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Zucker in Technologie und Analytik
K. Lösche WS 2009
Die Zuckerrübe gehört zur Familie Chenopodiaceae.
Systematisch wird sie als Beta vulgaris var. altissima eingeordnet.
2.
ZUCKERRÜBE
1. Zuckerrohr
bildet die Gattung
Saccharum der
Familie Gramineae.
Zuckerrohr
(im engeren Sinn)
wird botanisch
Saccharum
officinarum
genannt.
42
Reaktionsfähigkeit der Kohlenhydrate beim
Verarbeiten von Lebensmitteln
43
OH
O
OH H
OH
O
O
H
H
CH2
O
O H
CH3
O
O
H OH
H OH
CH2OH
CH3
O
O
OH
H OH
CH2OH
H
CH3
O
O
OH
H
CH2OH
O
O
OH
OH
O
OH
O
OH
H
H
O
O
OH
OH
H
O
O
OH
OH
OO O
H
O
H
H
OH
O OH
O
OH
O
D-Fructose
langsam
2,3-Endiol
-H2O
schnell
langsam
-H2O
schnellWeg1
-H2O
Maltol
3-Hydroxy-2-methylpyran-4-on
Karamel
Weg 2
-H2O
Isomaltol
2-Acetyl-3-hydrofuran
Karamel
Umwandlung von Monosacchariden in stark saurer Lösung
44
OH
O
OH H
OH
O
O
H
H
CH2
O
O H
CH3
O
O
H OH
H OH
CH2OH
CH3
O
O
OH
H OH
CH2OH
H
CH3
O
O
OH
H
CH2OH
CH2
O
H O
H OH
CH2OH
OH
H
OHH
CH2
O
H
H OH
CH2OH
OH
OH
CH2
O
H
H OH
CH2OH
OH
H
O
O
OH
OH
O
OHHH
H H
O
O
O
OH
OH
H
O
O
OH
D-Fructose
langsam
2,3-Endiol
-H2O
schnell
langsam
-H2O
schnell
Isomaltol
H+
H+
-H2O
Maltol
H+
H+
2-Hydroxyacetyl-furan
H+
-2H2O
45
3 (2H) Furanone in Lebensmitteln
O
O OH
O
OO
O
OHO
O
O OH
O
OOH
Aroma:geröstete Zwiebel, Zichorie
Vorkommen:Fleichbrühe
Aroma:fruchtig, erdbeerartig"Erdbeerketon"
Vorkommen:Ananas, Erdbeere, gebrannte Mandeln,Popcorn, Bier, Kaffee
Aroma:Sherry
Vorkommen:Erdbeeren, Himbeere
Aroma:süß, Karamel
Vorkommen:Sojasoße
Norfuraneol Furaneol Mesifuran
46
Bildung von HMF
OH
O
OHH
OHH
CH2OH
HH
OH
O
H
OHH
CH2OH
H
O
CHO
OHOHO OH
OHH CHO
O
OHCHO
OH
OHH
OHH
CH2OH
HO
O HH
HO
OH
OHH
CH2OH
H
OH
H
H
-H2O
3-Desoxy-D-glucosulose
cis-3,4-Didesoxy-D-glycero-3-hexenulose-H2O
5-Hydroxymethylfurfural
Glucose
Fructose
H+
1,2-Endiol
-H2O H+ -H2O H+
trans-3,4-Didesoxy-D-glycero-3-hexenulose
H+
47
Umwandlung von Monosacchariden in alkal. Lsg.
OH
H OH
OH H
OHH
OH
OH H
OH
OH H
OH H
O
OH H
OH
H
H
OH
OH
OH
H
HO
H
OH
H
H
OH
D-Glucose 1,2 Endiol D-Mannose
Epimerisierung
Fructose 2,3 Endiol D-Psicose
Lobry de Bruyn van Ekenstein Umlagerung
48
Cannizarro-Reaktion
R H
OO H R
O
OH
H
R
O
O
H
H
R H
O
R OH
O
R H
O
H
R
O
O
HR H
O
R O
O
R H
O
H
+
+ +
++
49
Maillard Reaktion (nichtenzymatische Bräunung)
• Bildung von N-Glykoside u. Folgereaktionen• Reaktion von Carbonylverbindungen (Zucker)
mit Aminen (Proteinen, Peptiden, Aminosäuren) charakteristische Aromen
• Bräunung (Melanoidine, N-haltige, braune Pigmente; nicht Melanin!!!) und Aromabildung bei Koch-, Brat- und Backprozesse
• Verluste an essentiellen Aminosäuren, auch Entstehung von Fehlaromen, Entstehung von mutagenen Stoffen (Acrylamid)
50
Einschub: Melaninsynthese (Bildung von braunen Hautpigmenten)
OHNH2
COOH
OHNH2
COOHOH
O
ONH2
COOHOH
OH NH
COOH
O
O NH
NH O
O
NH
O
O
NH O
O
Polymerisation
Tyrosin
O2 H2ODOPA3,4 Dihydroxy-phenyl-alanin
DopachinonDopachrom
-CO2
Indol-5,6-chinon
Melanin
51
OH
OHH
OH H
OHH
OHH
CH2OH
OHH
OH H
OHH
OHH
CH2OH
NH
H R
OH
NRH
H
OHH
OH H
OHH
OHH
CH2OH
NH
R
OH
N+
H
H
R
H
O H
NHH
R
O
NH-RH
H
N+
R
H
OH
H
H
N R
H
H
O HN R
H
H
O
H
+-H2O
+H2O
Schiff´scheBase
H+
1-Amino-1-desoxy-Ketose
Amadori - Umlagerung
2-Amino-2-desoxy-aldose
Heyns Umlagerung
52
OH H
H OH
H N+
R
R'
H
OH
H N R
R'
OH
H+
H
OH
H N+
R
R'
H+
-HNRR' H
OH
O H
H
OH
O
HH
O
H N R
R'
OH
H
OH
H N R
R'
OH
H
H+
H
O
H
O H
H
H
O
H
O
aus Amadori-Umlagerung
-H2O
H2O
3-Desoxyglycosulose
-HNRR'
1-Desoxyglycosulose
siehe Reaktion von Monosacchariden in saurer Lösung
53
Schema der Maillard-ReaktionAldose + Aminosäure(Ketose)
Aldosylaminosäure(Ketosylaminosäure)
Amadori-Umlagerung(Heyns-Umlagerung)
Ketosaminosäure(Aldosaminosäure)
1.
Dicarbonylverbindungen(Glycosulosen)
SpaltprodukteHydroxymethylfurfural
Polymere
+Aminosöuresiehe Strecker Abbau
Aldehyde
+R-NH2+R-NH2
N-haltige PigmenteMelanoidine
2.
3.
wesentlich reaktiver alsMonocarbonylverbindungen
54
Strecker Abbau
O
O
R
R'NH2
OH
R
OO
R
R'
NO
O
H
R
O
R
R'
N
R
H
O
R
R'
NH2
H
O
R
R'
NH2
H
NH2
O
OH
H H
O
NH2
OH
O O
H
aus Maillard-Reaktion
+
Aminosäure -CO2
+H2O
RCHO-
AminoketonEnolamin
Strecker-Aldehyd
Schiff'sche Base
honigartigblumig
esterartig
55
Beispiele für MelanoidineCH3
O
O
OH
OH
CH2OH
N
OO
OH
R1
R
N
R1O
O R
N
O
OH
R
O
OH
OH
CH2OH
OH
HHN
RO
HOH
N
N
RH
O
O
H
OH R
O
OH
CH2OH
O
HH
H OH
H
N
RO
OH
1-Desoxyosone
3-Desoxyosone
4-Desoxyosone
56
Maillard Reaktion in vivoNH2
COOH
HH
HH
HH
HH
NH2
ONH2
OH
NH2
COOH
HH
HH
HH
HH
NO
HOH
NH2HOOC
OO
NH
NH2
COOH
O
OH
NH2HOOC
NH2
ONH
OH
HOOC
L-Lysin
PeptidPeptid PeptidPeptid
Fructoselysin (Aminoketose)
oxidative Spaltung
Pyrraline
Furosine
Pyridosine
Carboxymethyllysin
Advanced glycolisation endproducts (AGE)
frühe nicht enzym. Glycolisierungsprodukte, mit nachfolgender inter- undintramolekularer Umlagerung in vivo -> Vernetzungsprodukte
stehen in Verbindung mit dem biologischen Alterungsprozeß
F.Ledl, E. Schleicher;
Angew. Chemie, 102,
597-626 (1990)
57
Diabetes mellitus (Zuckerkrankheit durch Insulinmangel)
• Insulin, Hormon der Bauspeicheldrüse wird in das Blut abgegeben; ermöglicht für Glucose den Durchtritt durch die Zellmembranen
• Insulinmangel:– Aufnahme von Glucose (aus dem Blut) in die Zelle
vermindert Blutzucker erhöht; Störung der Glucoseverwertung, führt zur Steigerung der Glucoseneubildung in der Leber
– Triglceridsynthese (im Fettgewebe) vermindert Anstieg freier Fettsäuren im Blut, sobald Fettsäuren nicht mehr voll abgebaut werden, Anstieg von Keto-Körpern Aceton im Harn
58
Medizinische Bedeutung
NH2
OH
OHH
OH H
OHH
OHH
CH2OH
N
H
OHH
HOH
OH
OH
CH2OH
H
H
NH
H
O
HOH
OH
OH
CH2OH
H
H
H
Protein-H2O
+H2O
Protein Protein
rev. Bildung einerSchiff'schen Base
irrev. Amadori-Umlagerung
nicht enzymatische Glykierung von Proteinen Ursache vieler zellulärer Disfunktionen
Folgereaktion von Diabetes (Grauer Star: Proteinascorbylierung; Ateriosklerose; Nierensuffizienz)
Hartkaramellen
Kristalline und amorphe Zucker
Rezeptur : Hartkaramelle -amorphe Zucker-
Glasübergang von Zucker
Eigenschaften amorpher Zucker- Glasübergangstemperatur Tg -
Kristalline und amorphe Zuckerstrukturen
Bleiverglaste Fenster: ein Beispiel für Glastechnologie
Zucker blasen: ein Beispiel für Glastechnologie
Lichtemission durch bestimmte Strukturen
Triboluminescence im Vergleich
Bestimmung der Refraktion durch Laserbrecheung in amorphen Zuckern
Laserbeugung durch Zucker im Glaszustand
Bestimmung des kritischen Winkels
Praktische Durchführung der Pfund` s Methode
74
Chemie des Bieres
• Zutaten (in Deutschland nach dem Reinheitsgebot von 1516 festgelegt): Malz aus Gerste oder Weizen, Wasser, Hopfen und Hefe– anregende und berauschende Eigenschaften
Ethanol– aromatische Eigenschaften Hopfen, Darrprodukten
und zahlreiche Aromastoffe– nährende Eigenschaften unvergorenem Extrakt
(Kohlenhydrate, Proteine)– erfrischende Wirkung Kohlensäure
75
Chemie des Bieres: Gerste
• 12 – 20 % Wasser, 80 – 88 % aus Trockensubstanz, diese wiederum zu 60 – 65 % aus Stärke
• Stärke Polysaccharid– Amylose, ein spiralförmiges Molekül aus 60-2000
Glucoseresten, die kettenartig über a(1,4)-Bindngen miteinander verknüpft sind (ca. 6 - 8 Reste pro Windung)
– Amylopectin, aus 6000 – 40000 Glucoseresten, die außer a(1,4)Bindungen auch durch a(1,6)-Bindung verknüpft sind (ca. jeder 15. Rest)
76
Chemie des Bieres: Gerste
• 10-14 % Cellulose b(1,4) verknüpfte Glucosereste
• 8-13 % der Trockensubstanz der Gerste sind Proteine (wichtig für den Charakter und für den Schaum eines Bieres)
• 0,1-0,3 % Gerbstoffe und Polyphenole (auf Grund ihrer Bitterkeit starken Einfluss auf Geschmack und Textur
77
