Kapitel 2.1

Kohlenhydrate –  mehr als einfach nur süß

Durch die Bearbeitung des Kapitels „Kohlenhydrate – mehr als einfach nur süß“ und der dazugehörigen Materialien kann man u.a. Folgendes lernen:

  • Beispiele für verschiedene Kohlenhydrate nennen;
  • Möglichkeiten der Einteilung bzw. Unterscheidung von Kohlenhydraten benennen und begründen;
  • Kohlenhydrate anhand des Molekülaufbaus wiedererkennen;
  • Aufgaben der Kohlenhydrate im Organismus benennen, beschreiben und erklären;
  • Beispiele für verschiedene Zucker in Lebensmitteln aufzählen;
  • Herkunft (Gewinnung und Verarbeitung) verschiedener Zucker beschreiben und erklären;
  • Umweltprobleme in Zusammenhang mit dem Anbau von „Zuckerpflanzen“ beschreiben und erläutern sowie deren Vermeidung diskutieren;
  • die Bedeutung verschiedener Kohlenhydrate im Alltag benennen und erklären;
  • Zusammenhänge zwischen dem Konsum von Zuckern und gesundheitlichen Aspekten benennen, beschreiben und begründen;
  • Unverträglichkeiten in Zusammenhang mit Zuckern nennen und erklären;
  • versteckte Zucker auf Lebensmittelverpackungen identifizieren;
  • Kenntnisse über Kohlenhydrate bei Überlegungen bzw. Entscheidungen zum eigenen Ernährungsverhalten anwenden;
  • Versuche zur Untersuchung von Zuckern durchführen und erläutern.

In diesem Kapitel werden die Kohlenhydrate unter dem Oberbegriff „Nährstoffe“ behandelt.
Im Mittelpunkt stehen

  • der Aufbau der Kohlenhydrate (Mono-, Di-, Polysaccharide) unter Berücksichtigung vereinfachter chemischer Grundlagen,
  • ihre Herkunft und ihr Vorkommen in verschiedenen Nahrungsmitteln,
  • einige ihrer Aufgaben und Wirkweisen im Organismus und
  • mehrere wissenswerte und interessante Dinge zu dieser Stoffgruppe.

Am Ende dieses Abschnittes wird auf Arbeitsmaterialien hingewiesen, die sowohl das Thema „Kohlenhydrate“ vertiefen, als auch Bezüge von Kohlenhydraten zum Alltag herstellen.
Eine genauere Behandlung der Kohlenhydrate unter chemischen Gesichtspunkten enthält das Arbeitsmaterial AB 1_2.1Kohlenhydrate – etwas genauer betrachtet“.
Abschließend werden einige Versuche zu diesem Kapitel angeboten.


Jeder hat wahrscheinlich schon einmal in Zusammenhang mit „Kohlenhydraten“ Aussagen gehört wie z.B. : „Iss nicht so viel Süßes“, „Zucker liefert Energie“ oder „kohlenhydratarmes Essen hilft beim Abnehmen“. Inwiefern diese Aussagen stimmen oder nicht, ist nur bedingt Thema dieses Kapitels (siehe Kap. 6 „Ernährung ohne Zeigefinger“).

In diesem Kapitel geht es zunächst einmal darum, die Vielfalt der für Lebewesen unverzichtbaren Kohlenhydrate zu veranschaulichen. Ein Blick auf die verschiedenen Aufgaben, die Kohlenhydrate auch im Körper des Menschen übernehmen, gibt erste Hinweise auf die Bedeutung dieser Nährstoffgruppe für das Leben.

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Abb. L_2.1-1 Was hat ein Blatt mit einem Lolly zu tun?

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Abb. L_2.1-2 Aufgaben* der Kohlenhydrate im Körper des Menschen

* Nicht alle genannten Aufgaben werden in diesem Kapitel, in dem die Fette als Nährstoffe im Mittelpunkt stehen, behandelt. Einige Aufgaben dieser Stoffgruppe spielen in späteren Kapiteln eine Rolle, andere werden im Rahmen der am Ende dieses Kapitels genannten Arbeitsmaterialien näher erläutert.

Die Vielfalt der Aufgaben der Kohlenhydrate verweisen darauf, dass diese Stoffgruppe sehr unterschiedliche Moleküle enthält. Sehr verschiedenartig ist auch ihre Herkunft bzw. ihr Vorkommen.

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L_2.1.-3 Mögliche Einteilung der Kohlenhydrate unter dem Gesichtspunkt „Nahrung“

Anmerkung zur Abbildung:
Als „Stoff“ wird Material angesehen, das man beobachten und untersuchen kann, eine Masse besitzt und spezifische Eigenschaften aufweist.


Der wissenschaftliche Begriff für Kohlenhydrate ist „Saccharide“.

Kohlenhydrate oder Saccharide (lat.: saccharum; griech.: sákcharon „Zuckerstoff”)
Es handelt sich um eine Sammelbezeichnung für eine Gruppe organischer Moleküle mit sehr unterschiedlichen Verbindungen und Aufgaben. Das Wort „Kohlenhydrate“ beinhaltet die Aussage, dass in diesen Molekülen immer „Kohlenstoff (C)“ und „Hydrate“ (griech.: hydōr „Wasser“) vorkommen. Dabei kommt Letzteres nicht als Wasser (H2O) im üblichen Sinne vor, spielt aber beim Aufbau der Kohlenhydrat-Moleküle eine wichtige Rolle. Der Ursprung aller Kohlenhydrate liegt in der Fotosynthese. Es wird zwischen Mono- (griech.: monos „allein“), Di- (griech.: diá „zweimal“) und Poly- (griech.: polýs „viel“) sacchariden unterschieden. Von ihrer Funktion her können Kohlenhydrate verschiedenste Strukturen ausbilden, dienen aber vor allem als wichtige Energiequelle und – reserve.

Wie bereits in Kapitel 2 beschrieben, ist der Ausgangspunkt aller Kohlenhydrate die Fotosynthese und dort die Produktion von Glucose (Traubenzucker).Davon gewissermaßen abgeleitet gibt es hunderte verschiedene Kohlenhydrate, gemeinsam ist ihnen jedoch, dass sie alle

  • nur Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) enthalten*,
  • aus einer Einheit (Monosaccharid) bzw. zwei oder mehreren kleinen Einheiten (Di- / Polysaccharide) bestehen.

*Anmerkung:
Die drei Atome kommen in jedem Kohlenhydratemolekül immer in einem bestimmten Verhältnis vor (siehe auch AB 1_2.1Kohlenhydrate – etwas genauer betrachtet“)

Abb. L_2.1-4 Fotosynthese

Abb. L_2.1-4 Fotosynthese

L_2.1-1 Glucosemolekuel

Abb. L_2.1-5 Glucosemolekuel

Grundbestandteile unserer Nahrung sind drei Monosaccharide: Glucose, Fructose und Galactose.Reine Glucose (Traubenzucker) spielt im Rahmen unserer Nahrungsaufnahme kaum eine Rolle. Eine größere Rolle spielt die Fructose (Fruchtzucker), die als Monosaccharid vor allem in Früchten (z.B. Weintrauben bis zu 8 g/100g Frucht) und Honig (bis zu 45 g/100g Honig) vorkommt. Fructose hat eine ca. 20% größere Süßkraft als Saccharose. Galactose (Schleimzucker) kommt in den Schleimhäuten und der Muttermilch vor.
Alle drei Monosaccharide weisen die gleiche Summenformel (C6H12O6) auf, die Atome sind jedoch in jedem der Moleküle unterschiedlich angeordnet.Der Zucker, der den größten Anteil in unserer Ernährung einnimmt, ist die Saccharose (Haushaltszucker oder Weißzucker). Diese besteht aus einem Molekül Glucose und einem Molekül Fructose und gehört damit zu den Di-Sacchariden.In Deutschland verbraucht jeder Mensch statistisch gesehen ca. 25-30 kg Haushaltszucker pro Jahr. Dieser Wert erfasst jedoch nur den Haushaltszucker, den wir mehr oder weniger bewusst – im Tee, zum Kuchenbacken oder in Salaten – benutzen.
Zusätzlich, d.h. ohne dass wir darüber bewusst nachdenken, nehmen wir weitaus größere Zuckermengen in „versteckter“ Form zu uns. Die dazu auffindbaren Werte schwanken zwischen 30 – 40 kg Zucker pro Jahr und Person. Versteckte Zuckerquellen sind z.B. Getränke – ein Becher Bubble Tea enthält bis zu 35 Stück Zucker -, Marmelade, Eis, Süßwaren, Fertigbackwaren etc. .Neben Saccharose können einige süße Nahrungsmittel auch Glucosesirup oder/und Glucose-Fructose-Sirup enthalten.

Inwieweit diese versteckten Zuckermengen für unsere Gesundheit problematisch sein können, ist umstritten (siehe Kap.6). Auf Lebensmittelverpackungen müssen die Mengen der Inhaltsstoffe, also auch der Zuckeranteil – angegeben werden. Jeder kann versteckten Zucker also selbst auffinden und sich entsprechend verhalten. Warum eine „Cola Zero“ einen angegebenen Zuckergehalt von „0“ aufweist und trotzdem sehr süß schmeckt, ist an späterer Stelle aufzudecken (siehe Kap.6).Neben dem weißen Haushaltszucker gibt es auch braunen Zucker. Die Farbe beruht entweder auf dem Verarbeitungsprozess, d.h. dem Überziehen mit braunem Karamellsirup (Kandisfarin) oder große Zuckerkristalle entstehen aus einer karamellisierten Zuckerlösung, in der die Kristalle wachsen (Kandis). Brauner Zucker ist weder gesünder als weißer Zucker, noch enthält er weniger Kalorien. Er fördert genauso die Kariesbildung und verdirbt sogar etwas schneller als weißer Zucker, weil er einen etwas höheren Wassergehalt aufweist und somit leichter von Mikroorganismen besiedelt werden kann.

Abb. L_2.1-2

Abb. L_2.1-6 Haushaltszuckerstücke

 

Haushaltszucker wird aus zwei Pflanzen gewonnen, dem Zuckerrohr und der Zuckerrübe. Vor allem in tropischen und subtropischen Ländern, wie z.B. Brasilien und Indien, wird Zuckerrohr angebaut. In den klimatisch gemäßigten Zonen, wie z.B. in der EU und Russland, wird Zuckerrübenanbau betrieben.Im Unterschied zu vielen anderen Pflanzen können das Zuckerrohr und die Zuckerrübe größere Mengen Saccharose speichern. Das verwundert, da pflanzliches Gewebe auf Haushaltszucker eigentlich mit Wasserverlust reagiert – es „schrumpelt“.Etwa 80% der Welt-Saccharoseproduktion entfällt auf das Zuckerrohr und ca. 20% auf die Zuckerrübe. Neben der Zuckergewinnung für den Nahrungsmittelbereich gewinnt der Anbau dieser beiden Pflanzen mit dem Ziel der Bioethanol-Herstellung immer größere Bedeutung.

Abb. 2.1-3 Zuckerrohr

Abb. L_2.1-7 Zuckerrohr

 

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Tab.1 L_2.1 Lactosegehalt einiger Nahrungsmittel Quellen: div. Internetquellen

Ein weiteres in unserer Nahrung vorkommendes Disaccharid ist der Milchzucker (Lactose). Er besteht aus den beiden Monosacchariden Galactose und Glucose. Lactose findet man ausschließlich in Milchprodukten, der Gehalt ist sehr unterschiedlich (Tab.1 L_2.1).Den Lactosegehalt zu kennen, ist für einen Teil der Bevölkerung sehr wichtig, da er lactoseintolerant ist, d.h. bei Lactose-Aufnahme mit Unwohlsein, vor allem mit Magen-Darm-Beschwerden reagieren. Dieses betrifft ca. 10% der Nordeuropäer, 60% der Südeuropäer und 96% der Asiaten (siehe auch AB 5_2.1  „Probleme mit Milch und Milchprodukten“).

Lactosefreie Lebensmittel sind teurer als gleiche Produkte mit Lactose. Die Hersteller begründen dieses nachvollziehbar mit höheren Kosten bei der Produktion. Die Lebensmittelbranche wirbt mit Lactosefreiheit. Seltsamerweise taucht diese Werbung auch bei Lebensmitteln auf, die natürlicherweise gar keine oder nur in Spuren Lactose enthalten.
Betroffene sollten sich also auch aus diesem Grund genau über den Lactosegehalt von Nahrungsmitteln informieren – sonst zahlt man vielleicht drauf!
Am einfachsten wäre, wenn gesetzlich vorgeschrieben wäre, auf Verpackungen den gegebenenfalls vorhandenen Lactoseanteil im Lebensmittel anzugeben.

IconLink http://www.gesundheitsinformation.de/laktoseintoleranz.2113.de.html
(Zugriff: 2014-03-22)
http://www.zeit.de/2012/19/M-Laktose-Intoleranz
(Zugriff: 2014-03-23)

 

 

Mehl, Nudeln, Kartoffeln und andere Nahrungsmittel enthalten Stärke. Dieses Kohlenhydrat ist ein Polysaccharid (Vielfachzucker). Häufig mehr als 105 einzelne Glucosemoleküle sind zu einem großen Molekül Stärke mit einander als Kette verbunden. Die Bildung der Stärke aus Glucosebausteinen kann bereits im Blatt bzw. in den Zellorganellen, die Fotosynthese betreiben, den Chloroplasten beginnen (Abb. L_2.1-4).
Für unsere Nahrung ist allerdings entscheidend, dass Glucose in Form der Stärke in bestimmten Pflanzenorganen – Kartoffel (Knolle), Erbse (Hülsenfrucht) oder Weizen (Samen) – gespeichert werden kann. Diese nehmen wir direkt oder in verarbeiteter Form mit der Nahrung auf. Im Rahmen der Verdauung wird dieses Polysaccharid wieder in einzelne Glucose-Moleküle zerlegt (siehe Kap.3) und im Körper weiter verarbeitet.Heute wird Stärke mit Hilfe chemischer Methoden von der Nahrungsmittelindustrie z.B. zu Zusatzstoffen verarbeitet. Diese so modifizierte Stärke wird in der Regel mit einer E-Nummer versehen, die auf der Verpackung angegeben werden muss. Ein Beispiel ist E 1412 (Distärkephosphat), das durch eine Reaktion von Phosphaten mit natürlicher Stärke hergestellt wird. Es sorgt für ein cremiges „Mundgefühl“ und wird unter anderem in Dressings, Puddingpulver und Soßen zugesetzt. Als Nahrungszusatz aufgenommen wird es im Körper wie natürliche Stärke abgebaut. Auch wenn bezüglich dieser E-Nummer keine gesundheitsschädliche Wirkung bekannt ist, lehnen Menschen, die ihre Nahrung so natürlich wie möglich zu sich nehmen wollen, auch modifizierte Stärke ab.

Abb. 2.1-4 Algenzelle mit Stärkekorn (EM-Aufnahme)

Abb. L_2.1-8 Algenzelle mit Stärkekorn (EM-Aufnahme)

Stärke aus Mais, Weizen oder Kartoffeln wird ebenfalls genutzt bei der Herstellung des Fructose-Glucose-Sirups oder einfach nur Glucosesirups(siehe AB 11_2.1 „Zucker – ein Politikum?“). Dieser findet vor allem Anwendung in der „Süßigkeitenindustrie“.
Industriell eingesetzte Enzyme (siehe Kap.3) spalten dabei die Stärke in ihre Bausteine, die Glucosemoleküle, auf. Die Süßkraft des Glucosesirups ist allerdings gering. Um diese zu erhöhen, werden wiederum Enzyme eingesetzt, die die Glucose in Fructose umwandeln. Der Fructosegehalt im Sirup steigt an und die Süße erhöht sich. Ab einem Gehalt von 5% enzymatisch hergestellter Fructose in Lebensmitteln muss dieses auf der Zutatenliste des betreffenden Lebensmittels angegeben sein.

Weitere Informationen zu Glucosesirup findest du z.B. hier:

IconLink http://www.transgen.de/datenbank/zusatzstoffe/119.glukosesirup.html (Zugriff: 2014-03-24)
Das wohl am meisten auf der Erde verbreitete Polysaccharid hat mit menschlicher Nahrung und Ernährung – zumindest in Mitteleuropa – zur Zeit nichts zu tun.

Grundlage ist auch hier das Glucosemolekül, das gemeinsam mit Proteinen ein sehr festes, aber gleichzeitig biegsames Skelett, ein so genanntes „Außenskelett“, aufbaut. Es kommt u.a. bei allen Insekten vor und heißt Chitin. Dieser „Chitinpanzer“ ist von der Natur so fantastisch gestaltet, dass er sogar Vorlage für die Materialforschung ist. Seinen Aufbau zu kennen, ermöglicht die Entwicklung und Herstellung sehr belastbarer Werkstoffe.

Abb. L 2.1-5 Chitinpanzer / Ameisenkopf

Abb. L_2.1-9 Chitinpanzer / Ameisenkopf

IconLink Wer mehr darüber mehr wissen möchte, findet hier weitere Informationen:
https://www.youtube.com/watch?v=diuoGtVykRU (Zugriff: 2016-05-14)
http://www.tagesschau.de/ausland/insekten-essen100.html  (Zugriff: 2015-08-14)
http://de.wikipedia.org/wiki/Exoskelett (Zugriff: 2014-03-14)
https://www.mpg.de/suche?utf8=✓&searchfield=Hummerschale  (Zugriff: 2014-03-14)
dort:
http://www.mpg.de/5021410/W004_Material-Technik_072-079.pdf –

Die im Anschluss genannten Arbeitsmaterialien ergänzen und vertiefen nicht nur das Thema „Kohlenhydrate“, sondern behandeln vor allem Zusammenhänge zwischen Kohlenhydraten, der Umwelt und unserem Körper.

IconAufgabe
  1. Das AB 1_2.1Kohlenhydrate  – etwas genauer betrachtet“ informiert dich in verständlicher und vereinfachter Form über die Chemie der Kohlenhydrate und was in diesem Zusammenhang für Biologen interessant ist. Noch Genaueres muss der Chemieunterricht vermitteln!
  2. Woher kommt eigentlich unser Zucker? Nicht aus der Tüte! Es stammt von bestimmten Pflanzen, über die du im AB 2_2.1  „Zucker aus der Rübe“ und im AB 3_2.1Süßes Gras – das Zuckerrohr“ informiert wirst.
  3. Man isst mehr Zucker als man denkt! Das AB 4_2.1Zuckerverstecke“ ermöglicht dir einmal einzuschätzen, wie viel Zucker du wirklich zu dir nimmst.
  4. Manche Menschen haben große Probleme mit Zucker. Sie leiden, wenn sie bestimmte Zucker zu sich nehmen. Die ABs „Probleme mit Milch durch Lactoseintoleranz“ (AB 5_2.1), „Früchte können auch Beschwerden machen“ (AB 6_2.1)  und „Überleben durch frühes Wissen – Galactoseintoleranz“ (AB 7_2.1)  informieren dich über Ursachen, Symptome etc.
  5. Ein bisschen rechnen – keine Mathematik! – musst du bei der Bearbeitung des AB 8_2.1Speichern müssen alle“. Aber dafür lernst du auch einen neuen Organismus kennen und eine besondere Art der Mikroskopie.
  6. Pflanzen gegen Pflanzen? Mehr darüber erfährst du bei der Bearbeitung des ABs „Kanibalismus bei Pflanzen?“ (AB 9_2.1).

Mit der Durchführung bzw. Bearbeitung folgender Versuche ist noch mehr über die Kohlenhydrate zu erfahren.

Icon_Versuch
  • V 1_2.1Zucker ist nicht gleich Zucker!
  • V 2_2.1 „Zucker im Porree?
  • V 3_2.1Süße Nahrungsmittel?
  • V 4_2.1Zucker in Flüssigkeiten – einfach zu messen?“
  • V 5_2.1 „Milch – ohne Lactose süßer?“
  • V 6_2.1Zucker dauerhaft verpackt
  • V 7_2.1Stärkenachweis – experimentieren oder ansehen
  • V 8_2.1Allelopathie – wenn die Chemie nicht stimmt“

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