Haushaltszucker aus chemischer SichtIsolierung aus Rüben und beteiligte IsomerienVortrag von Tanja Schornbaum und Janina Degen im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Organische Chemie", SS 2005, SS 2010 Gliederung:
Wer von uns hätte noch nie die Helden der Leinwand bewundert, die sich ohne mit der Wimper zu zucken den größten Gefahren aussetzen oder ihr Leben aufs Spiel setzen? Sie erklimmen die steilsten Wände, entkommen gerade noch so dem Flammenmeer oder flüchten mit einem gewagten Sprung durchs Fenster. Aber was beeindruckend aussieht, ist doch nur halb so gefährlich. Bei einem Sprung durchs Fenster müsste man sich nicht am ganzen Körper verletzen? Nicht so die Helden auf Celluloid. Denn auch hier greift Hollywood einmal mehr in die Trickkiste. Die Scheiben, durch die sie oder vielmehr die Stuntmen springen, bestehen aus nichts anderem als Zuckerglas, also dem allseits bekannten Haushaltszucker. Zucker ist für uns heute ein gebräuchliches, ja günstiges Lebensmittel geworden, das in verschiedenen Varianten verwendet wird. Ein Kilo Haushaltszucker kostet im Supermarkt nur 92 Cent. Aber Zucker war nicht immer so günstig. 1 Geschichte und Verbreitung des HaushaltszuckersZucker wurde wahrscheinlich erstmals von den Persern um 600 v. Chr. dargestellt. Bis dahin war Honig das einzige Süßungsmittel. Die Perser haben den Saft des Zuckerrohrs heiß in Ton- oder Holzgefäße eingefüllt. Der Sirup mit den nicht zuckerhaltigen Stoffen tropfte dabei durch eine kleine Öffnung in der Kegelspitze ab. Zurück blieb der Zuckerhut, der aber wahrscheinlich noch nicht so schön weiß wie der heute erhältliche ausgesehen haben dürfte. Zur Zeit der Kreuzzüge hat man den Anbau des Zuckerrohrs dann auch in den südlichen Mittelmeerländern stellenweise eingeführt. In einer Reisebeschreibung heißt es: „In den Feldern bei Tripolis fand man ein Honigschilf, welches sie dort "zucra" nennen.“ Hiervon dürfte sich auch die heutige Bezeichnung ableiten. Bei Königen und Fürsten, die Zucker auch damals schon nach Europa importieren ließen, erfreute er sich großer Beliebtheit. Für das Volk aber war er nicht erschwinglich. Ab ca. 1500 wird das Zuckerrohr weltweit auf großen Plantagen angepflanzt und verschifft. Aber Zucker bleibt noch immer ein teueres Produkt und nur wenigen vorbehalten. Erst als 1747 der Berliner Chemiker Marggraf entdeckte, dass die heimische Runkelrübe den gleichen Zucker enthält wie das Zuckerrohr, begann sich das Blatt zu wenden. Um 1800 entstehen die ersten Rübenzuckerfabriken in Schlesien - wobei man natürlich sagen muss, dass die Zuckerausbeute bei der Produktion und auch der Zuckergehalt der Rübe selbst eine viel geringere war als heute. Durch Verbesserung der Herstellung und Züchtung neuer Sorten konnte diese erheblich erhöht werden. Nachdem es infolge eines Konkurrenzkampfes zwischen Rohr- und Rübenzucker zu einem drastischen Preisverfall kommt, entwickelt sich der Haushaltszucker langsam aber sicher zu einem täglichen Bedarfsgut. Heute beträgt der Pro-Kopf-Verbrauch an reinem Haushaltszucker 6 kg pro Jahr – natürlich mit Spitzen zur bald beginnenden Einmach- und auch zur Weihnachtszeit, wo fleißig gebacken wird. Da aber über 80% des Zuckerabsatzes in Form von Verarbeitungserzeugnissen verzehrt wird, beträgt der tatsächliche Pro-Kopf-Verbrauch weit mehr, nämlich 36,4 kg Zucker pro Jahr und pro Person! 2 Herstellung von HaushaltszuckerWie aber wird dieses Bedarfsgut, von dem jeder von uns pro Woche mehr als ein halbes Kilogramm verbraucht, hergestellt? In Europa wird der handelsübliche Haushaltszucker aus Rüben isoliert. Deshalb spricht man auch von Rübenzucker. Die Zuckerrübe ist eine zweijährige Pflanze. Sie sammelt im ersten Jahr Zucker und andere Vorräte an, die dann im zweiten Jahr der blühenden und fruchtenden Pflanze zur Nahrung dienen sollte. Da man aber an den Zucker der Rübe herankommen möchte, müssen sie bereits im ersten Jahr geerntet werden. Die heutigen Züchtungen haben einen Zuckergehalt von ungefähr 17-20%.
2.1 ZuckerrübenaufbereitungDie Rüben werden im September geerntet, und damit beginnt auch die Zuckergewinnung. Die Zuckerrübenfabriken arbeiten nur während der so genannten Kampagne und zwar meist von Mitte September bis Mitte Dezember. Dafür aber dann rund um die Uhr. Es ist wichtig, dass die Rüben rasch weiterverarbeitet werden, da bei längerem Lagern nach der Ernte erhebliche Zuckerbeträge durch Atmung verloren gehen (monatlich 0,5-1%). In der Zuckerfabrik werden die geernteten und angelieferten Rüben entladen und über Förderbänder oder Schwemmrinnen in die Rübenwaschanlage transportiert. In dieser Anlage wird die noch anhaftende Erde, Steine und das restliche Blattwerk entfernt. Das für das Waschen eingesetzte Wasser wird zurück gewonnen und erneut zur Rübenreinigung verwendet. In Schneidemaschinen werden die gereinigten Zuckerrüben von rotierenden Messern zu dünnen Schnitzeln zerkleinert, die 3-4 cm lang und nur 2-3 mm dünn sind. Dies ist sehr wichtig, denn diese Form gewährleistet durch ihre große Oberfläche, dass der Zucker gut aus den Pflanzenzellen gelöst werden kann.
2.2 SaftgewinnungDiese dünnen Rübenschnitzel werden auf Förderbändern zu ca. 20 m hohen Extraktionstürmen transportiert. Die Rübenschnitzel werden von unten nach oben geleitet, während im Gegenstrom 70°C heißes Wasser von oben nach unten an ihnen vorbeifließt. Durch das heiße Wasser öffnen sich die freiliegenden Zellwände der Schnitzel, und die enthaltenen Zuckermoleküle werden herausgelöst. Mit Hilfe der Gegenstromextraktion werden über 99% des Zuckers aus der Rübe gewonnen.
Der Rohsaft, den man durch dieses Verfahren erhält, hat einen Zuckeranteil von 13-15%. 2.3 SaftreinigungDer Rohsaft enthält neben dem Zucker aber auch Eiweißkolloide, Pektine, Säuren, Salze und dergleichen. Diese Nichtzuckerstoffe werden mit Hilfe von zugesetzter Kalkmilch oder 1-2% gebranntem Kalk vom Rohsaft getrennt. Durch die Kalkung wird der schwach saure Rohsaft alkalisch. Phosphorsäure, Oxalsäure, Citronensäure, Eisensalze und Magnesium-Verbindungen werden ausgefällt, und Eiweißkolloide schlagen nieder. Eingeleitete Kohlensäure neutralisiert die überschüssige Kalkmilch und löst auch wieder den Zucker aus dem sich zum kleinen Teil gebildeten Zuckerkalk. Zurück bleibt als eine klare, hellgelbe Flüssigkeit, der Dünnsaft, mit einem Saccharoseanteil von 16%. Der ausgefällte Kalk enthält die o.a. Verunreinigungen und wird Carbokalk genannt (ca. 45% CaCO3, 1% MgO, 0,7% P2O5, 0,3% N, Spuren B, Cu, Mn). Er wird abgepresst und findet in der Landwirtschaft als Kalkdüngemittel Verwendung. 2.4 SafteindickungIn der Verdampfstation wird dem Dünnsaft in mehreren hintereinander geschalteten Verdampfungsapparaturen Wasser entzogen. Dadurch erhält man einen dickflüssigen, goldbraunen und klaren Sirup mit einem Zuckergehalt von 65 - 70%. Dies ist der so genannte Dicksaft.
In der Kochstation wird der Dicksaft unter vermindertem Druck weiter eingedampft. Durch den verminderten Druck verdampft das Wasser bereits zwischen 65°C und 80°C, und der Zucker karamellisiert bei dieser schonenden Methode nicht. Die Kristallbildung wird häufig durch Zugabe von so genannten Impfkristallen in Form feinsten Zuckers angeregt. Dabei entsteht ein dickflüssiger Brei, die so genannte Füllmasse. Der Kristallbrei wird zum Abkühlen in Zwischenbehälter abgelassen. In diesen Maischen halten Rührwerke den Brei dabei ständig in Bewegung, die Zuckerkristalle wachsen in dieser Zeit weiter. 2.5 KristallisationDie Zuckerkristalle werden durch Zentrifugation und Spülen mit Wasserdampf vom restlichen anhaftenden Sirup getrennt. Löst man den erhaltenen weißen Zucker erneut auf und lässt ihn nochmals kristallisieren, entsteht die Raffinade - Kristallzucker von höchster Reinheit und Qualität. Während der abgetrennte Sirup nochmals in die Kochstation zum Auskristallisieren befördert wird, kommt der reine Kristallzucker zunächst noch in einen Kühl- und Trockenautomat und wird dann in großen Silos gelagert. Als Melasse bezeichnet man den Sirup, der bei der letzten Kristallisationsstufe anfällt. Melasse ist ein zähflüssiger Sirup mit noch ca. 50% Zucker, der aber nicht mehr auskristallisiert werden kann und deshalb überwiegend als Futtermittel in der Landwirtschaft oder zur Hefeerzeugung eingesetzt wird. Der fertige Zucker ist die Grundlage für die verschiedensten Zuckersorten, die auf dem Markt angeboten werden.
3 SaccharoseWas aber ist Haushaltszucker aus chemischer Sicht, in der Umgangssprache auch einfach „Zucker“ genannt? Als Haushaltszucker bezeichnet man Saccharose, die auch noch die Namen Rohrzucker, Rübenzucker oder Sukrose (engl. sucrose) besitzt. Saccharose ist ein Disaccharid – das vielleicht wichtigste Disaccharid für unsere Ernährung. Sie ist in zahlreichen Pflanzen in kleinen Mengen anzutreffen, z.B. in Süßmais, in Palmsaft als Palmzucker, in Früchten (z.B. als Dattelzucker), in Samen, Baumsäften (z.B. Ahornzucker aus Ahornsaft), Wurzeln und Rhizomen. Größere Mengen an Saccharose findet man aber nur im Zuckerrohr und in der Zuckerrübe. Und zwar sind in der Zuckerrübe 17-20% und im Zuckerrohr rund 14-21% Saccharose enthalten. Saccharose bildet farblose, süß schmeckende Prismen. Die Summenformel lautet C12H22O11. Das Disaccharid Saccharose baut sich aus zwei einfachen Monosaccharidmolekülen auf – nämlich aus D-Glucose und D-Fructose, die durch eine glykosidische Bindung verknüpft werden. So ist die genaue Bezeichnung für Saccharose alpha-D-Glucopyranosyl-beta-D-fructofuranosid oder beta-D-Fructofuranosyl-alpha-D-glucopyranosid. Da die glykosidische Bindung zwischen den acetalischen Kohlenstoffatomen beider Monosaccharide (1 bei Aldosen, 2 bei Ketosen) liegt, wird damit die Ringform bei beiden fixiert. Saccharose zeigt deshalb keine Mutarotation und wirkt auch nicht – wie viele andere Zucker - reduzierend. Der nicht reduzierende Charakter der Saccharose lässt sich sehr gut mit der Fehlingschen Lösung sichtbar machen. Das von Fehling entwickelte Reagenz dient zum qualitativen und quantitativen Nachweis reduzierender Zucker. Mit Saccharose kommt es – im Gegensatz zu Glucose und Fructose - zu keiner Reaktion, es ist keine Farbänderung zu sehen. Der Tartratokupfer(II)-Komplex wird von Zuckern wie Glucose und Fructose reduziert, nicht jedoch von Saccharose. 4 Hydrolyse der SaccharoseSaccharose wird schon durch verdünnte Säuren oder das Enzym Invertase leicht hydrolisiert. Sie wird in ein äquimolares Gemisch von D-Glucose und D-Fructose zerlegt. Die Spaltung der Saccharose wird auch als Inversion bezeichnet.
Dabei liegt in dieser wässriger Lösung Glucose als alpha-D-Glucopyranose zu 18% und beta-D-Glucopyranose zu 32% vor, Fructose aber in 5 verschiedenen Varianten, nämlich als offenkettige D-Fructose in einem vernachlässigbarem Prozentsatz, als beta-D-Fructopyranose (28,5%), als beta-D-Fructofuranose (15,5%), als alpha-D-Fructopyranose (1,5%) und zudem als alpha-D-Fructofuranose (4,5%). Dieses Gemisch, dass man durch die Hydrolyse erhält, bezeichnet man auch als Invertzucker. Die Bezeichnung Inversion rührt daher, dass die optisch aktive Saccharose die Ebene des polarisierten Lichts nach rechts dreht ([alpha]D=+66°). Das Reaktionsprodukt Fructose ist dagegen stark linksdrehend mit [alpha]D= -92°. Obwohl die Glucose rechtsdrehend ist ([alpha]D=+52°), überwiegt der stark linksdrehende Charakter der Fructose. So dreht der Invertzucker die Ebene des polarisierten Lichts nach links mit [alpha]D=-20°. Auch Honig ist im wesentlichen eine konzentrierte wässrige Lösung von Invertzucker. Der Blütennektar enthält wenig invertierte Saccharose. Im Bienenmagen aber wird unter Einfluss von Enzymen die Inversion beschleunigt, so dass der Bienenhonig im wesentlichen ein Gemisch aus Glucose und Fructose ist. 5 Glucose und Fructose5.1 GlucoseDie auch als Dextrose oder Traubenzucker bezeichnete Glucose bildet farb- und geruchlose weiße Kristalle und hat als Hydratdextrose einen Schmelzpunkt von 83-86°C. Die Glucose ist eine Aldohexose, das 6 C-Atome besitzt, von denen eines eine Aldehydgruppe ist. In der Natur kommt ausschließlich das rechtsdrehende Enantiomer vor, so dass die Bezeichnung „Glucose“ eigentlich stets (+)-Glucose bedeutet. Mit sehr wenigen Ausnahmen gehören alle natürlichen Zucker und ihre Derivate zur D-Reihe. Die Konfiguration der Kohlenhydrate leitet man durch Vergleich mit der Bezugssubstanz D- und L-Glycerinaldehyd her. Die Bezeichnung „D-Glucose“ hat also nichts mit dem optischen Drehsinn zu tun. Die offenkettige D-Glucose ist hier in der so genannten Fischerprojektion gezeigt. Dasjenige asymmetrische C-Atom mit der höchsten Positionszahl (hier: 5), das als das unterste angeschrieben werden muss, entscheidet über die Zugehörigkeit zur D- oder L- Reihe, je nachdem, ob die betreffende Hydroxy-Gruppe nach rechts oder links zeigt. Normalerweise liegt aber Glucose als Glucopyranose vor, und die Aldehydgruppe der offenkettigen Glucose tritt nur bei bestimmten Reaktionen in Funktion. So auch bei dem vorher erwähnten Versuch, wo die Fehlingsche Lösung durch Glucose reduziert wurde. Glucose tritt in zwei diastereomeren Formen auf, der alpha- und der beta-D-(+)-Glucopyranose, die sich durch ihren Schmelzpunkt und ihre optische Drehung unterscheiden. alpha-D-Glucopyranose hat einen Schmelzpunkt von 146°C und der Wert der optischen Drehung liegt bei [alpha]D= +112°. Der Schmelzpunkt von beta-D-Glucopyranose liegt bei 150°C, [alpha]D= + 18,7°. Löst man reine alpha- oder reine beta-D-Glucose in Wasser, so ändert sich die spezifische Drehung allmählich, bis ein Wert von [alpha]D=+52,7° erreicht wird. Die rechtsdrehende wässrige Lösung der D-Glucose zeigt hier Mutarotation. Dies ist auf die Bildung der beiden Anomeren alpha- und beta-D-Glucopyranose zurückzuführen. Neben der offenkettigen Form und der pyranosiden 6-Ring-Form kommt bei Zuckern noch die furanoside 5-Ring-Form vor, bei Glucose allerdings im untergeordnetem Maße. 5.2 FructoseDas zweite Monosaccharid als Bestandteil der Saccharose ist wie erwähnt die Fructose. Fructose bildet ebenfalls farb- und geruchlose Kristalle, aber als sehr süß schmeckende Prismen oder aber Nadeln. Fructose ist - anders als die Glucose - eine Ketohexose. Aber auch sie wird zur D-Reihe gerechnet, da die natürliche Form zu D-Glycerinaldehyd abgebaut werden kann. In wässriger Lösung erhält man Fructose wie bei der Hydrolyse der Saccharose gezeigt, in 5 verschiedenen Formen. Dabei muss man beachten, dass sich natürlich bei einer reinen wässrigen Lösung von Fructose die Prozentzahlen verändern. In der wässrigen Lösung sind also 57% beta-D-Fructopyranose, 3% alpha-D-Fructopyranose, 31% beta-D-Fructofuranose und 9% alpha-D-Fructofuranose vorhanden. Die Mutarotation der Fructose in wässriger Lösung liegt darin begründet, dass sich die pyranoside Form in die furanoside Form umwandelt. Der Anteil der offenkettigen Form beträgt weniger als 1% und spielt daher nur eine untergeordnete Rolle. In Lösung zeigt Fructose so lang Mutarotation, bis sich ein Wert von [alpha]D= -92° einstellt (beta-D-Fructopyranose: [alpha]D= -133°). beta-D-Fructopyranose zeigt wesentlich stärkeren süßen Geschmack als Traubenzucker oder Rohrzucker. Sie ist für die Süße im Honig verantwortlich. beta-D-Fructofuranose ist dagegen fast geschmacklos. Auch dafür, dass der Honig nie ganz auskristallisiert, sondern immer flüssig bleibt, ist die Fructose verantwortlich. Fructose ist nämlich nur schwer zur Kristallisation zu bringen – gerade in wässriger Lösung, wo sie in den 5 Varianten vorliegt. Nur die beta-D-Fructopyranose ist bisher kristallin erhalten worden. ZusammenfassungMan kann sagen, dass es sich lohnt, eines unserer süßesten Lebensmittel einmal genauer unter die Lupe zu nehmen. Denn Saccharose ist immerhin die volkswirtschaftlich bedeutendste Zuckerart und wird in großen Mengen zu einem äußerst günstigen Preis produziert. Aber auch die Art des Zuckerkonsums ist verschiedenen Zeitströmungen unterworfen. Heute gilt der braune Zucker als der scheinbar gesündere. So genießen viele ihre tägliche Portion Tee gerne mit Kandiszucker. Das war jedoch nicht immer so: Bis Ende des 19. Jahrhunderts wurde überwiegend brauner Zucker konsumiert. Zu einer Wende kam es durch eine erstaunliche Werbekampagne in den USA. Die amerikanische Zuckerindustrie veröffentlichte Anzeigen mit Abbildungen eines erschreckenden „Lauseidechsenmonstrums“, dass sich im braunen Zucker herumtreibe.
Die Abbildung dieser der Öffentlichkeit nahezu unbekannten Hausstaubmilbe verschreckte die Kundschaft derart, dass sie von nun an auf ihren geliebten braunen Zucker verzichtete und lieber zu der teueren Variante griff – der teureren weißen Raffinade. Literatur:
|
