Gelbildung

Text aus: https://www.chemieunterricht.de/dc2/tip/09_05.htm (Oktober 2020)

Was gibt es Schöneres für die Sommerzeit als gekühlte Götterspeise mit Vanillesauce? Auch Windeln tragende Babys essen die gerne. Was haben Götterspeise und Babywindeln gemeinsam? Hinter ihnen stecken chemische Verbindungen, welche grosse Mengen an Wasser zu binden vermögen. Dabei bildet sich Glibberzeugs - oder ein Gel, wie der Chemiker sagt. Die wasserbindenden, chemischen Verbindungen nennt er Gelbildner. Bei besonders effektiven spricht er auch von Superabsorbern. Und wenn es sich (wie in unseren Beispielen) um Gele auf Wasserbasis handelt, nennt er diese Hydro-Gele.

Gleich vorneweg: Es handelt sich bei der Erforschung der Gelstrukturen und der davon abhängenden Eigenschaften um eine sehr komplizierte Chemie-Sparte! Das soll uns aber nicht abschrecken, uns damit zu befassen.

Alle gelbildenden Verbindungen sind aus Makromolekülen aufgebaut. Sie bilden lange, mehr oder weniger vernetzte Molekülketten und Molekülnetze.

Da ist zunächst der Klassiker:

Gelatine

Gelatine ist nicht nur als wasserbindende Substanz für Götterspeise oder andere Lebensmittelzubereitungen wichtig. Viele Gelatinearten benötigt man für eine Reihe von technischen Anwendungen. Mit Gelatine beschichtet man zum Beispiel auch Filmmaterial. Gelatine wirkt hierbei nicht nur als Träger für die lichtempfindliche Emulsion, sondern selbst als Emulgator für Silberbromid, der für feine Verteilung der Silberbromidkristalle sorgt. Darüber hinaus stabilisiert sie sogar noch die Emulsion. Man spricht von einem Schutzkolloid. Der verhindert nämlich das Zusammenbacken von Silberbromid und damit die Bildung größerer Kristalle, was zu einer störenden Grobkörnigkeit des Bildes führen würde.

Wie muss man sich die Struktur eines Gels vorstellen?

Zunächst einmal handelt es sich bei den Gelbildnern um polare Substanzen. Sie sind in der Lage, mit den Dipolen des Wassers Bindungen auszubilden: Wasserstoffbrückenbindungen oder (wenn sie geladen sind) Ion-Dipol-Bindungen. Die primär fixierten Wassermoleküle bilden Bindungen zu weiteren Wassermolekülen aus. Auf diese Weise können die Gelbildner große Mengen an Wassermolekülen um sich herum gruppieren und festhalten.

Versuch 1: Gel aus Gelatine herstellen

Versuch 2: Gel ist ein Protein

Die langen Molekül-Ketten liegen im Gel mehr oder weniger verschlungen vor. Dabei können sich auch stabilisierende Doppelhelices bilden, wie wir sie von der DNA her kennen. Dass nicht das gesamte Polymergemisch zur Doppelhelix wird, liegt daran, dass es alternierende, feine Unterschiede in der Struktur der Gelbildnermoleküle gibt. Damit können sich verschlungene, weitmaschige Netze aufbauen.

Ausserdem werden durch die Weitmaschigkeit die wasserbindenden Gruppen der Gelatine mit großen Mengen an Wasser in Kontakt gebracht. Gelbildnernetze schließen das Wasser regelrecht ein. Wir sprechen von strukturiertem Wasser. Die Wassermoleküle sind manchmal sogar so fest gebunden, dass sie auch unter äusserem Druck nicht abgegeben werden. Deshalb fühlt sich wasserärmeres Hydro-Gel oftmals sogar trocken an.

Götterspeise ohne Gelatine?

Heute wird Götterspeise von den meisten Herstellern nicht mehr aus Gelatine gemacht. Grund ist die Furcht der Verbraucher vor BSE. Mittlerweile greifen die Hersteller auf pflanzliche Polysaccharide zurück, zum Beispiel auf Polysaccharide namens Carrageenane. Die bestehen letztlich vor allem aus Galactoseresten. (Nicht erschrecken: Die Galactose ist überhaupt nichts Besonderes. Sie ist zum Beispiel neben Glucose Bestandteil der Lactose und kann in unserem Körper leicht abgebaut werden.)

Wegen der vielen OH-Gruppen können Polysaccharide Wassermoleküle über Wasserstoffbrücken binden und auf diese Weise große Mengen an Wasser speichern. Dieses primär gebundene Wasser hat einen besonderen Effekt zur Folge.

Zuvor müssen wir aber noch etwas nachtragen: Carrageenane tragen (wie auch viele andere, wasserbindende Polysaccharide) darüber hinaus noch Sulfat- oder Carboxylatreste.

Carrageenane sind also Anionengerüste. Bleibt noch die Frage, was die Gegen-Ionen zu den Anionen-Gerüsten sind. Hier handelt es sich um Ammonium- sowie um Alkalimetall-Ionen.

Die Polysaccharide erinnern somit an einen beladenen Kationenaustauscher. Allerdings werden hier keine Ionen ausgetauscht. Im ersten Schritt (die Aktivierung) werden bei Kontakt mit Wasser die Kationen nur herausgelöst. An ihre Stelle treten Wasserdipole, die mit den anionischen Resten über Ion-Dipol-Kräfte wechselwirken. Man kann das Ganze als eine Lösung von Kationen in Wasser bezeichnen, das an einem riesigen Anionsystem fixiert ist. Es ist sozusagen eine strukturierte Salzlösung.

Die vielen eng benachbarten negativen Ladungen der Poly-Anion-Makromoleküle stoßen sich in dieser "Lösung" ab; damit weiten sich die Strukturen auf. Es können auf diese Weise unglaublich viele Wassermoleküle fixiert werden.

Hinzu kommen noch strukturelle Eigenschaften, die diesen Effekt verstärken. Die wasserbindenden Polysaccharide bauen (wie schon bei der Gelatine besprochen) verschlungene, weitmaschige Netze mit doppelhelicalen Bereichen auf.

Saure oder anionische Polysaccharide sind beileibe keine Technikprodukte. Carrageenane gewinnt man aus Rotalgen. Es gibt weitere Algenprodukte: Agar-Agar und Algine. Gummi arabicum gewinnt man aus einer Akazienart. Einige wasserspeichernde Polysaccharide sind bereits von vornherein in vielen unreifen Früchten wie Äpfeln und vor allem in Quitten enthalten. Sie heissen Pektine. Typisch für sie sind die Bausteine Galacturonsäure bzw. ihr Anion sowie ihr Methylester.

Die eigentliche Aufgabe der Pektine in den Pflanzen ist die eines wasserbindenden Strukturbildners. Mit ihrer Hilfe kochen wir aber auch die Gelees und Marmeladen, die wir auf dem Frühstücksbrötchen so lieben.

Reife Früchte haben weniger Pektine. Ihnen werden beim Zubereiten von Gelees pektinhaltige, käufliche Gelierzucker zugesetzt. An deren Dosierungsvorschriften sollten wir uns unbedingt halten! Andernfalls wird der Gelee zu flüssig oder zu fest.

siehe Versuch 4: Untersuchung von Gelierzucker

Auch unsere Augäpfel enthalten strukturbildende Polysaccharide. Man nennt sie Mucopolysaccharide (mucidus ist das lateinische Wort für rotzig). Sie bilden zusammen mit speziellen Proteinen feine Netze, die das Wasser extrem binden. Augäpfel sind bekanntlich sehr hart, wie du selbst fühlen kannst. Das liegt nicht an der umgebenden Lederhaut-Hülle. Wenn man die entfernt, wird der Glaskörper des Auges freigelegt, der bezüglich seiner Eigenschaften an einen Flummi erinnert. Den Glaskörper können wir mit einem Schneebesen zerrühren bzw. zerschlagen. Dabei merken wir, dass der Glaskörper zu 98 % aus Wasser besteht! Wie der Name Mucopolysaccharide besagt, sind diese Stoffe auch bei der Bildung von Schleimen und Emulsionen beteiligt.

Sagenhaft ist auch der hohe Wassergehalt der Quallen. Die fühlen sich knackig fest an - vor allem wenn man drauftritt. Sie bestehen aber zu 99 % aus Wasser. Das erkennt man, wenn man beobachtet, wie die Quallen in der Sonne eintrocknen: Danach bleibt oft nur noch der runde Abdruck im Sand übrig. Den kann man sogar als Versteinerung finden.

Zur Erinnerung: Auch Stärke bildet Gele.

Nun zu den Babywindeln

Die modernen Babywindeln sind chemisches High-Tech. Wir erkennen solche Windeln an entsprechenden Werbehinweisen wie zum Beispiel für "Fixies®" der Fa. Hartmann: "Mit Sensitive Care, den speziellen Saugkügelchen, die Nässe und die hautirritierenden Stoffe des Urins sicher einschliessen."

Versuch 5: Speichervermögern von Babywindeln

Die Ergebnisse des obigen Versuches sind beeindruckend! Allerdings ist die Windel deutlich schwerer geworden. Unser Baby hat also an seiner Windel zu schleppen!

Unsere Mütter und Grossmütter müssten uns eigentlich um diese Windeltechnologie beneiden. Die Werbung mit echt trockengelegten Babys hält, was sie verspricht. Denn die Windeln enthalten wasserspeichernde Gelbildner, die das Hundertfache ihres Gewichts an Baby-Pipi binden können. Man nennt sie Superabsorber. Der Vorteil dieser Substanzen ist auch, dass sie neutral reagieren und physiologisch unbedenklich sind. Trotz ihres sagenhaften Bindevermögens für Wasser sind sie nicht hygroskopisch; man kann die Windeln also offen lagern.

Wo bekommen wir die tolle Substanz her? Die Firmen geben dem Vernehmen nach nur Portionen im Umfang von mindestens 50 kg ab.

Warum also isolieren wir die wasserspeichernden Gelbildner nicht aus den Windeln?

Versuch 6: Superabsorber

Es ist schon merkwürdig: Das Gel enthält sichtlich eine Unmenge an Wasser, fühlt sich aber (bei nicht zu großen Wassermengen) richtig trocken an. Versuchen wir eine Erklärung.

Chemisch handelt es sich um das Natrium-Salz der Poly-Acrylsäure.

Das Monomere (Acrylsäure) ist zunächst einmal linear vernetzbar. Durch Einbau von polyvalenten Monomeren kann das Polymer auch Quervernetzungen enthalten.

Das Bau- und Funktionsprinzip ist uns schon bekannt: Das Netz gleicht denen der anderen wasserbindenden Polyanionen wie den Carrageenanen. Letztlich hat man alle willkommenen Eigenschaften der natürlichen Gelbildner zusammengefasst und technisch optimiert, was die Substanz zu einem Superabsorber macht. Die Wassermoleküle sind hier sogar so fest gebunden, dass sie auch unter äußerem Druck nicht abgegeben werden. Deshalb fühlt sich das Hydro-Gel zunächst immer trocken an.

Man hört immer wieder, dass die Superabsorber das Tausendfache ihres Gewichts an Wasser wegstecken können. Schön wär´s: Denn dann brauchte Babys Windel nur einmal in der Woche gewechselt zu werden... Allerdings ist Baby-Pipi kein destilliertes Wasser (wie es zur Demonstration der Wirksamkeit von Superabsorbern gern genommen wird), sondern enthält gelöste Salze. Untersuchen wir doch einmal, wie sich der Superabsorber gegenüber Salzlösungen verhält.

Versuch 8: Superabsorber und Salzlösungen