Bildung von Kohlehydraten
Unter dem Begriff Kohlehydrate oder Sacharide fasst man eine Vielzahl organischer Verbindungen zusammen. Kohlehydrate sind aus dem Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff aufgebaut.
Die Bildung von Kohlehydraten findet in der Pflanze statt. Diesen Prozess nennt man Photosynthese. Die Endprodukte der Photosynthese sind Monosacharide oder Einfachzucker.
Die Pflanze kann daraus:
» Disacharide oder Doppelzucker (Zweifachzucker) und
» Polysacharide oder Vielfachzucker (Mehrfachzucker)
bilden und speichern.
"Zucker" sind im Volksmund geläufiger als "Kohlenhydrate", doch ist es das selbe.
Einteilung der KHs
Monosacharide ( Einfachzucker )
Die für die Ernährung wichtigsten Monosacharide ( Glucose, Fructose, Galaktose) besitzen alle die gleiche Summenformel ( C6 h22 O6 ).
Sie setzen sich aus sechs Kohlenstoffatomen zusammen. Man bezeichnet sie als HEXOSEN.
Arten der Monosacharide
GLUCOSE (Dextrose oder Traubenzucker): kommt in allen Kohlehydrathaltigen Nahrungsmitteln vor, im Blut und in fast allen Organen.
GALAKTOSE( Schleimzucker): kommt in der Milch vor und ist Bestanteil der Glycoproteine und der Lipoide.
FRUCTOSE (Lävulose oder Fruchtzucker): kommt in Obst, Honig und Zucker vor, in der Plazenta und im fetalen Blut.
MANIOSE: ist in Orangenschalen und Bestandteil der Blutgruppensubstanz
RIBIOSE: in Johannesbeeren und Bestandteil der Nukleinsäuren.
ARABINOSE: in Pflaumen und Kirschen
XYLOSE: in der Kleie
Eigenschaften der Monosacharide
» Löslichkeit
Alle Monosacharide sind wasserlöslich. Der Lösungsvorgang kann durch Erwärmen des Wassers beschleunigt werden. Die gute Löslichkeit trägt dazu bei , dass die Monosacharide sofort ins Blut übergehen und so rasche Energielieferanten sind.
» Süßkraft
Einfachzucker haben eine recht unterschiedliche Süßkraft. Die Angaben über die Süßkraft der Monosacharide sind bezogen auf Rohr- und Rübenzucker>100
Z.B.: Glucose =50 , Fructose= 170 , Galaktose=63
» Vergärbarkeit
Hefepilze spalten Monosacharide durch ihr Enzym ( Zymase ) in Äthylalkohol und Kohlendioxid. Galaktose ist mit Hefepilzen nur sehr langsam vergärbar.
Alkoholische Gärung
Bei der alkoholischen Gärung entstehen aus einem Molekül Glucose je zwei Moleküle Äthylalkohol und Kohlendioxid.
Die Alkoholische Gärung kommt bei Bier- Wein- und Branntweinerzeugung zur Anwendung.
Aus dem Alkohol wiederum erzeugen ESSIGSÄUREBAKTERIEN die Essigsäure.
Milchsäuregärung
Monosacharide können auch durch Milchsäurebakterien vergoren werden, dabei entstehen aus einem Molekül Glukose zwei Moleküle Milchsäure.
Die Milchsäuregärung findet bei der Käse- und Salamireifung , bei der Herstellung von Sauerkraut und milchsaurem Gemüse so wie bei Silieren statt.
Disacharide (Doppel- oder Zweifachzucker)
Disacharide entstehen durch die Verbindung von zwei Monosacharid-Molekülen unter Abspaltung von einem Molekül Wasser.
Arten der Disacharide
SACCAROSE (Rohr- oder Rübenzucker): besteht aus Glucose + Fructose, kommt in der zu Zuckerrübe(16-20%) im Zuckerrohr(12-15%) vor, auch in Früchten und Knollen als Energiereserve für die Pflanzen.
MALTOSE (Malzzucker):besteht aus Glucose + Glukose und kommt in keimenden Getreidekörnern vor.
LACTOSE (Milchzucker):besteht aus Glucose + Galaktose und kommt in der Kuhmilch(4,8%) vor.
OLIGOSACCHARIDE: bestehen aus drei bis zehn Monosachariden, Arten sind Raffinose, Melecitose , Stachyose, kommen in Hülsenfrüchten Wurzeln , in Zuckermelasse, Honigtauhonig. Werden im Dickdarm von Bakterien umgewandelt, dabei entstehen Gase( Co2) und Wasserstoff. Die Gase verursachen Blähungen, deshalb bezeichnet man die Oligosacharide auch als „blähende Zucker“ .
Eigenschaften der Disaccharide
» Löslichkeit
Disacharide sind ebenfalls wasserlöslich. Die Löslichkeit wird durch Erwärmen der Flüssigkeit beschleunigt.
» Süßkraft
Disacharide besitzen wie die Monosacharide eine unterschiedliche Süßkraft.
Rohr-, Rübenzucker= 100, Malzzucker=60, Milchzucker = 20 , Invertzucker = 80
» Vergärbarkeit
Maltose und Saccharose sind nicht direkt vergärbar. Sie müssen zuerst enzymattisch zu Monosachariden abgebaut werden. Nun ist die Glucose durch Hefepilze vergärbar. Laktose kann durch Milchsäurebakterien in Glucose und Galaktose gespalten werden , dabei wird Glucose zu Milchsäure vergoren .
» Spaltung
Durch kochen mit verdünnten Säuren entsteht aus Sacharose ein Gemisch aus Glukose und Fructose, das durch die Aufspaltung entstandene Gemisch wird als INVERTZUCKER bezeichnet. Invertzucker kommt in natürlicher Form im Bienenhonig vor.
Polysacharide (Vielfachzucker)
Polysacharide sind Verbindungen , die aus vielen Monosaccharin-Molekülen ( hundert bis mehreren tausend ) bestehen = Makromoleküle
Arten der Polysacharide
» Stärke
Das Stärkekorn besteht aus 2 Arten von Polysachariden:
1. Amylose bildet sehr lange , gerade Ketten aus Glykose im inneren
2. Amylopektin bildet sich aus kürzeren, verzweigten Glucoseketten in der Hüllschicht
Kommt als Reservekohlehydrat in allen Pflanzen ( in Knollen, Wurzeln, Samen , Früchten und Getreidekörnern ) vor.
Hat Bedeutung in der Nahrungsmittelindustrie für Süßspeisen, vergoren als Alkohol, als Stärkesirup, Traubenzucker, Kunsthonig, Industriell als Klebstoff, Appretur, Pudergrundlage.
» Glykogen
Der Molekülaufbau gleicht dem des Amylopektins. Glykogen ist als Reservestoff im Tierischen und Menschlichen Organismus gespeichert ( in der Leber und in der Muskulatur ). Bei Energiebedarf wird Glykogen zu Glukose abgebaut.
» Zellulose
hochmolekulare Substanz , aus Glucoseresten. Kommt in Pflanzen als Gerüstsubstanz ( Obst , Gemüse , in den Randschichten des Getreides) vor.
Zellulose ist, da sie völlig wasserunlöslich ist , ein unverdaulicher Nahrungsbestandteil (Ballaststoff ). Sie quillt im Darm auf und regt so die Darmbewegung an .
» Hemizellulose
Ist eine Verbindung aus Hexosen und Pentosen und ein Begleitstoff der Zellulose.
Hemizellulose ist unverdaulich. Sie quillt im Darm stärker auf als Zellulose und hat ebenfalls Bedeutung als Ballaststoff.
» Pektine
Galakturonsäure (Abkömmling der Galaktose ), Galaktose und Arabinose.
Kommt in fleischigen Pflanzenteilen , Kernen und Schalen verschiedener Obstsorten und unreifen Früchten vor.
Sie sind unlöslich in kaltem Wasser , quellen jedoch stark auf und lösen sich beim Erhitzen. Beim Erkalten bilden sie ein Gel. Pektinreichen Früchte fördern den Gelierprozess bei der Herstellung von Marmeladen und Gelees. Pektine dienen im menschlichen Organismus als Ballaststoff. Sie können aufgrund ihrer hohen Quellfähigkeit im Darm Giftstoffe absorbieren und so unschädlich machen :z.B. rohe Äpfel bei Darmerkrankungen.
» Pflanzenschleime
Der Aufbau ist ähnlich den Pektinen und kommen in Rotalgen , Braunalgen ( bilden ebenso viele Kohlenhydrate wie alle Landpflanzen zusammen ) vor. Z.B. Agar-Agar , Karrageen
Haben Bedeutung in der Lebensmittelindustrie als : Stabilisatoren ( Schokolade , Eiscreme, Pudding, Ketchup )als Geliermittel ( Marmeladen, Tortengelees ), zur Klärung von Bier.
» Pflanzengummi
Der Aufbau ist auch ähnlich den Pektinen , und kommt in Pflanzensäften tropischer Pflanzen vor. Z.B. Gummi arabicum , Tragant, und hat Bedeutung in der Süßwarenindustrie.
» Inulin
Wird aus Fructoseresten aufgebaut, kommt in Knollen (Topinamburknollen (Sonnenblumenart ) ) vor, und hat eine Bedeutung bei der Herstellung von Fructose und von Diabetikernahrungsmitteln.
Inulin ist im Aufbau der Stärke sehr ähnlich, ist aber unverdaulich. Es wird zu Nierenfunktionstests eingesetzt und hat als Ballaststoff Bedeutung.
Eigenschaften der Polysacharide
I. Löslichkeit und Verdaulichkeit
Dextrine und Inuline sind wasserlöslich.
Stärke: Stärkekörner quellen beim Erwähren in Wasser auf; Amylose und Amylohpektin werden dabei nicht getrennt. Es entsteht ein weitmaschiges Netz, die Zwischenräume werden mit Quellwasser ausgefüllt es bildet sich ein Gel ( Stärkekleister ), das beim Abkühlen eine feste Gallerte bildet.
Zellulose , Hemizellulose , Pektine und Agar-Agar: sind völlig wasserunlöslich , zeigen starkes Quellungsvermögen.
Die Wasserunlöslichen Polysacharide sind gleichzeitig unverdaulich= Ballaststoffe.
Auf Grund ihres guten Quellvermögens vergrößern sie das Darmvolumen und sorgen dadurch für eine schnellere Darmpassage ( Giftstoffe werden schneller ausgeschieden) .
II. Süßkraft
Polysacharide haben keine Süßkraft.
Da Dextrine Abbauprodukte von Stärke und Glykogen sind, weisen sie einen leicht süßlichen Geschmack auf .
III. Vergärbarkeit
Polysacharide sind nicht direkt vergärbar. Sie müsse zuerst zu Glucose gespalten werden.
Verdauung der Kohlenhydrate
Diese Bausteine werden durch die Darmzotten in die Blut- und Lymphbahnen aufgenommen (=Resorption), zu den Zellen transportiert und dort weiter umgesetzt (=Stoffwechsel).
Durch die Verdauung werden die Kohlehydrate für den Energiestoffwechsel vorbereitet:
» Monosacharide können unverändert aus dem Darm ins Blut resorbiert werden.
» Disacharide müssen enzymattisch unter Anlagerung von Wasser zu Monosachariden abgebaut (gespalten) werden:
– Maltase spaltet Maltose zu Glucose.
– Sacharase (Invertase) spaltet Sacharose zu Fructose und Glucose.
– Lactase spaltet Laktose zu Galaktose und Glukose.
Die Enzyme, die Disacharide spalten, werden als Glucosidasen bezeichnet.
» Polysacharide müssen ebenfalls enzymattisch zu Monosachariden gespalten werden:
– Amylase spaltet Stärke und Glykogen zu Maltose.
– Maltase spaltet Maltose zu Glukose.
Zellulose und Hemizellulose können im menschlichen Verdauungstrakt nicht durch Enzyme abgebaut werden. Sie dienen als Ballaststoffe und regen die Darmperistaltik (= schubweise Bewegungen (zusammenziehen und Entspannen) zur Förderung des Nahrungsbreis) .
Stoffwechsel der Kohlehydrate
Nach dem enzymattischen Kohlehydratabbau im Verdauungstrakt werden die Monosacharide aus dem Darm ins Blut aufgenommen.
Bei einer normalen gemischten Kost sind das täglich ca. 200-250g Glukose, 30-60g Fructose und 10-15g Galaktose.
Monosacharide können zur Energiegewinnung dienen , gespeichert werden, zu Fett umgewandelt werden und zu Aminosäuren umgebaut werden.
Die Energiegewinnung
Die Glucose wird durch die Steuerung des Hormons Insulin in die Zellen aufgenommen. Glucose kann in fast allen Zellen zur Energiegewinnung abgebaut werden.
Das Zentralnervensystem (ZNS) und die Erythrozyten (rote Blutkörperchen) können nur durch Glucoseabbau Energie gewinnen . Das ZNS benötigt täglich ca. 100g , die Erythtrozyten ca.25g Glucose.
Das Blut transportiert die Glucose zu den Stellen des Verbrauches, vorwiegend zu den Muskelzellen. Dort werden Monosacharide verbrannt, d.h. es wird immer nur ein kleiner Teil der Gesamtenergie frei. Würde die gesamte Energie auf einmal frei, hätte das für den Organismus verheerende Folgen. Er würde selbst verbrennen. Diesen Glucoseabbau nennt man auch aeroben Kohlenhydratabbau.
Die Milchsäure gelangt normalerweise schnell ins Blut und wird zur Leber transportiert . Dort ist genügend Sauerstoff vorhanden , um die Milchsäure wieder zu Glucose aufzubauen. Die Glucose gelangt erneut mit dem Blut in die Muskelzellen und steht somit wieder zur Energiegewinnung zur Verfügung.
Die beim anaeroben Kohlehydratabbau entstehende Milchsäure muss rasch aus dem Muskel entfernt werden . Bleibt sie zulange in den Zellen, bringt sie die Eiweißstoffe zum Quellen, es kommt zu der bekannten Erscheinung des Muskelkaters.
Beim anaeroben Glucoseabbau wird eine kleinere Energiemenge schnell freigesetzt – beim aeroben Glucoseabbau werden größere Energiemengen langsam freigesetzt.
Den Vorgang , durch den die Nahrung vom Mund bis zum Darmausgang verändert wird , bezeichnet man als Verdauung. Dabei werden hochmolekulare (Polysacharide, Glykogen, Stärke) Nahrungsbestandteile durch Enzyme unter Anlagerung von Wasser in einfache, niedermolekulare Bausteine (Einfachzucker) aufgespalten .
Die Speicherung der Kohlenhydrate
Werden mehr Kohlehydrate mit der Nahrung zugeführt als zur Energiegewinnung benötigt werden, können diese zum Reservestoff Glykogen umgewandelt und dann gespeichert werden. In der Leber sind durchschnittlich 150g und in der Muskulatur 200g Glykogen gespeichert.
Muskelglykogen dient als Energiereserve für die Muskelzellen. Es kann nicht wieder in Form von Glucose an das Blut abgegeben werden.
Leberglykogen kann dagegen zur Regulation des Blut-Glucose-Spiels abgebaut werden.
Da Glykogen dem Körper als Reservestoff dient, kann es im Bedarfsfall ( z.B. bei starker körperlicher Anstrengung ) leicht mobilisiert werden.
Sind die Glykogenspeicher aufgefüllt, werden die überschüssigen Kohlehydrate in Fett umgewandelt und im Fettgewebe gespeichert.
Umwandlung zu Fett
Der menschlich Organismus vermag nur eine sehr begrenzte Kohlehydratmenge in Form von Glykogen zu speichern.
Überschüssige Glucose kann in den Fettgewebezellen und in den Leberzellen zu Glycerin und Fettsäuren umgebaut werden , die dann im Fettgewebe gespeichert werden.
Eine erhöhte Kohlehydratzufuhr bewirkt also eine Zunahme des Fettgewebes.
Umgekehrt kann aus dem Glycerin der Fette wieder Glucose aufgebaut werden, Fettsäuren können aber nicht zu Monosachariden umgebaut werden.