übersetzt von: Veronika Ebert, Höhere Bundeslehr- und versuchsanstalt für chemische Industrie, Wien

Mit freundlicher Genehmigung von Hemera Photo Objects

Dean Madden vom National Centre for Biotechnology Education (NCBE), University of Reading, UK stellt ein Experiment vor, mit dem Laktose-freie Milch hergestellt werden kann. Diese Milch ist nicht nur für Katzen, sondern auch für 75% der Weltbevölkerung geeignet, da diese Menschen diese Zuckerart nicht vertragen.

Ziele

Das einfache Experiment führt Schüler/innen in die Prinzipien des enzymatischen Verdaus und der Immobilisierung von Enzyme ein. Es eignet sich als Ausgangspunkt für andere, anspruchsvollere Unterrichtsinhalte wie z.B. die Regulation der Laktaseproduktion in E.coli (das lac-Operon), die Entstehung und soziale Bedeutung der Laktoseintoleranz des Menschen und die Nutzung von Enzymen in der Lebensmittelproduktion.

Einleitung

Laktase (ß-Galaktosidase) katalysiert die Hydrolyse der Laktose zu Glukose und Galaktose:

Laktose  -> D-Glukose + beta-D-Galaktose

Diese beiden Zucker haben mehr Süßkraft und sind leichter verdaulich als Laktose. Trotz ihrer bekannten Vorliebe für Milch sind Katzen nicht in der Lage, große Mengen Laktose zu verdauen. Milch kann mit Laktase behandelt werden, um Laktose-reduzierte Milch herzustellen, die besser für Katzen und Menschen mit Laktoseintoleranz geeignet ist^w1.

Wenngleich die Erzeugung einer Spezialmilch für Katzen unbedeutend erscheint, gewinnt der Ansatz an Gewicht, wenn man bedenkt, dass etwa 75% der erwachsenen Weltbevölkerung eine Laktose nicht verdauen können – somit ist eher die Toleranz von Laktose als abnorm zu bezeichnen.

Kommerziell erhältlicher Milch wird entweder bei der Verpackung Enzym zugesetzt, oder es wird eine immobilisierte Enzymspräparation eingesetzt. Dazu wird das Enzym an ein inertes Material gebunden, das wiederholt genutzt werden kann.

Bei diesem Experiment immobilisieren Schülerinnen und Schüler die Laktase auf Kalziumalginatperlen, packen sie in eine Säule und leeren die Milch durch.

Materialien und Geräte

Pro Person wird benötigt:

Geräte

• Kleines Stück Nylongewebe (etwa 1 cm²), z.B. von einem Vorhang
• 10 ml Plastikspritze (ohne Nadel)
• Aquarienluftschlauch, oder Silikonschlauch mit 4 mm Durchmesser
• Aquarienluftschlauchklemme oder einstellbare Laborschlauchklemme (Hoffmann-Klemme)
• Stativ mit Stativklammer
• 2 kleine Bechergläser (100 ml), oder Kunststoffeinmalbechers
• Teesieb
• Glasrührstab

Materialien

• 2 ml Laktase (Novozymes^w3 Lactozym^®)
• 8 ml 2 % Natriumalginatlösung
• 100 ml 1.5 % Kalziumchloridlösung
• 50 ml Milch (keine UHT (ultrahocherhitze) Milch
• Semi-quantitative Zuckerteststreifen (z.B. Roche Diabur-Test 5000 oder Ames Diastix)

Anmerkung: Alle Lösungen müssen mit destilliertem/deionisiertem Wasser hergestellt werden. Natriumalginat ist schwer löslich, in warmem Wasser unter Rühren.

Vorbereitungsarbeiten und Zeitablauf

Das Experiment dauert etwa 40 Minuten. Da das Lösen des Natriumalginats einige Zeit dauert, sollte die Lösung vor Unterrichtsbeginn vorbereitet werden. Wenn gewünscht, kann das immobilisierte Enzym ebenfalls vorbereitet werden: die Perlen halten sich bei gekühlter Lagerung einige Tage.

Arbeitsablauf

1. Enzymlösung mit Natriumalginatlösung mischen, in 10 ml Spritze aufziehen


2. Natriumalginatlösung tropfenweise aus der Spitze in die Kalziumchloridlösung tropfen, dabei die Bildung kleiner Perle beobachten. Der Auslass der Spritze darf dabei nicht mit der Kalziumchloridlösung in Kontakt kommen, weil dabei das Natriumalginat aushärten, und die Spritze verstopfen würde. Die Perle, in denen das Enzym in einer Matrix von Kalziumalginat eingebettet ist, ein paar Minuten aushärten lassen.


3. Ein kleines Stück Schlauch auf die Spritze aufstecken. Dann ein kleines rundes Stück Nylongewebe in das Innere der Spritze einlegen, um zu vermeiden, dass die Perlen den Spritzenauslass verstopfen.


4. Abtrennen des immobilisierten Enzyms durch Filtration durch ein Teesieb.

5. Die Perlen vorsichtig in die Spritze einfüllen.


6. Den Schlauch mit einer Schlauchklemme verschließen.


7. Die Milch vor der Behandlung mit einem Glukoseteststreifen testen, um sich zu vergewissern, dass sie keine Glukose enthält.


8. Eine kleine Menge Milch auf die Perlen mit dem immobilisierten Enzym leeren, dann die Schlauchklemme lösen, damit die behandelte Milch in ein kleines Becherglas rinnen kann.


9. Die Milch, die die Säule passiert hat, mit einem Glukoseteststreifen testen. Falls erforderlich, die Milch erneut über die Säule leiten, bis die für den Nachweis nötige Glukosekonzentration erreicht ist.

Sicherheitshinweise

Die Milch nicht trinken

Das Enzym, das hier empfohlen wird, ist ungefährlich, wenn es Vorschrifts-gemäß verwendet wird. Obwohl Novozymes Lactozym^® für die Verwendung für Lebensmittel zugelassen ist, sollte die Milch nicht getrunken werden, weil die Arbeiten nicht unter sterilen Bedingungen durchgeführt werden. Das Produkt könnte daher Kontaminationen aufweisen.

Beachten Sie die an Ihrer Institution geltenden Sicherheitsvorschriften, und überprüfen Sie die Sicherheitsvorkehrungen für alle praktischen Arbeiten.

Generelle Sicherheitsrichtlinien für die Verwendung von Enzymen

Das Enzyme wasserlöslich sind, können Verunreinigungen mit Wasser entfernt werden.

Mit freundlicher Genehmigung von Dean Madden

Enzymzubereitungen nicht austrocknen lassen Wenn Enzymzubereitungen austrocknen, kann sich ein feiner Staub ausbilden. Dieser Staub kann bei empfindlichen Personen Asthma oder Heuschnupfen-ähnliche Symptome auslösen. Verspritzte Enzymlösungen - auf den Geräten, dem Fußboden, oder dem Arbeitsplatz - sollten sofort mit Wasser abgespült werden.

Die Bildung von Aerosolen vermeiden

Wenn sich Enzym-hältige Aerosole bilden, besteht das Risiko, Enzym einzuatmen. Bei empfindlichen Personen kann ein Asthmaanfall oder Heuschnupfen-artige Symptome ausgelöst werden.

Vermeidung von Haut- und Augenkontakt

Wenn versehentlich Enzymlösung ins Auge gelangt, mit viel Wasser ausspülen. Das Gleiche gilt für eine Kontaminationen der Kleidung: mit Wasser abspülen, und dann waschen. Das reicht üblicherweise aus. Wenn dennoch Reinzungen der Atemwege, der Haut, oder der Augen auftreten, den Arzt bzw. die Ärztin aufsuchen.

Fehlersuche

Manche Produkte von UHT (ultrahocherhitzter)-Milch  liefern bereits einen positiven Glukosetest, weil ein Teil der Laktose bei der Hitzebehandlung hydrolisiert. Aus diesem Grund keine UHT-Milch verwenden.

Weitere Experimente

Die Säule mit dem immobilisierten Enzym kann auch zur Behandlung von Molke verwendet werden. Dabei entsteht ein Sirup, der üblicherweise für Konditorwaren eingesetzt wird (er wird als „hydrolisierter Molkesirup“ oder „Molkesirup“ bezeichnet. Die Laktase wird durch Galaktose, einem der beiden Endprodukte beim Abbau von Laktose, gehemmt. Daher ist die Flussrate des Substrats über die Säule für die Abbaurate ausschlaggebend: läuft die Milch zu rasch über die Säule, verläuft die Reaktion unvollständig; läuft sie zu schnell, reichert sich Galaktose an, und die Reaktion wird gehemmt. Schülerinnen und Schüler können den Einfluss der Flussrate auf die Geschwindigkeit des enzymatischen Abbaus untersuchen.

Mit freundlicher Genehmigung von Dean Madden

Hersteller

Das NCBE^w2 beliefert Schulen und Hochschulen in Großbritannien mit Enzymen^w3 der Firma Novozym. In anderen Ländern könnte es ähnliche Verträge geben.

Lagerung der Enzymlösung

Enzymlösungen sollten unverdünnt bei 3-4 °C gelagert werden.

Internet-Referenzen

w1 – Eine zusammenfassende Beschreibung der Laktoseintoleranz findet sich bei Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Lactose_intolerance

w2 – Das “National Centre for Biotechnology Education (NCBE)” in Grossbritannien bietet Unterstützung für den Unterricht und praktische Kurse für Lehrerinnen und Lehren in mehreren europäischen Staaten an. Details unter: www.ncbe.reading.ac.uk

w3 – Webseite der Firma Novozymes A/S, Dänemark: www.novozymes.com

w4 – Diese und andere Arbeitsanleitungen können von der Volvox Webseite heruntergeladen werden: www.eurovolvox.org

Quellen

Bayless TM, Paige DM, Ferry GD (1971) Lactose intolerance and milk drinking habits. Gastroenterology 60: 605–608.

Richmond ML, Gray JI, Stine CM (1981) Beta-galactosidase: Review of recent research related to technological application, nutritional concerns and immobilization. Journal of Dairy Science 64: 1759–1771.

Woodward J (ed; 1985) Immobilised enzymes and cells: a practical approach. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN: 0947946217. (Ein Arbeitsbuch für Hochschulen, das Methoden zur Enzymimmobiliserung beschreibt).

Danksagung

Diese Versuchsanleitung wurde für das Volvox Projekt^w4, das vom 6. Rahmenprogramm der Europäischen Union gefördert worden ist, adaptiert.

Dean Madden ist ein Biologe, der am National Centre for Biotechnology Education (NCBE) an der University of Reading in Großbritannien arbeitet. Das NCBE wurde 1984 gegründet und ist ein international für die Entwicklung von innovativen Unterrichtsmaterialien renommieres Institut. Die dort entwickelten Materialien wurden in viele andere Sprachen übersetzt, unter anderem in Deutsch, Schwedisch, Französisch, Holländisch und Dänisch.