Lebensmittelzusatzstoffe

Hinweis:
Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule).
Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht herunter geladen
werden, unter anderem hunderte von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende:
http://online-media.unimarburg.de/chemie/chids/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Chemie
Veranstaltung: Übungen im Experimentalvortrag
Leitung: Prof. U. Koert, Prof. U. Müller, Prof. B. Neumüller, Dr. P. Reiß
SS 2003
Protokoll zum Experimentalvortrag
Lebensmittelzusatzstoffe
Vortrag vom 09. Juli 2003
von Nicole Krempel
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ....................................................................................................... 2
1. Einleitung ................................................................................................................ 4
2. Konservierungsstoffe .............................................................................................. 6
Versuch 1: Antimikrobielle Wirkung von Konservierungsstoffen ............................. 7
Versuch 2: Nachweis der Sorbinsäure in Margarine ............................................. 10
3. Lebensmittelfarbstoffe .......................................................................................... 13
Versuch 3: „Echter“ oder „falscher“ Lachs............................................................. 16
Demonstration: Isolierung von Lebensmittelfarbstoffen ........................................ 19
Demonstration: Chromatographie von Lebensmittelfarbstoffen ............................ 21
4. Antioxidantien ....................................................................................................... 22
Versuch 4: Enzymatische Bräunung ..................................................................... 25
5. Emulgatoren, Stabilisatoren und Verdickungsmittel ............................................. 28
Versuch 5: Emulsions- und Suspensionsstabilisierende Wirkung ......................... 30
von λ-Carrageen ................................................................................................... 30
6. Geschmacksstoffe ................................................................................................ 33
7. Schulrelevanz ....................................................................................................... 36
Literatur- und Abbildungsverzeichnis ........................................................................ 38
2
3
1. Einleitung
Betrachtet man das Zutatenverzeichnis eines Lebensmittels, so findet man in der
Zutatenliste oft viele Stoffe, die im Allgemeinen zu den Lebensmittelzusatzstoffen
gerechnet werden. Viele Verbraucher wissen nicht, wozu diese Stoffe verwendet
werden und manche lehnen diese auch ab. Mit „schuld“ daran ist das EGKennzeichnungsrecht, das es erlaubt Zutatenlisten mit abstrakten Klassen oder
E-Nummern zu erstellen, die niemand auswendig kennt. In Folgendem werden die
wichtigsten Klassen von Zusatzstoffen vorgestellt und auf die chemische Natur und
den technologischen Zweck ausgewählter Stoffe eingegangen. Ziel ist es
Grundkenntnisse zu liefern, mit dessen Hilfe, die heute ständig in der Öffentlichkeit
diskutierten Aspekte wie „Schadstoffe“ in Lebensmitteln oder „Gift in der Nahrung“ in
Bezug auf Lebensmittelzusatzstoffe, fachgerechter beurteilt werden können.
Der Begriff „Zusatzstoffe“ wurde erstmals 1974 mit dem Lebensmittel- und
Bedarfsgegenstände-Gesetz (LMBG) eingeführt. Im §2 dieses Gesetzes versteht
man unter Zusatzstoffen: „Stoffe, die dazu bestimmt sind, Lebensmitteln zur
Beeinflussung ihrer Beschaffenheit oder zur Erzielung bestimmter Eigenschaften
oder Wirkungen zugesetzt zu werden, ...“ Das bedeutet: Zusatzstoffe werden dem
Lebensmittel bewusst zugesetzt. Ein Stoff, der unbeabsichtigt etwa infolge von
Umwelteinflüssen in ein Lebensmittel gelangt, ist kein Zusatzstoff. Sie werden
Lebensmitteln zugefügt, um vorgegebene Eigenschaften zu erzielen. Dazu gehören
z. B. Farbe, Geschmack, Beschaffenheit, Haltbarkeit oder der Nährwert eines
Lebensmittels.
An Zusatzstoffe werden hohe Ansprüche gestellt, sie dürfen nur verwendet werden,
wenn sie zugelassen worden sind. Die Zusatzstoff-Zulassungsverordnung weist
heute den Charakter einer Positivliste auf. Das heißt, alle nicht dort aufgeführten
Stoffe dürfen nicht in Lebensmitteln verwendet werden. Das war nicht immer so.
Früher erfolgte die Aufschlüsselung in so genannten Negativlisten, alle nicht
verbotenen Zusatzstoffe durften grundsätzlich verwendet werden. Die zunehmende
Entwicklung der Organischen Chemie bot somit noch allzu viele Möglichkeiten mit
unkalkulierbaren
Risiken.
Erst
1957
wurden,
die
von
der
Deutschen
Forschungsgemeinschaft erstellten, Positivlisten eingeführt. Diese, obwohl inhaltlich
4
seither vielfach verändert, haben sich prinzipiell bewährt und wurden auch von
anderen Staaten übernommen.
Eine Aufnahme eines Zusatzstoffes in die Positivliste wird nur vorgenommen, wenn
erwiesen ist, dass dessen Verwendung keinerlei Gesundheitsrisiko bedeutet,
technologisch notwendig ist und den Verbraucher nicht über die Eigenschaften des
behandelten Lebensmittels täuscht. Teigwaren dürfen zum Beispiel nicht gelb gefärbt
werden, da durch die Färbung ein erhöhter Eigehalt vorgetäuscht werden könnte. Die
gesundheitliche Unbedenklichkeit wird laufend nachgeprüft und so wurden schon
viele Zusatzstoffe aus der Liste gestrichen. Neue Zusatzstoffe haben es schwer, in
die Liste aufgenommen zu werden. Sie müssen im Prinzip nachweisen, dass sie
schon bekannten Zusatzstoffen technologisch überlegen und absolut gesundheitlich
unbedenklich sind. Trotz dieser rigiden Regelung kursieren viele Listen die
ausweisen, dass bestimmte Zusatzstoffe giftig oder sogar krebserregend seien. Fragt
man nach den wissenschaftlichen Quellen so liegen diese nicht vor. Entgegen einer
weit verbreiteten Laien-Meinung sind Zusatzstoffe in den Mengen die in
Nahrungsmitteln vorkommen unbedenklich. Unbestritten ist, dass es gegen
Zusatzstoffe Allergien gibt. Betroffen sind allerdings anders als bei Nahrungsmitteln
relativ kleine Personengruppen.
Der Gesundheitsschutz unterliegt also laufenden Nachprüfungen, leider trifft dies
nicht im selben Maße auf die technologische Notwendigkeit zu. Kritikwürdig ist,
„überholte“ Zusatzstoffe werden oft nicht aus der Liste gestrichen. Ein prominentes
Beispiel sind die Süßstoffe Saccharin und Natriumcyclat, welche beide etwa schon
100 Jahre alt sind. Mit Acesulfam K gibt es eine Alternative die geschmacklich besser
und nicht so empfindlich gegenüber Säure ist. Trotzdem bleiben Saccharin und
Natriumcyclat in der Liste. Ein weiterer Kritikpunkt ist, dass nicht immer nachgeprüft
wird
ob
ein
Zusatzstoff
durch
technologische
Entwicklungen
überholt
ist.
Lebensmittel können heute schonender zubereitet werden und so kann man zum Teil
auf Zusatzstoffe verzichten. Dies tun auch einige Hersteller. Leider gibt es aber auch
die Praxis, ein Produkt mit Zusatzstoffen zu versetzen, um 150 % sicher zu sein oder
eine einfachere Produktion zu haben.
Ein
weitgehendes
Kenntlichmachen
der
verwendeten
Zusatzstoffe
wird
vorgeschrieben. Hierfür gibt die Europäische Union jedem zugelassenen Stoff eine
5
„E-Nummer“. Die Kennzeichnung erfolgt im Zutatenverzeichnis auf der Verpackung
des Lebensmittels unter Angabe des Klassennamens und der „E-Nummer“ oder der
Verkehrsbezeichnung. Für die Lebensmittel Trinkwasser und Wein sowie für die
Zusatzstoffgruppen Aromen, Extraktionsmittel, Bleichmittel, Technische Hilfsstoffe
und Enzyme gelten eigene Regelungen. Zur Zeit sind in der EU 297 Zusatzstoffe
zugelassen, von denen mengenmäßig nur etwa 30 bis 50 Zusatzstoffe eine größere
Bedeutung haben.
2. Konservierungsstoffe
Zahlreiche Lebensmittel sind leicht verderblich. Um die Haltbarkeit zu verlängern,
setzt man oft Konservierungsstoffe ein. Der Einsatz erfolgt in Lebensmitteln, die nicht
durch Erhitzen, Tiefgefrieren oder durch den Zusatz von Salz, Zucker, Alkohol oder
Säuren haltbar gemacht werden können.
Chemische Konservierungsstoffe üben im Wesentlichen eine keimhemmende
Wirkung aus und verhindern bzw. hemmen so das Wachstum von Bakterien,
Schimmelpilzen und Hefen. Dies ist unbedingt notwendig, da die Vermehrung solcher
Mikroorganismen
sehr
Ernährungsverhalten
Gesundheitsrisiko.
gefährlich
schädliche
Das
ist.
Wissenschaftler
Mikroorganismen
Botulinus-Toxin
(Bakteriengift
halten
für
bei
das
nach
dem
zweitgrößte
Fleisch
–
und
Fischvergiftungen) entfaltet von allen bisher natürlich oder synthetisch gefundenen
Substanzen die größte Giftwirkung. In der Literatur findet man auseinander klaffende
Zahlenangaben, welche die Giftigkeit des Toxins betreffen. Die Werte reichen von
1 g könnte etwa 1 Million Menschen bis 1 g könnte 300 Millionen Menschen töten.
Eine Anwendung von chemischen Konservierungsstoffen ist nur bei frischen
Lebensmitteln, das heißt bei niedrigen Keimzahlen, sinnvoll. Der Grund ist, dass die
Absterbrate der Menge an zugegebenem Konservierungsstoff direkt proportional zur
Anzahl der Mikroben ist. Die Wirkung beruht entweder auf der Zerstörung der
Zellmembranen
der
Mikroben,
womit
lebensnotwendige
Austauschvorgänge
unterbunden werden oder sie blockieren nach dem Eindringen in das Zellinnere
reaktionsfähige Gruppen der Enzyme von Mikroorganismen. Zum Beispiel beruht die
6
Wirkung von Benzoesäure auf ihrem Hemmeffekt gegenüber Katalase und
Peroxidase,
wodurch
eine
Wasserstoffperoxid-Ansammlung
in
den
Zellen
hervorgerufen wird. Versuch 1 soll die Zerstörung von Hefen mit Hilfe von
Benzoesäure demonstrieren.
Versuch 1
Antimikrobielle Wirkung von Konservierungsstoffen
Versuchsbeschreibung:

Materialien: 2 Erlenmeyerkolben (100 mL), 2 passende durchbohrte
Gummistopfen, 2 Gärröhrchen, Magnetrührer mit Heizfunktion, Spatel,
Waage, Messzylinder

Chemikalien: 100 mL
lauwarmes
Wasser, 3 Esslöffel Glucose, Hefe
(2 x 2,5 g), Natriumbenzoat (m = 0,5 g), verd. Essigsäure, CalciumhydroxidLösung

Durchführung: 100 mL lauwarmes Wasser werden in einen Erlenmeyerkolben
gegeben und darin 3 Esslöffel Glucose unter Schütteln gelöst. Die Hälfte des
Kolbeninhaltes wird in den zweiten Erlenmeyerkolben gegeben. Danach fügt
man jedem Kolben jeweils 2,5 g zerkrümelte Hefe und 10 Tropfen verd.
Essigsäure zu und schüttelt. In den zweiten Kolben werden zusätzlich 0,5 g
Natriumbenzoat gegeben und wiederum alles kräftig durchmischt. Auf jeden
Erlenmeyerkolben wird ein Gärröhrchen gesetzt, das mit CalciumhydroxidLösung gefüllt ist. Beide Gefäße werden auf die 20 – 30°C temperierte
Heizplatte des Magnetrührers gestellt. Es ist darauf zu achten, dass die
Heizplatte nicht heißer eingestellt wird, da sonst die Hefen durch die Hitze
zerstört werden könnten. Nach einer halben Stunde kann die Beobachtung
festgehalten werden.
Versuchsbeobachtung:
In dem Erlenmeyerkolben ohne Natriumbenzoat ist nach einigen Minuten die
Entwicklung eines Gases erkennbar und nach einer guten halben Stunde kann man
im Gärröhrchen einen weißen feinkristallinen
7
Niederschlag beobachten. Das
Gärröhrchen
des
Erlenmeyerkolbens
mit
dem
Konservierungsstoff
bleibt
unverändert.
Versuchsauswertung:
a. Erlenmeyerkolben 1 (ohne Natriumbenzoat)
Die im Erlenmeyerkolben vorhandene Glucose reagiert mit dem Luftsauerstoff zu
dem Gas Kohlenstoffdioxid und Wasser. Als Katalysator für diese Reaktion dient die
Hefe, deren Wirksamkeit durch leichte Temperaturzufuhr verstärkt werden kann. Das
entstandene Gas bildet mit der im Gärröhrchen vorhandener CalciumhydroxidLösung einen weißen Niederschlag von Calciumcarbonat.
C6H12O6 (aq) + 6 O2 (g)
Hefe, ∆
6 CO2 (g) ↑ + 6 H2O
CaCO3 (s) ↓ + H2O
CO2 (g) + Ca(OH)2 (aq)
weiß
b. Erlenmeyerkolben 2 (mit Natriumbenzoat)
Das zugefügte Natriumbenzoat setzt sich im ersten Schritt mit den aus der
Essigsäure stammenden Hydronium-Ionen um. Es entsteht Benzoesäure, welche die
lipoidähnliche Membran der Hefen durchdringt und im Zellinneren die Enzyme
Katalase hemmt. Dadurch kommt es zu einer Wasserstoffperoxid-Ansammlung in
den Zellen, was letztendlich zur Zerstörung der Hefen führt.
O
O
+
C
+ H3O (aq)
+ H2O
C
O - Na + (aq)
+ Na+(aq)
OH (aq)
C6H12O6 (aq) + 6 O2 (g)
Wie im Versuch bewiesen, kann Benzoesäure das Wachstum von Hefen verhindern
und wird deshalb als Konservierungsstoff für Lebensmittel eingesetzt. Die Struktur
und die Eigenschaften von Benzoesäure und vier weiterer in Deutschland
zugelassener Konservierungsstoffe soll vorgestellt werden:
8
Benzoesäure (E 210) ist eine in Heidel- und Preiselbeeren natürlich vorkommende
Substanz und findet nur Verwendung in sauren Speisen, wie z. B. in Marinaden und
kohlensäurehaltigen Getränken. Nur ihre undissoziierte Form kann die lipoidähnliche
Membran von Mikroorganismen durchdringen. Während Aerobier schon durch
geringe Konzentrationen inhibiert werden, sind zur Konservierung gegen Hefen und
Schimmelpilze wesentlich größere Mengen notwendig. Ihr „kratziger“ Geschmack
schränkt die Verwendung auf das notwendige Minimum ein.
O
C
OH
Strukturformel von Benzoesäure
p-Hydroxybenzoesäureester („PHB-Ester“, E 214 – 219) weisen als nicht
dissoziierende Verbindungen gegenüber Benzoesäure den Vorteil auf, auch in
höheren pH-Bereichen noch wirksam zu sein. Deshalb eignen sie sich zur
Konservierung von Fruchtsäften, Marmeladen, Oliven, Sauergemüse und für
Füllungen von Süß- und Backwaren. Eingesetzt werden die PHB-Ester auch bei
verschiedenen Fischwaren und Salaten sowie in Mayonnaise und Marzipan. Auch
die Ester sind geschmacklich auffällig.
O
O
CH3
HO
Strukturformel von p-Hydroxybenzoesäureethylester
Zur Verhinderung des beim Transport leicht auftretenden Grün- und Blauschimmels
bei Zitrusfrüchten verwendet man Biphenyl (E 230) und o-Phenylphenol (E 231).
Hierzu werden die Früchte meist in Bäder mit Suspensionen oder Lösungen dieser
Verbindungen getaucht. Obwohl dabei lediglich die Fruchtoberfläche behandelt wird,
dringen geringe Mengen auch in das Fruchtfleisch ein. Daher sind für beide
Verbindungen tolerierbare Höchstmengen festgesetzt worden.
9
OH
Strukturformel von Biphenyl (links) und o-Phenylphenol (rechts)
Sorbinsäure (E 200) kommt in der Vogelbeere in Form ihres δ-Lactons
(Parasorbinsäure) vor. Zusammen mit ihren Salzen gilt sie heute als der wichtigste
Konservierungsstoff für Lebensmittel. Sie ist in der Hauptsache antimykotisch
wirksam, vermag darüber hinaus aber auch andere Mikroorganismen in ihrem
Wachstum hemmen, indem sie dort physiologische Dehydrierungsvorgänge inhibiert.
Für
die
Anwendung
in
Margarine,
Käse,
Backwaren,
Fleischwaren,
Fischerzeugnissen, Marmelade und Wein ist sie geeignet. Besondere Bedeutung hat
sie in den letzten Jahren als Konservierungsstoff gegen Schimmelpilzbefall in
Schnittbrot erlangt.
H3C
O
O
H3C
COOH
Strukturformel von Sorbinsäure (links) und Strukturformel von Parasorbinsäure (rechts)
Wie oben bereits erwähnt wird Sorbinsäure zur Konservierung von Margarine
eingesetzt. Diese soll in Versuch 2 nachgewiesen werden.
Versuch 2
Nachweis der Sorbinsäure in Margarine
Versuchsbeschreibung:

Materialien:
2
Reagenzglasständer,
Magnetrührer
mit
Reagenzgläser,
2
Reagenzglasklammer,
Heizfunktion,
großes
passende
Gummistopfen,
Bunsenbrenner,
Becherglas
(für
Feuerzeug,
Wasserbad),
Siedesteinchen, Spatel, Einwegspritzen mit Kanülen (1 mL, 3 mL, 5 mL)
10

Chemikalien: Rama, Lätta, verd. Schwefelsäure, Kaliumdichromat-Lösung
(w = 0,2 %), Thiobarbitursäure-Lösung (w = 0,3 %)

Durchführung: Ein bohnengroßes Stück Rama wird in das erste Reagenzglas
gegeben, in das zweite ein genauso großes Stück Lätta. Anschließend
versetzt man beide Reagenzgläser mit 4 mL verd. Schwefelsäure und 0,5 mL
Kaliumdichromat-Lösung, schüttelt kräftig durch und erhitzt über dem
Bunsenbrenner.
Dann
werden
noch
2
mL
Thiobarbitursäure-Lösung
hinzugegeben und die Reagenzgläser ins siedende Wasserbad gestellt. Nach
etwa 5 Minuten kann die Beobachtung festgehalten werden.
Versuchsbeobachtung:
In dem Reagenzglas, in welchem sich die Lätta befindet, tritt eine Rotfärbung auf.
Das Reagenzglas mit der Rama zeigt keine Farbveränderung.
Versuchsauswertung:
a. Rama (Vollfettmargarine)
Der Gesamtfettgehalt von Rama beträgt mindestens 80 %. Eine Konservierung ist
deshalb nicht notwendig und die Nachweisreaktion auf Sorbinsäure zeigt somit ein
negatives Ergebnis.
b. Lätta (Halbfettmargarine)
Eine
Halbfettmargarine
ist
eine
Emulsion
aus
pflanzlichen
Fetten,
deren
Gesamtfettgehalt mindestens 39 und höchstens 41 % beträgt. Aufgrund des
erhöhten
Wasseranteils
ist
Halbfettmargarine
anfällig
für
den
Befall
von
Verderbniserregern und darf daher mit Sorbinsäure bzw. deren Salzen (maximal
0,12 %) konserviert werden.
Die oxidative Spaltung der Sorbinsäure zu Aldehyden wird durch das eingesetzte
Oxidationsmittel
Kaliumdichromat-Lösung
im
sauren
Milieu
ausgelöst.
Das
entstandene Fragment reagiert mit zwei Molekülen des Nachweisreagenzes
Thiobarbitursäure
im
Sinne
einer
Aldolkondensation,
Polymethinfarbstoff entsteht.
11
wobei
ein
roter
K2Cr2O7 (aq)
H2SO4 (aq), ∆
2
COOH
O
O
O
OH
Sorbinsäure
O
H
N
2
H
S
OH
O
H
N
+ H+
+
H
H
N
N
O
O
- 2 H2O
O
S
N
H
O
O
Abschließend
zum
S
H
H
Thiobarbitursäure
N
Polymethinfarbstoff
Themenbereich
Konservierungsstoffe
ein
Vergleich
der
Sicherheitsbreite von zugelassenen Konservierungsstoffen mit den nach allgemeiner
Verbrauchermeinung
harmloseren
Verbindungen
Zucker
und
Kochsalz.
Die
notwendigen Konzentrationen, die zur Konservierung von Lebensmitteln angewandt
werden müssen, sind in Tabelle 1 angegeben und den chronischen Verträglichkeiten
im Futter gegenübergestellt. Durch Division errechnen sich Werte für eine „aktuelle
Sicherheitsbreite“, die umso niedriger sind, je größer sich das Sicherheitsrisiko
darstellt.
Chronische
Anwendungs-
Aktuelle
Verträglichkeit
konzentration
Sicherheitsbreite
im Futter [%]
Sorbinsäure
5
0,1
50
Benzoesäure
1
0,1
10
PHB-Ester
1
0,05
20
Kochsalz
1
2-3
0,3 - 0,5
Zucker
ca. 60
bis 60
≥1
Tab. 1: Aktuelle Sicherheitsbreite von konservierend wirkenden Stoffen (Baltes, W.;
2000, S. 158; verkürzt)
12
Die Sicherheitsbreite von Kochsalz und Zucker liegt also deutlich niedriger als die der
chemischen Konservierungsstoffe! Natürlich ist auch hier die Menge an verzehrtem
Stoff entscheidend. Unser Speiseplan besteht ja bekanntlich weder ausschließlich
aus salzigen Speisen oder aus Konfitüre (60 % Zucker) noch ausschließlich aus
chemisch konservierten Produkten.
3. Lebensmittelfarbstoffe
Zurzeit sind in der EU 43 Lebensmittelfarbstoffe zugelassen, manche teilweise nur
für einige Lebensmittel mit Höchstmengenbegrenzungen. Zu den gefärbten
Lebensmitteln gehören in erster Linie Konfitüren, Bonbons, Pudding, Kunstspeiseeis,
Käserinden, Kaviar- und Lachsersatz. Wegen der höheren Akzeptanz beim
Verbraucher bevorzugen Hersteller von Lebensmitteln heute wieder verstärkt die
Möglichkeiten,
die
die
Natur
uns
bietet.
Vielfach
werden
Farbstoffe
als
Lebensmittelfarben benutzt, die aus überwiegend pflanzlichen Naturprodukten
gewonnen wurden. Gern verwendet man hierzu stark färbende Farbextrakte, welche
zum Beispiel aus Rote Bete (Betanin E 162), Paprika (Capsanthin E 160c) oder
Möhren
(β-Carotin
E
160a)
gewonnen
werden.
Zwei
weitere
natürliche
Lebensmittelfarbstoffe sind Curcumin und Karminsäure (Cochenille), welche
chemisch vorgestellt werden.
Curcumin (E 100) ist ein gelber Farbstoff, welcher in den Wurzeln von Curcuma
longa gebildet und aus diesen extrahiert wird. Die Curcuminoide werden nicht nur zur
Färbung sondern auch als Gewürz verwendet.
Abb. 1: Wurzel von Curcuma longa
13
Die Farbigkeit von Curcumin lässt sich durch die Möglichkeit der Keto-EnolTautomerie erklären.
Strukturformeln von Curcumin (oben: Keto-Form, unten: Enol-Form)
Der rote Farbstoff Karminsäure (E 120), der zum Beispiel die rote Farbe von Campari
hervorruft, ist der einzige Lebensmittelfarbstoff tierischer Herkunft. Er wird aus
Schildläusen (Dactylopius coccus) gewonnen und stammt eigentlich aus dem Saft
von Feigenkakteen, den die Läuse aufsaugen.
Abb. 2: Cochenillelaus auf Feigenkaktus
Karminsäure ist ein Anthrachinonfarbstoff. Am Anthrachinongerüst (in der Abbildung
rot markiert) fungieren 4 Hydroxylgruppen als Auxochrome. Substituiert ist eine
Carboxylgruppe, welche die gute Wasserlöslichkeit bedingt.
14
Strukturformel von Karminsäure
Nachteil der natürlichen Substanzen ist, dass ihre Farbstabilität mitunter gering ist.
Auch können sie den Geschmack unerwünscht verändern. Sind die Naturfarbstoffe
in einem zu färbenden Produkt gegenüber Licht, Temperatur und pH-Wert nicht
stabil, greift man deshalb auf künstliche Lebensmittelfarbstoffe zurück. Diese lassen
sich rein in gleich bleibender Qualität herstellen und sind im Vergleich zu den
natürlichen Substanzen kostengünstig. Chemisch handelt es sich hauptsächlich um
wasserlösliche Azo-, Triarylmethan-, Xanthen- und Indigofarbstoffe. Die größte
Gruppe dieser Farbstoffe bilden die Azofarbstoffe. Als Chromophor besitzen diese
eine Azogruppe, die als eigentlicher Farbträger anzusehen ist. Über die Azobrücke
werden 2 aromatische Ringsysteme miteinander verknüpft. Beispiele sind das
Gelborange S (E 110) und das Ponceau 4 R (E 124).
HO
HO
NaO3S
N
NaO3S
N
N
N
NaO3S
SO3Na
SO3Na
Strukturformeln von Gelborange S (links) und Ponceau 4 R (rechts)
Zusammen bilden diese beiden Azofarbstoffe die Farbe von Lachsersatz. Versuch 3
soll, im Anschluss an zwei weitere vorgestellte synthetische Lebensmittelfarbstoffe,
den Unterschied zwischen „echten“ und „falschem“ Lachs demonstrieren.
15
Der Triarylmethanfarbstoff Patentblau V (E 131) ist gekennzeichnet durch das
sp2-hybridisierte C-Atom in der Molekülmitte. Zusammen mit dem Chinolingelb
(E 104) und dem schon vorgestelltem Gelborange S (E 110) bildet es die grüne
Farbe von Götterspeise in der Geschmacksrichtung Waldmeister.
+
(C2H5)2N
O
H
OH
N
(NaO3S)2
SO3Na
O
R
SO -
R = H oder R =CH3
3
(C2H5)2N
Strukturformeln von Patentblau V (links) und Chinolingelb (rechts)
Versuch 3
„Echter“ oder „falscher“ Lachs
Versuchsbeschreibung:

Materialien:
2
Demoreagenzgläser
mit
passenden
Gummistopfen,
Demoreagenzglasständer, Spatel

Chemikalien: Ethanol, dest. Wasser, Lachs, Lachsersatz (z. B. Alaska
Seelachsschnitzel, Firma Ahoi)

Durchführung: Die zerkleinerten Lachs- bzw. Lachsersatzstückchen werden in
jeweils ein Reagenzglas gegeben. Beide Lebensmittelproben werden mit
etwas Ethanol übergossen und mit Hilfe der Stopfen kräftig durchgeschüttelt.
Die Reagenzgläser werden kurz stehen gelassen. Danach kann die Farbe der
Lösungen festgestellt werden. Der Ethanolextrakt kann zu besseren
Demonstrationszwecken mit dest. Wasser aufgefüllt werden.
16
Versuchsbeobachtung:
Im Reagenzglas mit dem Lachsersatz ist die Ethanol-Wasser-Phase deutlich orange
gefärbt, während in dem Reagenzglas in welchem sich der Lachs befindet lediglich
eine milchige Emulsion zu beobachten ist.
Versuchsauswertung:
a. „Falscher“ Lachs
Wie auf der Verpackung sichtbar, handelt es sich beim Lachsersatz um verarbeiteten
Seelachs oder Kabeljau. Beide Fische besitzen weißes Fleisch, welches durch den
Zusatz der synthetischen Azofarbstoffe Gelborange S (E 110) und Ponceau 4 R
(E 124) orange eingefärbt wird. Die Farbstoffe sind in Wasser und Ethanol löslich und
können somit durch kräftiges Schütteln extrahiert werden.
b. „Echter“ Lachs
Die orange Farbe des Fleisches beruht auf der Anwesenheit von Carotinoiden,
welche fest im Fleisch eingebaut sind. Mit der im Versuch durchgeführten einfachen
Extraktionsmethode können diese nicht isoliert werden.
Der Versuch verdeutlicht, dass für den Verbraucher nicht unmittelbar erkennbar ist,
welchen Nutzen Lebensmittelfarbstoffe in unserer Nahrung haben. Für die
Lebensmittelindustrie sind sie allerdings oft unverzichtbar. Natürliche Farbstoffe in
Früchten sind temperaturempfindlich, die Farbe ist abhängig vom pH-Wert und sie
können mit anderen Stoffen reagieren. Durch den Zusatz von Farbstoffen können so
Farbverluste, die infolge Verarbeitung oder Lagerung auftreten, korrigiert werden.
Auch natürliche Schwankungen in der Farbintensität der Rohware können
ausgeglichen werden. Des Weiteren soll durch künstliches Färben eine Erhöhung der
visuellen Attraktivität bei farblosen oder unansehnlichen Lebensmitteln erreicht
werden. Was wären farblose Gummibärchen oder weißer Himbeerpudding?
Farbstoffe
sind
auch
für
den
Genusswert
von
großer
Bedeutung.
Die
Farbwahrnehmung bei Lebensmitteln löst physiologische und psychologische
Erwartungsreaktionen aus, die zum Beispiel von Erfahrung und Tradition abhängen.
Sie hat daher antizipatorische Bedeutung, in dem Sinne, dass der Verbraucher sich
17
ein Vor-Urteil bildet, das oft genug dem anschließenden Genuss nicht standhält.
Lebensmittel können besser aussehen als sie schmecken. Umgekehrt aber wird es
interessanter! Bewusst falsch eingefärbte Lebensmittel können bei Verkostungen zu
verblüffenden
Ergebnissen
führen.
Dies
beweist
das
Ergebnis
eines
Geschmackstests mit Schülern. Es wurden Proben von Götterspeise verkostet, die in
verschiedenen Varianten gefärbt und aromatisiert waren.
typische
Färbung
Aroma
farblos
Zitrone
Zitrone
grün
Zitrone
Waldmeister
farblos
Waldmeister
säuerlich
Laienbewertung
Tab. 2: Verkostung von Götterspeise: Einfluss der Lebensmittelfarbe auf die
sensorische
Wahrnehmung
bei
verschieden aromatisierter Götterspeise
(Deifel, A. / Treiber, D.; 1995, S. 24; verkürzt)
Die Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die grüne Farbe einer mit
Zitronenaroma
versetzten
Probe
verhindert
die
Wahrnehmung
des
Zitronengeschmacks. Eine farblose Probe schmeckt nicht nach Waldmeister, obwohl
sie damit aromatisiert wurde. Die „falsche“ Farbe eines Lebensmittels erschwert
dessen Erkennen und somit kann man zu dem Schluss kommen, dass das
wahrgenommene Aroma für den durchschnittlichen Verbraucher von der Färbung
abhängig ist. Die richtige Verwendung von Lebensmittelfarbstoffen kann also den
Genusswert eines Lebensmittels erhöhen.
Nun zurück zu den Farbstoffen in der Götterspeise: Welche Farbstoffe in der grünen
Götterspeise enthalten sind, kann man im Zutatenverzeichnis auf der Verpackung
nachlesen oder man kann sie in einem Versuch chemisch isolieren und
chromatographisch auftrennen. Letztere Variante wird vorgestellt.
18
Demonstration
Isolierung von Lebensmittelfarbstoffen
Versuchsbeschreibung:

Materialien: Mikrosäule, Stativmaterial, Waage, 2 Messzylinder (50 mL,
100 mL), Magnetrührer mit Rührfisch, 2 Erlenmeyerkolben (200 mL),
Becherglas
(50
mL),
Spatel,
Glasstab,
Universalindikatorpapier,
Pasteurpipette, Wasserbad

Chemikalien: Glaswolle, Seesand, Götterspeise (z. B. Instant Götterspeise
Waldmeistergeschmack,
Firma
Dr. Oetker),
dest.
Wasser, Salzsäure
(c = 2 mol/L), Polyamidpulver (mittlere Korngröße etwa 0,03 – 0,3 mm),
Aceton, Reagenz 1: Ammoniaklösung, w = 0,25 / Methanol im Verhältnis 5:95,
Reagenz 2: Essigsäure, w = 1,0 / Methanol im Verhältnis 1:1

Durchführung: Die Mikrosäule mit ausgezogener Spitze wird mit Hilfe des
Stativmaterials senkrecht eingespannt und erst mit Glaswolle und dann mit
einer 1-2 cm hohen Seesandschicht befüllt. 10 g der Götterspeise werden
eingewogen, mit 100 mL dest. Wasser versetzt und die Mischung im
Erlenmeyerkolben erwärmt, bis sich der Farbstoff gelöst hat. Anschließend
wird die Lösung (falls erforderlich) mit Salzsäure (c = 2 mol/L) auf pH = 5
angesäuert. In die noch warme Lösung gibt man 1,5 g Polyamidpulver und
rührt etwa 2 Minuten. Die erhaltene Suspension wird vorsichtig auf die
vorbereitete Mikrosäule gegeben (vorher Erlenmeyerkolben unterstellen).
Nachdem sich die gefärbte Polyamidschicht auf dem Seesand abgesetzt hat,
spült man die Säule mit 6 Portionen von je 10 mL heißem dest. Wasser und
mit 6 Portionen von je 5 mL Aceton. Nach dem Wechsel der Vorlage
desorbiert man mit 2 Portionen von je 5 mL von Reagenz 1. Die aufgefangene
alkalische Farbstofflösung säuert man mit Reagenz 2 auf etwa pH = 6 an und
engt sie im Wasserbad (Abzug!) auf etwa 1 mL ein. Das Farbstoffgemisch ist
nun zur DC vorbereitet.
Versuchsbeobachtung:
Nach Zugabe des Polyamidpulvers zur Farbstofflösung ist eine Adsorption der
Farbstoffe erkennbar, das weiße Pulver färbt sich grün. Beim Spülen mit heißem
19
dest. Wasser und Aceton ist die aufgefangene Flüssigkeit farblos. Die grünen
Farbstoffe bleiben am Polyamidpulver adsorbiert (siehe Foto 1). Erst beim Spülen
mit Reagenz 1 (Ammoniaklösung / Methanol im Verhältnis 5:95) werden die
Farbstoffe abgelöst. Die Polyamidschicht wird wieder weiß, die aufgefangene Lösung
ist grün (siehe Foto 2).
Götterspeise /
Polyamidpulver
Seesand
Glaswolle
Abb. 3a: Foto 1 – Adsorption
Abb. 3b: Foto 2 - Desorption
Versuchsauswertung:
Bei der Isolierung der synthetischen Farbstoffe aus der Götterspeise mit Hilfe der
Polyamid-Methode, werden diese in schwach saurer Lösung an Polyamid adsorbiert.
Polyamide sind Polymere, die sowohl Aminoendgruppen als auch Amidbindungen
(-NH-CO-) aufweisen. Im sauren Medium werden beide protoniert und so das
Makromolekül elektrostatisch positiv aufgeladen. In der Umgebung dieser positiven
Ladungen
befindet
sich
primär
das
beweglichere
Säureanion
aus
dem
Ansäuerungsmittel, der verdünnten Salzsäure. Die synthetischen Farbstoffe liegen in
wässriger Lösung aufgrund ihrer Sulfonatgruppen als Farbstoffanionen vor und sind
in der Lage, nach Art eines Ionenaustauschers die Säureanionen zu verdrängen. Die
Farbstoffe sind nun am Polymer adsorbiert und werden in der Mikrosäule durch
20
mehrmaliges Waschen mit heißem dest. Wasser und Aceton von störenden
Begleitstoffen abgetrennt. Desorbiert werden die Farbstoffe mit Hilfe von Reagenz 1.
Die Mischung von Ammoniaklösung und Methanol wirkt als Base. Die Protonierung
des Polyamids wird dabei aufgehoben und die Farbstoffe wieder freigesetzt.
Aufgrund der Giftigkeit des Methanols ist dieser vorbereitende Versuch nicht für
Schüler geeignet. Die Isolierung kann aber als Lehrerdemonstrationsexperiment
vorgeführt werden.
Demonstration
Chromatographie von Lebensmittelfarbstoffen
Versuchsbeschreibung:

Materialien:
DC-Kammer,
DC-Karte
(Kieselgel),
Bleistift,
Lineal,
Glaskapillaren, Fön, Messpipette (10 mL), Peleusball, 4 kleine Bechergläser
für die Farbstofflösungen

Chemikalien: Fließmittel: 5 mL 1-Butanol / 1,5 mL Essigsäure, w = 1,0 / 3 mL
dest. Wasser; Farbstofflösungen von Chinolingelb, Gelborange S, Patentblau
V; isoliertes Farbstoffgemisch (siehe oben)

Durchführung: Das Fließmittel wird in die DC-Kammer gefüllt und diese
verschlossen. Circa 1 cm vom unteren Rand der DC-Karte entfernt markiert
man mit Bleistift und Lineal die Startlinie, den Startpunkt für das isolierte
Farbstoffgemisch und 3 Startpunkte für die Vergleichssubstanzen. Mit
Glaskapillaren trägt man die Proben mehrmals auf und fönt nach jedem
Auftragen bis zur Trockne. Die DC-Karte wird ins Fließmittel gestellt und das
Chromatogramm bis ca. 1 cm vom oberen Kartenende entfernt, laufen
gelassen.
Man
entnimmt
die
Karte
der
Fließmittelfront ein und trocknet sie mit dem Fön.
21
DC-Kammer,
zeichnet
die
Versuchsbeobachtung:
Abb. 4: eingescanntes Chromatogramm
Versuchsauswertung:
Der grüne isolierte Farbstoff der Götterspeise enthält die drei synthetischen
Lebensmittelfarbstoffe Chinolingelb (E 104), Gelborange S (E 110) und Patentblau V
(E 131).
Der rechts aufgetragene Vergleichsfarbstoff Patentblau V ist mit dem
Lebensmittelfarbstoff Azorubin (E 122) verunreinigt, was an dem roten Farbstofffleck
erkennbar ist, welcher sich oberhalb der blauen Zone befindet.
4. Antioxidantien
Zahlreiche Nahrungsmittelbestandteile werden durch Luft verändert. Für die
Lebensmittelindustrie ist dies ein großes Problem, da die Nahrungsmittel oft
zerkleinert sind und die Angriffsfläche daher sehr groß ist. Versuch 4 wird zeigen wie
schnell sich ein Apfel an der Luft verfärbt, diese Beobachtung beweist vor welchen
Problemen die Lebensmittelindustrie bei der Herstellung von Püree steht.
22
Antioxidantien werden den Lebensmitteln zugesetzt um unerwünschte oxidative
Prozesse zu hemmen oder zu verhindern. Sie üben eine stabilisierende Wirkung auf
die Zusammensetzung der Lebensmittel aus und erhöhen damit die Haltbarkeit. Der
Einsatz erfolgt hauptsächlich in Lebensmitteln, in denen Fett großflächig dem Angriff
von
Luftsauerstoff
ausgesetzt
ist,
wie
Tockensuppen
und
–soßen,
Kartoffeltrockenprodukte, Knabbererzeugnisse, Marzipanmasse und Walnusskerne.
Bei Fetten spricht man von einem Schutz vor Ranzigkeit (von lat. rancidus =
stinkend). Auch ätherische Öle und andere Essenzen sowie Kaumassen dürfen mit
Antioxidantien gegen Autoxidation geschützt werden, die hier schon in geringem
Ausmaß zu erheblichen geschmacklichen Beeinträchtigungen führt.
Die natürlich vorkommenden Tocopherole (E 306) sind allgemein als Zusatzstoffe
zugelassen. Das gilt auch für die L-Ascorbinsäure (E 300) und ihre synthetischen
Pendants (E 307 – E 309) sowie für die fettlösliche 6-Palmitoyl-L-ascorbinsäure
(E 304), die alle synergistisch wirken und Sauerstoff abfangen können. Auch
Citronen- und Weinsäure wirken synergistisch, weil sie Schwermetallionen komplex
binden können. Zur besseren Fettlöslichkeit werden sie mit Fettsäuren (Stearylcitrat)
oder Monoglyceriden verestert (Weinsäuremonoglycerid) eingesetzt. Die Ester der in
Gemüse
vorkommenden
Gallussäure
besitzen
ausgezeichnete
antioxidative
Eigenschaften. In Deutschland zugelassen sind zum Beispiel das Octylgallat (E 311)
und das Dodecylgallat (E 312).
CO2R
HO
OH
OH
Strukturformel von Octylgallat (R=C8H17) / Dodecylgallat (R=C12H25)
23
Butylhydroxytoluol (BHT, E 321) ist ein synthetisches Antioxidans mit recht guter
antioxidativer Wirksamkeit. Es wird häufig im Gemisch mit Gallaten und
Tocopherolen in Lebensmitteln, als auch in Verpackungsmaterialien eingesetzt.
CH3
(CH3)3C
C(CH3)3
OH
Strukturformel von Butylhydroxytoluol (BHT)
Die Wirkung phenolischer Antioxidantien besteht meist darin, dass sie als
Radikalfänger für die bei der Autoxidation auftretenden freien Radikale wirken. Diese
entziehen zum Beispiel den Hydrochinonen ein H-Atom der Hydroxygruppe, wodurch
diese in Semichinon-Radikale verwandelt werden. Das ursprüngliche Radikal hat sich
durch Aufnahme des H-Atoms stabilisiert. Der Kettenabbruch kann durch Reaktion
eines entstandenen Semichinon-Radikals mit einem weiteren Radikalbruchstück
erfolgen.
Abfangen der Radikale:
O∙
OH
+
∙CH
H
H
C
C
+
CH3
O∙
CH3
O
usw.
∙
CH3
CH3
24
H
H
CH2 C
C
mögliche Kettenabbruchsreaktion:
O
O
∙
+
H
H
CH C
C
H H
O O∙
H3 C
O
O CH C C
CH3
Aus den Reaktionsgleichungen ersichtlich ist, dass Antioxidantien im Verlaufe
autoxidativer Einflüsse verbraucht werden. Daher wird man günstige Ergebnisse nur
dann erwarten können, wenn das Antioxidans ins frische Lebensmittel gegeben wird,
um seine Wirkung bereits innerhalb der Inkubationsperiode entfalten zu können.
Versuch 4 soll nun die Wirkung eines Antioxidationsmittels demonstrieren. Die
Erscheinung der enzymatischen Bräunung ist allen Schülern bekannt. Schneidet
man Äpfel, Bananen oder Kartoffeln an, so bildet sich an den Schnittflächen eine
braune Färbung aus. Aber, viele Schüler wissen nicht mit welchen Mitteln die
Bräunung verhindert werden kann. Dieser einfache Versuch gibt Aufschluss darüber.
Versuch 4
Enzymatische Bräunung
Versuchsbeschreibung:

Materialien: Petrischale, Apfelreibe, Messer, kleiner Löffel, Glasstab

Chemikalien: Apfel, Ascorbinsäure-Lösung (c = 0,1 mol/L), Pasteurpipette

Durchführung: Ein Apfel wird geschält, entkernt und auf der Apfelreibe
gerieben. Dann verteilt man das Mus auf die zwei Hälften der Petrischale und
vermischt die eine Portion Mus sofort mit etwas Ascorbinsäure-Lösung. Die
Schalen werden eine Zeit lang stehen gelassen und danach die Färbung der
Proben verglichen.
25
Versuchsbeobachtung:
Die unbehandelte Probe färbt sich braun, die mit Ascorbinsäure-Lösung versetzte
dagegen nicht.
Versuchsauswertung:
a. Bräunungsreaktion
Die Farbänderung beruht auf dem Zusammenwirken dreier Faktoren:
1. Phenolische Inhaltsstoffe (z. B. in Obst und Kartoffeln zu etwa 0,1 – 1 %
enthalten (bezogen auf Frischgewicht))
2. Anwesenheit von aktiven Enzymen (Phenoloxidasen)
3. Anwesenheit von Sauerstoff
Nach der Zellzerstörung beim Zerkleinern übertragen die Enzyme Sauerstoff auf die
farblosen Phenole des Apfels. Es bilden sich Chinone, die im Weiteren zu braunen
Pigmenten, den so genannten Phlobaphenen polymerisieren. Das Ausmaß der
Bräunung wird von der Apfelsorte, dem Zerkleinerungsgrad, der Temperatur und der
Zeit bestimmt. Der Wirkungsmechanismus des Enzyms Phenoloxidase
soll die
Vorgänge noch genauer beschreiben:
OH
H2O
O O
R
R
Cu
+2
OH2
R
R
Cu
+2 R
- H3O
+
R
E
O 2 , 2 H2 O
O
Cu
+2 O
E
O
R
Cu
+2 R
R
R
R
OH2
Cu Cu
+1 +1
E
+ 2 H+
R
- 2 H2O
O O
R
R
O
O
Polymerisation
O
Cu
+2
E
Cu
+2
R
R
Phlobaphene
(braunePigmente)
Pigmente)
Phlobaphene (braune
O
26
Im aktiven Zentrum enthält das Enzym Phenoloxidase zwei Cu-Ionen in der
Oxidationsstufe +1. Es bindet zunächst Sauerstoff und dann das Monophenol an
sich, verbunden mit einem Valenzwechsel der Cu-Ionen auf die Oxidationsstufe +II.
Es entsteht ein Komplex, in dem die O—O-Bindung so stark polarisiert ist, dass die
Hydroxylierung zum o-Diphenol erfolgen kann. Die Oxidation des o-Diphenols zum
o-Chinon beendet den Zyklus.
b. Unterdrückung der Bräunungsreaktion
Die Bräunungsreaktion lässt sich durch Inaktivierung der Enzyme verzögern bzw.
unterbinden. Dies kann zum Beispiel mittels Wärmebehandlung, durch pH-WertSenkung oder durch den Ausschluss von Sauerstoff (z. B. mittels Eintauchen in
Wasser)
erfolgen.
Diese
Möglichkeiten
reichen
in
der
Praxis
der
Lebensmittelverarbeitung jedoch meist nicht aus, so dass die Verwendung eines
Antioxidationsmittels
erforderlich
ist.
Hierbei
kann
auf
die
Ascorbinsäure
zurückgegriffen werden.
Ascorbinsäure ist aufgrund ihrer Endiol-Struktur ein kräftiges Reduktionsmittel:
HO
O
OH
O
O
–2H
CH CH2OH
O
+2H
O
OH
O
CH
CH2OH
OH
Ascorbinsäure
Dehydroascorbinsäure
Sie reduziert die im Verlaufe der Bräunungsreaktion gebildeten Chinone, bevor diese
zu braunen Pigmenten polymerisieren können. Dies geschieht so lange, wie
Ascorbinsäure selbst noch im Überschuss vorhanden ist. Genau genommen wirkt die
Ascorbinsäure auch als Säure. Oxidationen mit Sauerstoff laufen im sauren Milieu
nicht so gut ab, da das Oxidationspotential mit sinkendem pH-Wert abnimmt.
27
5. Emulgatoren, Stabilisatoren und Verdickungsmittel
Alle drei Stoffgruppen haben gemeinsam, dass sie die Zustandsformen eines
Lebensmittels oder einer Zubereitung verändern können. Diese Substanzgruppen
werden äußerst vielfältig in Lebensmitteln eingesetzt.
Emulgatoren sind Verbindungen, die in der Lage sind, Grenzflächenspannungen
zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten zu verringern. In Bezug auf
Lebensmittel kann dieser Begriff auf Wirkungen zwischen Wasser und Fett eingeengt
werden. Sie finden in der Lebensmitteltechnologie vielfältige Anwendungen. So
können sie die plastischen Eigenschaften eines Lebensmittels positiv beeinflussen,
indem sie zum Beispiel die Streichfähigkeit von Margarine oder die Plastifizierung
von Kaugummi-Massen erleichtern. Auch können sie die Einarbeitung von Luft in
halbfeste Systeme wie zum Beispiel Softeis unterstützen. Vor allem aber verbessern
sie die Benetzung fetthaltiger Partikel, wie sie zum Beispiel in Milch- und Eipulvern,
Kartoffeltrockenmassen und Instantprodukten vorliegen.
Emulgatoren können
natürlich in Lebensmitteln vorkommen, wie zum Beispiel die Lecithine in Eiern und
Soja. Man verwendet Lecithine (E 322) in Margarine, Schokolade, Backwaren und
Überzugsmassen. Chemisch gesehen handelt es sich um Phospholipide, deren
Phosphat-Rest, die stark hydrophilen Gruppe, den Cholin-Rest, enthält und dessen
lipophile Gruppen durch verschiedene Fettsäureketten gebildet werden. Auch Monound Diglyceride, Sterole und Polysorbate werden als Emulgatoren eingesetzt.
R = Fettsäureketten wie z. B.
Ölsäure-Reste oder Stearinsäure-Reste
O
O
R2
C
CH2
O
O
CH
R1
C
O
CH2
O
CH3
P
O
CH2
OPhosphatRest
Strukturformel von Lecithin
28
CH2
N
+
CH3
Cholin-Rest
CH3
Während
die
Emulgatorwirkung
auf
einen
teilweisen
Ausgleich
von
Polaritätsunterschieden der in Emulsionen enthaltenen Lebensmittelinhaltsstoffen
beruht, wirken Stabilisatoren mehr oder weniger direkt auf das enthaltene Eiweiß in
Lebensmitteln ein. Sie können somit wirksam das Ausflocken von Proteinen
verhindern und werden deshalb zum Beispiel in Kondensmilch, Schmelzkäse und
Brühwürsten
eingesetzt. Wichtig
sind
Phosphate,
vor
allem
die
Di-
und
Polyphosphate. Sie sind gute Säure/Base-Puffer und verhindern so die SäureDenaturierung von Proteinen. Chemisch vorgestellt soll das Glucono-δ-lacton (GDL,
E 575) werden. Es handelt sich dabei um einen inneren Ester der Gluconsäure, die
hieraus hydrolytisch wieder zurückgebildet werden kann. Auf diese Weise kann eine
schonende Säuerung erreicht werden, welche bei der Herstellung von Würsten von
Bedeutung ist.
O
COOH
C
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
+ H 2O
O
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
CH2OH
CH2OH
Glucono-δ-lacton
Verdickungsmittel
können
D-Gluconsäure
sehr
stark
die
Viskosität
eines
Lebensmittels
beeinflussen. In Mengen von nur 1 – 3 % eingesetzt, können sie 97 – 99 % des
vorhandenen Wassers binden und dienen so zur Herstellung von Marmeladen,
Soßen, Götterspeise und Eis. Es gibt eine Reihe von Verdickungsmitteln (u. a.
Johannisbrotmehl, Agar Agar, Alginate, Methylcellulose) die chemisch gemeinsam
haben, dass sie Kohlenhydrate sind. Die Zusammensetzung variiert jedoch und
damit auch die chemischen Eigenschaften. Eine Ausnahme ist Gelatine, welche aus
Knochen gewonnen wird und ein Eiweiß ist. Die meisten Verdickungsmittel sind an
bestimmte Randbedingungen gebunden und daher nur für bestimmte Lebensmittel
geeignet. So geliert zum Beispiel Pektin (E 440a) nur im stark sauren Milieu, ist also
nur für Obstprodukte anwendbar. Es kommt natürlich in Früchten, Wurzeln und
29
Blättern vor und besteht im Wesentlichen aus Ketten von 1,4-α-glykosidisch
verbundenen Galacturonsäure-Einheiten. Die Säuregruppen sind zu 20 – 80 % mit
Methanol verestert, wobei man zwischen hochveresterten (> 50 %) und
niedrigveresterten Pektinen (< 50 %) unterscheidet.
COOCH3
COOCH3
OH
O
O
O
OH
OH
O
OH
OH
O
OH
OH
O
O
O
OH
COOCH3
O
COOCH3
Ausschnitt aus der Struktur von Pektin
Auch Carrageen (E 407), welches in den Zellwänden bestimmter Rotalgen
vorkommt, ist ein Geliermittel von hervorragender Wirksamkeit. Es bildet mit dem
Casein der Milch komplexe Agglomerate, was man zum Andicken von Frucht/MilchGetränken oder zum Stabilisieren von Kakaobestandteilen in Trinkschokolade
ausnutzt.
λ-Carrageen wird in der Lebensmittelindustrie wegen seiner Emulsions- und
Suspensionsstabilisierenden
Wirkungen
eingesetzt.
Die
Eigenschaften
von
λ-Carrageen zeigt Versuch 5.
Versuch 5
Emulsions- und Suspensionsstabilisierende Wirkung
von λ-Carrageen
Versuchsbeschreibung:

Materialien:
Messzylinder
(100
mL),
Erlenmeyerkolben
(200
mL),
Erlenmeyerkolben (50 mL), Waage, Spatel, Magnetrührer mit Heizfunktion,
Rührfisch, Thermometer, 2 Reagenzgläser, 2 passende Gummistopfen,
Reagenzglasständer, Einwegspritze (1 mL)

Chemikalien: Kräuter (z. B. Salatkräuter gerebelt, Firma Fuchs), λ-Carrageen,
Speiseöl, Wasser
30

Vorarbeiten:
a. Herstellen einer λ-Carrageen-Lösung:
100 mL Wasser werden in den 200 mL Erlenmeyerkolben gegeben und 2 g
λ-Carrageen hinzugefügt. Mit Hilfe des Magnetrührers wird suspendiert und
danach die Mischung auf ca. 80 °C erhitzt. Ist die gewünschte Temperatur
erreicht, wird die Heizplatte ausgestellt und so lange weitergerührt bis sich das
λ-Carrageen vollständig gelöst hat. Ist die Lösung abgekühlt, kann sie für den
Versuch verwendet werden.
b. Herstellen der Mischung aus Kräutern, Öl und Wasser:
1 g der Salatkräuter werden in den 50 mL Erlenmeyerkolben eingewogen und
mit 20 mL Öl und 20 mL Wasser versetzt. Die Kräuter lässt man in der
Öl/Wasser-Mischung ca. 1 Stunde unter Rühren quellen.

Durchführung: Zu jeweils einem Viertel wird das erste Reagenzglas mit
Wasser gefüllt, das zweite mit der vorbereiteten λ-Carrageen-Lösung. Mit der
1 mL Einwegspritze (ohne Kanüle) entnimmt man der Kräuter-Öl-WasserMischung zweimal 1 mL und gibt sie in die Reagenzgläser. Während der
Entnahme muss die Kräuter-Öl-Wasser-Mischung gerührt werden, da sonst
eine Entmischung der Phasen stattfinden würde. In beide Reagenzgläser gibt
man noch etwas Speiseöl, verschließt sie mit einem Gummistopfen und
schüttelt kräftig. Nach kurzer Zeit kann die Beobachtung festgehalten werden.
Versuchsbeobachtung:
Nach kurzer Zeit tritt in dem ersten Reagenzglas eine Entmischung der Phasen ein,
das Öl setzt sich auf der Wasserphase ab und die Kräuter schwimmen hauptsächlich
auf der lipophilen Ölphase auf. In dem Reagenzglas mit der λ-Carrageen-Lösung
erfolgt keine Phasentrennung, hier sind die Kräuter gleichmäßig verteilt.
Versuchsauswertung:
Carrageene sind heterogen aufgebaute lineare Galactane, deren monomere
Galactose-Bausteine partiell sulfatiert sind. Als Gegenionen findet man vorwiegend
Na+-, K+-, Mg2+-, Ca2+- und NH4+-Ionen. λ-Carrageen ist aus 1,3-glykosidisch
verknüpften D-Galactose-2-sulfat und 1,4-verbundenen D-Galactose-2,6-disulfatResten zusammengesetzt.
31
O
OH
O
OSO3 -
- O SO
3
CH2OH
O
O
3 - O SO
3
1
1 O 4
HO
β-D-Galactose2-sulfat
n
α-D-Galactose2,6-disulfat
Strukturausschnitt von λ-Carrageen
Aus der Struktur erkennbar, λ-Carrageen besitzt nicht den für Emulgatoren typischen
amphiphilen Molekülaufbau. Durch das Vorhandensein polarer Sulfat-Gruppen kann
es trotzdem als grenzflächenaktive Substanz wirken. Wie in der untenstehenden
Abbildung schematisch dargestellt, richten sich die tendenziell hydrophoberen Reste
bevorzugt in Richtung der Öltröpfchen bzw. Kräuterpartikel, während die hydrophilen
anionischen Gruppen sich dem Wasser entgegenrichten. Durch diese gezielten
Wechselwirkungen zwischen den Molekülen wirkt λ-Carrageen als Emulgator. Die
Erhöhung der Viskosität der wässrigen Phase erklärt die stabilisierende Wirkung, da
die Phasenseparation dadurch zeitlich verzögert wird.
suspendierter
Kräuterpartikel
Carrageen
-Polyanion
emulgiertes
Öltröpfchen
Abb. 5: Schematische Darstellung der Emulsionsstabilisierenden Wirkung von λ-Carrageen
32
6. Geschmacksstoffe
Stoffe, die ausschließlich dazu dienen, den Geschmack zu verbessern oder ähnlich
schmeckende Stoffe zu ersetzten, spielen in unserer Esskultur eine besondere Rolle.
Bei ungenügender Entwicklung während des Zubereitungsprozesses werden
Geschmacksstoffe in synthetischer oder in aus Naturstoffen isolierter Form
zugesetzt.
Man
Ersatzpräparate,
unterscheidet
Saure
mehrere
Gruppen,
Verbindungen,
dazu
gehören
Fettersatzstoffe,
KochsalzBitterstoffe,
Geschmacksverstärker und die Gruppe der Zuckeraustauschstoffe und Süßstoffe.
Auf die zwei letztgenannten Gruppen wird genauer eingegangen.
Zuckeraustauschstoffe sind süßende Stoffe mit einem ähnlichen Energiegehalt wie
Zucker, aber und das ist der große Vorteil für Diabetiker, sie belasten innerhalb
bestimmter Konzentrationen den Blutzuckerspiegel nicht. Dazu gehören zum Beispiel
als Kohlenhydratvertreter die Fructose oder die Zuckeralkohole Sorbit bzw. Xylit.
Letzteres wird auch in „zuckerfreien“ Kaugummis und Bonbons eingesetzt, da es
nicht von den Karies erzeugenden Bakterien abgebaut wird. Bezogen auf
Saccharose hat Xylit (E 967) eine relative Süßkraft von 1,2 – 1,3 und besitzt folgende
Struktur:
OH
OH
HO
OH
OH
Strukturformel von Xylit
Der hohe Preis und der Nachteil, dass sie in größeren Mengen als hygroskopische
Stoffe laxierend wirken, setzen der Verwendung von Zuckeralkoholen enge Grenzen.
Getränke dürfen daher generell nicht mit Zuckeralkoholen gesüßt werden, da mit
ihnen zu große Mengen aufgenommen werden könnten.
Im Gegensatz zu den Zuckeraustauschstoffen werden synthetische Süßstoffe nicht
vom körpereigenen Stoffwechsel abgebaut und liefern somit auch keine Energie. Sie
sind daher bei Übergewichtigen besonders beliebt. In Lebensmitteln werden sie
eingesetzt, wenn das Süßungsmittel außer seinem Süßgeschmack keine weiteren
33
Funktionen übernehmen muss. Der älteste und bekannteste Süßstoff ist das
Saccharin (E 954), das schon vor 100 Jahren entdeckt wurde. Es hat die Struktur von
Benzoesäuresulfimid und ist in Form seines Natriumsalzes in Wasser löslich, wobei
es eine etwa 500mal so starke Süßkraft wie Saccharose entwickelt. Allerdings geht
die Süßkraft von Saccharin beim Kochen verloren, da dann der Imid-Ring
hydrolytisch gespalten wird. Schon in kleinen Mengen störend ist ein bitterer, leicht
metallischer Beigeschmack,
welchen
man
durch Kombination
mit anderen
Süßstoffen teilweise eliminieren kann.
O
N
H
S
O
O
Strukturformel von Saccharin
Als weitere wichtige Süßstoffe wäre das Cyclamat, Aspartam und Acesulfam K zu
nennen.
Der Sinn von Geschmacksverstärkern ist schon aus dem Namen abzuleiten, es
sind Stoffe die den Geschmackseindruck von Aromen verstärken. Bisher sind
Inositate, Guanylate, Maltol und Glutaminsäure zugelassen.
Schon 0,1 – 0,3 % Mononatriumglutamat (E 621) sind ausreichend, um den
Eigengeschmack salziger Speisen wie Fleisch, Fisch und Gemüse zu verstärken.
Eine Aufnahme größerer Mengen kann allerdings zu allergischen Reaktionen, dem
„China Restaurant Syndrom“, führen. Glutaminsäure ist sehr preiswert synthetisch
herzustellen und nachdem man entdeckt hat, dass die Zunge neben dem
Geschmackssinnen für süß, sauer, bitter und salzig auch eine Region hat, die
spezifisch auf Glutaminsäure bzw. Glutamat reagiert, dürfte der Einsatz in der
Nahrungsmittelindustrie noch weiter ansteigen. Mononatriumglutamat ist das
Natriumsalz einer natürlich vorkommenden Aminosäure mit folgender Struktur:
NH2
HOOC
COONa
Strukturformel von Mononatriumglutamat
34
Dass Mononatriumglutamat der Hauptgeschmacksstoff einer seit Jahrhunderten in
China und Japan aus Seetang gewonnenen Suppenwürze ist, entdeckte der
japanische Wissenschaftler Ikeda 1908. Heute ist es zum Beispiel in der bekannten
Maggi Würze enthalten.
Abb. 6: Maggis erstes Werbeplakat von 1889 – mit
der charakteristischen Flasche für die „Maggi Würze“
Ein
bei
der
Karamellisierung
von
Zucker
entstehender
Stoff,
der
den
Eigengeschmack süßer Speisen anhebt, ist Maltol (E 636). Er wird oft versteckt
eingesetzt, da man auf der Packung anstatt „Geschmacksverstärker Maltol“ die Zutat
„Karamell“ findet. Schon in Mengen von 0,005 – 0,0025 % eingesetzt, spart es
5 – 15 % Zucker. Ersetzt man in Maltol die Methyl-Gruppe durch einen Ethyl-Rest,
wird die verstärkende Wirkung um das 4- bis 6-fache gesteigert. Man erhält die
synthetische Variante Ethylmaltol.
O
O
OH
OH
CH3
O
O
CH3
Strukturformel von Maltol (links) und von Ethylmaltol (rechts)
35
7. Schulrelevanz
Leider ist die Lehrplanrelevanz dieses Themas selten gegeben. Zwar findet man in
den Lehrplänen für Chemie in Deutschland in fast allen Schulstufen Anteile aus dem
Bereich der Lebensmittelchemie, allerdings werden dort ausschließlich die
klassischen Nährstoffe Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße aufgeführt. Zu diesen
Lehrplanthemen lassen sich aber leicht Bezüge aus dem Bereich der Zusatzstoffe
finden, die den herkömmlichen Beispielen, was die fachliche Ergiebigkeit betrifft,
mindestens ebenbürtig und was die emotionalen Komponenten betrifft, jedoch
deutlich überlegen sind.
In den Köpfen vieler Verbraucher und somit auch in den Köpfen der Schüler
kursieren viele falsche Vorstellungen über Zusatzstoffe, besonders was die Giftigkeit
und die Notwendigkeit betrifft. Dabei sind heute viele Zusatzstoffe hinsichtlich ihrer
Unbedenklichkeit
besser
untersucht
als
die
meisten
Lebensmittel
und
Lebensmittelinhaltsstoffe. Es könnte somit eine Aufgabe des Unterrichts sein, falsche
Vorstellungen und Fragen aufzugreifen, um sie aus einer naturwissenschaftlichen
Sicht zu klären und somit über wirkliche und scheinbare Gefahren zu informieren. Die
weit verbreitete Aversion gegen Lebensmittelzusatzstoffe beruht nämlich oft auf der
weit verbreiteten Unwissenheit des Verbrauchers. Zum Beispiel ist es vernünftiger,
die durch ein harmloses Konservierungsmittel haltbar gemachten Lebensmittel
unbedenklich anzunehmen als ein verdorbenes Lebensmittel zu sich zu nehmen. Im
Sinne einer Gesundheitserziehung sollten solche Sachverhalte objektiv im Unterricht
behandelt
werden,
Ernährungsverhalten
denn
etwa
80
%
zurückzuführen.
aller
Hinzu
Krankheiten
kommt,
sind
das
auf
das
gesamte
Ernährungsverhalten hat sich geändert. Heute gibt es in zunehmendem Masse
Fertiggerichte, Light-Getränke, kalorienarme Speisen, Fast-Food usw.. Daran
anknüpfend wäre das Interesse der Schüler dem Lehrer in großem Ausmaß sicher.
Das Thema bietet ebenfalls Vorteile in Bezug auf Schülerexperimente. Chemikalien
sind zum Beispiel weitgehend ungefährlich, da es sich zum größten Teil um
Lebensmittel handelt. Auch die benötigten Gerätschaften sind oft küchenüblich und
somit kostengünstig zu beschaffen – auch in den für Schülerversuche in größeren
Klassen
benötigten
Mengen.
Das
Thema
36
kann
fächerübergreifend
und
projektorientiert behandelt werden. Vernetzungen zur Biologie sind leicht herstellbar.
Günstige Faktoren für schnelles Wachstum von Bakterien- und Hefestämmen wäre
ein Beispiel, welches im Bereich der Konservierungsstoffe besprochen werden
könnte und auf Schutzmaßnahmen vor verdorbenen Lebensmitteln übertragen
werden kann.
Sind Basiskenntnisse zu diesem Thema gelegt, lassen sich Für und Wider des
Einsatzes von Zusatzstoffen fundierter diskutieren. Wer bestimmte Produktmerkmale
(z. B. die Knackigkeit von Wiener Würstchen oder die Cremigkeit von Eiscreme)
Zusatzstoffen („Phosphat“ bzw. Verdickungsmitteln) zuordnen kann, wird es
einfacher haben, sich zu entscheiden, ob ihm das Merkmal lieber ist und er den
Zusatzstoff in Kauf nimmt, oder ob er bereit ist, auf beides zu verzichten. Die
Fortschritte in der Lebensmittelchemie und –technologie sind enorm und aufbauend
auf der Tatsache, dass Fertigprodukte immer häufiger zur Ernährung herangezogen
werden, rechtfertigt dies eine Aufnahme des Themas in den Chemieunterricht.
37
Literatur- und Abbildungsverzeichnis
Literaturverzeichnis:

Baltes, W.: Lebensmittelchemie, 5. Auflage, Verlag Springer, Berlin 2000

Belitz, H.-D. / Grosch, W. / Schieberle, P.: Lehrbuch der Lebensmittelchemie,
5. vollständig überarbeitete Auflage, Verlag Springer, Berlin / Heidelberg 2001

Deifel, A. / Treiber, D.: Lebensmittelfarbstoffe, In: Naturwissenschaften im
Unterricht Chemie, Heft 30 / 1995, S. 24 - 33

Falbe, J. / Regitz, M. (Hrsg.): Römpp Chemie Lexikon, 9. korrigierte und
verbesserte Auflage des Römpp Chemie Lexikons auf CD-ROM Version 1.0,
Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1996-1999
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Lebensmittelchemische Gesellschaft, Fachgruppe der GDCh (Hrsg.):
Schulversuche mit Lebensmittel-Zusatzstoffen, Auflage 1990, Verlag Behr,
Hamburg 1990

Lück, E.: Lebensmittelzusatzstoffe – Chemie in der Nahrung?, In: Praxis der
Naturwissenschaften – Chemie, Heft 8 / 1985, S. 6 - 8

Lück, E. / Kuhnert, P. (Hrsg.): Lexikon Lebensmittelzusatzstoffe, 2. Auflage,
Verlag Behr, Hamburg 1998

Marburger, A.: Alginate und Carrageenane – Algenpolysaccharide mit
interessanten Eigenschaften und vielfältigen Anwendungen, Fachbereich
Chemie der Philipps-Universität Marburg, Marburg 2001

Schmidkunz, H.: Experimentierkartei (Einfache Versuche zur enzymatischen
Bräunung), In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie, Heft 30 / 1995,
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
Schmidkunz, H. / Wagner, W.: Moderne Lebensmittel – eine
öffentliche Beunruhigung?, In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie,
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
Schmidkunz, H.: Neue Aspekte für Lebensmittel im Unterricht,
In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie, Heft 30 / 1995, S. 4 – 8

Schorm, A.: Chemie der Aromaten II – Unbedenkliche Versuche zur
Farbstoffchemie, Fachbereich Chemie der Philipps-Universität Marburg,
Marburg 2000

Schwedt, G.: Experimente mit Supermarktprodukten, Auflage 2001,
Verlag Wiley-VCH, Weinheim 2001
38
R=C8H
17 oder
R=C12
H25

Stuebs, R.: Lebensmittelzusatzstoffe im Chemieunterricht – mit
Experimentiervorschlägen (I), In: Chemie in der Schule, Heft 9 / 1997,
S. 316 – 323

Stuebs, R.: Lebensmittelzusatzstoffe im Chemieunterricht – mit
Experimentiervorschlägen (II), In: Chemie in der Schule, Heft 11 / 1997,
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
Vaupel, E.: Färben von Lebensmitteln – gestern und heute, In: Praxis der
Naturwissenschaften – Chemie, Heft 2 / 1999, S. 2 - 8

http://www.bernd-leitenberger.de/zusatzst.html (24.08.03)

http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/lebensmittelfaer
ben/lebensmittelfaerben.htm (24.08.03)
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http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/citrone/c_t10.htm (24.08.03)
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http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/wsu-bclm/kap_05.htm (24.08.03)
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http://www.zusatzstoffe-online.de (24.08.03)
Abbildungsverzeichnis:

Abb. 1: Wurzel von Curcuma longa
(http://www.sertuerner.de/Seiten-deutsch/frame1.htm (24.08.03))

Abb. 2: Cochenillelaus auf Feigenkaktus
(http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Lexikon/Cochenil.htm (24.08.03))

Abb. 3a / 3b: Foto 1 – Adsorption / Foto 2 – Desorption (privat)

Abb. 4: eingescanntes Chromatogramm (privat)

Abb. 5: Schematische Darstellung der Emulsionsstabilisierenden Wirkung von
λ-Carrageen (Marburger, A.; 2001, S. 35; leicht verändert)

Abb. 6: Maggis erstes Werbeplakat von 1889 – mit der charakteristischen
Flasche für die „Maggi Würze“ (Schwedt, G.; 2001, S. 75)
39