Stärke

Stärke – Aufbau

Die Glucosemoleküle bilden ein Makromolekül, die Stärke. Damit kann das Polysaccharid in die Kategorie der Polymere eingeordnet werden. Im Fall der Stärke stellen die Glucosemoleküle die Monomeren dar.

Analog zu den Polymeren lautet die Summenformel von Stärke (C₆H₁₀O₅)_n. Die in den Klammern geschriebene Molekülformel ist das Monomer und n beschreibt die Anzahl der Monomere im Polymer.

Struktur von Stärke

Analog zu den Polymeren lautet die Summenformel von Stärke (C₆H₁₀O₅)_n. Die in den Klammern geschriebene Molekülformel ist das Monomer und n beschreibt die Anzahl der Monomere im Polymer.

Stärke ist aus D-Glucose aufgebaut. Die Glucosemoleküle werden über glykosidische Bindungen miteinander verknüpft. Je nachdem zwischen welchen Substituenten der Glucose diese Verknüpfung besteht, wird zwischen Amylopektin und Amylose unterschieden. Stärke setzt sich aus beiden Verbindungen zusammen. Dabei kommen etwa 20 bis 30 % Amylose und 70 bis 80 % Amylopektin vor.

Bei Amylose sind die Glucosemoleküle durch α-1,4-glykosidische Bindungen miteinander verbunden. Das heißt, hierbei ist das erste Kohlenstoffatom von einem Molekül über die Hydroxygruppe am vierten C-Atom eines anderen Moleküls verbunden. Durch diese Art der Bindung bildet sich ein lineares Molekül. Die frei liegenden OH-Gruppen können Wasserstoffbrückenbindungen bilden, wodurch sich eine spiralförmige Helix bilden kann.

Abbildung 1 zeigt die Struktur von Amylose. Das n steht hierbei für die variable Anzahl der sich wiederholenden Glucosebausteine.

Abbildung 1: Struktur von Amylose

Es sind circa 1000 bis 4500 Glucosemoleküle bei Amylose miteinander verknüpft. Somit liegt die Molekülmasse im Bereich von 100.000 bis 1.000.000$\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}$.

Amylopektin besteht aus Glucosemolekülen, die über α-1,4-glykosidische und α-1,6-glykosidische Bindungen miteinander verknüpft sind. Die α-1,6-glykosidische Bindungen entstehen zwischen dem C1-Atom des ersten Moleküls und der Hydroxygruppe des C6-Atoms eines zweiten Glucosemoleküls. Durch diesen Aufbau bilden sich verzweigte Molekülketten aus. Das kannst du in Abbildung 2 sehen.

Abbildung 2: Strukturformel von Amylopektin

Die molare Masse von Amylopektin beträgt etwa 10.000.000 bis 200.000.000 $\frac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}$. Eine Verzweigung durch Ausbildung einer α-1,6-glykosidischen Bindung kommt alle 15 bis 20 Glucosemoleküle vor. Diese Seitenketten können unterschiedlich lang sein. Kurze Seitenketten haben eine Länge von 12 bis 20 Moleküle und sehr lange Ketten bestehen aus bis zu 60 Glucosemoleküle.

Stärke – Eigenschaften

Stärke besitzt unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften. In der Tabelle siehst du einige Eigenschaften:

Wenn Stärke in Wasser erhitzt wird, bindet es eine große Menge an Wasser. Es kommt bei circa 47–57 °C zu einem Aufquellen. Bei etwa 55–87 °C bildet sich Stärkekleister, eine Art Klebstoff. Die Stärkekleister sind unterschiedlich steif. Dabei hängt die Steifigkeit von der Sorte der Stärke ab. So hat Maisstärkekleister eine andere Steifigkeit als Weizenstärkekleister.

Beim Abkühlen des Stärkekleisters kommt es zur Retrogradation. Das bedeutet, die Verkleisterung bildet sich langsam zurück. Die Stärke liegt schließlich als hart gewordenes Gel vor.

Spaltung der Stärke

Mithilfe der Enzyme α- und β-Amylase oder Salzsäure im menschlichen Magen kann Stärke in Dextrine und Disaccharide zerteilt werden. Durch die Spaltung der Stärke entsteht unter anderem Maltose. Stärke wird mittels einer hydrolytischen Spaltung abgebaut.

In Abbildung 3 siehst du beispielhaft die hydrolytische Spaltung von Stärke. Hierbei fungiert die Säure als Katalysator. Ein Katalysator sorgt für eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit. Er geht am Ende unverbraucht aus der Reaktion heraus.

Abbildung 3: Spaltung von Stärke mittels Säure

Im menschlichen Organismus wird die Stärke durch die Enzyme aufgespalten, sodass diese anschließend energetisch verwertet werden kann. Dabei solltest du jedoch beachten, dass die Enzyme im Verdauungstrakt keine resistente Stärke abbauen können.

Stärke ist ein Speichermolekül in Pflanzen. Die Stärkespaltung findet auch in pflanzlichen Zellen statt. Die Pflanzen gewinnen dadurch die Ausgangsstoffe wie Cellulose, um etwa ihre Zellwände aufzubauen.

Häufig findest du stärkeabbauende Enzyme in Mehl. Der Zusatz der Enzyme verbessert die Backfähigkeit von Mehl.

Stärkegewinnung

Die Gewinnung von Stärke wird hier nur kurz beschrieben.

Heutzutage wird in Europa hauptsächlich Mais zur Gewinnung von Stärke genutzt. In anderen Ländern stellen Reis und Maniok weitere pflanzliche Ausgangsstoffe dar. Die verwendete Methode zur Herstellung von Stärke ist dabei abhängig vom Rohstoff.

Zur Gewinnung von Stärke wird zunächst der Rohstoff gesäubert und zerkleinert. Anschließend wird der Ausgangsstoff in seine Bestandteile getrennt, sodass Stärke, Eiweiß und Fasern vorliegen. Nach einer Reinigung wird der Stärke Wasser entzogen und abschließend erfolgt die Trocknung der Stärke.

Stärke – Vorkommen und Verwendung

Stärke spielt in zahlreichen Bereichen eine bedeutende Rolle. In diesem Abschnitt gehst du näher darauf ein, wo Stärke überall vorkommt, und, wo sie Verwendung findet.

Bedeutung in Nahrungsmitteln

Stärke ist in vielen Grundnahrungsmitteln zu finden. Kartoffeln, Weizen, Mais und Maniok, welche alle Stärke beinhalten, sind zentrale Quellen für Kohlenhydrate für den Menschen. Weiterhin werden Nudeln, Brot und Backwaren aus stärkehaltigem Getreide hergestellt.

Viele Süßungsmittel und Zuckerstoffen, wie Maltodextrin oder Glucosesirup, basieren auf Stärke. Zudem wird Stärke häufig als Verdickungsmittel verwendet.

Sowohl in der Nahrungsmittelindustrie, wie bei der Herstellung von Fertiggerichten, als auch in der Küche zu Hause, beispielsweise bei Soßen und Pudding, wird die verdickende Wirkung genutzt. Ursache für die Verdickung und Stabilisierung ist die quellende Wirkung und Verkleisterung.

Industrielle Bedeutung

Neben Holz und Zucker (Saccharose) zählt Stärke zu den nachwachsenden Rohstoffen. Hauptsächlich wird Stärke in der Industrie verwendet, um Papier und Wellpappe herzustellen. Zudem ist Stärke ein fermentierbares Material, um etwa Bioethanol zu produzieren. In Deutschland wird hierfür größtenteils Weizen als Ausgangsstoff genutzt.

Des Weiteren gibt es einen Kunststoff, dessen Material aus thermoplastischer Stärke besteht. Dieser Kunststoff wird zum Beispiel bei Einweg-Geschirr, das kompostierbar ist, genutzt.

Bedeutung in der Medizin

Mithilfe von Maisstärke, die nicht gekocht ist, werden Glycogenspeicherkrankheiten behandelt. Bei solchen Stoffwechselkrankheiten liegt etwa eine Störung beim Freigeben der Glycogenspeicher in der Leber vor. Die langsame Verdauung der Maisstärke kann den Blutzuckerspiegel konstant halten und eine Unterzuckerung vorbeugen.

Ferner ist Stärke ein Füll-, Spreng- und Bindemittel in Tabletten.

Stärke – Nachweis

Stärke kannst du mithilfe der Iodprobe nachweisen. Dafür wird eine Iod-Kaliumiodid-Lösung verwendet. Diese Lösung, auch Lugol'sche Lösung genannt, wird mit einer gelösten Probe vermischt. Alternativ kannst du die Iod-Kaliumiodid-Lösung auf eine feste Substanz tropfen. Bei einem positiven Ergebnis verfärbt sich die Probe blau-violett.

Die Iod-Ionen liegen als Polyiodid-Ketten in der Iod-Kaliumiodid-Lösung vor. Die Polyiodid-Ketten lagern sich in die Helix-Form der Amylose ein. Dort reagieren sie mit den freiliegenden OH-Gruppen und es entsteht ein Polyiodidstärke-Komplex. Durch die Bildung des Komplexes liegen die Elektronen der Polyiodid-Kette delokalisiert vor. Dadurch kann eine Anregung und Absorption von Licht stattfinden, sodass sich eine blau-violette Farbe entwickelt.