Lebensmittelchemie

Frontmatter

1. Die Zusammensetzung unserer Nahrung

Zusammenfassung

Lebensmittel sind grundsätzlich natürlichen Ursprungs. Trotz vielfältiger Erscheinungsform und unterschiedlicher Zusammensetzung sind es immer spezielle Verbindungen, deren chemischer Aufbau einen Angriff körpereigener Enzymsysteme möglich macht und die dadurch unter Energiefreisetzung physiologisch verbrannt werden können. Der Gehalt dieser als Nährstoffe bezeichneten Verbindungen definiert primär den Begriff des Lebensmittels. Somit sind Lebensmittel in erster Linie Stoffe, die in unveränderter oder auch in zubereiteter Form wegen ihres Nährstoffgehaltes, gelegentlich aber auch wegen spezieller Geschmackseindrücke verzehrt werden (soweit nicht in ihnen enthaltene toxische Stoffe eine störungsfreie Verarbeitung im Körper unmöglich machen). Die Nährstoffe gehören den chemischen Gruppen der Fette, Kohlenhydrate und Eiweiße an.

Werner Baltes

2. Wasser

Zusammenfassung

Pflanzliches und tierisches Leben sind ohne Wasser undenkbar. Der Muskel des erwachsenen Menschen enthält etwa 74%, die inneren Organe sogar bis zu 80% Wasser. Bei Verlust von 10% des Körperwassers treten ernste Funktionsstörungen ein, bei 15% Wasserverlust ist mit dem Tod zu rechnen.

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3. Mineralstoffe

Zusammenfassung

Neben den hauptsächlich in organischen Verbindungen vorkommenden Elementen C, H, O, N, S kann man im menschlichen Körper etwa 50 weitere Elemente aus dem mineralischen Bereich nachweisen. Dabei machen die schon genannten Elemente zusammen mit Ca, P, K, Cl, Na, Mg und Fe ungefähr 99,5% der Körpersubstanz aus. Man bezeichnet diese 12 Elemente daher häufig auch als Mengenelemente im Gegensatz zu den Spurenelementen, die die restlichen 0,5% ausmachen. Eine funktionsbezogene Aussage ist in dieser Aufteilung nicht enthalten.

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4. Vitamine

Zusammenfassung

Daß zur Erhaltung von Gesundheit und Leistungsfähigkeit außer den Nährstoffen weitere Komponenten wichtig sind, wurde Ende des vorigen Jahrhunderts zuerst an polyneuritiskranken Tieren beobachtet. Ausgangspunkt für die Benennung solcher Stoffe als Vitamine (vita-amine) war das Vitamin B₁, das eine Amino-Gruppe trägt. Heute sieht man in ihnen Verbindungen, die schon in geringer Menge die Ausnutzung der Nährstoffe regulieren. Da die Struktur der Vitamine lange nicht bekannt war, benannte man sie mit Buchstaben, also Vitamin A, B, C ..., ein Provisorium, das heute immer mehr einer Benennung durch Trivialnamen weicht. Die Einteilung in fett- und wasserlösliche Vitamine hat sich dagegen als zweckmäßig erhalten, weil damit schon viele Aussagen über Vorkommen, Speicherung und Transport möglich sind. Als absolut essentiell und daher stets mit der Nahrung zuzuführen gelten nach Feststellungen der FAO/WHO die Vitamine A, B₁, B₂, B₆, B₁₂, Nicotinsäure (amid), Folsäure sowie die Vitamine C und D. In Tabelle 4.1 und Abb. 4.1 werden daneben einige weitere Verbindungen aufgeführt, denen man Vitamin-Charakter zuschreibt.

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5. Enzyme

Zusammenfassung

Enzyme sind Biokatalysatoren, die den Ablauf bestimmter chemischer Reaktionen steuern. Sie kommen in allen Organismen vor und katalysieren dort die Stoffwechselvorgänge. Daher sind auch in unseren Lebensmitteln Enzyme enthalten, womit sie für den Lebensmittelchemiker außerordentlich wichtig sind. Einerseits kann ihre Wirksamkeit zur Erzeugung von Lebensmitteln ausgenutzt werden (z.B. Essig, Alkohol, Sauerteig), andererseits aber können sie auch Lebensmittel abbauen (z.B. Weichwerden gelagerter Kartoffeln, Seifigwerden von Fetten, teigige Struktur bei Birnen), weshalb ihre Aktivität im Sinne einer Werterhaltung der Lebensmittel gezielt gesteuert werden muß.

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6. Lipoide

Zusammenfassung

Fette sind die Ester mehr oder weniger langkettiger Fettsäuren mit dem dreiwertigen Alkohol Glycerin (Triglyceride). Bisher hat man etwa 200 verschiedene Fettsäuren in der Natur gefunden, von denen jedoch nur relativ wenige in Nahrungsfetten in wesentlichen Konzentrationen auftreten.

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7. Kohlenhydrate

Zusammenfassung

Unter dem Sammelbegriff „Kohlenhydrate“ versteht man eine größere Anzahl von Polyhydroxycarbonyl-Verbindungen sowie einige davon abgeleitete, strukturell ähnliche Körper. Ihr Name wurde aus der Summenformel C_nH_2nO_n abgeleitet, in der jeweils auf ein Atom Kohlenstoff ein Molekül Wasser kommt. Obwohl man inzwischen auch Kohlenhydrate kennt, die abweichende Summenformeln besitzen (z.B. Glucosamin, Glucuronsäure), hat man an der Gruppenbezeichnung festgehalten.

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8. Eiweiß

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Unter den Lebensmittel-Inhaltsstoffen ist Eiweiß mit Sicherheit der wichtigste. Man hat schon früh erkannt, daß ein Leben ohne Eiweiß nicht möglich ist und daß es daher dem menschlichen Körper täglich mit der Nahrung zugeführt werden muß. Da es im Körper ständig regeneriert wird, stellt das zugeführte Nahrungseiweiß nicht nur einen Energieträger dar wie Fette oder Kohlenhydrate, sondern ist zusätzlich Bausubstanz. Man rechnet beim Erwachsenen mit einem täglichen Eiweißbedarf von etwa 1 g je kg Körpergewicht.

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9. Lebensmittelkonservierung

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Die industrielle Herstellung unserer Lebensmittel bedingt zwangsläufig größere Zeitspannen für die Verteilung an den Endverbraucher. Darüber hinaus werden viele Lebensmittel auf Vorrat gehalten, so daß vorbeugenden Maßnahmen zu ihrer Haltbarmachung große Bedeutung zukommt. Eine gewisse Sicherheit bieten die auf verpackten Lebensmitteln aufgedruckten Mindest-Haltbarkeitsdaten.

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10. Zusatzstoffe im Lebensmittelverkehr

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Die zunehmende Verlagerung der Lebensmittelherstellung in die industrielle Fertigung hat vermehrt die Zulassung chemischer Verbindungen notwendig gemacht, die Erzeugung und Haltbarmachung der Lebensmittel unterstützen. Bezeichnete man solche Verbindungen früher als „fremde Stoffe“, da sie im natürlichen Lebensmittel oder seinen Rohstoffen nicht vorkommen, so wurde mit dem Lebensmittel- und Bedarfsgegenstände-Gesetz vom 15.8.1974 (LMBG) der Begriff der „Zusatzstoffe“ eingeführt, womit man sich der internationalen Bezeichnung (food additives) angepaßt hat. Es handelt sich also um Verbindungen, die dem Lebensmittel zur Erzielung chemischer, physikalischer oder auch physiologischer Effekte zugemischt werden. Nach der amtlichen Definition sind davon Verbindungen ausgenommen, „die natürlicher Herkunft oder den natürlichen chemisch gleich sind und nach allgemeiner Verkehrsauffassung überwiegend wegen ihres Nähr-, Geruchs- oder Geschmackswertes oder als Genußmittel verwendet werden“. Allerdings fallen unter den Begriff der Zusatzstoffe u.a. auch Aminosäuren, die Vitamine A und D, Mineralstoffe und Spurenelemente, Zucker-Austauschstoffe (Ausnahme Fructose) sowie Süßstoffe. Ausdrücklich enthält das LMBG die Ermächtigung, bestimmte Verbindungen den Zusatzstoffen gleichzustellen, wenn die Annahme gerechtfertigt ist, daß ihre Anwendung gesundheitlich nicht unbedenklich ist. Hierzu können z.B. Enzympräparate gehören.

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11. Rückstände in Lebensmitteln

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Unser Ökosystem birgt stoffliche Risiken in sich. Industrielle Umwandlungsprozesse können nicht nur Luft und Wasser belasten, sondern auch unsere Nahrungsmittel. Schadstoffe gelangen aus dem Erdreich und den Gewässern in die Pflanzen, durch deren Verfütterung sie auch in tierischen Lebensmitteln vorkommen. Es gelangen aber auch Rückstände solcher Verbindungen in die Lebensmittel, die zur Optimierung landwirtschaftlicher Erzeugung mit Tier oder Pflanze in Berührung gekommen sind oder ihnen zugesetzt wurden.

Werner Baltes

12. Gesundheitsschädliche Stoffe in natürlichen Lebensmitteln

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Die Auswahl pflanzlicher und tierischer Rohstoffe für die Ernährung erfolgt nicht nur nach ihrem Gehalt an Nährstoffen (Kohlenhydrate, Fette, Proteine) und ihrem Genußwert, sondern natürlich auch unter dem Aspekt ihrer Ungiftigkeit. Während z.B. Steinpilze als wohlschmeckende Lebensmittel gelten, würde niemand den hochgiftigen grünen Knollenblätterpilz, der die toxischen Amanitine und das Phalloidin enthält, zu den Lebensmitteln zählen. Dennoch enthalten viele Lebensmittel gewisse Giftstoffe, die sie selber gebildet oder aufgenommen haben, so daß spezielle Aufbereitungsverfahren und Dosierungen erforderlich werden, um Gesundheitsschäden zu vermeiden. Aber auch Kontaminationen durch Mikroorganismen können im Lebensmittel zu Toxinbildungen führen.

Werner Baltes

13. Aromabildung in Lebensmitteln

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Neben Geschmacksstoffen, die die sensorische Wahrnehmung der Eindrücke salzig, süß, bitter oder sauer vermitteln (s. S. 170), sind im Lebensmittel Verbindungen enthalten, die sein Aroma (international: Flavor) prägen. Nach heutigen Erkenntnissen befinden sich im Mund-Nasen-Raum spezielle Geruchsrezeptoren, an die solche Aromastoffe gebunden werden können und dadurch insgesamt den Aroma-Eindruck vermitteln. Man kennt Verbindungstypen für die primären Geruchsnoten:

• campherartig,
• moschusartig,
• blumig,
• minzig,
• etherisch,
• stechend,
• faulig.

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14. Speisefette

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Fette sind nicht nur wesentliche Energielieferanten, sondern spielen auch eine wesentliche Rolle bei Konsistenz, Wasserretention, Farbe und Geschmack unserer Nahrungsmittel. In erhitztem Zustand dienen sie der Wärmeübertragung und reagieren nicht zuletzt selber als Aromabildner. Veränderte Ernährungsgewohnheiten haben zu höheren Qualitätsansprüchen und speziellen Anforderungen in Bezug auf ihre Zusammensetzung und damit ihre Eigenschaften geführt. Während im Haushalt nach wie vor Margarine und Butter dominieren, fordern Lebensmittelindustrie, Catering-Bereich und Bäckereien speziell zusammengesetzte Fette: Siedefette und Spezialmargarinen sowie Pflanzenöle.

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15. Eiweißreiche Lebensmittel

Zusammenfassung

Während im Pflanzenreich Cellulose als Bausubstanz und Stärke als Reservestoff dominieren, findet man in den Lebensmitteln tierischer Herkunft vorwiegend Eiweiß neben einer mehr oder minder ausgeprägten Fettreserve. Wenn man andererseits die hohen Eiweißgehalte von Hefe und nicht zuletzt auch von Leguminosen betrachtet, muß man indes erkennen, daß die Charakterisierung von pflanzlichen neben tierischen Lebensmitteln, zumindest über ihre Eiweißgehalte, keine Differenzierung zuläßt. Da sich die chemische Reaktionsfähigkeit nur am Aufbau des Substrates, nicht aber an seiner Herkuft orientiert, scheint die strenge Unterscheidung zwischen Lebensmitteln tierischer und pflanzlicher Herkunft ohnehin fragwürdig zu sein und ist lediglich ein Ausdruck verschiedener, spezieller Aufgabenzuweisungen im Rahmen der amtlichen Lebensmittelkontrolle.

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16. Kohlenhydratreiche Lebensmittel

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Zucker gelangte erst nach den Kreuzzügen über Zypern und Venedig nach Europa, wo bis dahin hauptsächlich Honig als Süßungsmittel verwendet wurde. Heute wird Zucker vor allem aus Zuckerrüben und Zuckerrohr gewonnen.

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17. Alkoholische Genußmittel

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Hefen haben die Fähigkeit, unter anaeroben Bedingungen ihren Stoffwechsel umzustellen. Während sie aerob Glucose zu Kohlendioxid und Wasser veratmen, scheiden sie anaerob Ethylalkohol und Kohlendioxid ab:

$$ \begin{array}{*{20}{c}} {aerob:}&{{C_6}{H_{12}}{O_6} \to 6C{O_2}{\text{ }} + {\text{ }}6{H_2}O} \\ {anaerob:}&{{C_6}{H_{12}}{O_6} \to 2C{O_2}{\text{ }} + {\text{ }}2{C_2}{H_5}OH} \end{array} $$

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18. Alkaloidhaltige Genußmittel

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Alten Schriften zufolge gelangte die Kenntnis vom Kaffee um 1450 durch mohammedanische Pilger aus Äthiopien nach Mekka. Durch die Türkenkriege kam er dann nach Europa. Heute ist Kaffee eines der wichtigsten Getränke auch in den westlichen Ländern. So trank der Deutsche 1988 im Mittel 169 Liter dieses Getränks, dagegen im Mittel „nur“ 144 Liter Bier.

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19. Gemüse und ihre Inhaltsstoffe

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Unter Gemüse versteht man eßbare Pflanzenteile, die meist in zerkleinertem und gekochtem Zustand genossen werden. Man unterscheidet zwischen Wurzelgemüsen (z.B. Kartoffeln, Sellerie, Mohrrüben), Zwiebelgemüsen (z.B. Zwiebeln), Stengel- und Sproßgemüsen (Spargel, Kohlrabi), Blattgemüsen (Kohlarten, Spinat), Blütengemüsen (Artischocken) und Frucht- bzw. Samengemüsen (Erbsen, Gurken, Tomaten). Andererseits kann auch eine Gliederung nach Pflanzengattungen nützlich sein

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20. Obst und Obsterzeugnisse

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Als Obst bezeichnet man Früchte bzw. Scheinfrüchte mehrjähriger Pflanzen, die fast immer roh gegessen werden können. Man kann folgende Gliederung vornehmen

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21. Gewürze

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Unter Gewürzen versteht man im engeren Sinne getrocknete Teile von Pflanzen, deren Inhaltsstoffe eine Würzung von Lebensmitteln bewirken können. Meistens geht diese Wirkung auf ätherische Öle zurück, manchmal wird sie durch scharf schmeckende Ingredienzien ergänzt. Im weiteren Sinne gehören auch Salz und Essig zu den Gewürzen. Einige Gemüse (Zwiebeln, Paprika) sind durch ihre Inhaltsstoffe mit den Gewürzen verwandt. Schließlich muß erwähnt werden, daß vor allem im industriellen Bereich wegen der besseren Handhabung Gewürzessenzen angewandt werden, die konzentrierte Auszüge von Gewürzen darstellen.

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22. Trinkwasser

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Der Trinkwasserverbrauch pro Person liegt in Deutschland bei etwa 146 Litern täglich. Noch höher ist der Wasserbedarf der Industrie, wobei die Lebensmittelindustrie insofern eine Sonderrolle einnimmt, als hier auch das Brauchwasser Trinkwasserqualität haben muß. Zur Herstellung von 1 Liter Bier werden 20 Liter, von 1 kg Feinpapier 400–1000 Liter Wasser benötigt.

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23. Erfrischungsgetränke

Zusammenfassung

In Deutschland gibt es eine große Anzahl von Heilquellen, deren Wässer aufgrund der in ihnen gelösten Mineralstoffe verschiedene Krankheiten lindern bzw. heilen können. Bei Wässern mit mehr als 1 g gelöster Mineralstoffe im Liter unterscheidet man zwischen Chlorid-, Hydrogen-carbonat- und Sulfatwässern. Andere Wässer bezeichnet man unabhängig von ihrem Mineralstoffgehalt nach ihren wirksamen Bestandteilen als Eisen-, Arsen-, Iod-, Schwefel- und Radonwässer bzw. besonders kohlensäurehaltige Wässer als Säuerlinge. In ihrer Anwendung als Heilwässer unterliegen sie dem Arzneimittelgesetz.

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24. Der Aufbau des deutschen Lebensmittelrechts

Zusammenfassung

Die schnelle Entwicklung der Lebensmittelwirtschaft in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts zur Versorgung der rasch wachsenden Bevölkerung machte es notwendig, den Verkehr mit Lebensmitteln rechtlich zu regeln, und zwar vornehmlich im Hinblick auf gesundheitliche Unbedenklichkeit und Schutz des Verbrauchers vor Täuschung. Nach der Gründung des „Kaiserlichen Gesundheitsamtes“ (1876) wurde am 14. Mai 1879 das erste deutsche Lebensmittelgesetz verkündet. Dieses Gesetz führte einen vorbeugenden Verbraucherschutz hinsichtlich des Verkehrs mit Nahrungsmitteln, Genußmitteln und Gebrauchsgegenständen ein. Aber erst mit der Schaffung des „Staatlich geprüften Lebensmittelchemikers“ wurde die im Gesetz verankerte Forderung gelöst, zuverlässige, schnell durchführbare und auf die Eigenart der einzelnen Lebensmittel zugeschnittene Untersuchungsmethoden zu entwickeln. 1894 wurde daher eine spezielle Prüfungsordnung für Nahrungsmittelchemiker erlassen und Lehrstühle für Lebensmittelchemie errichtet.

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25. Weiterführende Literatur

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