Kohlenhydrate
Gliederung
- Einleitung
- Kohlenhydratreiche Lebensmittel
- Funktionen im Körper
- Energiegewinnung durch Kohlenhydrate
- Einteilung der Saccharide (Kohlenhydrate)
- Monosaccharide
- Disaccharide
- Eigenschaften der Mono- & Disaccharide
- Süßkraft verschiedener Mono- & Disaccharide
- Oligosaccharide
- Polysaccharide
- Zuckeraustauschstoffe
Einleitung
Kohlenhydrate werden von verschiedenen Organismen (Pflanzen, einige Bakterien, Pilze), die zur Photosynthese fähig sind aus Kohlenstoffdioxid und Wasser mit Hilfe der Sonnenenergie hergestellt. Dementsprechend bestehen Kohlenhydrate aus den chemischen Elementen C, H und O. Kohlenhydrate bilden die Hauptnahrungsquelle für fast alle heterotrophen Organismen und sind der Ausgangspunkt für die Fett– und Eiweißsynthese. Neben der Energiegewinnung, dienen sie zudem als Ausgangssubstanz für diverse Verbindungen, insbesondere als Gerüst- und Speicherstoffe sowie als Bestandteile der extrazellulären Matrix. Als Kohlenhydrate versteht man mehrere verwandte Naturstoffe, die in der Regel (es gibt Ausnahmen) die allgemeine Summenformel Cn(H2O)n haben. In der Chemie tragen die Kohlenhydrate den Begriff Saccharide (sacchar = Zucker). Alle Saccharide enden auf die Silbe “-ose”.
Kohlenhydratreiche Lebensmittel
Zu den kohlenhydratereichen Nahrungsmitteln gehören Grundnahrungsmittel wie Reis, Nudeln, Kartoffeln, aber auch Buchweizen, Amaranth und Qunioa sowie jegliche Brot- und andere Getreide- bzw. Teigwaren. Daneben liefern auch sämtliche Obst- und Gemüsesorten Kohlenhydrate, sowohl im Naturzustand, als auch in getrockneter Form als Trockenfrüchte. Hülsenfrüchte wie Bohnen, Linsen, Kichererbsen und so weiter sind ebenfalls reich an Kohlenhydraten. Aber auch einige Milchprodukte enthalten einen gewissen Teil an Kohlenhydraten.
Funktionen im Körper
Die Hauptfunktion der Kohlenhydrate im menschlichen Organismus ist die Energiebereitstellung. Diese Funktion wird im nächsten Abschnitt noch genauer erläutert. Neben der Aufgabe als Energielieferant, sind Kohlenhydrate jedoch auch an einigen weiteren Stellen im Körper vorzufinden. So zum Beispiel in der Erbsubstanz, wo sie Bestandteil der Nucleinsäuren DNA und RNA sind. Ebenfalls dienen sie als Ausgangssubstanz für die Bildung von Fettsäuren und nicht-essenziellen Aminosäuren. Aber nicht nur an der Bildung von eben Fetten oder Proteinen sind sie beteiligt, sondern sie arbeiten auch mit diesen im Verbund. So sind Kohlenhydrate In Verbindung mit Fetten als Glykolipide vorzufinden, vorwiegend an Zellmembranen. Diese befinden sich in besonders hoher Konzentration im Nervensystem. In Verbindung mit Proteinen ergeben sich Glykoproteine, welche ebenfalls Bestandteil der Zellmembranen ist. Glykoproteine sind von großer Wichtigkeit für die Zell-Zellerkennung. Zudem sind sie auch als Glykoproteine Bestandteil des Kollagens und somit Teil des Bindegewebes. Darüberhinaus findet man Glykoproteine im Blutplasma, Blutgruppensubstanzen oder als Bestandteil von Mucinen (Schleimstoffe), Enyzmen und Transportproteinen.
Energiegewinnung durch Kohlenhydrate
Kohlenhydrate sind nicht nur die vom Gehirn und Nervensystem bevorzugte, sondern auch generell vom Körper hauptsächlich genutzt Energiequelle. Dabei ist es egal aus welcher Quelle die Kohlenhydrate kommen, jedes Kohlenhydrat liefert pro Gramm 4,1 kcal (17 kJ). Die Verstoffwechselung beginnt in den Zellen, indem die Kohlenhydrate dann zu Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasser (H2O) und ATP (Adenosintriphosphat), die eigentliche Energie-“Währung” im Körper, umgewandelt werden. Ist genügend Energie vorhanden, wird der Körper zusätzliche Kohlenhydrate einspeichern. Dies geschieht im Prozess der Glykogenese, bei der einzelne Glukosemoleküle zu Polysacharidketten zusammengeschlossen werden und dann in Form von Glykogen vorliegen.
Die Glykogenspeicher befinden sich in der Leber und in der Skelettmuskulatur. Der Glykogenspeicher in der Leber dient dazu, den Blutzuckerwert konstant zu halten. Wenn der Blutzucker absinkt, wie zum Beispiel in Fastenphasen oder im Schlaf, wird in der Leber das Glykogen wieder zu Glukose abgebaut und diese dann in den Blutkreislauf abgegeben. Diesen Vorgang nennt man Glykogenolyse. Die Glykogenspeicher in der Skelettmuskulatur dienen auf gleiche Weise der Energieversorgung der Muskeln. Sind die Glykogenspeicher ausgelastet, wird weitere Glukose umgewandelt in Fett, als dieses eingespeichert und kann dann wenn es benötigt wird Energie bereitstellen.
Durch längere Fastenperioden oder auch einfach nur geringer Aufnahme von Kohlenhydraten in der Nahrung ist der Körper gezwungen sich anderweitig die benötigte Energie zu holen. Zunächst wird das Protein aus der Nahrung genutzt. Ist die Proteinaufnahme zu gering, wird auf das körpereigene Protein in Muskeln und Organen zurückgegriffen, was dann zu Muskelverlust und Störungen der Immunfunktion und anderer Funktionen der Proteine im Körper führen kann. Der Körper nutzt Protein, um die darin enthaltenen Aminosäuren in Glukose umzubauen (Glukoneogenese). Dadurch gelangt er wieder an Energie und kann den Blutzucker aufrecht halten. Bei nahezu kompletter Abwesenheit von Kohlenhydraten besteht für den Körper die Möglichkeit seine Energie aus Ketonen zu beziehen, welche dann in der Leber hergestellt werden. Den Zustand nennt man Ketose.
Einteilung der Saccharide (Kohlenhydrate)
Als Saccharide werden jegliche Arten der Kohlenhydrate bezeichnet. Sie lassen sich chemisch betrachtet nach unterschiedlichen Eigenschaften kategorisieren.
Zum einen kann man sie nach ihrer funktionellen Gruppe in Aldosen und Ketosen unterscheiden. Kommt im Molekül eine Aldehydgruppe vor, ist es eine Aldose, kommt hingegen eine Ketogruppe vor, gehört das Saccharid zu den Ketosen.
Je nach Kettenlänge, welche sich nach der Anzahl der Kohlenstoffatome richtet, kann man Saccharide ebenfalls unterscheiden. Es gibt also Triosen (3 C-Atome), Tetrosen (4 C-Atome), Pentosen (5 C-Atome), Hexosen (6 C-Atome) und so weiter. Davon sind die Hexosen für die menschliche Ernährung am relevantesten.
Dann lassen sich Kohlenhydrate auch noch nach der Anzahl der Monomere unterscheiden. Es können verschieden viele Kohlenhydratmoleküle miteinander verbunden sein. Bei einem Molekül spricht man von einem Monosaccharid, bei zwei verbundenen Molekülen von einem Disaccharid. Bei bis zu 100 verbundenen Molekülen redet man von Oligosacchariden und wenn ein Saccharid aus mehr als 100 Molekülen besteht, nennt man es Polysaccharid.
Monosaccharide
Die für den Menschen relevantesten Kohlenhydrate sind die Hexosen, also solche mit 6 Kohlenstoffatomen im Molekül.
Das von bekannteste Monosaccharid (Einfachzucker) ist die Glucose, auch Traubenzucker oder Dextrose genannt. Sie kommt natürlicherweise hauptsächlich in Obst oder Honig vor und ist ein Grundbaustein von Di- & Polysacchariden. Zudem ist Glucose im menschlichen Organismus das wichtigste Monosaccharid. Stichworte: Energiebereitstellung und Blutzucker.
Ein weiteres sehr bekanntes Monosaccharid ist die Fructose (Fruchtzucker). Wie der Name schon vermuten lässt, kommt Fructose hauptsächlich in Obst vor und ebenfalls in Honig. Jedoch besteht Obst nicht ausschließlich aus Fructose. Genau wie auch die Glucose, ist Fructose Bestandteil von Di- & Polysacchariden. Im Körper kann Fructose auch zu gewissen Teilen zur Energiegewinnung herangezogen werden. Der Metabolismus ist jedoch ein anderer, wie der bei Glucose. Ansonsten kommt Fructose in seiner Form in der Plazenta und dem fetalen Blut vor.
Die Galactose (Schleimzucker) ist das dritte Monosaccharid, welches eine Rolle für den Menschen spielt. In freier Form kommt sie eher selten vor, sie ist allerdings Bestandteil der Lactose (Milchzucker) und vieler pflanzlicher Polysaccharide. Als Teil von Glykoproteinen und Glykolipiden kommt sie an vielen Stellen im Körper vor.
Die letzte Hexose in der Reihe ist die Mannose. Dieser Zucker verhält sich ähnlich wie die Galactose. Er ist ebenfalls selten in freier Form vorfindbar, sondern ist in der Regel an Polysaccharide, Glykoproteine oder Glykolipide gebunden. Im menschlichen Körper ist Mannose beispielsweise ein Bestandteil von Blutgruppensubstanzen.
Neben den Hexosen gibt es dann noch die Pentosen. Also Kohlenhydrate, deren Aufbau nur 5 C-Atome besitzt. Darunter beispielsweise die Ribose und die Desoxyribose, welche dir vielleicht noch aus dem Biologieunterricht bekannt sind. Sie sind Bestandteil der menschlichen Erbsubstanz, der Nucleinsäuren (DNA/DNS und RNA/RNS). Weniger bekannt ist die Arabinose, welche ein Bestandteil des Polysaccharids Hemicellulose sowie des Gummi arabicums ist. Und als letztes in der Reihe ist dann noch die Xylose, welche in Holz, Stroh und Kleie vorkommt.
Disaccharide
Die Entstehung von Disaccharide erfolgt durch die Reaktion von zwei Monosacchariden miteinander. Unter Abspaltung von Wasser werden die beiden Moleküle glykosidisch miteinander verknüpft. Aus dieser Bindung ergeben sich drei für den Menschen relevanten Disaccharide (Zweifachzucker).
Das am weitesten verbreitete Disaccharid ist die Saccharose, auch Rohr- bzw. Rübenzucker oder Haushaltszucker genannt. Wir können den Haushaltszucker günstig im Supermarkt kaufen und er findet Verwendung in vielen Backwaren. Ursprünglich stammt die Saccharose jedoch aus Zuckerrüben, Rohrzucker, Ahornsirup, Früchten und dem Saft vieler Pflanzen. Chemisch gesehen, ist er eine Verbindung von einem Molekül Glucose mit einem Molekül Fructose.
Ebenfalls sehr bekannt ist die Lactose (Milchzucker). Bekannterweise kommt dieser Zucker in der Milch diverser Tiere vor, wie beispielsweise Rindern, Ziegen, Schafen, aber auch die Muttermilch des Menschen enthält Lactose. Es ist eine Verbindung von Glucose und Galactose.
Als drittes gibt es dann noch die Maltose (Malzzucker), welche eine Verknüpfung von zwei Molekülen Glucose ist. Vorkommen tut Maltose in keimenden Getreidekörnern, vor allem Gerste. Daneben finden wir diesen Zucker in Malzextrakt und Bier.
Süßkraft verschiedener Mono- & Disaccharide
Die Süßkraft wird in Relation zur Saccharose angegeben.
Saccharid
Saccharose
Fructose
Glucose
Maltose
Lactose
Sorbit
Süßkraft
100
110-170
50-80
60
20-60
40-50
Eigenschaften der Mono- & Disaccharide
Alle Mono- und Disaccharide haben einen süßen Geschmack. Dabei wird die jeweilige Süßkraft in Relation zur Saccharose – dem Haushaltszucker – angegeben. Zudem liegen die Mono- und Disaccharide aufgrund der vielen Wasserstoffbrückenbindungen als kristalline Feststoffe vor, haben also einen kristallinen Aggregatzustand.
Der Schmelzpunkt liegt bei Saccharose etwa bei 160°C, einen Siedepunkt gibt es nicht. Stattdessen erfolgt bei trockenem Erhitzen eine Zersetzung unter Abgabe von Wasser und Kohlenstoffdioxid. Dabei bildet sich das uns bekannte Karamell. Im Fall von Saccharose geschieht dich schon bei etwa 200°C. Grund für die Entstehung von Karamell ist, dass die intramolekularen Bindungen – also die Bindungen innerhalb eines Moleküls – bereits VOR den intermolekularen Bindungen – also den Bindungen zwischen den Molekülen – aufbrechen.
Zu den weiteren Eigenschaften, die alle Mono- und Disacchariden gemein sind, zählen die gute Wasserlöslichkeit sowie auch eine osmotische Wirksamkeit, also die Fähigkeit Wasser zu binden. Letztere Eigenschaft wird oft genutzt, um Produkte, wie zum Beispiel Marmelade oder kandierte Früchte, zu konservieren. Im menschlichen Körper kann diese osmotische Wirksamkeit osmotisch bedingten Durchfall hervorrufen, oder bei Diabetikern eine osmotisch bedingte Diurese.
Zuletzt sind Mono- und Disaccharide auch vergärbar, was man beispielsweise kennt von Joghurts, bei denen Lactose mit Hilfe von Milchsäurebakterien zu Milchsäure umgebaut wird.
Oligosaccharide
Die oben bereits erwähnten Oligosaccharide kommen in verschiedenen Lebensmitteln vor. So findet man die Raffinose beispielsweise in Honig oder Zuckerrüben, die Stachyose und Verbascose kommen hingegen vor allem in Hülsenfrüchten vor. In diversen Gemüsesorten, wie zum Beispiel Schwarzwurzel, Topinambur oder Artischocken befinden sich Fructooligosaccharide und sogar die Muttermilch enthält diese Sorte der Mehrfachzucker, im speziellen die Galactooligosaccharide.
Polysaccharide
Polysaccharide (poly = viele, mehrere) sind polymere Verbindungen aus einer großen Anzahl glykosidisch verknüpfter Monosaccharide. Hierbei unterscheidet man zwischen Homoglykanen (Homopolysaccharide) und Heteroglykanen (Heteropolysaccharide). Der Wortanhang “Glykane” kommt durch den Versuch trotz gängiger Trivialnamen wie z.B. Cellulose, Stärke, usw. eine einheitliche Nomenklatur zu bilden. Die Silbe “-ose” wird durch “-an” ersetzt. Somit sind Glucane aus Glucose aufgebaut, Fructane aus Fructose usw.
Kennzeichnend für die Homoglykane ist, dass sie aus (fast) nur einer Monosaccharid-Art als Baustein bestehen. Zu ihnen zählen beispielsweise Stärke, Cellulose oder Glykogen.
Hingegen enthalten Heteroglykane verschiedene Monosaccharid-Arten als Bausteine. Sie treten häufig in Verbindungen mit Proteinen oder Lipiden auf. Ein Beispiel hierfür ist die Hemicellulose, welche aus Glucose, Arabinose, Xylose und Mannose besteht.
Zusätzlich kann man Polysaccharide auch nach ihrem “Aufgabengebiet” einteilen.
Kategorie 1 sind Reservestoffe, wie zum Beispiel Stärke, Glykogen, Dextrin oder Inulin.
Kategorie 2 sind Gerüstsubstanzen, wie zum Beispiel Cellulose, Hemicellulose oder Lignin.
Kategorie 3 sind Füllstoffe, wie zum Beispiel Pektin, Pflanzengummi (Gummi arabicum, Tragant) und Pflanzenschleim (Guaran, Carubin, Alginate).
Zuckeraustauschstoffe
Bevor du hier weiter liest, solltest du im Kopf haben, dass es sich hierbei wirklich nur um Zuckeraustauschstoffe oder auch Zuckeralkohole genannt, handelt. Süßstoffe sind hiermit nicht gemeint. Im Gegensatz zu den Süßstoffen, kommen Zuckeralkohole bereits natürlich vor und enthalten eine gewisse Menge Energie, im Durchschnitt etwa 2,4 kcal/g. Einige aus der Reihe der Zuckeralkohole kommen dir bestimmt bekannt vor. Man erkennt sie auch an ihrer Wortendung “-ol”, die sie aber nicht zwingend haben müssen. So findet man in der Zutatenliste einiger Lebensmittel (hauptsächlich Kaugummis) die Begriffe Sorbit(ol), Xylit(ol), Mannit(ol), Erythrit(ol), Lactit(ol), Maltit(ol) und Isomaltit(ol). Wenn sie nicht direkt mit ihrem Namen angegeben sind, kann es auch sein, dass sie mit ihrer E-Nummer angegeben sind (Bsp.: Xylit = E 967). Wie auch bei den klassischen Sacchariden gibt es hier ebenfalls eine Bewertungsskala der Süßkraft, welche in Relation zur Saccharose angegeben wird. Dabei liegen die Zuckeralkohole mit ihrer relativen Süßkraft in der Regel unter der Saccharose.
Zuckeralkohole haben einige Eigenschaften, die sie für uns sehr praktisch machen. So kann man beispielsweise mit ihnen zuckerärmer/zuckerfrei backen, indem man den Haushaltszucker durch Erythrit oder Xylit austausch und dennoch Süße in die Backware bekommt. Dabei sollte man die jeweilige Süßkraft beachten und somit ggf. die Menge des verwendeten Zuckeraustauschstoffes anpassen. Im Anschluss an diesen Abschnitt findest du eine kurze Übersicht der Süßkraft der genannten Zuckeraustauschstoffe in Relation zum Haushaltszucker.
Die Zuckeralkohole werden vom Körper wenig resorbiert und fast völlig insulinunabhängig verstoffwechselt. Ihre hohe Wasserbindungskapazität ermöglicht den Einsatz in Lebensmitteln als Weichmacher und Kristallisationsverzögerer. Ebenfalls hilfreich ist diese Eigenschaft für die Haltbarmachung durch Bindung von freiem Wasser sowie zur besseren Rehydration von Trockenprodukten. Da Zuckeralkohole im Vergleich zu Sacchariden (mit Ausnahme von Sorbit(ol)) nicht kariogen sind, werden sie bevorzugt für die Herstellung von zahnschonenden Kaugummis verwendet.
Neben diesen ganzen positiven und durchaus praktischen Eigenschaften, gibt es jedoch auch bei den Zuckeralkoholen einen Negativaspekt. Denn aufgrund dieses hohen Wasserbindungsvermögen können sie ab einer gewissen Menge (etwa 10g pro 100g Lebensmittel) zu einer verschlechterten Verdauung im Dünndarm und eventuell zur Diarrhoe und/oder vermehrter Diurese führen. Sofern man den Konsum von Zuckeraustauschstoffen nicht übertreibt, braucht man allerdings nichts befürchten.
Hier findest du jetzt noch die angesprochene Süßkrafttabelle (Die Süßkraft wird in Relation zur Saccharose angegeben):
Zuckeralkohole
Sorbit (E 420): 0,5
Mannit (E 421): 0,6
Isomalt (E 953): 0,5
Maltit (E 956): 0,8
Laktit (E 966): 0,35
Xylit (E 967): 1,1
Erythrit (E 968): 0,6