2005_02.pdf - Georg-Kerschensteiner-Schule

Georg Kerschensteiner Gymnasium
Müllheim (Baden)
Woher kommt das Vitamin C
im Sauerkraut?
vorgelegt von
Astrid Jurischka
Ismet Hakan Bilgic
Alexander Moritz
jugend forscht 2005
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2 Edition 2008 by Stefan Müller and Otto Schäfer
30 Jahre
jugend forscht
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an der Georg-Kerschensteiner Schule
Technisches Gymnasium Müllheim
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1978-2008

I. VORWORT
INHALTSVERZEICHNIS
II. DIE SAUERKRAUTBEREITUNG – EIN KOMPLEXER VORGANG
1. Haltbarmachung von Lebensmitteln
2. Der Weißkohl
3. Einmachen
a. Gefäße
b. Einmacharten
III. DIE GÄRUNG
1. Bildung von Nitrit aus Nitrat
2. Bildung von Milchsäure aus Glucose
3. Verbleib des Vitamin C in der Lake
IV. HYPOTHESEN FÜR DAS ERNEUTE AUFTRETEN
VON VITAMIN C NACH ABSCHLUSS DER GÄRUNG
V. LITERATURVERZEICHNIS
VI. BILDNACHWEIS
VII. DANKSAGUNG
VIII. EXPERIMENTELLER TEIL

Jugend forscht 2005 Woher kommt das Vitamin C im Sauerkraut?
I. VORWORT
Die Idee zu dieser Arbeit wurde vor fast einem Jahr geboren. Unser betreuender Lehrer Herr
Schäfer macht jedes Jahr im Herbst ca. 6-8 Wochen vor Weihnachten Sauerkraut ein. Anfang
des neuen Jahres werden dann gute Freunde zum großen „Sauerkrautgelage“ eingeladen. Da
das Kraut dabei zwei Stunden gekocht wird, meinte eine der eingeladenen Damen: „Da ist
bestimmt kein Vitamin C mehr drin.“ Als guter Chemiker hat man natürlich diverse
Teststreifen sofort zur Hand und siehe da, Vitamin C war in beachtlicher Menge (200 mg/l)
vorhanden. Dies erstaunte Herrn Schäfer umso mehr, als er eindeutig festgestellt hatte, dass
die bei der Gärung entstehende Salpetrige Säure die gesamte im Kohl vorhandene
Ascorbinsäure zuvor oxidativ vernichtet hatte. Was lag näher, als der Frage nach dem
erneuten Auftreten von Vitamin C nachzugehen und sie zum Thema einer „Jugend Forscht“-
Arbeit zu machen. Bereits 1990 hatten zwei Schülerinnen und ein Schüler die
Sauerkrautgärung untersucht, aber ohne auf die Vitamin C-Problematik einzugehen. Das
Ergebnis der damaligen Arbeit gab wertvolle Hinweise für eine gute Sauerkrautbereitung aus
Weißkohl. Von der jetzigen Arbeit versprachen wir uns die Klärung der Tatsache, dass das
anfänglich im Kohl vorhandene Vitamin C zuerst aufgrund der entstehenden Salpetrigen
Säure verschwindet, dann aber, wenn alle Salpetrige Säure im CO2–Strom als NO, NO2
ausgetrieben wurde, wieder auftritt und ganz offensichtlich in größeren Mengen als zuvor.
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Jugend forscht 2005 Woher kommt das Vitamin C im Sauerkraut?
II. DIE SAUERKRAUTBEREITUNG – EIN KOMPLEXER VORGANG
1. Haltbarmachung von Lebensmitteln
Die Haltbarmachung von Lebensmitteln insbesondere über die Wintermonate war in
früheren Zeiten überlebenswichtig.
Neben dem sachgerechten Lagern z.B. von Kartoffeln und Äpfeln spielte das Einwecken
und das Einmachen eine besondere Rolle. Während beim Einwecken die Inhaltsstoffe
weitgehend unverändert bleiben, wird die Haltbarkeit beim Einmachen durch die bakterielle
Bildung von Milchsäure aus Zucker erreicht. Der abgesenkte pH-Wert ist für die meisten
Schimmelpilze tödlich und damit ist die Haltbarkeit des Lebensmittels gesichert.
2. Der Weißkohl
„1. Der Kohl gehört zur Pflanzengattung der Kreuzblütengewächsen (Brassicaceae, ehemals
Cruciferae) 1) mit weichen Blättern und gelben oder weißen Blüten, darunter die Gemüsearten
Kopfkohl (Weißkohl, Rotkohl und Wirsing) sowie Blattkohl (Blätter-, Grün-, Braunkohl),
Rosen- und Blumenkohl ferner der Rübenkohl mit weißer Rübe (Brach-, Saat-, Stoppel-,
Wasserrübe), Teltower Rübe (Märkische Rübe)und Rübsen, der Rapskohl mit Raps und
Kohlrübe, der schwarze Senf (nebst anderen Senfarten). 2. Viele kohlähnlich beblätterte, auch
wohl als Gemüse oder Grünfutter benutzte Kräuter, wie Hasenkohl, Beißkohl, Geißkohl,
Schweinekohl, Kohldistel und Meerkohl.“ 2)
3. Einmachen
a. Gefäße
Zum Einmachen von Weißkohl eignen sich speziell dazu hergestellte Fässer aus
Eichenholz oder Steingut. Die Erfahrung zeigt, dass die heute gebräuchlichen Steingutfässer
den früher verwendeten Eichenfässern überlegen sind. Bei den Holzfässern lässt sich nicht
vermeiden, dass Saft (Lake) durch Kapillarwirkung einige Zentimeter über den Flüssigkeitsstand
gesaugt wird, was ideale Verhältnisse für die Bildung und Ausbreitung von
Schimmelpilzen bietet. Durch Ausstreichen dieser Stellen mit fein pulverisiertem Salz lässt
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Jugend forscht 2005 Woher kommt das Vitamin C im Sauerkraut?
sich die Schimmelpilzbildung und Ausbreitung zwar einschränken, aber nicht vollständig
unterbinden.
Diese Probleme treten bei den heute üblichen Steingutfässern nicht auf. Eine am oberen Rand
angebrachte Wasserrinne sorgt außerdem mit dem dazu passenden Deckel für einen sauberen,
hygienisch einwandfreien Abschluss. Die Gärgase können das Fass verlassen, ohne dass
Bakterien oder Insekten ins Fassinnere gelangen.
b. Einmacharten
Der weitaus größte Teil des produzierten Weißkohls wird zuerst mit Hilfe eines speziellen
Hobels in dünne Scheiben geschnitten, die in Streifen zerfallen. Diesem gehobelten Kraut
wird dann das Salz und je nach Rezept noch Zucker zugesetzt. Bewährt hat sich ein Zusatz
von 1% Salz und 2% Zucker, bezogen auf die Fassgröße (Beispiel: 40 l Fass: 400 g Salz,
800 g Zucker). Diese Mischung wird dann mit Hilfe eines Stampfers im Fass gestampft, bis
der Saft austritt und das Kraut bedeckt. Wenn das Kraut das Fass gefüllt hat, werden als
Gewürz Wacholderbeeren und Lorbeerblätter mit der Hand im Kohl gleichmäßig verteilt.
Anschließend werden die Decksteine und der Deckel aufgelegt und die Rinne mit Wasser
gefüllt. Nach etwa 6 Wochen ist das Sauerkraut für den Verzehr geeignet. 3)
Neben dieser, der bekanntesten Möglichkeit der Sauerkrautbereitung, gibt es eine
interessante Variante aus dem Kaukasus. Hier werden die möglichst kleinen Kohlköpfe mit
dem Messer halbiert oder gevierteilt. Diese Teile werden zusammen mit Zwiebelringen,
ganzen Knoblauchzehen, in Streifen geschnittenem rotem Paprika, grünem Paprika und
Sellerie ins Fass eingelegt. Die Zutaten für die erforderliche „Lake“ wird aus dem Grünschnitt
der Sellerieknollen gewonnen. Dieser Grünschnitt wird in Wasser mit Salz und einigen
Pfefferkörnern aufgekocht, abgekühlt und dann auf die eingelegten Köpfe gegossen. Das Fass
wird auf die übliche Weise verschlossen. 4) Auch hier dauert die Gärung etwa 6 Wochen.
Interessant bei dieser Variante ist, dass auch nach der Gärung Vitamin C in der Lake
nachweisbar ist. Dies ist nicht verwunderlich, da es sich bei den im Knoblauch und Zwiebeln
vorhandenen Mercapto-Verbindungen um Reduktionsmittel handelt und auch der anfängliche
Vitamin C-Gehalt auf Grund der Vitamin C-haltigen Paprika erhöht wird.
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Jugend forscht 2005 Woher kommt das Vitamin C im Sauerkraut?
III. DIE GÄRUNG
1. Bildung von Nitrit aus Nitrat
Abb. 1: Hobeln (links) und Stampfen (rechts) des Kohls.
Direkt nach dem Hobeln des Krauts lässt sich in der Lake nur Nitrat nachweisen. Als
Schnelltest eignen sich Quantofix ® Teststreifen für Nitrat und Nitrit. Der Nitratgehalt
schwankt je nach Herkunft des Weißkohls erheblich. So stellte Herr Schäfer vor Jahren fest,
dass teurer Weißkohl von Demeter ® mit einem Gehalt von 750 mg/l erheblich mehr Nitrat
enthielt als billiger Weißkohl aus dem Supermarkt mit 100 mg/l. Die Reduktion von Nitrat
(NO3 - ) zu Nitrit (NO2 - ) setzt anaerobe Bedingungen voraus. Bedingt durch den
Einstampfvorgang dürfte anfänglich noch gelöster Sauerstoff in der Lake sein. Dies würde
erklären, weshalb Nitrit erst nach 24 bis 48 Stunden auftritt, dann aber sehr schnell in hoher
Konzentration. Dieser Prozess wird von Bakterien bewirkt. Chemisch handelt es sich dabei
um eine Redox-Reaktion:
+V
NO3 + 2e - + 2H
Schema 1: Reduktion von Nitrat zu Nitrit.
Nitrat wird dabei zu Nitrit reduziert.
+III
NO2 + H 2O
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Jugend forscht 2005 Woher kommt das Vitamin C im Sauerkraut?
Mit abnehmendem pH-Wert, hervorgerufen durch die parallel stattfindende
Milchsäuregärung, werden Nitrit-Ionen protolysiert.
NO2 + H3O H2O + HNO2 Schema 2: Bildung von Salpetriger Säure aus Nitrit.
Die Salpetrige Säure ist nicht beständig, sie zerfällt zu Stickstoffmonoxid NO,
Salpetersäure HNO3 und Wasser:
3HNO 2
HNO 3
+
2NO
+
H 2O
Schema 3: Zerfall von Salpetriger Säure zu Salpetersäure, NO und Wasser.
Die entstehende Salpetersäure dissoziiert zu einem Proton und Nitrat, letzteres wird wieder
zu Nitrit reduziert (Schema 1). Das Stickstoffmonoxid (NO) wird im Kohlendioxidstrom der
Milchsäuregärung aus dem Gärtopf in die mit Wasser gefüllte Rille ausgetrieben. Dort lässt
sich ein Gemisch aus Salpetriger Säure und Salpetersäure nachweisen (Schema 4).
H2O + NO
2NO2 +
2NO
H2O
+
+
+
NO2
O2
½O2
Schema 4: Reaktionen der Stickoxide mit Wasser.
2HNO 2
2NO 2
2HNO 3
Aus diesem Grund muss die Rille öfter (einmal wöchentlich) geleert und mit sauberem
Wasser gefüllt werden. Nach etwa sechs Wochen Gärdauer lässt sich kein Nitrit mehr in der
Lake nachweisen.
2. Bildung von Milchsäure aus Glucose
Die Bildung von Milchsäure lässt sich durch die Beobachtung des pH-Werts der Lake gut
verfolgen. Mit mehrtägiger Verzögerung setzt dann auch die Freisetzung von Kohlendioxid
ein, was man am „Blubbern“ in der Wasserrinne gut hören kann. Die zeitliche Verzögerung
bei der Freisetzung von Kohlenstoffdioxid erklärt sich vermutlich aus der Löslichkeit von
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Jugend forscht 2005 Woher kommt das Vitamin C im Sauerkraut?
Kohlenstoffdioxid in der Lake. CO2 tritt erst aus, wenn die Sättigung erreicht ist. Dies dauert
je nach Temperatur zwei bis drei Tage. Der pH-Wert ist in dieser Zeit von 6,41 auf 5,12
gefallen (vgl. Abb. 2). Die Bildung der Milchsäure lässt sich summarisch wie folgt darstellen
(Schema 5):
CH2OH
H
H
OH
O
H
H
CH3C(OH)HCOOH OH
OH
H OH
L-Milchsäure
α-D-Glucose
Schema 5: Verstoffwechselung von Glucose durch Milchsäurbakterien.
+ CO 2 + CH3CH2OH
Ethanol
Sie wird von Milchsäurebakterien durchgeführt, die die Energiedifferenz zwischen dem Edukt
Glucose und den Produkten Milchsäure und Kohlenstoffdioxid nutzen. Die
Glucosekonzentration lässt sich mit Hilfe von Teststreifen (Bayer) ermitteln. Nach 3 Wochen
wurde ein Wert von mindestens 2000 mg/l (Maximalwert der Teststreifen) gemessen, und
nach weiteren 4 Wochen ist die Konzentration auf 0 mg/l gefallen. Nach zweistündigem
Kochen ist jedoch wieder sehr viel Glucose vorhanden. Dies erklärt sich durch die Spaltung
der beim Einmachvorgang zugefügten Saccharose (Haushaltszucker) in Glucose und
Fructose.
3. Verbleib des Vitamin C in der Lake
Nach dem Einstampfen lässt sich mit Hilfe von Teststäbchen (Merck) der
Vitamin C-Gehalt halbquantitativ schnell bestimmen. Die Farbe eines Teststreifens verändert
sich bei Anwesenheit von Vitamin C und der Farbton kann dann nach 10 Sekunden mit einer
Farbskala verglichen werden auf der die Vitamin C-Konzentration abgelesen werden kann.
Die Abstufung geht dabei von 0 mg/l bis maximal 2000 mg/l. Es zeigte sich im untersuchten
Fall, dass in der Urlake direkt nach dem Einstampfen des Weißkohls der Vitamin C-Gehalt
< 50 mg/l lag.
HO
H
OH
O
O
H
HO OH
L-Ascorbinsäure
HO
H
OH
O
H O O
O
L-Dehydroascorbinsäure
Schema 6: Bildung und Reaktionen von Dehydroascorbinsäure. 5)
+ 2e - + 2H
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Jugend forscht 2005 Woher kommt das Vitamin C im Sauerkraut?
Mit dem Auftreten von Nitrit NO2 - verschwindet Vitamin C, d.h. der Gehalt geht auf
0 mg/l zurück. Da es sich bei Vitamin C um ein starkes Reduktionsmittel handelt und Nitrit
ein kräftiges Oxidationsmittel ist, verwundert dies nicht. Vitamin C ist ein Endiol
(Schema 6) 5) . Denkbar wäre eine Oxidation zur Dehydroascorbinsäure durch Salpetrige
Säure. Wenn dies tatsächlich geschieht, dann sollte dies experimentell mit reiner
Ascorbinsäure, Natriumnitrit und Milchsäure überprüft werden können.
Experimentell zeigt sich, dass das Vitamin C sehr schnell in milchsaurer Lösung durch
Nitrit oxidiert wird. Eine Rückreduktion mit Hilfe von Ammoniumsulfid schlägt jedoch fehl.
Die Irreversibilität der Oxidation beruht wohl auf weiterem Abbau der entstandenen
Dehydroascorbinsäure zu Oxalsäure, Threonsäure, Glyzerinsäure, Milchsäure und
Glykolsäure 6) oder der Inertheit der Folgeprodukte nach der Oxidation (Schema 6).
Ascorbinsäuregehalt (mg/l)
150
100
50
0
pH-Wert
7
6
5
4
3
Nitritgehalt (mg/l)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Zeit (d)
Abb. 2: Verlauf der Konzentrationen von Nitrit und Ascorbinsäure sowie dem pH-Wert während der Gärung
(Nullpunkt der Zeitachse ist der Zeitpunkt des Einmachens des Sauerkrauts).
Nach etwa 6 Wochen fiel der Nitritgehalt der Lake auf 0 g/ml ab, nachdem er die ganze Zeit
beim Detektionsmaximum der benutzten Teststreifen lag. Ab diesem Zeitpunkt stieg der
Vitamin C-Gehalt kontinuierlich an und erreichte nach etwa 17 Wochen nach dem Einmachen
einen Gehalt von 500 bis 700 mg/l.
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Jugend forscht 2005 Woher kommt das Vitamin C im Sauerkraut?
IV. HYPOTHESEN FÜR DAS ERNEUTE AUFTRETEN VON VITAMIN C
NACH ABSCHLUSS DER GÄRUNG
Für das Wiederauftreten von Vitamin C nach abgeschlossener Gärung lassen sich mehrere
Hypothesen aufstellen:
a. Dehydroascorbinsäure wird reduziert zu Ascorbinsäure.
b. Vitamin C wird mit Hilfe von Bakterien, z.B. aus Glucose neu synthetisiert.
c. Chemisch gebundene (maskierte) Ascorbinsäure, die in dieser Form gegenüber
Salpetrige Säure resistent ist, wird später z.B. durch Hydrolyse freigesetzt.
Hypothese a lässt sich leicht experimentell verifizieren. Dazu wurde zuerst Vitamin C mit
Salpetriger Säure oxidiert und danach versucht, dieses Oxidationsprodukt mit Hilfe von
Ammonsulfid zu Vitamin C zu reduzieren. Da dies nicht gelang, spricht dieses dafür, dass
Ascorbinsäure unter den herrschenden Bedingungen entweder weiter als nur zur
Dehydroascorbinsäure umgewandelt wird oder sich die Folgeprodukte der Oxidation
gegenüber der Rückreaktion inert verhalten.
Hypothese b wäre überprüfbar, indem durch starkes Erhitzen die Bakterien abgetötet werden.
Wenn dann unter sterilen Bedingungen der Vitamin C - Anteil steigt, spricht dies für
Hypothese c und gegen Hypothese b.
Zu diesem Zweck wurden Sauerkrautportionen (3 Stück) zu einem Zeitpunkt eingeweckt,
nach dem der Nitritgehalt auf 0 mg/ml zurückgegangen war. Dies war sechs Wochen nach
dem Einstampfen der Fall. (Der Vitamin C-Gehalt lag bereits bei 0-50 mg/l.)
Ab diesem Zeitpunkt stieg der Vitamin C-Gehalt im Fass wie oben erwähnt kontinuierlich an.
Zwei der eingeweckten Proben wurden nach 2 Monaten geöffnet. In der Lake der Proben war
kein Zuwachs an Vitamin C nachweisbar. Der Gehalt lag noch immer zwischen 0-50 mg/l.
Zur gleichen Zeit lag der Vitamin C-Gehalt im Fass zwischen 500 und 700 mg/l.
Dieser Sachverhalt stützt Hypothese b welche eine bakterielle Synthese von Ascorbinsäure
annimmt. Um dies zu untermauern werden weitere Untersuchungen durchgeführt, deren
Ergebnisse beim Landeswettbewerb vorgestellt werden.
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Jugend forscht 2005 Woher kommt das Vitamin C im Sauerkraut?
V. LITERATURVERZEICHNIS
1: Die Bemerkung „ehemals Cruciferae“ wurde von den Autoren in dieses Zitat eingefügt.
2: Der neue Brockhaus, Wiesbaden 1960 Bd.3, 153.
3: Richard Willfort, Gesundheit durch Heilkräuter, Rolf Trauner Verlag Linz 1959, 288-299.
4: Das Einsäuern von Gemüse in Gärtöpfen aus Steinzeug, Rezeptblatt der Harsch
Steinzeugwerke 7518X Bretten.
5: Jörg Steffan, Bestimmung von L-Ascorbinsäure und Dehydro-L-ascorbinsäure
in Humanplasma und Leukozyten mit HPLC/UV und HPLC/EC: Methodenentwicklung,
Validierung und Anwendung, Diplomarbeit Universität-Gesamthochschule Paderborn
1999, 2.
6: Persönliche Mitteilung von Dr. Joachim Veits, Hoffman-La Roche AG Grenzach.Wyhlen,
Schweiz vom 02.05.1996.
VI. BILDNACHWEIS
Titelblatt: aus Armin Roßmeier, Gesunde Köstlichkeiten mit Sauerkraut
Ernährungsratgeber Südwest
Abb. 1: eigenes Bild.
Abb. 2: Abtragung der Nitrit- und Ascorbinsäurekonzentration in der Sauerkrautlake
sowie dem pH-Wert der Lake gegen die Zeit. Punkte im Diagramm geben die gemessenen
Werte wieder (Nitritkonzentration gemessen mit Teststreifen von Quantofix ® ;
Ascorbinsäurekonzentration gemessen mit Teststreifen von Merck ® ).
VII. DANKSAGUNG
Wir danken unserem betreuenden Lehrer Herrn Oberstudienrat Otto Schäfer, der
Schulleitung der Georg-Kerschensteiner Schule Müllheim Frau Oberstudiendirektorin
Beate Wagner und Herrn Dipl. chem. Stefan Müller.
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Jugend forscht 2005 Woher kommt das Vitamin C im Sauerkraut?
VIII. EXPERIMENTELLER TEIL
Verwendete Teststreifen:
Teststreifen auf Nitrat und Nitrit von Quantofix ®
Teststreifen auf Ascorbinsäure von Merck ®
Teststreifen auf Glucose von Bayer ®
Versuch 1: Zersetzung von Ascorbinsäure durch Zugabe von Nitrit
200 mg Ascorbinsäure wurde in einem Liter demineralisiertem Wasser gelöst. Zu dieser
Lösung wurden 3 g Natriumnitrit und 5 ml Milchsäure zugegeben.
Nach den durchgeführten Messungen konnte festgestellt werden, dass die Ascorbinsäure nach
20 bis 30 Minuten nicht mehr nachweisbar war.
Versuch 2: Reaktion von nitrosen Gasen mit Ascorbinsäure
Jeweils zwei Waschflaschen wurden mit einer Lösung von 150 ml demineralisiertem Wasser
und 40 mg Ascorbinsäure gefüllt. Eine dritte Waschflasche wurde mit 100 ml dem. Wasser
und 6,9 g Natriumnitrit sowie 5 ml Milchsäure gefüllt. Diese wurde vor die anderen beiden
Flaschen geschaltet. Nun wurden die entstandenen nitrosen Gase aus der ersten Waschflasche
durch die anderen mit Vitamin C-Lösung gefüllten Waschflaschen mit einem kontinuierlichen
CO2-Strom geleitet.
Nach kurzer Zeit (10 min) konnte man feststellen, dass durch die Einwirkung der Stickoxide
kein Vitamin C mehr in den beiden Waschflaschen nachzuweisen war.
Zur Entfernung der überschüssigen Stickoxide wurde mit CO2 gespült. Dies führte jedoch
nicht zum gewünschten Erfolg. Aus diesem Grund fügte man Harnstoff bis zu negativem
Nitrittest hinzu.
Um die möglicherweise entstandene Dehydroascorbinsäure zur Ascorbinsäure zu reduzieren,
wurden 1 ml Ammoniumsulfidlösung (Merck, ca. 20% Sulfid, wässrige Lösung) als
Reduktionsmittel hinzugegeben. Ein Test mit einem Vitamin C-Teststäbchen war positiv.
Als Kontrollversuch wurden 200 ml Wasser auch mit 3 Tropfen Ammoniumsulfid versetzt.
Auch hier ergaben die Vitamin C-Teststreifen einen positiven Wert. Die Folgerung war dass
die Teststäbchen auf Reduktionsmittel reagieren und nicht spezifisch auf Vitamin C.
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Jugend forscht 2005 Woher kommt das Vitamin C im Sauerkraut?
Zu dem obigen Reduktionsversuch von Dehydroascorbinsäure mit Ammoniumsulfid wurde
zur quantitativen Fällung des Sulfids als Bleisulfid Bleiacetatlösung zugegeben. Nach
Filtration ließ sich im Filtrat kein Vitamin C mehr nachweisen.
Die Schlussfolgerung ist, dass die Salpetrige Säure offensichtlich Ascorbinsäure weiter als
nur bis zur Dehydroascorbinsäure abbaut.
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