Arbeitsblatt: Bräunung von Früchten

Bräunung von Früchten Anleitung zu Eigenversuchen Übersicht Übersicht 1 Theorie . 2 Entwickeln des Experiments Schwierigkeiten . 3 Vorgehen 5 Arbeiten mit Giotto 5 Arbeiten mit Gimp (www.gimp.org) . 6 Arbeiten mit Excel . 7 Arbeiten mit . 7 Didaktische Zwischenbemerkung 7 Resultate 8 a) Apfel 8 b) Bananen . 9 Interpretation 10 Credits 10 Chemische Reaktionsgeschwindigkeiten im Alltag Alessandro Ramelli Theorie Jeder hat schon einmal in einen Apfel gebissen und erlebt, dass dieser in relativ kurzer Zeit beginnt braun zu werden. Es handelt sich hierbei um eine Art von Regeneration der Frucht – obwohl es sich hierbei wohl eher um ein Provisorium handelt, um sich kurzfristig von aggressiven äusseren Umwelteinflüssen zu schützen. Beim Aufschneiden oder Abbeissen einer Frucht, werden deren Zellen zerstört. Diese enthalten diverse Substanzen, welche nun aus den zerstörter Zellen treten und an der Luft reagieren können. Das Endprodukt dieser Kette von Reaktionen ist das Melanin, welches die braune Farbe der Frucht – oder auch bei Laub – ausmacht. Dieses natürliche Pigment ist aber auch im menschlichen Körper vorhanden. Alle anderen Stoffe in der Kette zur Bildung von Melanin sind farblos und werden im Alltag wohl kaum bemerkt. (Abbildung wurde aus dem Script „Biochemie von Prof. Dr. Peter Bützer entnommen) Die Bräunung kann verhindert oder gebremst werden, indem man dem Sauerstoff den Zugang verwehrt. Dies kann geschehen, indem man die geschnittene Frucht unters Wasser legt oder beim Kochen schon in die Sauce – allerdings kann dies wiederum andere Nebeneffekte nach sich ziehen. Deswegen sollte man Gerichte mit Früchten immer erst kurz vor dem Essen hergerichtet werden. Ein anderer Stoff, welcher die Melaninbildung verhindert, ist Vitamin (Ascorbinsäure). Denn dieses bewirkt eine Rückreaktion des Melanins. (Quelle: 10.02.2008 Seite 2/10 Chemische Reaktionsgeschwindigkeiten im Alltag Alessandro Ramelli Entwickeln des Experiments Schwierigkeiten Zuerst ging es darum, eine geeignete Idee der Durchführung zu finden. Es sollte für die Schule im Budget liegen und nicht allzu viele Neuanschaffungen erfordern. Stundenplantechnisch bleibt ein Problem: Das Projekt geht schon etwa einen Tag lang, um gute Daten zu erhalten. Mein Tipp wäre hierbei, dass Gruppenweise Anlagen in einem abzuschliessenden Raum aufgestellt werden und automatisiert werden. Am nächsten Tag wird das Experiment auf Verantwortung der Schüler oder des Lehrers gestoppt. Die Auswertung erfolgt in der darauf folgenden Unterrichtslektion im entsprechenden Fach. Die Versuchsanordnung hat sich praktisch nie geändert. Schon zu Beginn der Überlegungen musste sie etwa so aussehen. Dabei hat sich nur immer wieder das Material gewechselt. Am Material zu sparen war gar keine leichte Sache. Ich hatte meinerseits sehr mit dem Laptop zu kämpfen, dessen USB-Port in defektem Zustand war. An diesem wurde nämlich die Webcam angeschlossen, welche bei einem Wackel den ganzen Computer lahm legte. So kam es, dass die Experimente immer wieder wiederholen musste. In den Schulen sollten aber keine defekten Computer stehen, was die Sache wesentlich weniger ärgerlich macht Auch die Webcam ist ein wichtiges Equippement. Ich habe mir eine 1.3 Megapixel-Kamera mit Cliphalterung/Ständer gekauft und war damit sehr zufrieden! Ich denke, dass eine Webcam unter einer gewissen Auflösung nicht sehr praktisch sein wird. Mir fehlt hierzu aber an dieser Stelle der direkte Vergleich. Notwendigerweise müsste die Kamera eine Funktion zum Ausschalten des Weissabgleiches haben ansonsten wird die Bildhelligkeit ständig abgepasst und dadurch verfälscht! Meist lässt sich der Weissabgleich durch die mitgelieferte Software ausschalten. Ansonsten könnte man versuchen, im Bild einen weissen Referenzpunkt mit einzubauen. Nun sollten die Früchte beschafft werden. Hier hatte ich Mühe bei der Wahl der richtigen Pflanze. Nicht schlecht sind hierbei Bananen weil sie sehr schnell bräunen – allerdings aber auch relativ unregelmässig (Fleckenteppich). 10.02.2008 Seite 3/10 Chemische Reaktionsgeschwindigkeiten im Alltag Alessandro Ramelli Es eignen sich aber auch Äpfel. Als nicht geeignet haben sich Kartoffeln und Mangos herausgestellt. Mangos sind viel zu teuer und schmecken zu gut, um sie ungegessen der Wissenschaft zu opfern! Aber vor allem die Bräunung entspricht nicht den Vorstellungen. Sollte der Früchtekorb zusammengestellt und der Computer und eine Webcam bereit sein, fehlt nur noch die geeignete Software! Hierzu empfehle ich zum einen das Freeware-Programm GIOTTO, um zeitgesteuert Bilder von der Webcam auf die Festplatte zu speichern. Giotto findet man unter Ein weiteres hilfreiches Programm, mit welchem man sich die 1000.- Franken für „Photoshop sparen kann, ist Gimp! Gimp ist ein Grafikprogramm, welches Photoshop im Heimbereich alle Ehre macht. Und dabei ist es erst noch gratis! Also schnell herunterladen unter www.gimp.org. Wie ich mit diesen Programmen umgegangen bin, wird im Folgenden erklärt. Als hätte es nicht schon genug Stolpersteine auf dem Weg zu diesem Experiment gehabt, bin ich nichts desto trotz über ein weiteres Hindernis gestolpert: die Sonne scheint über die längere Zeit des Experiments unterschiedlich stark. Die Sonne ist bei diesem Experiment also ein wichtiger Störfaktor, welchen es auszuschalten gilt. Es braucht ein konstantes, künstliches Licht. Bei der ersten Versuchsanordnung verwendete ich eine Neonlampe. Diese flackerte aber, wie man auf dem Bild links erkennen kann. Ich bemerkte das erst als ich die ganze Versuchsanordnung schon aufgebaut hatte und ärgerte mich entsprechend. Ich musste mir also eine normale Halterung für eine Glühbirne besorgen. Diese gibt es zu einem günstigen Preis in der Migros. Da aber eine Halterung alleine noch kein Licht erzeugt, legte ich mir noch eine 150Watt-Glühbirne in den Warenkorb dazu. Da wird die Sonne gleich neidisch und der Stromzähler fährt Karussell. Die super Halterung konnte man sogar auf den Kopf stellen, oder am Haken an einer sinnvollen Stelle anmachen. Beim ersten Versuch befestigte ich die Lampe an einem Stativ, beim zweiten Versuch stellte ich sie auf den Kopf. Aber auch hier offenbart sich das nächste Problem. Durch die hohe Hitze der Lampe musste ich irgendwie sicher gehen, dass mir die Wohnung nicht plötzlich abbrennen würde. Also stellte ich das Ganze einfach auf eine Küchenplatte, die dieser Hitze gewachsen sein müsste – eine feuersichere Unterlage für die Beleuchtung. Bei einer anderen Anordung fällt dieser Punkt weg. Es können aber andere Gefahren auftauchen. Die ständige Probiererei hat mich ziemlich viel Zeit, Geld, Material und Nerven gekostet. Wer das Experiment also nachmachen möchte, kann sich an meinen Fehlern orientieren und diese so vermeiden. Nun war ich soweit, dass ich endlich beginnen konnte. 10.02.2008 Seite 4/10 Chemische Reaktionsgeschwindigkeiten im Alltag Alessandro Ramelli Vorgehen Die ganze „Anlage wurde nun wie oben beschrieben zusammengestellt. Das Produkt dieser Zusammenstellung sah so aus: Arbeiten mit Giotto Nach dem Herunterladen des Programms braucht dieses nur entzippt zu werden. Eine Installation ist nicht notwendig. Dafür reagiert das Antivirenprogramm heftig, sobald das Programm geöffnet wird. Ich kann aber bestätigen, dass das Programm von dieser Stelle aus virenfrei sein sollte (ohne Garantie). Sollte die Webcam angeschlossen sein, kann mit den Einstellungen begonnen werden. Ohne angeschlossene und korrekt installierte Webcam braucht man es gar nicht zu versuchen! Man öffne „Bildaufnahme Aufnahme von AVIs. Trotz des Namens werden hier aber nicht zwangsläufig nur Videos (AVIs) aufgenommen, sondern eben auch die gewünschten zeitgesteuerten Bildaufnahmen. Das gerade geöffnete Fenster sieht folgendermassen aus: rechts sind die verschiedenen Einstellungen, links das Bild der Webcam. Das untere Bild zeigt noch zusätzlich ein Dialogfenster „Einstellung des Aufnahmetimers. Dieses erscheint bei Klick auf den Button „Timersetup. 10.02.2008 Seite 5/10 Chemische Reaktionsgeschwindigkeiten im Alltag Alessandro Ramelli Am besten geht man nun der Reihe nach Einstellung für Einstellung durch. „Bildeinstellungen öffnet die Funktionen der Webcam – je nachdem erscheinen hier unterschiedliche Einstellungen, welche geändert werden können. „Videoformat braucht an dieser Stelle nicht zu interessieren. „Anzahl der Bilder rate ich auf ein Maximum tu stellen. Die „Timeraufnahme sollte aktiviert werden. Über den Button „Timersetup, der rechts davon positioniert ist, werden die wohl wichtigsten Einstellungen vorgenommen! Wichtig hierbei ist die Option „Zeitrafferaufnahme (nur BMP). Die Einstellungen des Timers sollten bei den „Intervallempfehlungen gewählt werden. Ich empfehle hierbei eine rechnerisch gut verwertbare Frequenz der einzelnen Bildaufnahmen, wie z.B. 1, 2, 5 oder 10 Minuten. Diese Einstellung hängt vor allem von der Bräunungszeit der Frucht ab. Und schliesslich ist es so, umso mehr Werte man hat, desto genauer und präziser kann man die Bräunung nachverfolgen! Es können im Endeffekt immernoch einzelne Daten ausgelassen werden. Wichtig nach den Einstellungen ist, dass man diese auch übernimmt (nicht vergessen!!). Wieder zurück zum Webcam-Fenster, sollte automatisch die Ausgabe in BMPs aktiviert worden sein. Jetzt muss man nur noch den Speicherort über den Button „BMP-Reihe wählen. Man wähle hierzu einen dafür erstellten Ordner und beschrifte diesen entsprechend. Mit „Aufnahme gehts los! Wenn der Computer vorerst noch nichts dergleichen tut, dann ist das richtig so. Erst nach dem ersten Intervall beginnt die erste Aufzeichnung. Nach dem ersten Intervall sollte dringend bei „Status (unten links) überprüft werden, ob schon ein Foto aufgezeichnet wurde. Wenn ein Intervall von 1 Minute eingestellt worden ist, dann steht unter Status auch erst NACH einer Minute, dass EIN Foto gemacht wurde. Auch das Speichern während der Aufnahme kann irritieren – das macht es nämlich nicht. Die Daten erscheinen erst nach drücken der Taste „Stopp Aufnahme! und „Übernehmen. Man betrachte nun die ERSTE und die LETZTE Aufnahme! Kann man von Auge eine Bräunung erkennen? Wenn nicht ist das Experiment fehlgeschlagen und muss gegebenenfalls angepasst und wiederholt werden. Ehrlich gesagt, das Programm ist nicht gerade der Knaller – erst recht nicht für die Schüler. Aber etwas besseres habe ich nicht gefunden! Und ich war immerhin etwa 4 Stunden allein mit dieser Suche beschäftigt! Man weiss ja, dass heutzutage sonst nichts mehr gratis ist! Arbeiten mit Gimp (www.gimp.org) Gimp V2.2 gibt es gratis herunterzuladen. Es ist eine ernst zu nehmende Konkurrenz zum über 1000.- Franken teuren Photoshop – man muss sich nur damit auskennen! Gimp muss zuerst wie übliche Programme installiert werden. Beim ersten Öffnen von Gimp fällt wahrscheinlich auf, dass es sich beim Dialogfenster nur um einen vertikalen Balken handelt. Alle geöffneten Grafiken werden in einem externen Fenster geöffnet, was natürlich Vorteile, aber auch Nachteile bringen kann. Nun müssen die Fotos über „Datei Öffnen geöffnet werden. Um mehrere Bilder gleichzeitig zu öffnen, halte man einfach die „ctrl-Taste auf der Tastatur gedrückt und klicke sich durch die gewünschten Bilder durch. Jedes einzelne Bild muss nun ausgewertet werden. Dafür aktiviere man nun das Fenster mit dem entsprechenden Bild und klicke sich durch: „Dialoge Histogramm. Nun erscheint das gesuchte Fenster. Der Kanal muss auf „Wert gesellt sein – das entspricht der Helligkeit im Bild. Den gesuchten Wert der Helligkeit findet man nun unten unter „Median: xx. Diese Zahl und die dazu entsprechende Zeit sollte nun in Excel entsprechend notiert werden. 10.02.2008 Seite 6/10 Chemische Reaktionsgeschwindigkeiten im Alltag Alessandro Ramelli Viel Spass beim Sammeln der Daten! Bei 180 Bildern kann einem da schon recht langweilig werden Arbeiten mit Excel Die gesammelten Daten sollen nun in eine Tabelle verwandelt werden. Wenn man bisher vernünftig, vorausschauend und geordnet vorgegangen ist, sollte das nun kein Problem mehr sein. Wie man eine Dabelle erstellt weiss ja wohl jeder. Aus diesem Grund breche ich hier die Beschreibung ab. Wer auch Excel gratis haben möchte, der kann sich Openoffice im Netz suchen. Aber damit habe ich persönlich noch zu wenig Erfahrung sammeln können. Ich überlasse das den Interessierten. Arbeiten mit Weil die Bräunung sich schön Zeit lässt, ist sie von blossem Auge nicht direkt zu erkennen. Hat man nun aber diese Aufgabe mit den vielen Einzelbildern schon gemeistert, wäre es schade, diese nicht noch einmal zu verwenden – erst recht, weil dieser Schritt praktisch „gratis ist – das Programm arbeitet von selbst! Ich würde diese Arbeit empfehlen, weil man dann noch etwas bildhaftes, nicht abstraktes in der Hand hat. Sobald das Programm installiert ist, braucht man nichts weiter zu tun als die Bilder zu laden, die Anzeigedauer eines einzelnen Bildes einzustellen (normal wäre ca. 40 Milisekunden) um anschliessend den Film als AVI zu speichern. Will man den Zeitraffer beschleunigen, muss die Anzeigedauer auf einen niedrigeren Wert eingestellt werden. Didaktische Zwischenbemerkung Da das Experiment nicht immer sauber klappt, ist zu gewährleisten, dass in der Auswertungsstunde alle Schüler eine Aufgabe zu erledigen haben. So kann einer Gruppe, deren Experiment nicht gelungen ist, eine vorher erstellte Datenreihe abgegeben werden. Die Aufteilung der Arbeiten ist aber auch in der Gruppe selber zu beachten. Während einer die Bilder durchklickt, kann ein anderer Schüler die Daten in ein Excel-Dokument eintragen. Ein dritter in der Gruppe könnte schon beginnen, eine Skizze des Projektverlaufes zu machen. Diese Arbeit wiederum erfordert aber 3 Computer. Es ist sich also gut zu überlegen, wie man hier vorgehen will. 10.02.2008 Seite 7/10 Chemische Reaktionsgeschwindigkeiten im Alltag Alessandro Ramelli Resultate a) Apfel Nicht als allererstes Experiment, aber das erste, das mir einigermassen gelungen ist, war das Bräunen eines Apfels. Um möglichst viel Sauerstoff an den Apfel herankommen zu lassen, habe ich ihn nicht einfach abgeschnitten, sondern unregelmässig abgebissen (en guete!). Einen direkten Vergleich zwischen der ersten und der letzten Aufnahme fällt jedem sofort ins Auge! Zwar sieht das Ganze nicht sehr appetittlich aus, aber es war ja auch nur das Mittel zum Zweck. Abb. 1: zu Beginn des Versuchs Abb 2: nach 360 Minuten 6 Stunden Auf den zweiten Blick sieht man, dass sich nicht nur eine Bräunung vollzogen hat, sondern dass der Apfel getrocknet wurde und sich entsprechend zusammengezogen hat. Die entsprechenden Werte in Bezug auf die Zeit ergaben folgendes Diagramm: Messung der Helligkeit (Apfel) 140.0 135.0 130.0 125.0 120.0 360 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 115.0 Zeit in Minuten Auffällig hierbei ist das sprunghafte Auf- und Absteigen der Kurve vor allem gegen Ende der Messungen, wo die Unterschiede geringer werden. Ich schätze, dass dieses Springen vom Flackern der schlechten Aufnahmequalität herrührt. Ausserdem könnte sich durch das erwähnte Zusammenziehen der trocknenden Frucht der Schatten verändert haben und so das Ergebnis beeinflussen. 10.02.2008 Seite 8/10 Chemische Reaktionsgeschwindigkeiten im Alltag Alessandro Ramelli b) Bananen Beim Experiment mit einer Banane wurde ein Intervall von je 5 Minuten eingestellt. Leider musste die Messung durch einen Defekt meines USB-Ports etwa 4 mal wiederholt werden. Auch beim letzten Versuch, welcher hier dargestellt ist, spielte der USB-Port nach 80 Minuten nicht mehr mit. Durch die wenigen Daten ist in der entstehenden Daten-Kurve kaum eine Verlangsamung der Bräunung zu erkennen: Messung der Helligkeit (Banane) 140 135 130 125 120 115 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Zeit in Min Man beachte aber auch, dass die Banane – wenn sie durch die Mitte aufgeschnitten wird – schon mit einem dunkleren Wert beginnt als der Apfel! Speziell ist auch die Reflektion des Lichtes (siehe Bild unten links). Diese ist noch eine ganze Weile zu sehen und könnte die Werte im ersten Teil der Messungen verfälscht haben. Noch zum Vergleich das erste und letzte Bild der Aufnahmen: Abb. 1: zu Beginn des Versuchs 10.02.2008 Abb 2: nach 80 Minuten des Experiments Seite 9/10 Chemische Reaktionsgeschwindigkeiten im Alltag Alessandro Ramelli Interpretation Die Reaktionsgeschwindigkeit ist am Anfang schnell und nimmt dann kontinuierlich ab, bis sie scheinbar stagniert. Bei allzu grossen Wunden tritt anschliessend bald der Verrottungsprozess ein. Bei einer kleineren Fläche (z.B. einem Wurmloch), würde der Apfel trotzdem noch weiterwachsen – natürlich dadurch bedingt, dass er noch am Baum hängt. Die Verlangsamung des Prozesses ist damit begründet, dass die entstandene oder entstehende Schicht von Melanin die Zufuhr weiteren Sauerstoffes verhindert. Somit wird die Oxidation zu Melanin verhindert. Es handelt sich hier praktisch um eine mechanische negative Rückkopplung auf den Prozess der Melaninbildung. Am Kurvenverlauf lässt sich erkennen, dass es sich hierbei um eine Reaktion 1. Ordnung handeln muss. Bei Reaktionen 1.Ordnung aber handelt sich um Prozessen, bei denen die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur vorhandenen Konzentration ist. Edukt Produkt Dies trifft hier aber nicht zu, weil die Edukte immernoch massig vorhanden sind. Die Verlangsamung aber kommt nur durch den zunehmenden Luftabschluss zustande! Praktisch eine negative Rückkopplung. Es handelt sich bloss um eine Pseudo-1. Ordnung. Edukt Produkt Credits Fragen zum Experiment? Dann melde man sich per Email oder MSN unter bei mir. 10.02.2008 Seite 10/10