Chemlab proef: vetten Kwalitatieve en kwantitatieve analyse van vetten (en olie)

Transcriptie

1 1 Chemlab proef: vetten Kwalitatieve en kwantitatieve analyse van vetten (en olie) 1 Voorbereiding 1.1 Inleiding Lipiden, de verzamelnaam voor vetten (vast bij kamertemperatuur) en olie (vloeibaar bij kamertemperatuur) zijn apolaire of hydrofobe verbindingen: ze lossen zeer slecht op in H 2 O (het voorbeeld van een polair solvent), doch goed in apolaire solventen als chloroform (CH 3 Cl), CCl 4, petroleumether en ether. Lipiden bevatten chemisch zeer verschillende moleculen; de best gekende zijn echter triglyceriden: drie vetzuren veresterd aan glycerol en fosfolipiden, de basismoleculen van membranen. Teken de structuurformule van glycerol, een vetzuur, een triglyceride en een fosfoglyceride; je mag schematiseren ( of R) als je weet wat het betekent. glycerol: vetzuur: triglyceride: fosfoglyceride: Let op het onderscheid vetzuur en vet (meestal triglyceride bedoeld)!

2 2 Vetzuren verschillen in lengte en in graad van onverzadigdheid (of aantal dubbele bindingen). Plantaardige lipiden bezitten in de regel veel dubbele bindingen, planten en micro-organismen bezitten immers enzymen om meerdere dubbele bindingen in één vetzuur aan te leggen. Hogere dieren (en de mens) missen deze enzymen. Toch zijn lipiden met meervoudig onverzadigde vetzuren (de zogenaamde essentiële vetzuren) onmisbaar in ons dieet omdat ze nodig zijn om vetopslag en membranen vloeibaar te maken. Dubbele bindingen in natuurlijk voorkomende vetzuren zijn immers altijd aangelegd in de cis-configuratie. Teken dit (structuurformule): Leg uit hoe dit de vloeibaarheid in vetlagen (triglyceride stapelingen) en membranen bevordert:

3 3 De vloeibaarheid bij kamertemperatuur van vetdepots en membranen is zeer belangrijk voor enzymen (opbouw- en afbraak) en andere eiwitten (bijv. transportproteïnen) die erin moeten werken en daarvoor moeten kunnen bewegen. In een vloeibare omgeving kan dit, in een starre vaste structuur niet! Dierlijk vet, dat beduidend minder dubbele bindingen bevat, omdat de syntheseenzymen voor meervoudig onverzadigde vetzuren ontbreken, wordt vloeibaar gehouden door vetten en vetzuren met dubbele bindingen uit de voeding, maar ook door cholesterol (eigen of uit de voeding). Plantaardige olie en vetten zijn voor onze voeding erg belangrijk: ze bevatten essentiële vetzuren en geen cholesterol (wel andere steroïden). 1.2 Het joodgetal Het aantal dubbele bindingen in een vet of olie, bepaald via het joodgetal, is meteen een gezondheidsindicator voor voedingsvetten. Hou echter eveneens rekening met het feit dat de moderne minarines ongeveer 50% water bevatten, gebonden in de apolaire lipide-massa via gelatine (eiwit uit beenderen en bindweefsel). Bij consumptie van deze minarines krijg je dan ook slechts de helft vetten binnen, hetgeen eveneens belangrijk kan zijn in onze maatschappij van over consumptie. Een idee over het watergehalte van vetten krijg je door vet te smelten en het vormen van 2 lagen (zie lab) na afkoeling: boven de vetlaag, beneden de waterlaag (hogere dichtheid). Zoek de definitie van het joodgetal op; let op dat deze definitie praktisch hanteerbaar is: hoeveel g vet, welke eenheden (zie 3. kwantitatieve testen). Schrijf de chemische reactie die aan de basis ligt van de berekening van het joodgetal voor een vet (triglyceride) en een vetzuur met x dubbele bindingen.

4 4 vetzuur: triglyceride: Als je het M r kent (symbool M r ) en het aantal dubbele bindingen (x) geef dan aan hoeveel mol en hoeveel gram I 2 verbruikt wordt in de reactie per 100 g vet of vetzuur: noteer dit onder de reacties. (voorgaande kaders) Hieronder worden de formules van twee vetzuren gegeven. Bereken van elk de molecuulmassa en het joodgetal: Arachidonzuur: CH 3 (CH 2 ) 4 CH = CH CH 2 CH = CH CH 2 CH = CH CH 2 CH =CH CH 2 CH 2 CH 2 - COOH M r : X: JG:

5 5 Linoleenzuur: CH 3 CH 2 CH = CH CH 2 CH = CH CH 2 CH = CH (CH 2 ) 7 - COOH M r : X: JG: De methode om het joodgetal te bepalen steunt op het volgende principe: een gekende hoeveelheid te onderzoeken margarine of vet wordt opgelost in een vetoplosmiddel, waaraan vervolgens een gekende hoeveelheid broom-oplossing wordt toegevoegd. Br 2 reageert identiek, maar sneller met de dubbele bindingen dan I 2. Nadien doen we alsof het niet Br 2 maar I 2 was dat aan het vet geaddeerd werd. Daarna wordt een KI-oplossing toegevoegd, die met de overmaat Br 2 reageert tot I 2 en KBr. Het vrijgestelde I 2 wordt tenslotte getitreerd met een natriumthiosulfaatoplossing (Na 2 S 2 O 3 ). Schrijf de gebruikte reacties, uitgaande van de deelreacties. Duid onder de redoxreactie telkens aan wat in overmaat toegevoegd wordt. Welke concentratie, welk volume of welke hoeveelheid bepalen we via de titratie? Schrijf dit eveneens onder de betreffende reactie. Redeneer dan terug als we dit weten, kunnen we berekenen Beredeneer stap voor stap hoe je het jood (of praktisch broom ) getal uit deze titratie bekomt:

6 6 Br 2 -additie: Overmaat Br 2 + KI: Titratie van I 2 : Doe dezelfde redenering bij de blanco-proef. Er is dan geen vet, toch voeg je Br 2 bij (precies hetzelfde volume, uit dezelfde oplossing), er zal niets wegreageren,.enzovoort.

7 7 Ter illustratie geven we in volgende tabel voor enkele soorten vetten en oliën de waarde van het joodgetal. Vet kokosvet boter kakaoboter varkensvet olijfolie maïskiemolie zonnebloemolie lijnolie JG

8 8 1.3 Het verzepingsgetal De esterbindingen in triglyceriden (en ook fosfolipiden) kunnen gehydrolyseerd worden. Hydrolyse is splitsen met H 2 O. Als dit uitgevoerd wordt met NaOH of KOH als katalysatoren (boven pijl schrijven) ontstaan uit de gevormde vetzuren in reactie met deze basen, zogenaamde zouten (dus K + of Na + zouten) van vetzuren (dus zepen). Deze totale reactie noemt men de verzepingsreactie. Schrijf ze voor een triglyceride met de 2 deelreacties (hydrolyse en zuur-base reactie):

9 9 Omdat deze reactie stoechiometrisch uit te voeren is (aflopend en volgens de voorgetallen), kan je uit de verbruikte hoeveelheid base de hoeveelheid triglyceride per gewichtseenheid vet (in de veronderstelling dat al het vet bestaat uit triglyceriden) bepalen en dus ook het gemiddeld molecuulgewicht van de aanwezige vetzuren. Zo komt men tot het zogenaamde verzepingsgetal, dat een aanduiding is van de gemiddelde lengte van de vetzuurketens in de triglyceriden. Zoek de (hanteerbare!) definitie van het verzepingsgetal op: (eenheden!) Bereken hoeveel mol en hoeveel mg KOH nodig zijn uitgaande van g vet voor de verzepingsreactie en noteer dit onder de betreffende reactievergelijking van vorige bladzijde. Uit het verzepingsgetal (VP) haal je ook het (gemiddeld) molecuulgewicht (M r ) van de triglyceriden uit het vet of de olie. Leid een formule af (onder de reactievergelijking van vorige blz. Schrijf de formule dan over: Of M r omgekeerd: (triglyceride) als = je de lengte kent van de 3 vetzuren uit een triglyceride (n 1, n 2, n 3 : aantal koolstoffen) kan je het molecuulgewicht berekenen en het verzepingsgetal (VP). Of omgekeerd: als je de lengte kent van de 3 vetzuren uit een triglyceride kan je het molecuulgewicht berekenen en het verzepingsgetal (VP).

10 10 Boter bevat bijvoorbeeld nogal wat boterzuur (vandaar de benaming!), een zeer kort vetzuur (4 koolstoffen). Levert dit een relatief hoog of laag verzepingsgetal? Leg uit! Oefening: In een triglyceride hebben de eerste en de derde alkylgroep als formule (CH 2 ) 16 CH 3, en de tweede alkylgroep - (CH 2 ) 12 CH 3. Bereken het verzepingsgetal van dit triglyceride.

11 11 2 Kwalitatieve testen: lab 2.1 Oplosbaarheid van vetten a) In een reageerbuisje wordt een kleine hoeveelheid olie gebracht, er wordt 10 ml water toegevoegd, en er wordt krachtig geschud. b) Doe hetzelfde met telkens 10 ml van een organisch solvent zoals chloroform, ether of petroleumether. Noteer je waarnemingen (wat zie je?) en conclusies (hoe komt dit of wat betekent dit?): a. olie + water: b. olie + organisch solvent: 2.2 Emulgerende (emulsievorming) werking van zepen en detergenten 1. Principe De reinigende werking van zepen en detergenten steunt op het feit dat deze moleculen tensidemoleculen zijn of oppervlak actieve stoffen, die een hydrofiel (polair) en een hydrofoob (apolair) gedeelte in de molecule bezitten, wat hen geschikt maakt om vuildeeltjes (meestal apolair!) te omringen en zo in emulsie te houden in H 2 O via micelvorming. 2. Recept Breng in reageerbuis 1: 5 ml water reageerbuis 2: 5 ml water en enkele druppels zeepoplossing reageerbuis 3: 5 ml water en enkele druppels detergentoplossing Voeg bij elke reageerbuis 2 druppels olie, schud krachtig, en voeg vervolgens 2 druppels (niet teveel) Sudan III (0.1% in ethanol) toe, waardoor de vetten

12 12 gekleurd worden. Meng door krachtig schudden, en laat even rusten. Waar bevindt zich de kleurstof en waar dus de vetten? Conclusie? 1. olie + water + kleurstof: 2. olie + zeep + kleurstof: 3. olie + detergent + kleurstof 2.3 De onoplosbaarheid van calciumzepen 1. Principe Eén van de nadelen van de klassieke zepen is het feit dat ze met calciumionen onoplosbare calciumzepen vormen. Dit is trouwens één van de redenen waarom klassieke zepen niet meer gebruikt worden in waspoeder: de gevormde calciumzouten slaan neer op de te reinigen weefsels, en op de machineonderdelen. In deze test wordt de onoplosbaarheid in water van calciumzouten van zeep aangetoond. 2. Recept Breng in een reageerbuisje 5 ml zeepoplossing, en voeg druppel per druppel een 10% oplossing van CaCl 2 in water toe. Het ontstaan van een vlokkig neerslag wijst op de aanwezigheid van (RCOO) 2 Ca(v) (wit) Noteer je waarnemingen en conclusies: reactie:

13 13 3 Kwantitatieve testen: lab 3.1 Het joodgetal Principe Een maat voor het aantal dubbele bindingen in vetten of vetzuren is het joodgetal JG. Een typische organische reactie van koolstof-koolstof dubbele bindingen is de electrofiele additie van halogenen X 2 (Br 2 of I 2 ). Bij onverzadigde vetten of oliën kan men aan de C=C bindingen X 2 adderen, en bovendien is de hoeveelheid X 2 die hierbij geaddeerd wordt een maat voor het aantal koolstof-koolstof dubbele bindingen dat aanwezig is. Schrijf de reactie: Een maat voor de hoeveelheid X 2 die reageert met een bepaalde hoeveelheid vet of olie is het joodadditiegetal of joodgetal: het joodgetal geeft per definitie het aantal gram jood aan dat gebonden wordt door 100 gram vet of olie. Werk uit in een formule (JG) hoe je uit dit joodgetal het aantal dubbele bindingen (x) van een vet of olie (met gemiddeld M r ) bepaalt: (zie voorbereiding) formule: x = In deze proef bepalen we experimenteel het joodgetal van enkele merken van margarines, of van vetten.

14 14 gebruikt vet of olie: Recept: Weeg in een miniatuurbekertje (afgeslepen reageerbuisje) een hoeveelheid margarine of vet (na ontmengen: neem enkel uit de vetlaag!) af, in functie van het te verwachten jood-getal: verwacht joodgetal af te wegen aantal gram > Het vet wordt vooraf gesmolten en gefilterd om een emulsie (met H 2 O en gelatine) te breken. Je krijgt dan twee lagen. Let op dat je enkel materiaal neemt uit de apolaire laag (lichter). Breng het bekertje in een erlenmeyer van 500 ml, voeg 10 ml chloroform toe, en zwenk goed om, om de margarine of het vet op te lossen (bekertje niet uit de erlenmeyer nemen!). Voeg voorzichtig 25.0 ml broomreagens volgens Kaufmann toe, meng zeer voorzichtig door omzwenken, sluit de erlenmeyer met de stop, en laat 1 uur in het donker rusten. Voeg na 1 uur rusten 20 ml van een 10% KI oplossing in water toe, en 100 ml gedeïoniseerd water, en meng. Titreer met een natriumthiosulfaat-oplossing (ongeveer 0.1 N). Voeg aan het einde van de titratie enkele druppels zetmeeloplossing toe als indicator. Voer gelijktijdig hiermee op identieke wijze een blancoproef uit. Hiervoor wordt alleen 10 ml chloroform gebruikt, en 25.0 ml broomreagens (ook 1 uur in donker!). Bereken het joodgetal van het opgegeven vet. Controleer jezelf via de tabel!

15 15 Berekening: Besluit:

16 Het verzepingsgetal Principe: Zoals eerder vermeld zijn vetten en oliën triglyceriden. Deze triglyceriden kunnen door reactie met kaliumhydroxide gehydrolyseerd worden tot enerzijds glycerol en anderzijds tot zouten van vetzuren. Deze zouten van vetzuren worden gebruikt als zeep, en om die reden wordt de hydrolyse van triglyceriden ook de verzeping van de triglyceriden genoemd. De hoeveelheid KOH die nodig is om een welbepaalde hoeveelheid triglyceride te verzepen bepaalt het verzepingsgetal VP. Het verzepingsgetal geeft per definitie het aantal mg KOH aan dat nodig is voor de volledige verzeping van 1 gram triglyceride. Dit verzepingsgetal is een maat voor de molecuulmassa van het triglyceride. Inderdaad, indien het gaat om korte vetzuurketens in het triglyceride dan heeft dit triglyceride een relatief kleine molecuulmassa, zodat 1 gram triglyceride een relatief groot aantal mol vertegenwoordigt. Bij de hydrolyse is dan ook meer KOH nodig dan bij de hydrolyse van 1 gram triglyceride met langere ketens, dat dus ook een grotere molecuulmassa bezit. Het verzepingsgetal is dus omgekeerd evenredig met de molecuulmassa van het triglyceride. Dit verzepingsgetal kan experimenteel bepaald worden: een gekende hoeveelheid triglyceride wordt verhit met een gekende overmaat KOH tot volledige verzeping. De overmaat KOH wordt vervolgens teruggetitreerd met een zuur van gekende normaliteit. Een blanco-proef completeert het geheel. Recept: Ongeveer 1 gram margarine of vet wordt nauwkeurig afgewogen in een erlenmeyer van 250 ml. Met een pipet wordt 25.0 ml van een 0.5 N KOH oplossing in ethanol toegevoegd, en enkele kooksteentjes. De erlenmeyer wordt verbonden met een terugvloeikoeler, en op een draadnet aan de kook gebracht. Er wordt gedurende 30 minuten zachtjes gekookt, waarbij de vloeistof helder wordt. In het begin wordt regelmatig omgezwenkt om de margarine of het vet te laten oplossen.

17 17 Aan de nog warme vloeistof wordt 1 ml fenolftaleïne-indicator (1%) toegevoegd, en de warme vloeistof wordt getitreerd met een HCl oplossing van ongeveer 0.5 N. Op identieke wijze (ook 30 min. refluxen!) wordt een blancoproef uitgevoerd, waarbij het vet of de olie vervangen wordt door 1 ml water. Bepaal het verzepingsgetal van je vet of olie. Bereken het gemiddeld M r van de vetzuren erin en vergelijk met de andere onderzochte vetten. Berekening: Conclusie:

18 Samenvatting Gemiddeld aantal dubbele bindingen Uit het joodgetal kan je het aantal dubbele bindingen (X) halen als je het gemiddeld Mvan r de triglyceriden uit het vet of de olie kent. Deze heb je berekend bij het verzepingsgetal. Bereken nu het gemiddeld aantal dubbele bindingen in de triglyceriden: - gebruikte olie of vet: - Joodgetal: JG = in juiste eenheden - Verzepingsgetal: VP = in juiste eenheden - gemiddeld M r : = - formule: X = - berekening: - conclusie:

19 Vergelijking van diverse oliën en vetten In de loop der jaren verzamelden we volgende gegevens: Staal Joodgetal Verzepingsgetal Molecuulmassa Boter Solo Planta (bakboter) Bertolli (bakboter) Olijfolie Vitelma (bakken en braden) Minelma (minarine) , Vitelma (smeren) Walnotenolie Effi Witte producten - braad Becel Roda Alpro Minarine Santane Maïskiemolie Solo vloeibaar Becel Essential

20 20 Bespreek deze tabel (inclusief jouw resultaten en deze van je medestudenten). Houd hierbij ook rekening met de (na smelten) zichtbare hoeveelheid water in het vet: kijk dit na voor de verschillende vetten die dit jaar rondgedeeld werden. bespreking: Let op dat je de betekenis van de verschillende begrippen benadrukt! Dus niet enkel getallen en groter of kleiner, ook de consequentie ervan.