Weinanalysen in der Schule Teach article

Übersetzt von Veronika Ebert. Die europäischen Länder sind für mehr als die Hälfte der weltweiten Weinproduktion verantwortlich – und trinken auch eine Menge davon! Die folgenden praktischen Unterrichtsaktivitäten beleuchten den naturwissenschaftlichen Hintergrund eines perfekten Weins.

Das Alter, ab dem es erlaubt ist, Alkohol zu trinken variiert von Land zu Land, aber die meisten Lehrkräfte würden zustimmen, dass es unpassend, und möglicherweise auch gefährlich) wäre, während der Chemiestunden Wein zu trinken. Dennoch kann die Herstellung und Analyse von Wein in der Schule Freude bereiten und zur Bildung beitragen. Die Aufgabenstellungen, die vom Science Center Experimenta^w1 entwickelt worden sind, laden 15-18-jährige Schüler/innen ein, einen Tag lang Winzer/in zu sein, und analytische Techniken anzuwenden, mit denen die Veränderungen während der Weinherstellung verfolgt werden können.

Wein wird durch Vergärung von Traubensaft, der besonders viel Zucker enthält, mit Hilfe spezialisierter Hefezellen erzeugt. Der Zucker wird unter anaeroben Bedingungen (=Ausschluss von Sauerstoff) in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt.

C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2 Pi = 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + 2 ATP

Die drei Hauptfaktoren für die Qualität des Endprodukts sind: Süße, Alkoholgehalt und Säuregehalt. Die drei Aufgabenstellungen für Schullabors nutzen Standardmethoden, kommerzieller Weinlaboratorien, um zu untersuchen, wie sich die Qualität des ursprünglichen Traubensafts und des Mosts (= gärender Traubensaft) auf das Endprodukt auswirkt. Die Bearbeitung jeder Aufgabenstellung dauert etwa 20-30 Minuten.

1. Bei der 1. Aufgabe können die Schüler/innen den Zuckergehalt des Traubensafts durch Refraktometrie ermitteln. Aufgabenstellung 1a (siehe unten) beschreibt eine auf der Messung der Dichte beruhende Alternative.
2. Der Alkoholgehalt käuflicher Weine wird durch Destillation mit nachfolgender Viskositätsmessung des Destillats mit einem ausgeklügelten Apparat ermittelt. Bei Aufgabe 2 verwenden die Schüler/innen die Ausrüstung von Hobbywinzer/innen, eine Weinwaage (Önometer), zur Ermittlung des Alkoholgehalts von Most und Wein.
3. Ein gut ausbalancierter Wein enthält eine ganz bestimmte Menge an Fruchtsäuren. Der Gesamtsäuregehalt beeinflusst direkt den Geschmack und ist daher ein wichtiger Messwert. In Aufgabe 3 wird der Säuregehalt durch Säure-/Basentitration bestimmt.

Vier weitere Aufgabenstellungen sind online abrufbar^w2:

• Aufgabenstellung 1a: als Alternative zu Aufgabe 1 können die Schüler/innen den Zuckergehalt des Traubensafts statt mit Refraktometrie durch Ermittlung der Dichte bestimmen.
• Da bei der Gärung Kohlendioxid gebildet wird, eignet sich die Messung der Kohlendioxidkonzentration, um den Fortschritt der Gärung analytisch zu verfolgen. In Aufgabe 4 können die Schüler/innen die Menge des bei der Gärung gebildeten CO₂ im wahrsten Sinne des Wortes durch Ausschütteln des Gases aus der Lösung bestimmen.
• Bei Aufgabe 5 wird von den Schüler/innen die Lichtdurchlässigkeit gemessen, um die Auswirkung der Schönung (=Zugabe von Stoffen, die zur Klärung des Weins durch Fällung führen) auf die Trübung des Endprodukts festzustellen.
• Bei Aufgabe 6 untersuchen die Schüler/innen die für die Gärung verantwortlichen Hefezellen unter dem Mikroskop.

Zur Gewinnung des für diese Experimente erforderlichen Mosts reicht es aus, einen Tag davor den z.B. im Supermarkt gekauften Saft roter Trauben vergären zu lassen. Außerdem werden einige einfache chemische Laborgeräte benötigt, dazu eine Weinwaage zur Messung des Alkoholgehalts, ein Pyknometer (Geräte zur Dichtemessung) und ein Refraktometer. Eine Anleitung zum Ansetzen der Gärung ist ebenfalls herunterladbar^w2.

Bestimmung des Zuckergehalts

Die Süße des Weins hängt von der Zuckermenge, die nach der Gärung noch vorhanden ist, und vom Gesamtsäuregehalt ab. Ein trockener Wein hat bis zu 9g/L Zucker und einen um mindestens 2g/l geringeren Säuregehalt. Ein halbtrockener Wein hat einen Zuckergehalt von 9-18g/l und einen nicht mehr als 10g/l geringeren Säuregehalt. Ein süßer Wein enthält 18-45g Zucker pro Liter. Um die richtige Balance zwischen Zucker, Säuregehalt und Alkoholgehalt im Endprodukt zu erhalten, ist es erforderlich, die Ausgangskonzentration an Zucker zu bestimmen. Wenn nötig, können vor der Vergärung begrenzte Mengen Zucker zugesetzt werden.

Die – im Vergleich zu Wasser – erhöhte Dichte des Mosts ist vor allem auf den Gehalt an vergärbaren Zuckern zurück zu führen. Zur Ermittlung des Zuckergehalts kann eine Dichtemessung durchgeführt werden, oder der Brechungsindexes refraktometrisch bestimmt werden. In Deutschland wird dieser Wert als „Mostgewicht“ bezeichnet, und in Oechsle gemessen (°Oe). Im angloamerikanischen Raum wird der Wert in Brix (°Bx) angegeben, der die Konzentration des gelösten Zuckers in Massenprozent angibt (m%).

Das Mostgewicht wird mit folgender Formel errechnet:

Mostgewicht = (Dichte-1) x 1000

Angabe des Mostgewichts in °Oe und Dichte in g/l.

Für eine grobe Abschätzung kann man 1°Oe mit 2,37g/L Zucker gleich setzen (das entspricht 0.237 °Bx).Daher kann der Zuckergehalt wie folgt errechnet werden:

Zuckergehalt = Mostgewicht x 2,37

Angabe des Zuckergehalt in g/l.

Die Umsetzung aller vergärbaren Zucker in eine Lösung mit 100 °Oe (Zuckergehalt 237 g/l oder 23,7 °Bx) ergibt ungefähr 100g/l, oder 10 w% Ethanol. Da Ethanol eine Dichte von 0,79g/mL hat, entspricht das 12,67 Volumprozent.

Alkoholgehalt (in Volumprozent) = Alkoholgehalt (in g/L) x 0,1267

Aufgabenstellung 1: Bestimmung des Zuckergehalts mit einem Refraktometer

Die Menge des Zuckers im Traubensaft ist sowohl für den Alkoholgehalt als auch für die Süße des fertigen Weins verantwortlich. Bei dieser Aufgabe kannst du den Brechungsindex zur Abschätzung des Zuckergehalts heranziehen.

Unter Lichtbrechung versteht man die Ablenkung des Lichts beim Übertritt von einem optisch dichten Medium in ein weniger dichtes, oder umgekehrt, z.B. von Luft zu Wasser. Das Ausmaß der Lichtbrechung hängt von der Menge an gelösten Stoffen ab. Ein Refraktometer verwendet dieses Prinzip zur Bestimmung der Konzentration gelöster Stoffe. In Wein ist das vor allem Saccharose.

Die meisten Handrefraktometer geben die Konzentration gelöster Stoffe entweder in Brix (°Bx; womit im Prinzip der Saccharosegehalt angegeben wird) oder in Oechsle (°Oe) an. Eine Lösung mit 20 Massenprozent Saccharose entspricht 20 °Bx. Der Oechsle-Wert kann durch Multiplikation mit 0,237 annäherungsweise in Brix umgerechnet werden.

Materialien

• Refraktometer
• 20% (w%) Saccharose
• Traubensaft
• Papierhandtücher
• Pipette

Arbeitsablauf

1. 2 Tropfen der Saccharoselösung auf die Glasoberfläche des Refraktometers tropfen und Deckel schließen.
2. Messwert an der Ablesevorrichtung ablesen und in Tabelle 1 eintragen.
3. Reinigung der Glasoberfläche mit einem mit destilliertem Wasser getränkten Papierhandtuch.
4. Messung mit dem Traubensaft wiederholen.
5. Berechnung der fehlenden Daten für Tabelle 1 mit den oben angeführten Formeln.

Tabelle 1: Berechnung des Zuckergehalts der Proben

	20% (w%) Saccharose	Traubensaft
Mostwaage (°Oe)
Zuckerkonzentration (°Bx)
Mögliche Ausbeute an Ethanol (vol%)

Fragen

1. Wie gut hat dein Messergebnis mit dem erwarteten Wert überein gestimmt?
2. Wie reproduzierbar waren deine Messungen? Vergleiche sie mit jenen anderer Gruppen.
3. Wenn du die Aufgabenstellung 1a auch durchgeführt hast, wie vergleichbar waren die Ergebnisse der beiden Methoden (Dichtemessung versus Refraktometrie)?
4. Ein typischer Wein enthält etwa 12% Alkohol. Berechne, wie viel Zucker dem Traubensaft zugesetzt werden muss, um einen Alkoholgehalt von12% zu bekommen.

Aufgabenstellung 2: Bestimmung des Alkoholgehalts

Die Menge des während der Gärung gebildeten Alkohols hängt vom Zuckergehalt des Traubensafts und der Alkoholtoleranz des Hefestammes ab: die meisten Hefestämme tolerieren bis zu 16% Alkohol. Der Alkoholgehalt kann mit einem Vinometer, einem einfache Gerät, das für Hobbywinzer entwickelt worden, recht zuverlässig bestimmt werden. Dabei wird das Prinzip, dass die Oberflächenspannung mit zunehmender Alkoholkonzentration sinkt, ausgenutzt.

Bei dieser Aufgabe wirst du den Alkoholgehalt des Mosts bestimmen.

Materialien

• Kaffeefilter
• Trichter
• Bechergläser
• Most
• Wein
• Vinometer
• Pipette
• Papierhandtücher
• Destilliertes Wasser

Arbeitsablauf

1. 20 ml Most durch einen Kaffeefilter filtrieren um alle noch vorhandenen Hefezellen abzutrennen.
2. Eine kleine Menge des Filtrats auf den Trichter des Vinometers (Abbildung 2B) setzen und warten, bis die Kapillare gefüllt ist. Das übrige Filtrat für Aufgabe 3 aufbewahren.
3. Vinometer vorsichtig umdrehen und auf eine Schicht Papierhandtücher stellen, dabei den langsam sinkenden Flüssigkeitsspiegel beobachten (Abbildung 2C). Wenn der Flüssigkeitsspiegel konstant bleibt, Messwert ablesen und in Tabelle 2 eintragen.
4. Vinometer mit destilliertem Wasser spülen und die Messung mit dem Wein wiederholen.

Tabelle 2: Bestimmung des Alkoholgehalts mit einem Vinometer

	Alkoholgehalt (vol%)
Most (filtriert)
Wein

Anmerkung: Der Alkoholgehalt des Mosts ist wahrscheinlich viel niedriger als jener des Weins. Das liegt vermutlich daran, dass die Gärung noch nicht abgeschlossen ist. Es ist aber auch möglich, dass der noch vorhandene Zucker die Oberflächenspannung vergrößert, und dadurch den Messwert verfälscht.

Fragen

1. In Aufgabenstellung 1 hast du den Zuckergehalt des Traubensafts bestimmt. Wenn man den im Traubensaft verfügbaren Zucker als Basis nimmt, hättest du einen höheren Alkoholgehalt im Wein erwartet?
2. Erwartest du bei Fortsetzung der Gärung einen höheren Alkoholgehalt?

Gesamtsäuregehalt

Fruchtsäfte können – in Abhängigkeit von der Fruchtsorte – mehrere unterschiedliche Säuren, darunter Weinsäure und Apfelsäure, enthalten. Im Wein dominiert die Weinsäure, die einen pH-Wert von 3 bis 4 aufweist. Da der pH-Wert des Weins von einer komplexen Mischung aus verschiedenen Säuren, Basen, Proteinen und Salzen beeinflusst wird, kann der Gesamtsäuregehalt nicht nur aus dem pH-Wert ermittelt werden. Stattdessen wird bis zum Neutralpunkt titriert, und der Gesamtsäuregehalt als Äquivalent der Weinsäure in g/L angegeben. Der Säuregehalt von Wein beträgt üblicherweise zwischen 4 und 8,5g/l, kann aber bis zu 15 g/l betragen. Er muss immer in Verbindung mit dem Restzuckergehalt betrachtet werden (siehe „Bestimmung des Zuckergehalts“).

Weinsäure (Molekulargewicht 150 g) ist eine zweiprotonige Säure, d.h. sie verfügt über zwei Wasserstoffatome pro Molekül, die als Protonen ins Wasser diffundieren können. Sie kann durch Natronlauge vollständig neutralisiert werden. Da 1 mol NaOH 0,5 mol Weinsäure (75g/l) neutralisieren kann, neutralisiert 1 ml einer 0,1 mol/l NaOH 7,5 mg Weinsäure.

HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH + 2NaOH → Na⁺-OOC-CH(OH)-CH(OH)-COO^– Na⁺ + 2H₂O

Aufgabenstellung 3: Bestimmung des Säuregehalts durch Titration

Alle Weine haben einen bestimmten Säuregehalt. Für den Winzer/die Winzerin ist der Gesamtsäuregehalt interessant, der in erster Linie von der Weinsäure verursacht wird. Der Gesamtsäuregehalt wird durch Titration mit verdünnter Natronlauge bestimmt.

Materialien

• pH-Meter
• Magnetrührer
• Becherglas (250 ml)
• Zwei Messzylinder (10 ml, 100 ml)
• Bürette
• NaOH-Lösung (0,1 mol/l)
• Destilliertes Wasser
• 10 ml Most (filtriert, von Aufgabenstellung 2)
• 10 ml Wein

Arbeitsablauf

Für jede Probe (Most oder Wein):

1. Bürette mit NaOH-Lösung auffüllen. Ausgangsvolumen in Tabelle 3 eintragen.
2. 15 ml Probe abmessen und in 250 ml-Becherglas überführen. 100 ml destilliertes Wasser zugeben.
3. Magnetrührer einschalten, und pH-Elektrode so in die Lösung eintauchen, dass sich die Spitze unter dem Flüssigkeitsspiegel befindet, aber die Seitenwand des Becherglases bzw. das Magnetstäbchen nicht berührt wird.
4. NaOH-Lösung tropfenweise zugeben, bis der pH-Wert neutral ist. Füllstand der Bürette ablesen und in Tabelle 3 eintragen.
   • Hat sich die Farbe der Lösung geändert?
   • Wenn ja, bei welchem pH-Wert?
   • Was könnte die Ursache des Farbwechsels sein?
5. Berechne die Menge an verbrauchter NaOH und daraus die Säurekonzentration.

Beispiel: 14 ml 0,1 mol/l NaOH neutralisierten 10 ml Lösung. Die Konzentration beträgt daher (14 x 7,5 mg/ml x 100) = 10,5 g/l Säure.

Tabelle 3: Bestimmung des Gesamtsäuregehalts

	Most	Wein
pH-Wert zu Beginn
Füllstand der NaOH (ml) zu Beginn
Füllstand der NaOH (ml) am Ende
Verbrauch der NaOH (ml)
Konzentration der Säure (g/l)

 

Sicherheitshinweise

 Schutzbrille und Handschuhe tragen. Allgemeine Sicherheitshinweise berücksichtigen.

Fragen

Mit den Aufgaben 1-3 konntest du drei wichtige Qualitätskriterien des Endprodukts untersuchen: Süße, Alkoholgehalt und Säuregehalt. Nun ist es an der Zeit, die Qualität des Produkts zu beurteilen.

1. Ist der Gesamtsäuregehalt innerhalb der zulässigen Grenzen für Wein?
2. Hat der Traubensaft, der zur Weinherstellung eingesetzt worden ist, genügend Zucker enthalten, um den erwarteten Alkoholgehalt zu erzielen?
3. Wie lange schätzt du die Dauer der Gärung, bis der Prozess zum Erliegen kommt?

Danksagungen

Der Autor dankt den Weinlaboratorien der Fa. Pfäffle GmbH in Heilbronn, Deutschland, für die Unterstützung bei der Entwicklung der Aufgabenstellungen. Dank für die Zusammenarbeit vor allem an Christine Dietrich and Karsten Wiese vom Lehrerausbildungskolleg in Heilbronn.