Philipps-Universität Marburg

Fachbereich Chemie

 Übungen im Experimentalvortrag

 „Die gesundheitsfördernden Auswirkungen von Obst und

Gemüse“

gehalten von:

 Andrea Bontjer

“An apple a day keeps the doctor away!”

Laut Ernährungsstudien...

...senkt regelmäßiger Obst- und Gemüsekonsum das Risiko, an Zivilisationskrankheiten zu erkranken.

...ist der Verzehr von Obst und Gemüse neben dem Verzicht auf das Rauchen die Maßnahme mit dem größten Präventionspotential für Krebs.

Empfohlene Anteile verschiedener Nahrungsmittelgruppen an der täglichen

Ernährung

Darf es ein bisschen mehr sein?

Wissenschaftler empfehlen:

600 g Obst und Gemüse am Tag

durchschnittlicher Verzehr: 250 g

Inhalt des Vortrages

1. Inhaltsstoffe von Obst und Gemüse und deren Wirkung im menschlichen Körper

1.1 Ballaststoffe1.2 Sekundäre Pflanzenstoffe

2. speziell: Antioxidantien und oxidativer Angriff

3. Schulrelevanz

1. Inhaltsstoffe in Obst und Gemüse

Vitamine: Vitamin C, Folsäure, Vitamine B1, B 2, B6

Mineralstoffe: Kalium, Magnesium, Eisen, Spurenelemente

In der aktuellen Diskussion:

Ballaststoffe

Sekundäre Pflanzenstoffe

1.1 Ballaststoffe

Definition:

Pflanzliche Stoffe, die resistent sind gegen Verdauungsenzyme aus dem Magen-Darm-Trakt des Menschen.

Beispiele:

CellulosePektinLignin

Cellulose

• Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden, kommt in allen Pflanzen vor, häufigstes Polysaccharid

• unverzweigte Ketten von mehreren tausend (β-1,4)-verknüpften Glucose-Molekülen

Aufbau der Cellulose

O

OH

O

OO

OH

OO

HOH2C

OH

HOH2C

HOH2C

OH

OH

OH

1.1 Ballaststoffe

Versuch 1

Nachweis von Cellulose in Gemüse

Ergebnis: Blaufärbung der Cellulose durch Zinkchloridiod-Lösung Quellung der Fasern durch Zinkchlorid, Einlagerung von Iod-Molekülen zwischen den Fasern Iodmoleküle

1.1 Ballaststoffe

Pektin• hohe Quellfähigkeit

• vor allem enthalten in Früchten (Äpfel, Zitrusfrüchte), aber auch in Gemüse (Möhren, Kürbisse)

• kettenförmig (1,4)-verknüpfte D-Galacturonsäureeinheiten

Aufbau des Pektins

O

OR

OOH R

HO

O

O

R

OOH

HO

O

R

OH OH

R = COOH; COOCH3

OH

1.1 Ballaststoffe

Lignine

• Verholzung von Pflanzenteilen (von lat. lignum: Holz) Möhren, Kohlrabi, Spargel

• hochmolekulare, aromatische Verbindungen

Phenylpropanol-Bausteine

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OCH3 H3CO OCH3

O

CH2

HC

CH2OH

CH

CH2

CH2OH

O CH

CH2OH

CH2

O

HC

HOH2C

CH2

OH

Ausschnitt aus einem Ligninmolekül

1.1 Ballaststoffe

Gesundheitsförderliche Eigenschaften der Ballaststoffe

Quellfähigkeit:

• Sättigungsgefühl durch Füllung des Magens bei geringer Energiedichte

• Erhöhung des Stuhlvolumen, Anregung der Darmperistaltik Verkürzung der Darmpassage

Adsorptionsfähigkeit:

• Adsorption von Gallensäuren Senkung des Cholesterin-spiegels

1.1 Ballaststoffe

Versuch 2

Adsorption von Mineralstofflösung an Möhrenfasern

Ergebnis:

Das Pektin in den Möhrenfasern adsorbiert Ca2+-Ionen an den unveresterten Säuregruppen.

Calcium-Ionen-Nachweis:

Ca2+ (aq) + -OOC-COO- (aq)

Ca(OOC-COO) (s)

1.1 Ballaststoffe

Exkurs: Gallensäuren

• Detergenzien, die Nahrungsfette emulgieren und so resorptions-fähig machen

• Synthese aus Cholesterin in der Leber

HO

OH

OH

CH3

CH3

COOH

HCH3

H

H

Cholsäure

1.1 Ballaststoffe

Adsorption und Ausscheidung

Gallensäurekreislauf, Cholesterinspiegel und Einfluss der Ballaststoffe

Cholesterin aus Blutbahn

1.1 Ballaststoffe

Leber: Gallensäure-synthese aus Cholesterin

Dünndarm: Emulgierung der Nahrungsfette

Resorption in die

Blutbahn

Gallenblase

Effekt:

Senkung des Cholesterinspiegels bei Aufnahme von 6-10 g Pektin am Tag:

z.B. + +

Wirksamerer Effekt als Verzicht auf das Frühstücksei!

1.1 Ballaststoffe

geneh

mi

gt

1.2 Sekundäre Pflanzenstoffe

• in der Pflanze: Abwehrstoffe gegen Schädlinge und Krankheiten, Lock-, Duft-, Farb- und Geschmacksstoffe

• 400.000 in der Natur, 5.000 bis 10.000 in der Nahrung des Menschen

Beispiele:

CarotinoidePolyphenole

Sulfide

  Carotinoide

Polyphenole

Sulfide

Brokkoli, Weißkohl, Rettich • • •

Karotten, Tomaten, Spinat • •  

Knoblauch, Zwiebeln, Lauch   • •

Trauben, Beeren, Aprikosen • •  

Zitronen, Orangen, Mandarinen

• •  

Sekundäre Pflanzenstoffe in Obst und Gemüse

Demonstration 1

Extraktion von Carotinoiden aus Gemüse

1.2 Sek. Pflanzenstoffe

Carotinoide

• über 700 verschiedene Carotinoide bekannt

• wirken antioxidativ

Struktur:

• Tetraterpene; formal aus acht Isopreneinheiten (C5-Körper) aufgebaut

• ausgedehntes, konjugiertes -System reaktive Verbindungen, Farbigkeit

Isopreneinheit

1.2 Sek. Pflanzenstoffe

Carotinoide

einfachstes Carotinoid:

Lycopin

Cyclisierung der Endgruppen:

-Carotin -Carotin

1.2 Sek. Pflanzenstoffe

Carotinoide

sauerstoffhaltige Gruppen: Xanthophylle

OH

OH

OH

OH

Zeaxanthin

Lutein

OH

-Cryptoxanthin

1.2 Sek. Pflanzenstoffe

++++: überdurchschnittlicher Gehalt, +++: hoher Gehalt, ++: mittlerer Gehalt, +: geringer Gehalt

  β-Carotin α-Carotin Lycopin

Lutein Zeaxanthin β-Cryptoxanthin

Karotten ++++ +++   +    

Spinat ++     ++++

++  

Rote Paprika

+ +   ++ ++++  

Tomate ++   ++++ +    

Mandarine + +   + + ++++

Aprikose +++ +   + + ++

Carotinoide in Obst und Gemüse1.2 Sek. Pflanzenstoffe

Demonstration 2

UV-Absorption von Carotinoiden

1.2 Sek. Pflanzenstoffe

UV-Absorption der Carotinoide

• in der Pflanze: Schutzfunktion vor überschüssiger UV-Strahlung

• Mensch: Lichtschutzeffekt nachgewiesen Einlagerung in Hautzellmembran

• Carotinoide absorbieren UV-Licht und fangen reaktive Produkte ab (antioxidative Wirkung)

Carotinoide als orale Sonnenschutzmittel

10 Wochen lang täglicher Verzehr von 40 g Tomatenmark Lichtschutzfaktor 2-3

moderater, gleichmäßiger Schutz, aber kein Ersatz für Sonnencreme!

1.2 Sek. Pflanzenstoffe

Polyphenole

Aromatische Verbindungen mit einer oder mehrerer Phenolgruppen

PhenolsäurenFlavonoide (gelbe Flavone, rote bis blaue

Anthocyane)

Polyphenole wirken antioxidativ

Flavonoide schützen Tocopherole und Ascorbinsäure vor Oxidation

Gallussäure

Quercetin

Cyanidin

OH

OH

OH

OH

O

OH

O

O

OR

OH

OH

OH

OH O

O

OH

OH

OH

1.2 Sek. Pflanzenstoffe

Sulfide

Schwefelhaltige Inhaltsstoffe in Liliengewächsen wie Knoblauch, Zwiebeln, Schnittlauch und Lauch

Sulfide wirken antioxidativ

Allicin im KnoblauchS S

O

1.2 Sek. Pflanzenstoffe

2. Antioxidantien

• verhindern Oxidation von im Körper vorhandenen Molekülen

• geben Elektronen ab; können Radikalreaktionen abbrechen

• werden dabei selbst nicht zu reaktiven Stoffen

Carotinoide, Polyphenole, Sulfide, Vitamin C, (Vitamin E)

Moleküle, die Oxidationen auslösen können

• molekularer Sauerstoff (O2)

• hochreaktive Sauerstoffspezies und –verbindungen

– Singulettsauerstoff (1O2)

– Wasserstoffperoxid (H2O2)

– Stickstoff-Monoxid und Stickstoff-Dioxid (NO, NO2)

• freie Radikale Atome oder Moleküle, die über ein ungepaartes Elektron verfügen besonders reaktiv

– Superoxidradikalanion (·O2-)

– Hydroxylradikal (·OH) – Peroxylradikal (ROO·)

2. Antioxidantien

Freie Radikale

Nahrungsmittel

Luftverunreinigungen

Zigarettenrauch

Arzneimittel

Atmungskette

Immunabwehr

oxidative Enzyme

UV-Licht, ionisierende Strahlung

endogene Ursachen

exogene Ursachen

2. Antioxidantien

Was passiert bei einem Radikal-Angriff?Beispiel: Peroxidation von Zellmembranen

Modell einer Zellmembran

2. Antioxidantien

Phospholipid

Peroxyradikal

Fortpflanzungsschritt 1:

R R'R R'

O

O

O2•

•

C CH2(CH2)6COH3C(H2C)4

HCH

CH2O

CH2O

O C(CH2)14CH3

O

PO(CH2)2N(CH3)3+

O

O-H

R

R'

OH

- H2O

Pentadienyl-Radikal

Startreaktion:

R R'

R R'

R R'

•

•

•

•

Fortpflanzungsschritt 2:

Peroxyradikal

erneut Fortpflanzungsschritt 1:

Beschädigte Zellmembran

2. Antioxidantien

Lipidhydroperoxid Dienylradikal

+

R R'R R'

O

O

O2•

•

R R'

O

O

+

R

C

R'HH R R'

O

OH

R R'R R'

O

O

O2•

•

Antioxidantien können Radikalkette stoppen:

2. Antioxidantien

O

CH3

H3C

CH3

O

CH3

R

+Lipid-O-

oderLipid-O-O-

+ H+

Lipid-OHoder Lipid-O-OH

•

O

CH3

H3C

CH3

HO

CH3

RO

CH3

H3C

CH3

-O

CH3

R

-H+

+Lipid-OoderLipid-O-O

•

•

-Tocopherol

-Tocopheroxyradikal

Peroxyradikal

Lipidhydroperoxid

OO

O

CH3

H3C

CH3

-O

CH3

R

+

OH

OO

H

HHO

CH2OH

•

OH

-OO

H

HHO

CH2OH

+O

CH3

H3C

CH3

O

CH3

R

•

Ascorbinsäure

Semihydroascorbinsäure

Regenerierung des Vitamin E durch Vitamin C:

Versuch 3

Nachweis von Vitamin C in Weißkohl

2. Antioxidantien

O

OH

OH HO

OHO

O

O

O HO

OHO

+ 2 H+ + 2 e-

Ergebnis:

Vitamin C wirkt als Reduktionsmittel

Reduktion: 2 Fe3+ + 6 Cl- + 2 H+ + 2 e- 2 Fe2+ + 4 Cl- + 2 H+ + 2 Cl-

Oxidation:

Rotfärbung: Fe3+ + 3 SCN- Fe[SCN]3

Entstehung der Arteriosklerose

Cholesterin

LDL-Molekül

Ablagerung in den Blutgefäßen

2. Antioxidantien

Resveratrol wirksamer Schutz vor Peroxidation des LDL

Phenoxy-Radikal: mesomeriestabilisiert weniger reaktiv

OH

OH

OH

O O O O•

•

•

•

Versuch 4

Antioxidative Eigenschaften von Fruchtsäften Briggs-Rauscher-Reaktion:Oszillierende Reaktion, bei der sich radikalische und nichtradikalische Phasen abwechseln; Perhydroxylradikal (HOO·)

Ergebnis:

Die Antioxidantien in den Fruchtsäften können die Radikale abfangen und die Oszillation unterbrechen:

Ar-OH + HOO· H2O2 + Ar-O·

2. Antioxidantien

Oxidativer Stress

Oxidativer Angriff

Antioxidative Verteidigung

Antioxidative Verteidigung

Oxidativer Angriff

Normalzustand

2. Antioxidantien

Fazit:

• hoher Obst- und Gemüseverzehr geringeres Risiko für Krebs und Herz-Kreislauferkrankungen

• vielfältige Wirkungsursachen

• genaue Wirkung nicht immer bekannt

• Kombination der Wirkstoffe am effektivsten

regelmäßiger Verzehr verschiedener Obst- und Gemüsearten empfehlenswert

3. Schulrelevanz des Themas

Fächerübergreifender Chemieunterricht in der Oberstufe

Klasse 12: technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen

Klasse 13: Nahrungsmittel als Wahlthema “Angewandte Chemie”

Hoher Lebensweltbezug tägliche Nahrungszufuhr, Medienberichte

Chance, Alltagserfahrungen der SchülerInnen mit wissenschaftlichen Erkenntnissen zu verknüpfen