Kohlenhydrate & Polysaccharide: Eigenschaften und Reaktionen

Grundlagen: Definition und Nutzung von Kohlenhydraten

1. Was sind Kohlenhydrate? Welche werden vom Menschen genutzt?

Kohlenhydrate sind die ersten organischen Verbindungen, die in photosynthetischen Zellen aus CO2 und Wasser mithilfe der Sonnenstrahlung hergestellt werden. Beispiele für vom Menschen genutzte Kohlenhydrate sind Stärke und Saccharose in Pflanzen.

Klassifikation der Kohlenhydrate

2. Klassifikation:

• Monosaccharide (z. B. Aldosen, Ketosen)
• Oligosaccharide
• Polysaccharide

Homoglykane und Heteroglykane

3. Was sind Homoglykane und Heteroglykane?

• Homoglykane: Polysaccharide, deren konstituierende Monosaccharide aus der gleichen Zuckerart bestehen.
• Heteroglykane: Bestehen aus verschiedenen Zuckerarten.

Hygroskopizität: Wasseradsorption und ihre Folgen

4. Hygroskopizität: Definition und Typen.

Die Hygroskopizität ist die Kapazität zur Wasseradsorption.

• Vorteilhaft: Wenn sie zur Feuchtigkeitsregulierung von Lebensmitteln beitragen.
• Ungünstig: Zum Beispiel bei Granulaten und Pulvern, wo das Eindringen von Wasser zur Agglomeration führt und die Löslichkeit des Zuckers begrenzt.

Der Glaszustand (Glass State) und seine Erreichung

5. Was ist der Glaszustand? Wie wird er erreicht?

Der Glaszustand ist ein amorpher Zustand, in dem die Viskosität hoch genug ist, um die Kristallisation von Zucker zu verhindern. Er kann erreicht werden durch:

1. Schnelle Entwässerung oder Konzentrierung einer Lösung.
2. Thermische Fusion einiger kristalliner Zucker, gefolgt von einer schnellen Abkühlung, die verhindert, dass sich die Moleküle reorganisieren und einen Kristall bilden.

Erreichen der Zuckerkristallisation

6. Wie kann Kristallisation erreicht werden?

Kristallisation wird durch langsames Abkühlen gesättigter Zuckerlösungen erreicht, was die Keimbildung und Reorganisation der Moleküle zur Bildung eines Kristalls ermöglicht.

Zuckerinversion: Definition und Methoden

7. Was ist die Inversion von Zucker?

Sie beinhaltet die Hydrolyse eines Saccharosemoleküls entweder enzymatisch (mittels Invertase) oder chemisch (z. B. Hydrolyse mit HCl, hoher Temperatur oder Sulfonsäureharzen). Das resultierende Produkt ist als Invertzucker bekannt.

Funktionelle Eigenschaften von Polysacchariden

8. Was sind die funktionellen Eigenschaften von Polysacchariden?

• Hydrolyse
• Löslichkeit
• Viskosität
• Fähigkeit zur Gelbildung

Polysaccharide: Textur, Viskosität und Wasserbindung

Die Rolle der Polysaccharide als Ballaststoffe

9. Was sind Fasern?

Fasern sind eine Gruppe unlöslicher Polysaccharide, die Lebensmitteln Eigenschaften wie Zusammenhalt und Textur verleihen. Nahrungsfasern tragen zudem zur Darmmotilität bei.

Wasserbindung und Mobilität

Warum beeinflussen Polysaccharide die Mobilität von Wasser?

Weil sie Hydroxylgruppen enthalten, die Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser eingehen können. Diese Bindung ermöglicht es Polysacchariden, die Wassermobilität zu kontrollieren und zu verändern.

Einfluss auf die Textur und das effektive Volumen

Wann variieren Polysaccharide die Textur eines Lebensmittels?

Wenn diese Polysaccharide in der Nähe von Wasser sind.

Wie verhalten sich Polysaccharide in Lösung?

Sie drehen sich frei und nehmen einen Raum ein.

Wie nennt man den von ihnen genutzten Raum?

Effektives Volumen.

Was ist der Unterschied im belegten Volumen zwischen verschiedenen Polysacchariden?

Wenn die Moleküle linear sind, nehmen sie mehr Platz ein. Bei gleicher molekularer Masse nimmt das effektive Volumen ab, wenn das Polysaccharid verzweigt ist.

Was ist Viskosität?

Bei gleicher Konzentration bilden lineare Polysaccharide viskosere Lösungen als verzweigte Polysaccharide.

Warum bilden Polysaccharide viskose Lösungen?

Lineare Lösungen sind dickflüssiger, da sie ein höheres effektives Volumen einnehmen und miteinander kollidieren, was zu organisierter Reibung und einer Zunahme der Viskosität führt.

Faktoren der Gelfestigkeit

Wovon hängt die Festigkeit eines Gels ab?

Sie hängt allein von den Bindungskräften ab, die die kristallinen Bereiche zusammenhalten.

Karamellisierung: Chemische Reaktionen und Farbentwicklung

Was sind die Karamellisierungsreaktionen?

Eine Reihe komplexer Reaktionen, die durch Hitze ausgelöst werden und hauptsächlich Saccharose und andere reduzierende Kohlenhydrate betreffen.

Wie entsteht Karamellisierung?

Durch Thermolyse, die Dehydrierungsreaktionen des Zuckers verursacht, verbunden mit der Einführung von Doppelbindungen und der Bildung ungesättigter Ringe.

Welche Wirkung haben Doppelbindungen oder Ringe während der Karamellisierung?

Die Doppelbindungen absorbieren Licht und verursachen die Farbentwicklung. Die kondensierten Ringe, bei denen Wasserverlust auftritt, bilden Polymere, die Farbe und Geschmack beitragen.

Die Maillard-Reaktion (Nicht-enzymatische Bräunung)

Was ist die Maillard-Reaktion?

Eine sehr komplexe Reihe von Reaktionen, bei denen reduzierende Zucker mit der Aminogruppe von Proteinen reagieren. Dabei entstehen dunkelbraune Pigmente sowie Veränderungen in Geruch und Geschmack.

Bei welchen Prozessen tritt nicht-enzymatische Bräunung auf?

Sie tritt im Rahmen technologischer Prozesse oder bei der Lagerung verschiedener Lebensmittel auf. Hitze beschleunigt sie. Sie ist relevant bei Koch-, Pasteurisierungs-, Sterilisations- und Trocknungsprozessen, da die Wärme die Geschwindigkeit der Maillard-Reaktion erhöht.

Auswirkungen auf den Nährwert bei starker Erhitzung

Was passiert, wenn Lebensmittel, die Proteine und Zucker enthalten, stark erhitzt werden?

Es kommt zu Verlusten an essentiellen Aminosäuren, wodurch der Nährwert sinkt.

Stärke: Modifikation und Eigenschaften

Auswirkungen der Säurebehandlung auf Stärke

Welche Auswirkungen hat die Säurebehandlung auf Stärken?

Die Säure dringt in die intermicellaren Räume ein und verursacht die Hydrolyse einer kleinen Anzahl von Bindungen, insbesondere in den amorphen Bereichen des Granulats. Der kristalline Bereich bleibt dabei fast unversehrt. Dies führt zu Lösungen mit niedriger Viskosität und Gelen mit geringerer Festigkeit.

Herstellung und Anwendung von prägelatinierter Stärke

Wie wird prägelatinierte Stärke hergestellt?

Sie wird durch Dehydrierung einer Stärkelösung hergestellt, die über die Gelatinierungstemperatur erhitzt wurde. Sie wird in Lebensmitteln verwendet, die eine schnelle und dichte Textur erfordern, z. B. Kuchenfüllungen, Babynahrung usw.

Vorteile von vernetzter Stärke

Warum behalten Lösungen auf Basis von vernetzter Stärke ihre Viskosität länger bei?

Weil sie mit Vernetzungsmitteln reagieren, was zur Bildung von Ester- und Etherbindungen zwischen Amylose- und Amylopektinmolekülen führt. Das Stärkekorn quillt, platzt aber nicht, wodurch die Viskosität länger erhalten bleibt.

Stärke und Glykogen im Vergleich

Ähnlichkeiten zwischen Stärke und Glykogen:

Beide enthalten Amylopektin (oder sind verzweigte Polysaccharide).

Cellulose und Hemicellulosen

Vorkommen von Cellulose

Wo befindet sich Cellulose?

Sie ist in den Zellwänden von Pflanzen lokalisiert und wird von anderen Polymeren wie Lignin und Hemicellulosen begleitet.

Carboxymethylcellulose (CMC) und ihre Anwendung

Was ist CMC und wofür wird es verwendet?

CMC (Carboxymethylcellulose) ist eines der wichtigsten Cellulosederivate (das Natriumsalz der Carboxymethylcellulose). Es wird verwendet, um die Viskosität von Lebensmitteln zu erhöhen und stabile Lösungen bei einem pH-Wert zwischen 5 und 10 zu gewährleisten.

Einsatz von Hemicellulosen in Backwaren

Warum werden Hemicellulosen in Backwaren verwendet?

Zur Verbesserung des Wasserbindevermögens von Mehl, zur Senkung des Energiebedarfs beim Mischen, zur Unterstützung der Proteinaufnahme und zur Erhöhung des Volumens.

Definition von Ballaststoffen

Was sind Ballaststoffe?

Eine Reihe löslicher Nicht-Stärke-Polysaccharide, die gegen die Hydrolyse durch Magen-Darm-Enzyme resistent sind. Beispiele sind Cellulose und Lignin.