Experimentelle Untersuchung der alkoholischen Gärung einfach erklärt

Hast du dich schon einmal gefragt, wie aus süßem Traubensaft eigentlich Wein wird? Die Antwort ist ein winziger Helfer aus der Natur: die Hefe. Bei der experimentellen Untersuchung der alkoholischen Gärung schauen wir uns genau an, wie dieser Prozess abläuft.

Wenn Hefe in einen süßen Saft gelangt, beginnt sie, den Zucker zu „fressen“. Dabei wandelt sie den Zucker in Alkohol und ein Gas um. In dieser Lektion schauen wir uns an, wie man diesen Prozess im Labor nachbaut, wie man die unsichtbaren Produkte sichtbar macht und wie Winzer schon vorher berechnen können, wie viel Alkohol am Ende entsteht.

Vorwissen

• Dichte: Gibt an, wie viel Masse in einem bestimmten Volumen steckt (Masse pro Volumen).
  • Beispiel: Reines Wasser hat eine Dichte von $1000 \text{ g/l}$. Wenn man Zucker darin löst, wird die Lösung schwerer und die Dichte steigt.
• Sieden und Verdampfen: Wenn man eine Flüssigkeit erhitzt, wird sie ab einer bestimmten Temperatur zu Gas.
  • Beispiel: Wasser kocht bei $100 \text{ }^\circ\text{C}$ und wird zu Wasserdampf.

Aufgabentyp 1: Grundlagen der alkoholischen Gärung und des CO2-Nachweises

Die alkoholische Gärung ist ein natürlicher Prozess. Damit sie starten kann, brauchen wir zwei Dinge: Eine Zuckerquelle (wie Glucose oder Fruchtsaft) und Hefe. Oft befinden sich auf ungewaschenem Obst, wie Weintrauben oder Äpfeln, bereits natürliche Wildhefen auf der Schale, die den Prozess ganz von alleine starten können.

Die Hefe wandelt den Zucker in zwei neue Stoffe um:

1. Alkohol (bleibt in der Flüssigkeit)
2. Kohlenstoffdioxid (CO2) (ein Gas, das als Bläschen aufsteigt)

Um zu beweisen, dass bei der Gärung wirklich Kohlenstoffdioxid entsteht, nutzen Chemiker einen speziellen Indikator: Kalkwasser. Wenn das unsichtbare CO2-Gas in klares Kalkwasser geleitet wird, reagiert es und das Wasser wird milchig-trüb. Diese Trübung ist der eindeutige Beweis für Kohlenstoffdioxid.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Zweck: Beobachtung der Gärung und Nachweis des entstehenden Gases.

Materialien: Erlenmeyerkolben, Gummistopfen mit Gärröhrchen, $100 \text{ ml}$ Apfelsaft, $5 \text{ g}$ frische Bäckerhefe, klares Kalkwasser.

1. Fülle den Apfelsaft in den Erlenmeyerkolben und löse die Hefe darin auf.
2. Fülle etwas klares Kalkwasser in das Gärröhrchen.
3. Verschließe den Kolben fest mit dem Stopfen und dem Gärröhrchen und lasse ihn an einem warmen Ort stehen.

Beobachtung: Nach einiger Zeit steigen im Apfelsaft Bläschen auf. Das Gas wandert durch das Gärröhrchen. Das anfangs klare Kalkwasser im Röhrchen wird milchig-weiß und trüb.

Erklärung: Die Hefe vergärt den Zucker im Saft. Das aufsteigende Gas ist Kohlenstoffdioxid, welches durch die weiße Trübung im Kalkwasser eindeutig nachgewiesen wird.

Aufgabentyp 2: Qualitativer Nachweis von Alkoholen (Brennprobe)

Nachdem die Gärung abgeschlossen ist, wollen wir beweisen, dass tatsächlich Alkohol entstanden ist. Dafür nutzen wir die sogenannte Brennprobe.

Alkohol hat eine besondere Eigenschaft: Er verdampft beim Erhitzen viel schneller als Wasser und seine Dämpfe sind leicht entzündlich.

⚠️ Sicherheitshinweis: Alkoholdämpfe sind hochentzündlich. Das Experiment darf nur mit Schutzbrille und unter Aufsicht durchgeführt werden.

Um den Alkohol nachzuweisen, füllt man das vergorene Gemisch in einen Rundkolben und erhitzt es langsam bis zum Sieden. Der Alkohol verdampft zuerst und steigt als Gas auf. Leitet man dieses Gas durch ein Glasrohr nach außen, kann man am Ende des Rohrs ein Feuerzeug an die austretenden Dämpfe halten.

Wenn sich am Ende des Rohrs eine Flamme bildet, ist dies der qualitative Nachweis: Die Lösung enthält brennbaren Alkohol.

Aufgabentyp 3: Bestimmung des Zuckergehalts und Abschätzung der Alkoholausbeute

Für einen Winzer ist es extrem wichtig zu wissen, wie viel Zucker im frischen Fruchtsaft (dem sogenannten Most) steckt. Denn: Je mehr Zucker im Saft ist, desto mehr Alkohol kann die Hefe daraus herstellen.

Da Zucker schwerer ist als Wasser, hat ein süßer Saft eine höhere Dichte als reines Wasser ($\rho = 1000 \text{ g/l}$). Um diese Dichte zu messen, benutzt man ein Aräometer (auch Senkwaage oder Oechslewaage genannt). Das ist ein Glasinstrument, das man in den Saft taucht. Je mehr Zucker im Saft ist, desto höher schwimmt das Aräometer.

In der Weinherstellung rechnet man die Dichte in das sogenannte Mostgewicht um. Die Einheit dafür ist Grad Oechsle ($\text{}^\circ\text{Oe}$). Wenn man das Mostgewicht kennt, kann man mit einfachen Faustformeln abschätzen, wie viel Zucker im Saft ist und wie viel Prozent Alkohol der fertige Wein später haben wird.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Ziehe von der gemessenen Dichte der Lösung (in $\text{g/l}$) einfach $1000$ ab, um das Mostgewicht zu berechnen: $\text{Mostgewicht} = \left(\frac{\rho_{\text{(Lösung)}}}{\text{g/l}} - 1000\right)^{\circ}\text{Oe}$
2. Multipliziere das Mostgewicht mit $2$, um die Zuckerkonzentration abzuschätzen: $\beta(\text{Zucker}) \approx \frac{\text{Mostgewicht}}{^{\circ}\text{Oe}} \cdot 2 \text{ g/l}$
3. Teile das Mostgewicht durch $8$, um die maximale Alkoholkonzentration abzuschätzen: $\sigma(\text{Alkohol}) \approx \frac{\text{Mostgewicht}}{8^{\circ}\text{Oe}} \%$

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Die Reaktion: Hefe wandelt Zucker in Alkohol und Kohlenstoffdioxid (CO2) um.
• Die Nachweise: CO2 wird durch die Trübung von Kalkwasser nachgewiesen. Alkohol wird durch Erhitzen und Entzünden der Dämpfe (Brennprobe) nachgewiesen.
• Die Dichtemessung: Je mehr Zucker im Saft ist, desto höher ist die Dichte. Mit einem Aräometer bestimmt man das Mostgewicht (in $\text{}^\circ\text{Oe}$), um den Zuckergehalt und den späteren Alkoholgehalt zu berechnen.