Beobachtung
Im Referenzglas hat sich die pürierte Apfelmasse braun gefärbt, in den anderen Gläsern hingegen nicht.
Erklärung
In einem Apfel sind sogenannte Polyphenole vorhanden, die in den Zellen, genauer in den Vakuolen, des Apfels gelagert sind. Polyphenole sind große chemische Moleküle, die unter anderem für die Farbe und das Aroma des Apfels verantwortlich sind.
Wird ein Apfel nun aufgeschnitten, werden die Zellen verletzt und die Polyphenole treten aus und kommen mit der Luft in Kontakt. Außerdem tritt ein weiterer Stoff aus: die Polyphenoloxidase. Hierbei handelt es sich um ein Enzym. Enzyme sind große Molekülstrukturen, die eine gewünschte Reaktion hervorrufen und begünstigen können. So werden die Polyphenole mit Hilfe der Polyphenoloxidase in Anwesenheit von Sauerstoff in der Luft zu Chinonen umgewandelt. Man bezeichnet diese Reaktion als eine Oxidation. Chinone bewirken anschließend die Baunfärbung der angeschnittenen Äpfel.
Dieser Vorgang ist in der Natur gewollt. Es handelt sich hierbei um einen natürlichen Schutzmechanismus. Die entstehenden Chinone sind für Mikroorganismen giftig. Der Apfel ist dadurch vor einem Befall von Mikroorganismen und einem schnellen Verderb geschützt.
In Zitronen sind zwei Bestandteile vorhanden, die den beschriebenen natürlichen Vorgang – die enzymatische Bräunung – unterbinden sollen: die Zitronensäure und die Ascorbinsäure (auch bekannt als Vitamin C). Beide Stoffe greifen in die Oxidationsreaktion ein.
Die Zitronensäure ist in der Lage die für die Polyphenoloxidase wichtigen Kupferionen zu binden. Man bezeichnet diese für die Funktion des Enzyms wichtigen Komponenten als Cofaktoren. Dadurch ist die Polyphenoloxidase in ihrer Aktivität gestört und kann die Oxidationsreaktion nicht richtig ausführen.
Die Ascorbinsäure (Vitamin C) unterbindet die enzymatische Bräunung, indem sie bevorzugt mit dem Sauerstoff aus der Luft reagiert und so den Reaktionspartner für die Polyphenole wegnimmt. Im Gegenzug dazu wird die Ascorbinsäure selbst oxidiert. Die enzymatische Bräunung wird so lange verhindert, bis alle Ascorbinsäure-Moleküle verbraucht sind.
Dieses Wissen nutzen Lebensmittelhersteller, um ihre Produkte länger haltbar zu machen. Man bezeichnet solche Stoffe als Konservierungsstoffe. Durch die gezielte Zugabe dieser beiden Komponenten, bleibt der Smoothie oder der Obstsalat aus dem Kühlregal über eine längere Zeit frisch und lecker. So können wir die Produkte auch noch nach einer Woche genießen!
Und was hat das mit Bioingenieurwesen zu tun?
In der Natur treten verschiedene Vorgänge und Phänomene auf, die mikrobiell und enzymatisch begründet werden können. Die Kenntnis über die Mechanismen ist entscheidend, um Gegenmaßnahmen zu entwickeln oder auch um sich die Wirkprinzipien zu Nutze zu machen. Bioingenieurinnen und -ingenieure spielen hierbei eine Rolle für die Erforschung solcher Vorgänge und die anschließende Anwendung auf den Alltag. So kann das Wissen dazu genutzt werden, um Produkte besser haltbarer, leckerer oder umweltschonender zu produzieren. Können bessere Enzyme entwickelt werden? Können vielleicht andere nicht erwünsche Enzyme unterdrückt werden?