Zusammenfassung Lebensmittellehre 2 Kohlenhydrate PDF

Preview

Summary

Zusammenfassung Lebensmittellehre 2 Kohlenhydrate...

Description

Zusammenfassung Grundlagen der Lebensmittellehre Kohlenhydrate (KH) Funktion in der Ernährung • energieliefernde Nährstoffe → ca. 4 kcal/g (17kJ7g) • Süßgraft • Ballaststoffe → werden nicht absorbiert, aber wichtig für Ernährung, nicht toxisch, komplex, β-glykosidische Bindung • Gelbildung, Verdickung, Stabilisation von Produkten1 • Fettersatz in energiereduzierten Produkten2 • •

KH-Verdauung beginnt im Mund → Amylase nur einfachste Form der Kohlenhydrate absorbierbar

Monosaccharide • einfachste Form der Kohlenhydrate • können im Gegensatz zu Di-, Oligo- & Polysaccharide nicht weiter durch Säurehydrolyse abgebaut werden • Unterscheidung zwischen • Aldosen und Ketosen • nach Anzahl der C-Atome zwischen Triosen, Tetrosen, Pentosen & Hexosen • am wichtigsten sind Hexosen wie Glucose Stammbaum der Aldosen & Ketosen

Triose

Aldose

Ketose

Glycerinaldehyd

Dihydroxyaceton

Tetrose

Erythrose, Threose

Erythrulose

Pentose

Ribose, Arabinose, Xylose3

Rubulose, Xylulose

Hexose

Glucose, Mannose, Galactose

Fructose, Sorbose

Vorkommen einiger Monosaccharide – Aldosen • Glucose • D-Glucose4 → am häufigsten vorkommende organ-ische Verbindung auf der Welt • Zentrale Bedeutung im KH-Stoffwechsel • Baustein von Stärke, Cellulose & Glykogen • kommt gebunden in Saccharose vor (Glc + Fru) • L-Glucose → kommt in der Natur nur in Spuren vor • D-Galaktose → hauptsächlich im Milchzucker vor (Glc + Gal) • D-Xylose → vorwiegend in Früchten oder polymer als Xylan in Stroh & Kleie 1 2 3 4

1

Stärke & deren Derivate Nicht immer sinnvoll, Fete zu ersetzten „Xylo“ → holzig (in Ballaststoffen) Zucker in Natur D-konfiguriert

• •

Arabinose → Baustein von Pflanzengummi; Einsatz zur Verdickung D-Ribose → Baustein in Ribonukleinsäuren (RNA, DNA) & Bestandteil einiger Coenzyme

Vorkommen einiger Monosaccharide – Ketosen • D-Frucotse → in vielen Früchten in freier Form & in Polyfructanen (z.B. Inulin5) • D-Xylose → wird in Sorghumwurzeln (afrikanische Hirseart) gefunden • D-Erythrulose → Zwischenglied der Photosynthese Strukturformeln der Glucose • Fischer-Projektion → zeigt stereochemische Konfiguration der einzelnen Hydroxylgruppen & Zugehörtogkeit zur D-/L-Reihe • Ringstruktur → erklärt viele Eigenschaften der D-Glucose • Annahme, dass die Aldehydgruppen der Glucose nicht über-wiegend frei, sondern mit einer alkoholischen Gruppe des selben Moleküls unter Protonen-wanderung zu einem zyklischen Halbacetal reagiert

Glykosidbindung • reagiert die freie Acetalhydroxylgruppe eines in der Cyclohexanal-Form vorliegenden Zuckers mit der alkoholischen Hydroxylgruppe eines zweiten Zuckers, ent-steht ein Disaccharid • durch die Glykosidbindung geht der Zucker von der Halbacetal- in die Acetalform über • da der Zucker sowohl aus der alpha- als auch aus der beta-Konfiguration reagieren kann, sind zwei Typen von Glykosidbindungen möglich, die als alpha- & beta-glykosidische Bin-dungen bezeichnet werden • Maltose (D-Glucosido-alpha(1,4)-D-Glucose) → spaltbar

•

Cellobiose (D-Glucosido-beta(1,4)-D-Glucose nicht spaltbar

5 Polymere Fructose, kann Mensch nicht verdauen

2

→

Biologisch wichtige Disaccharide Name Saccharose6 Succhrose Rohrzucker Maltose8

Struktur α-Glc(1-2)β-Frc7

Vorkommen Zuckerrohr, Zuckerrüben & andere Pflanzen

α-Glc(1-4)Glc9

Lactose Trehalose

β-Gal(1-4)Glc9 α-Glc(1-1)Glc7

Keimende Cerealien, Zwischenprodukt bei der intestinalen Spaltung von Stärke Milch- bzw. Milchdrüse der Säugetiere Pilze & Hefen

Oligossaccharide • KH, die nach Hydrolyse der glykosidischen Bindungen 3 – 12 Monosaccharide liefern • Vorkommen → Hülsenfrüchte (Leguminosen10), Zuckerrüben, Kakaobohnen • unterschieden werden u.a. • Trisaccharide (z.B. Raffinose → Gal, Glu, Fru) • Tetrasaccharide (z.B. Stachyose → Gal, Gal, Glu, Fru) • Pentasaccharide (z.B. Verbascose → Gasl, Gal, Gal, Glu, Frau) Polysaccharide • Hochmolekulare Kohlenhydrate → > 10 Glucoseeinheiten • Funktion als Reserve-11 & Stützsubstanz12 • Differenzierung • Homoglykane → nur aus ein & demselben Grundbausteinen aufgebaut z.B. Stärke • Heteroglykane → aus mehreren verschiedenen Grundbausteinen aufgebaut • z.B. Hemicellulose Polysaccharid

Monomer

Verknüpfung

Glucose

α-1,4 → Amylose13 α-1,6 → Amylopektin13

Glykogen14

Glucose

α-1,4 (nach 8 – 12 α-1,6)

Cellulose

Glucose

Stärke

Hemicellulose Pektin15

Xylose, Arabinose, Galaktose, Mannose, Uronsäuren Galakturonsäure

β-1,4 Hauptkette: β-1,4 Seitenkette: variabel α-1,4

6 Haushalts-, Kristallzucker 7 Homoglykan → aus gleichen Monomeren aufgebaut 8 Malzzucker (aus Bierherstellung) 9 Heteroglykan → aus verschiedenen Monomeren aufgebaut 10 Soja, Erbsen, Bohnen, … 11 v.a. Stärke → Stärkekomplex 12 v.a. Ballaststoffe 13 Miteinander vergesellschaftet → Verhältnis von Amylose & Amylopektin züchterisch beeinflussbar 14 V.a. In Leber & Muskel gespeichert

3

Inulin16 17

Chitin

Fructose N-Acetylglucosamin

1,2 (Inulin, Asparogesin) β-1,4

Stärke • häufigster Reservestoff der Pflanzen • Gemisch aus Amylose18 & Amylopektin19 • baut sich aus D-Glucose-Einheiten (→ Homoglykan) auf, die in 1-4 bzw. 1-6 Stellung miteinander verknüpft sind • α-Bindung → spaltbar Amylose • 200 – 1000 D-Glucose-Einheiten → linear • Helixbildung (→ Wasserstoffbrückenbindung) • 6 – 7 Glucoseeinheiten je Windung • dabei entstehende Röhre kann Jod-Moleküle einlagern • intensive blaue Farbe, wenn das AmyloseMolekül > 50 Glucose-Einheiten enthält • in heißem Wasser löslich, wobei leicht ein Gel gebildet wird • kann aus solche Gelen wieder leicht auskristallisieren („Retrogradation“) & gibt so z.B. Anlass für das sog. „Altbackwerden des Brotes“ Amylopektin • 60.000-1.000.000 Glucose-Einheiten • Verknüpfung • wie Amylose durch 1-4-Verknüpfung von α-DGlucose-Einheiten • im Mittel sitzt an jedem 25. Glucose-Molekül durch 1-6-Verknüpfung eine seitliche Verzweigung • teilweise spiralig gewindet • mit Jod wegen der kurzen, verzweigungsfreien Anteile & schwachrote Färbung • quilt bei > 60°C in Wasser, löst sich jedoch nicht auf • retrogradiert sehr viel langsamer als Amylose → ermöglicht längere Lagerzeit für z.B. Brot

15 16 17 18 19

4

In Früchten → Festigkeit von Obst & Gemüse In präbiotischen Produkten → Substrat für Bakterien In Insekten linear verzweigt

Modifizierte Stärken & ihr Einsatz Produkt Quellstärken Säure-modifizierte Stärken

Erwünschter Effekt Kaltwasserlöslichkeit Herabgesetzte Viskosität

Verwendung Instant-Pudding & -Cremes, Soßenpulver Gummibonbons Soßen

auf

Stärkebasis,

Oxidierte Stärke

Erniedrigung von Viskosität & Retro- Dickung- & Bindemittel für Lebensgradationsneigung mittel

Phosphat-modifizierte Stärke

Viskositätserhalt & Hydrolysestabilität Dickungs- & Bindemittel für saure bei Erhitzen, Erhöhung der mechan- Speisen, sterilisierte & stark geischen Stabilität schlagene Produkte aus Tiefkühlkost

Stärkeester / -ether aus wachsiger Maisstärke

Kältestabilität

Tiefkühlkost

Chitin • wesentlicher Bestandteil des Exoskeletts von Insekten & Krebstieren • in Zellwand von Pilzen als Gerüstsubstanz • aus N-Acetylglucosamin-Einheiten aufgebaut

Murein • Grundgerüst der Zellwandsubstanz grampositiver & -negativer Bakterien • aus N-Acetylglucosamin & N-Acetyl-Muraminsäure aufgebaut • alternierend 1-4-glykosidisch verknüpft • Bindung wird von Lysozym20 angegriffen & aufgelöst

Polyfructosane • im Gegensatz zur Gellulose Polymere der Fructose relativ selten • Vorkommen in Gramineen21, Chicoree, Spargel & Topinambur • durch Säurehydrolyse kann aus Polyfructosanen relativ leicht Fructose gewonnen werden • wichtigster Vertreter → Inulin (aus Zuckerrüben) 20 Gewinnung u.a. aus Hühnereiweiß 21 Gräser

5

Wichtige Kohlenhydrate in Lebensmitteln Wichtige KH in Lebensmitteln

Monosaccharid

Disaccharid

Glucose22 Fructose23 Galactose24

Saccharose25 Lactose Maltose26 Raffinose Stacchyose Maltooligo saccharide Fructooligo saccharide

Polysaccharid

Stärke, Stärkederivate

Nicht-StärkePolysaccharide27

Amylose28 Amylopektin28 Resistente Stärke Stärkehydrolysate Modifizierte Stäre

Cellulose Hemicellulose Pektine Algenpolysaccharide Guar Carubin Johannisbrotkernmehl Modifizierte Cellulose

Charakterisierung von KH • • • • •

Anzahl der C-Atome Aldose oder Ketose D- oder L-Form Monomer, Oligomer oder Polymer falls kein Monomer, von welcher glykosidische Bindung

• • • Art

ist

die

für Polysaccharide → verzweigt oder unverzweigt Hompglykan oder Herteroglykan Für Polysaccharide → Ist der Zucker verdaubar29 oder handelt es sich um einen Ballaststoff30

Zuckerherstellung • Zucker aus Rübe, Rohrzucker → man schmeckt normalerweise keinen Unterschied • von 16 – 20% Zucker im Edukt zu 100% Zucker im Produkt • diskontinuierlicher Prozess → nur 1x im Jahr wird Zucker hergestellt

•

•

22 23 24 25 26 27 28 29 30

6

Kalkmilch → Ausfällen von Aminosäuren & Proteinen Rübenschnitzel → bleiben übrig • Futtermittel für Tierhaltung

Traubenzucker Fruchtzucker Milchzucker Haushaltszucker Malzzucker Werden nicht verdaut → i.d.R. fermentiert (Bindemittel in Lebensmitteln) verdaulich Liefert Energie Liefert keine Energie

Brauner Zucker • Herstellung • unvollständige Reinigung von Rohrzucker oder • nachträgliches Beimischen von Zuckercouleur oder Melasse zum Weißzucker • v.a. Saccharose • Gehalt weiterer Nährstoffe unbedeutend • Besonderheit durch dekorativen Wert und malzig-karameligen Geschmack Zuckercouleur (E150) • dunkelbrauner bis schwarzer, farbintensiver, hochmolekularer Farbstoff für Lebensmittel • Getränke, Soßen, Gebäck, etc. • entsteht durch Erhitzen von Zuckern mit Ammoniumsalzen → „Nichtenzymatische Bräunung“ • schmeckt rauchig-bitter & nicht mehr süß • riecht nach verbranntem Zucker Honig • konzentrierte wässrige Lösung von Invertzucker31 und anderen Kohlenhydraten • weitere Bestandteile → Enzyme, Aminosäuren, organische Säuren32, Mineralstoffe, Aromastoffe & Pigmente33 • In Honigen verschiedene Pflanzen bislang über 3000 verschiedene flüchtige Verbindungen nachgewiesen • Ester organischer Säuren, Aldehyde, Ketone, Alkohole, … • → daher Honig nicht immitierbar • Von besonderer Bedeutung für Aroma sind Phenylaldehyd & Ester der Phenylessigsäure • bei Wassergehalt > 20% anfällig für Veränderungen durch osmotolerante Hefen • Wasser sollte eigentlich nicht verfügbar sein • darf nicht • mit Zusatzstoffen behandelt werden • erhitzt werden → keine Konservierung • Konserviert durch hohen Zuckergehalt & hohe Osmolarität Wichtige Enzyme des Honigs • Saccharase34 → Nachweis thermischer Erhitzung (wenn inaktiv) • α- & β-Amylase (= Diastase) → Nachweis thermischer Erhitzung (wenn Enzymaktivität sinkt) • Katalase • Saure Phosphatase • Glucoseoxidase Glucoseoxidase

Glucose –––––––> Gluconsäure + H2O2 (bakteriostatische Wirkung) Nachweis auf Erhitzung – Hydroxymethylfurfuralgehalt (HFM) • Saccharase- & Diastaseaktivitäten sind zusammen mit HMF Indikator für thermische Behandlung eines Honigs • HFM kommt in frischem Honig nur in sehr geringen Mengen vor • Der HMF-Gehalt ist ein Unterscheidungsmerkmal zwischen Honig und Kunsthonig 31 32 33 34

7

Saccharose & andere Derivate → Aroma u.ä. Carotinoide u.ä. thermolabil

Bildung von HMF aus Hexosen • Dehydratisierung in sauren Lösungen durch Erhitzen

Kunsthonig • chemisches Produkt aus Naturstoffen • „honig ähnliches“ Produkt → Aussehen, Geruch, Geschmack • darf nur unter der Bezeichnung Invertzuckercreme in den Handel gebracht werden • wird durch Inversion (Säurehydrolyse, enzymatisch) mit oder ohne Verwendung von Stärkesirup oder Stärkezucker hergestellt Herstellung von Kunsthonig • 75%ige Saccharoselösung wird durch Zusatz von zugelassenen, chemisch reinen Säuren (Salz-, Schwefel-, Phosphor-, Kohlen-, Ameisen-, Milch-, Wein-, Citronensäure) einer sauren Hydrolsyse unterzogen • aus Saccharose Glucose & Fructose freisetzten • Säurezusatz wird mit Natriumcarbonat, Natriumhydrogencarbonat oder Calciumcarbonat neutralisiert & der Sirup aromatisiert • üblicherweise Zusatz von Lebensmittelfarbstoffen35 • während der Inversion entsteht Hydroxymethylfurfural → Gehalt ist Unterscheidungskriterium für Kunsthonig Inversion • Spaltung von Saccharose in ein äquimolares Gemisch von Glucose & Fructose durch verdünnte Säuren oder durch das Enzym Invertase • Bezeichnung als Invertzucker, da das Gemisch links dreht, im Gegensatz zur rechtsdrehenden Saccharose • Hervorgerufen wird diese Inversion dadurch, dass im äquimolaren Gemisch beider Zucker die Linksdrehung der Fructose die Rechtsdrehung der Glucose überwiegt [α]D20

Saccharose → = 66,5 rechtsdrehend

Süßungsmittel • Süßstoffe • für Lebensmittel zulassungspflichtig • geringe Kochstabilität

35 β-Carotin

8

Glucose + Fructose + 52,3 - 94,4 = 20,5 linksdrehend

Zuckeraustauschstoffe • Zuckeralkohole • bevorzugt von Diabetikern zum Süßen verwendet → führen nicht zur Insulinausschüttung • werden absorbiert & haben einen Brennwert • Xylit, Mannit & Sorbit belasten innerhalb bestimmter Konzentrationen den Blutzuckerspiegel nicht • wirken in höheren Konzentrationen laxierend36 → durch Entstehung eines osmotischen Druckgefälles • Produkte mit > 10% Zuckeraustauschstoffe müssen Warnhinweis über mögliche abführende Wirkung tragen Ernährungsphysiologische Eigenschaften von Zucker & Zuckeraustauschstoffen • •

Saccharose zunehmend durch Fructose ersetzt • hat keine energetischen Auswirkungen Zuckeralkohole → laxierende Wirkung Name

Absorption

Verwertung im Stoffwechsel

Einfluss auf Blutzucker

Schädliche Eigenschaften

Saccharose

Aktiv nach Hydrolyse

Glu + Fru

Mäßig groß

kariogen37

Glucose

aktiv

Insulin-abhängig in allen Geweben

groß

kariogen37

Fructose38

Schneller als Diffusion Leber, Darmwand

gering

Sorbit

Diffusion

Oxidation zu Frucotse

klein

laxierend

Xylit

Diffusion

In Leber & Erythrozyten zu Xylose

klein

Etwas laxierend

Mannit

Diffusion

Partiell in der Leber

klein

Etwas laxierend

Süßstoffe • schmecken süßer als Saccharose • werden synthetisch gewonnen • haben keinen physiologischen Brennwert („brennwertfrei“) → wirken sich kaum auf Energiebilanz aus • werden in der Regel nicht absorbiert → geringe toxikologische Gefahr • gesetzlich zugelassen sind • Saccharin • Cyclamat • Aspartam • Acesulfam39 • Süßester Stoff bislang → Sucronsäure (synthetisiert) • 20000-fach süßer als Saccharose • ist nicht zugelassen Saccharin (E 954) • zugelassen • ältester & bekanntester Süßstoff (vor ca. 100 Jahren) → häufig synthetisiert • Struktur von Benzoesäuresulfimid 36 37 38 39

9

Osmotisch im Darm wirksam → Wasser in Darmlumen gezogen laxierend Problematisch bei exzessiver Aufnahme Kommt dem „ultimativen Süßstoff“ sehr nahe → den „ultimativen“ gibt es nicht, da kein Süßstoff bislang perfekt ist (gute Wirkung ohne Nebenwirkungen)

• • • •

• als Natriumsalz wasserlöslich ca. 500fache Süßkraft von Saccharose unangenehmer metallischer Beigeschmack • durch Kombination mit anderen Süßstoffen teilweise eliminiert Süßkraft geht beim Kochen verloren • hydrolytische Abspaltung dem Imidin-Rings potentielle cancerogene Wirkungen (Blasenkrebs) konnten nicht bestätigt werden40

Cyclamat (E 952) – Na-Cyclohexylaminsulafmid • entwickelt reineren Süßgeschmack als Saccharin, ist allerdings nicht so süß • 35fach süßer als 10%ige Saccharoselösung • wurde 1970 von der GRAS-Liste gestrichen & verboten, nachdem Überdosierung an Ratten Blasenkrebs erzeugt hatte → steht heute wieder auf der Liste, weil die Wirkung durch spätere Experimente nicht Nachgewiesen wurden konnte (→ zugelassen) • als vorläufiger ADI-Wert für die Säure wurde 0 – 11 mg/kg KG festgelegt Aspartam (E 951) - „Nutra-Sweet“ • zugelassen • Asparaginsäure41 + Phenylalanin42 → „Nutra-Sweet“ • ca. 140fach süßer als 10%ige Saccharoselösung • als Dipeptid toxikologisch harmlos (ADI-Wert 0 – 40 mg/kg KG) • durch Kochen, lange Lagerung in wässriger Lösung & Metabolisierung im Körper wird Phenylalanin freigesetzt • für Personen mit Phenylketonurie nicht geeignet → können Phenylalanin nicht verstoffwechseln • Produkte mit Aspartam sind mit entsprechendem Warnhinweis versehen • Probleme treten nicht auf beim Süßen von Kaffee & Tee zum sofortigen Genuss, aber bei Zusatz von Aspartam zu Lebensmitteln Phenylketonurie (PKU) • rezessiv vererbte Stoffwechselstörung43 • postnatale Diagnistik • pränatale Diagnostik ist möglich → Gene/Allele werden „kontrolliert“ → Merkmal sitzt auf Allel I2 • Tyrosin kann im menschlichen Organismus durch Oxidation aus Phenylalanin synthetisiert werden • Reaktion wird durch das Enzym Phenylalanin-Monooxygenase (PhenylalaninHydroxylase) katalysiert • Reaktion 1. Phenylalanin-Monooxygenase fällt vollständig aus oder ist in ihrer Funktion stark beeinträchtigt 2. Tyrosin kann nicht mehr aus Phenylalanin synthetisiert werden & ist daher essentiell 40 41 42 43

10

Bisher nur bei Nagern nachgewiesen Dipeptid, sauer aromatisch Häufigkeit 1:10000

•

3. Phenylalanin kann nicht über den Üblichen Abbauweg44 abgebaut werden, daher tritt die Pheny-Transaminase in Aktion 4. es entsteht Phenylpyruvat45, das teilweise mit dem Harn ausgeschieden wird Phenylpyruvat ist neurotoxisch, stört das sich bei Kleinkindern entwickelte ZNS (vermutlich beim Abbau des Myelins) → Neugeborenen-Screening in allen Krankenhäusern • Ohne Behandlung → Entwicklungsstörung, geistige Behinderung, Epilepsie, verminderte Intelligenz • muss baldmöglichst nach der Geburt (4. – 6 Lebenstag) nachgewiesen werden, um rechtzeitig eine entsprechende Diät – phenylalaninarm & tyrosinreich – geben zu können

Acesulfam-K (E 950) • zugelassenen • besitzt etwa die gleiche Süßkraft wie Aspartam • ca. 200fach süßer als Saccharose • koch- & hitzestabil • besitzt reinen Süßgeschmack • muss nicht mit anderen Süßstoffen kombiniert werden • untoxisch • sehr teuer Thaumatin (E 957) • Gemisch aus Proteinen, die in den Samenkapseln der westafrikanischen Katemfe-Pflanze (Taumatococcus danielli) enthalten sind & daraus isoliert werden • lässt sich nicht synthetisieren → sehr komplexes Molekül • Ausbeute sehr gering • aus 1kg lassen sich nur 6g (0,6%) Thaumatin isolieren • gentechnische Herstellung46 • Verwendung in Süßwaren auf Kakao- oder Trockenfruchtbasis, Diät- & Nahrungsergänzungsmitteln, Süßwaren & Kaugummi • lakritzähnlicher Geschmack • relativ sicher, gering toxisch • Beeren von Taumatococcus enthalten 5 Proteine, die durch Extraktion mit Wasser gewonnen werden • Thaumatin I • Proteinstruktur nicht genau bekannt, aber das Gen → ermöglicht rekombinante Herstellung • Aminosäuresequenz ist bekannt47 → Peptidkette aus 207 Resten • ca. 3500fach süßer als Saccharose • Süße setzt verzögert ein, ist dann aber sehr nachhaltig 44 Tyrosin → Homogentisinsäure → Fumarat + Acetoacetat 45 Neutrotoxisch → PKU-Patient muss daher streng phenylalaninarm ernährt werde...