Wie Invertzucker und Oligosaccharide die Lebensmittelproduktion beeinflussen

Die Herstellung von Sirupen, die dem Invertsirup ähneln, bekannt als „Isosirups“, erfolgt durch den Einsatz des Enzyms Glukose-Isomerase, das Glukose in ein Gleichgewichtsgemisch aus etwa gleichen Teilen Glukose und Fruktose umwandelt. Diese Umwandlung ist von grundlegender Bedeutung auch bei der Herstellung von Marmelade und anderen Konserven. Während der Herstellung von Marmelade werden Obst und eine große Menge Zucker über längere Zeiträume gekocht. Während dieses Prozesses wird das Obst weicher, und sein Pektin sowie jegliches hinzugefügtes Pektin lösen sich auf. Gleichzeitig wird ein beträchtlicher Anteil des ursprünglichen Wassergehalts des Obstes entfernt. Die milde Säure führt zur Hydrolyse von bis zu 50 % des zugesetzten Haushaltszuckers (Saccharose) in Glukose und Fruktose.

Diese Umwandlung hat eine Reihe von vorteilhaften Effekten. Zunächst wird die Gesamtzahl der Zucker-Moleküle um bis zu 50 % erhöht. Dies führt zu einer moderaten Erhöhung der Süße, aber vor allem erhöht es den Anteil des Wassers, das an die Zuckermoleküle gebunden ist und somit nicht mehr das Wachstum von Mikroorganismen unterstützt. Invertzucker ist weitaus besser in Wasser löslich als der ursprüngliche Haushaltszucker, und seine Anwesenheit hemmt die Kristallisation von Saccharose. Dies macht es einfacher, die sehr hohen Feststoffgehalte und entsprechend niedrigen Wasseraktivitätswerte zu erreichen, die für eine langfristige Stabilität erforderlich sind.

Ein weiterer Aspekt, der oft in der Industrie berücksichtigt wird, ist der Einfluss der hohen Temperaturen, die beim Kochen erreicht werden. Bei Temperaturen von bis zu 105 °C kann sich die Farbe und der Geschmack des Obstes drastisch verändern. Um diesen Effekt zu mildern, reduzieren kommerzielle Marmeladenhersteller häufig den Druck beim Kochen und verdampfen so das Wasser bei niedrigeren Temperaturen. Eine weitere häufige Praxis besteht darin, einen Teil des Haushaltszuckers durch Glukosesirupe zu ersetzen, die aus Stärke hergestellt werden. Diese enthalten signifikante Anteile von Glukose-Oligosacchariden wie Maltose und Isomaltose. Diese Oligosaccharide hemmen die Kristallisation von Glukose und ermöglichen es, hohe Gesamtzuckergehalte zu erreichen, ohne dass eine übermäßige Erhitzung erforderlich ist.

Ein spezielles Augenmerk verdienen die Raffinose-Derivate von Saccharose, die vor allem in den Samen von Leguminosen wie Erbsen und Bohnen vorkommen. Diese Oligosaccharide stellen bei der Nutzung von Sojabohnen besondere Probleme dar. Sojamilch kann bis zu 4 mg Raffinose und 6 mg Stachyose pro 100 ml enthalten. Diese Oligosaccharide sind gegen die Verdauungsenzyme des menschlichen Dünndarms resistent und gelangen unverändert in den Dickdarm, wo sie von anaeroben Bakterien metabolisiert werden. Diese Bakterien produzieren große Mengen an Wasserstoff und Kohlendioxid, was zu Blähungen führen kann, die oft mit dem Verzehr großer Mengen Bohnen in Verbindung gebracht werden. Einige Gastroenterologen vermuten, dass diese bakterielle Aktivität in einem Teil der Betroffenen auch eine Ursache für das Reizdarmsyndrom darstellen könnte.

Ein ähnliches Schicksal ereilt die Laktose in der Milch von Menschen, die das Enzym Laktase nicht produzieren können. In solchen Fällen bleibt die Laktose unverdaut und gelangt in den Dickdarm, wo sie ebenfalls von Bakterien verarbeitet wird. Diese Unfähigkeit zur Verdauung von Laktose ist weit verbreitet, vor allem in bestimmten ethnischen Gruppen, bei denen ein Großteil der Erwachsenen laktoseintolerant ist. Laktase-Präparate, die häufig aus Pilzen gewonnen werden, werden mittlerweile oft eingesetzt, um Milchprodukte für laktoseintolerante Verbraucher zugänglich zu machen.

Neben den typischen Oligosacchariden, die in Lebensmitteln wie Marmelade und Süßwaren verwendet werden, gibt es eine Vielzahl weiterer Zuckermoleküle, die wichtige Funktionen in der Lebensmittelindustrie übernehmen. Ein gutes Beispiel ist der Einsatz von Invertase, einem Enzym, das bei der Herstellung von Schokoladenpralinen mit weichen Füllungen eine wesentliche Rolle spielt. Invertase spaltet Saccharose in Glukose und Fruktose, wodurch die Zuckermischung eine cremigere Textur erhält und die Kristallisation von Zucker verhindert wird. Diese Technologie ermöglicht es, weiche Füllungen zu stabilisieren und die gewünschte Konsistenz zu erreichen.

Wichtig ist, dass das Verständnis der Umwandlung von Zucker in andere Formen – sei es durch Enzyme wie Invertase oder durch den natürlichen Prozess der Inversion in Marmelade – nicht nur zur Verbesserung der Konsistenz und Stabilität von Lebensmitteln beiträgt, sondern auch tiefere Einsichten in die Wechselwirkungen von Zucker mit anderen Inhaltsstoffen eröffnet. Diese Wechselwirkungen sind entscheidend, um die gewünschte Haltbarkeit, Textur und Geschmack zu erzielen, was sowohl für den Haushaltsgebrauch als auch für industrielle Anwendungen von Bedeutung ist.

Wie das Verständnis von Vitaminen die Ernährungswissenschaft prägte: Eine historische Perspektive

Die Entdeckung und das Verständnis von Vitaminen gehören zu den bedeutendsten wissenschaftlichen Fortschritten im Bereich der Ernährungswissenschaft. Vitamine sind essentielle, organische Substanzen, die in geringen Mengen für den Körper notwendig sind, um eine Vielzahl von biologischen Funktionen aufrechtzuerhalten. Der Mensch, wie auch die meisten Tiere, ist in seiner Ernährung auf externe Quellen angewiesen – Pflanzen stellen dabei die fundamentalen Nahrungsquellen dar. Der Begriff „Vitamin“ und die dazugehörigen wissenschaftlichen Konzepte sind jedoch das Ergebnis eines langen historischen Prozesses, der die Wissenschaftler über Jahrhunderte hinweg beschäftigte.

Bereits in der Antike gab es Berichte über Krankheiten, die durch Nahrungsmittelmangel verursacht wurden. Eine der bekanntesten dieser Erkrankungen ist Skorbut, der Mangel an Ascorbinsäure (Vitamin C), der vor allem unter Seeleuten verbreitet war, die sich ausschließlich von eingelegtem und getrocknetem Fleisch ernährten. Schon im Jahr 1150 v. Chr. beschrieb das Ebers-Papyrus in Ägypten Symptome, die heute als Skorbut bekannt sind, und Hippokrates hatte bereits den Zusammenhang zwischen der Ernährung und verschiedenen Krankheiten erkannt. Ähnlich war es mit der Krankheit Beriberi, die durch Thiaminmangel verursacht wird und in chinesischen Kräuterbüchern aus dem Jahr 2600 v. Chr. dokumentiert wurde. Diese frühen Beschreibungen legten den Grundstein für die spätere wissenschaftliche Erforschung der Vitamine, auch wenn die Verbindung zwischen Krankheit und Nahrungsmittelmangel noch lange nicht anerkannt wurde.

Es dauerte bis ins 20. Jahrhundert, bis die Idee, dass bestimmte Erkrankungen durch den Mangel an bestimmten Substanzen im Nahrungsmittel verursacht werden, allgemein akzeptiert wurde. Beriberi wurde anfangs als bakterielle Infektion angesehen, bis der holländische Arzt Christian Eijkman Ende des 19. Jahrhunderts bemerkte, dass der Verzehr von poliertem Reis bei Hühnern eine Krankheit hervorrief, die Beriberi ähnelt. Dies führte zu seiner Entdeckung, dass der Mangel an Nährstoffen in der äußeren Schale des Reises für die Krankheit verantwortlich war. Die Ernährung der Hühner mit unpoliertem Reis verhinderte die Symptome, und somit war der Zusammenhang zwischen Mangelernährung und Krankheit eindeutig erkennbar. 1894 hatte der japanische Mediziner Takaki ähnliche Erkenntnisse in Bezug auf die Ernährung von Seeleuten, die an Beriberi erkrankten, gewonnen.

Die Entdeckung des Vitamins Thiamin war ein Meilenstein in der Vitaminforschung. Im Jahr 1912 prägte der Wissenschaftler Casimir Funk den Begriff „Vitamin“, um eine Substanz zu beschreiben, die für das Leben unerlässlich war, aber nicht im Körper selbst synthetisiert werden konnte. Der Name „Vitamin“ leitet sich vom Begriff „vital“ (lebenswichtig) und „amine“ (wegen der aminhaltigen Struktur einiger dieser Substanzen) ab, obwohl später festgestellt wurde, dass nicht alle Vitamine aminhaltig sind. Dies führte zu der Umbenennung des Begriffs, indem das „e“ am Ende des Wortes entfernt wurde.

In den frühen Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts gelang es, immer mehr „Wachstumsfaktoren“ aus Lebensmitteln zu isolieren, die für die Gesundheit von Tieren und Menschen von entscheidender Bedeutung waren. Zu diesen ersten isolierten Vitaminen gehörten die fettlöslichen Vitamine A und D, die den Mangel an Nachtblindheit und Rachitis verhinderten, sowie das wasserlösliche Vitamin C, das vor Skorbut schützt. Es folgten weitere Entdeckungen und die Identifikation von Vitaminen, die aus den unterschiedlichsten Lebensmitteln extrahiert wurden.

Im Jahr 1920 entdeckte der Chemiker Albert Szent-Györgyi das Vitamin C und konnte die chemische Struktur aufklären. Bis 1930 hatten die meisten Vitamine ihre chemische Struktur erhalten, doch die Identifikation von Vitamin B12 gelang erst 1955, als Dorothy Hodgkin den komplexen Aufbau dieses Vitamins entschlüsselte. Mit der zunehmenden Entschlüsselung der chemischen Strukturen der Vitamine und der Entwicklung präziser Analysemethoden konnte die Wissenschaft die Mengen dieser wichtigen Substanzen in Lebensmitteln bestimmen.

Im Verlauf der Forschung gab es jedoch auch Fehldeutungen und Missverständnisse. Viele der zunächst entdeckten „Vitamine“ wurden später als falsch oder redundant erkannt. Einige davon, wie Vitamin D1, verschwanden aus der wissenschaftlichen Literatur, während andere als Gruppen von Substanzen betrachtet wurden, die unter einem Sammelbegriff wie „Vitamin E“ zusammengefasst wurden. Diese Entwicklungen führten zu einer präziseren und differenzierteren Klassifikation der Vitamine, die auch heute noch in der Ernährung und Medizin Anwendung findet.

Die Entwicklung von Methoden zur Bestimmung der Vitaminspiegel in Lebensmitteln und deren biologischen Effektivität war eine der größten Herausforderungen der chemischen Forschung. Zunächst wurden biologische Tests durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen dem Fehlen eines bestimmten Vitamins und der Entstehung von Krankheiten zu bestätigen. Diese Tests wurden später durch moderne analytische Verfahren ergänzt, die es ermöglichten, genaue Messungen der Vitaminmengen in Lebensmitteln vorzunehmen.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Forschungsgeschichte der Vitamine nicht nur eine Reihe von wissenschaftlichen Entdeckungen darstellt, sondern auch ein Fenster in den fortwährenden Prozess des Lernens und der Entdeckung ist. Die Probleme, die bei der Isolierung und Identifizierung von Vitaminen auftraten, erforderten oft jahrelange Arbeit und enorme Mengen an Rohmaterialien, was den enormen Aufwand verdeutlicht, den diese Entdeckungen begleiteten.

In der heutigen Zeit, in der der Begriff „Vitamin“ weit verbreitet ist und oft in der Werbung oder bei Nahrungsergänzungsmitteln auftaucht, ist es von entscheidender Bedeutung, die genaue Bedeutung und die wissenschaftlichen Grundlagen hinter diesen Begriffen zu verstehen. In vielen Fällen wird das Wissen über Vitamine falsch verwendet oder verzerrt, was die Bedeutung einer präzisen Terminologie und eines fundierten Verständnisses unterstreicht.