Nicht reduzierende Zucker: Beispiele, Eigenschaften, Nachweise und Gegenbeispiele
Als reduzierende Zucker bezeichnet man in der Biochemie Mono-, Di- oder Oligosaccharide, deren Moleküle in Lösung eine freie Aldehydgruppe besitzen. Bekannte reduzierende Zucker sind Glucose, Fructose, Galactose, Maltose und Lactose. Der im Haushalt verwendete Rohr- oder Rübenzucker, die Saccharose, ist dagegen kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung durch die 1,2-Verbindung beider anomeren C-Atome keine freie Aldehydfunktion besitzen.
Bei den Disacchariden tritt dieser Fall ein, wenn die Verknüpfung der zwei Monosaccharide über das anomere C-Atom (C-1) des ersten Bausteins mit einer nicht anomeren alkoholischen Gruppe, etwa am C-4-Atom des zweiten Monosaccharid-Bausteins geschieht. Es bildet sich am nicht reduzierenden Ende ein Acetal, während das anomere Zentrum des zweiten Bausteins frei bleibt und damit als reduzierendes Ende dient. Der im Haushalt verwendete Rohr- oder Rübenzucker, die Saccharose, ist im Gegensatz zum reduzierenden Disaccharid Maltose kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung durch die 1,2-Verbindung beider anomeren C-Atome keine offenkettige Form bilden und daher auch nicht das reduzierende Endiolat-Ion ausbilden.
 vs. Maltose (freies anomeres Zentrum))
Definition und strukturelle Basis der Reduktionsfähigkeit
Als reduzierende Zucker bezeichnet man in der Biochemie Mono-, Di- oder Oligosaccharide, deren letzter (im Fall von Monosacchariden einziger) Glycosid-Rest, in Haworth-Schreibweise (Ringform) ein Halbacetal ist. Bekannte Vertreter sind die Aldosen, also Zucker mit einer Aldehydgruppe; ein Beispiel ist Glucose. Auch Ketosen können reduzierend wirken, wenn sie in α-Stellung eine Hydroxygruppe aufweisen, also ein α-Hydroxyketon (Acyloin) sind, wie etwa Fructose. Fast alle Monosaccharid-Aldosen liegen in Lösung vorwiegend als zyklische Halbacetalform vor, die keine freie Aldehydgruppe aufweist. Da die Ringbildung eine Gleichgewichtsreaktion ist, kommt auch ein geringer Prozentsatz der offenkettigen Aldehyd-Form vor, die oxidiert werden kann. Die offenkettige Form wird durch die Oxidation verbraucht und ständig aus der zyklischen Form nachgeliefert.
Alle Di- oder Oligosaccharide, welche reduzierend wirken, besitzen eine Aldose oder α-Hydroxyketose als letzten Glycosidrest. Bei den Disacchariden ist dies der Fall, wenn die Verknüpfung der zwei Monosaccharide über das anomere C-Atom (C1) des ersten Bausteins mit einer nicht anomeren alkoholischen Gruppe, etwa am C4-Atom des zweiten Monosaccharid-Bausteins geschieht. Es bildet sich am nicht reduzierenden Ende ein Acetal, während das anomere Zentrum des zweiten Bausteins als Halbacetal „frei bleibt“ und damit als reduzierendes Ende dient. Das Halbacetal als letzter Glycosidrest ist nötig, da nur so ein Teil des Zuckers offenkettig vorliegen kann.
Nicht reduzierende Zucker: Eigenschaften und Beispiele
Der im Haushalt verwendete Rohr- oder Rübenzucker, die Saccharose, ist dagegen kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung durch die 1,2-Verbindung beider anomeren C-Atome keine freie Aldehydfunktion besitzen. Der im Haushalt verwendete Rohr- oder Rübenzucker, die Saccharose, ist im Gegensatz zum reduzierenden Disaccharid Maltose kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung durch die 1,2-Verbindung beider anomeren C-Atome keine offenkettige Form bilden und daher auch nicht das reduzierende Endiolat-Ion ausbilden.
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- Der im Haushalt verwendete Rohr- oder Rübenzucker, die Saccharose, ist dagegen kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung keine freie Aldehydfunktion besitzen.
- Bei den Disacchariden tritt dieser Fall ein, wenn die Verknüpfung der zwei Monosaccharide über das anomere C-Atom (C-1) des ersten Bausteins mit einer nicht anomeren alkoholischen Gruppe, etwa am C-4-Atom des zweiten Monosaccharid-Bausteins geschieht.
- Es bildet sich am nicht reduzierenden Ende ein Acetal, während das anomere Zentrum des zweiten Bausteins frei bleibt und damit als reduzierendes Ende dient.
Als reduzierende Zucker bezeichnet man in der Biochemie Mono- oder Disaccharide, deren Moleküle in Lösung eine freie Aldehydgruppe besitzen. Eine solche Aldehydgruppe kann bei der Fehling- oder Tollensprobe zur Carboxylgruppe oxidiert werden, so dass reduzierende Zucker bei diesen Proben einen positiven Nachweis verursachen.
Reduktionsnachweise: Fehling- und Tollens-Probe im Kontext
Die Fehling-Probe ist ein chemischer Test zum Nachweis reduzierender Zucker. Sie verwendet Fehling-Lösung, bestehend aus Fehling I (Kupfersulfatlösung) und Fehling II (alkalische Kalium-Natrium-Tartrat-Lösung). Bei der Durchführung werden beide Lösungen gemischt und erhitzt. Zu der warmen Mischung wird die zu testende Probe hinzugefügt. Reduzierende Zucker reduzieren Cu2+-Ionen zu Cu+, wodurch ein rotbrauner Kupfer(I)-oxid-Niederschlag entsteht. (4)Beobachte die Farbänderung.
(1) Fehling-Probe: Hierbei werden Fehling-I und Fehling-II-Lösung gemischt und mit der Probe erhitzt. Ein Farbumschlag von Blau nach Rot weist auf ein reduzierendes Disaccharid hin. Die quantitative Bestimmung reduzierender Zucker gelingt mittels der Methode nach Luff-Schoorl.
Die Tollens-Probe ist ein chemischer Test zum Nachweis von Aldehyden. Sie verwendet Tollens-Reagenz, eine ammoniakalische Silbernitratlösung. Bei der Durchführung wird das Reagenz zu der zu testenden Probe hinzugefügt. Wenn Aldehyde vorhanden sind, werden die Ag+(aq) zu metallischem Silber Ag(s) reduziert, das sich als Spiegel an der Reagenzglaswand ablagert.
(2) Tollens-Probe: Silbernitrat (AgNO3) wird mit Ammoniaklösung (NH3) versetzt, um den Tollens-Reagenz herzustellen. Dabei werden beim Erhitzen Silber(I)-Ionem zu elementarem Silber reduziert, das als spiegelnde Schicht sichtbar wird.
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Chemischer Hintergrund: Offenkettige Formen, Endiolat-Ion und Umlagerungen
Damit reagieren diese Monosaccharide wie Glucose, Mannose oder Galactose positiv auf die Fehling-Probe und es entsteht eine Carbonsäure (etwa Gluconsäure aus Glucose). Dasselbe gilt entsprechend für α-Hydroxyketone wie Fructose: lediglich die offenkettige Form ist oxidierbar und wird ständig aus der cyclischen Form nachgeliefert. Reduzierende Wirkung von D-Glucose (2) und D-Fructose (1) über das gemeinsame Endiolat-Ion (3) in alkalischem Milieu. Tatsächlich ist das bei der Umlagerung von Aldose zu α-Hydroxyketose (und umgekehrt) entstehende Endiol für die reduzierende Wirkung verantwortlich. Dieses Endiol liegt im alkalischen Milieu, welches Voraussetzung für die Reduktion ist, als Endiolat-Ion vor. Die offenkettige Form spielt im Rahmen der reduzierenden Wirkung insofern eine Rolle, da nur an ihr eine Ketol-Endiol-Tautomerie stattfinden kann. Als Produkt entsteht primär 2-Ketoglucose (D-Glucoson), welches jedoch weiter oxidiert werden kann und bspw. in einer Fehlingprobe auch weiter oxidiert wird.
Fast alle Monosaccharid-Aldosen liegen in Lösung vorwiegend als zyklische Halbacetalform vor, die keine freie Aldehydgruppe aufweist. Da die Ringbildung eine Gleichgewichtsreaktion ist, kommt auch ein geringer Prozentsatz der offenkettigen Form vor, die oxidiert werden kann. Die offenkettige Form wird durch die Oxidation verbraucht und ständig aus der zyklischen Form nachgeliefert.
Beispiele: Reduzierende vs. nicht reduzierende Zucker
- Bekannte reduzierende Zucker sind Glucose und Galactose.
- Bekannte reduzierende Zucker sind Glucose, Fructose, Galactose, Maltose und Lactose.
- Der im Haushalt verwendete Rohr- oder Rübenzucker, die Saccharose, ist dagegen kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung keine freie Aldehydfunktion besitzen.
- Der im Haushalt verwendete Rohr- oder Rübenzucker, die Saccharose, ist im Gegensatz zum reduzierenden Disaccharid Maltose kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung durch die 1,2-Verbindung beider anomeren C-Atome keine offenkettige Form bilden und daher auch nicht das reduzierende Endiolat-Ion ausbilden.
| Zuckertyp | Beispiel | Reduzierend? | Strukturelle Begründung |
|---|---|---|---|
| Monosaccharid (Aldose) | Glucose | Ja | Halbacetal ⇌ offenkettige Aldehydform |
| Monosaccharid (α-Hydroxyketose) | Fructose | Ja | Ketol-Enediol-Tautomerie zum Endiol/Endiolat |
| Disaccharid | Maltose | Ja | Freies anomeres Zentrum am zweiten Baustein |
| Disaccharid | Saccharose | Nein | 1,2-Verknüpfung beider anomerer C-Atome, kein Halbacetal |
Aufgabe: Struktur eines nicht reduzierenden Disaccharids
Aufgabe: Zeichne ein beliebiges Disaccharid, dass die Kriterien eines nichtreduzierenden Zuckers erfüllt. Der im Haushalt verwendete Rohr- oder Rübenzucker, die Saccharose, ist dagegen kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung durch die 1,2-Verbindung beider anomeren C-Atome keine freie Aldehydfunktion besitzen.
Praktische Hinweise zur analytischen Unterscheidung
(1) Fehling-Probe: Hierbei werden Fehling-I und Fehling-II-Lösung gemischt und mit der Probe erhitzt. Ein Farbumschlag von Blau nach Rot weist auf ein reduzierendes Disaccharid hin. (2) Tollens-Probe: Silbernitrat (AgNO3) wird mit Ammoniaklösung (NH3) versetzt, um den Tollens-Reagenz herzustellen. Dabei werden beim Erhitzen Silber(I)-Ionem zu elementarem Silber reduziert, das als spiegelnde Schicht sichtbar wird. Als reduzierende Zucker bezeichnet man in der Biochemie Mono- oder Disaccharide, deren Moleküle in Lösung eine freie Aldehydgruppe besitzen. Eine solche Aldehydgruppe kann bei der Fehling- oder Tollensprobe zur Carboxylgruppe oxidiert werden, so dass reduzierende Zucker bei diesen Proben einen positiven Nachweis verursachen.
Die quantitative Bestimmung reduzierender Zucker gelingt mittels der Methode nach Luff-Schoorl. Die Tollens-Probe ist ein chemischer Test zum Nachweis von Aldehyden. Sie verwendet Tollens-Reagenz, eine ammoniakalische Silbernitratlösung.
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Kontext und Missverständnisse rund um Zucker
Es gibt unzählige Lebensmittel, die mit dem Begriff „zuckerfrei“ oder „ohne Zusatz von Süßungsmitteln“ beworben werden. Mittlerweile gibt es unzählige Lebensmittel, die zum Beispiel mit dem Begriff „zuckerfrei“ oder „ohne Zusatz von Süßungsmitteln“ beworben werden. Doch dies bedeutet meistens nur, dass sie frei von weißem raffinierten Haushaltszucker oder Süßstoffen sind. Andere, nicht genannte Möglichkeiten, das Produkt zu süßen, müssen auf der Zutatenliste überprüft werden. Die Hersteller machen sich diese Tatsache im Rahmen der gesetzlichen Vorgaben zum Nutzen. Der Kunde muss dann genauer hinsehen.
Nicht nur Hersteller von Lebensmitteln werben mit dem Begriff „zuckerfrei“. Es gibt unzählige Blogeinträge, Zeitschriftenartikel, Kochbücher und Challenges auf Social Media, die sich um das Ziel einer möglichst zuckerfreien Ernährung drehen. Wer sich diese Tipps zur Umsetzung einer zuckerfreien Ernährung genauer ansieht, wird schnell enttäuscht sein. Denn meistens geht es nur darum, dass der weiße, raffinierte Zucker aus der Ernährung gestrichen wird und durch einen anderen, angeblich gesünderen Zucker, ersetzt wird.
In den Medien wird Rohrohrzucker (z.B. Muskovadozucker) oder Vollrohrzucker häufig als gesünder dargestellt. Aber nur, weil dieser vielleicht in der Bio-Abteilung verkauft wird und etwas mehr Mineralstoffe und Vitamine als weißer Zucker enthält, ist er nicht automatisch gesünder. Beispielsweise bleiben der Energiegehalt und auch das Risiko, Karies zu entwickeln, gleich.
Zusammenhänge zwischen Struktur, Reaktivität und Nachweisreaktionen
Als reduzierende Zucker bezeichnet man in der Biochemie Mono-, Di- oder Oligosaccharide, deren Moleküle in Lösung eine freie Aldehydgruppe besitzen. Die offenkettige Form wird durch die Oxidation verbraucht und ständig aus der zyklischen Form nachgeliefert. Dasselbe gilt entsprechend für α-Hydroxyketone wie Fructose: lediglich die offenkettige Form ist oxidierbar und wird ständig aus der cyclischen Form nachgeliefert.
Tatsächlich ist das bei der Umlagerung von Aldose zu α-Hydroxyketose (und umgekehrt) entstehende Endiol für die reduzierende Wirkung verantwortlich. Dieses Endiol liegt im alkalischen Milieu, welches Voraussetzung für die Reduktion ist, als Endiolat-Ion vor. Reduzierende Wirkung von D-Glucose (2) und D-Fructose (1) über das gemeinsame Endiolat-Ion (3) in alkalischem Milieu.
Der im Haushalt verwendete Rohr- oder Rübenzucker, die Saccharose, ist dagegen kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung keine freie Aldehydfunktion besitzen. Der im Haushalt verwendete Rohr- oder Rübenzucker, die Saccharose, ist im Gegensatz zum reduzierenden Disaccharid Maltose kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung durch die 1,2-Verbindung beider anomeren C-Atome keine offenkettige Form bilden und daher auch nicht das reduzierende Endiolat-Ion ausbilden.
Hinweis zur Fachliteratur
Holger Fleischer: Fehlinterpretation der Fehling-Probe auf reduzierende Zucker - Von der Beobachtung im Chemieunterricht zur Evidenz gegen die Oxidation der Aldehydgruppe. In: CHEMKON.
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