboxylase), das von den Pyruvat-Molekülen je ein Molekül Kohlenstoffdioxid (CO2) abspaltet.

Das Kohlenstoffdioxid wird danach aus den Zellen entsorgt und füllt euren Luftballon!

Übrig bleibt ein Molekül Acetaldehyd. Das ist für Zellen giftig und wird deshalb schnell zu Ethanol weiterverarbeitet, wobei die Abfall-Moleküle NADH aus der Glykolyse zu NAD+ recycelt werden.

Der Trink-Alkohol “Ethanol” ist übrigens für uns Menschen giftig, weil es in unseren Zellen das Enzym Alkoholdehydrogenase auch gibt – nur fördert es da die Reaktion in umgekehrter Richtung: Aus Ethanol wird Acetaldehyd. Und das beschert und einen mächtigen Kater (über diesen biochemischen Katzenjammer könnt ihr hier mehr lesen).

Wie wird dann Haushaltszucker vergoren?

Die Moleküle des Haushaltszuckers (Saccharose) bestehen aus je zwei verbundenen Einfachzuckern: dem Traubenzucker Glucose und dem Fruchtzucker Fructose.

Saccharose, unser Haushaltszucker dargestellt in der Haworth-Strukturformel

Ein Saccharose-Molekül

In den Hefepilz-Zellen gibt es deshalb ein Enzym, das diese Paare spalten kann, bevor die Einzelteile wie oben gezeigt “verdaut” werden.

Diese Fähigkeit – Haushaltszucker zu spalten und zu verwerten – hat der Backhefe schliesslich ihren wissenschaftlichen Namen (Saccharomyces…) eingebracht.

Wie “geht” Hefe in Milch?

Normale Vollmilch besteht zu ca. 5% aus Milchzucker (Laktose) – das sollte ja genug Futter für die Hefe sein, oder? Weil Reto laktoseintolerant ist, habe ich allerdings laktosefreie Milch für den Kuchen benutzt…und hatte schon Sorge, die Hefe würde damit nicht aufgehen. Stattdessen ging meine Hefe aber schon nach dem Mischen mit der Milch ab wie Schmitz’ Katze!

Hefe in laktosefreier Milch

Laktose ist auch ein Zweifachzucker, sie besteht aus je einem Molekül Glucose und Galactose.

Ein Laktose-Molekül: Haworth-Strukturformel

Auch Laktose ist ein Zweifach-Zucker, der vor der Verwertung gespalten werden muss

Unglücklicherweise hat die Back-Hefe aber kein Enzym, um Laktose zu spalten und so an die Glucose zu gelangen (sie ist also “laktoseintolerant”, wenngleich Hefepilze keinen Darm haben, der deswegen verstimmt sein könnte). Zum Glück für die Hefe enthält normale Vollmilch jedoch immer auch freie Glucose.

Laktosefreie Milch wird nun hergestellt, indem man das Enzym Laktase dazugibt, welches die Laktose in Glucose und Galactose spaltet (deshalb ist laktosefreie Milch ein wenig süsser als normale). So findet die Hefe in laktosefreier Milch sogar mehr zu fressen als in normaler Vollmilch und geht dementsprechend eifrig auf!

Was im Ofen mit der Hefe passiert

Und bevor euch nun bei all den lebendigen Pilzen der Appetit auf Brot und Kuchen vergeht: Wie alle Lebewesen sind Hefepilze auf gemässigte Temperaturen angewiesen. Wenn ihr euren Hefeteig also in den Ofen schiebt und erhitzt, sterben alle Pilze ab.

Das Kohlenstoffdioxid, das sie vorher im Teig freigesetzt haben, dehnt sich jedoch in der Hitze aus und lässt so Kuchen und Brot aufgehen und so wunderbar fluffig werden. Wenn indessen Stärke, Proteine, Fett und Zucker im Teig zu einem festen Molekülgerüst reagieren (zum Beispiel im Zuge der Maillard-Reaktion, zu der ihr hier lesen könnt), fällt das Ganze nach dem Abkühlen auch nicht mehr zusammen.

 

Entsorgung

Das Hefe-Wasser-Gemisch könnt ihr in den Ausguss entsorgen – oder vielleicht ein Brot damit backen? Den Luftballon könnt ihr nach Belieben weiter benutzen.

 

Ich wünsche euch viel Spass beim Ausprobieren und Beobachten! Was macht ihr sonst am liebsten mit Hefe bzw. Hefeteig?