Zu welcher Stoffgruppe gehört Zucker? – Einblicke in die Chemie und Biologie von Zucker
Mit dem Begriff „Zucker“ verbinden viele Menschen vor allem den süß schmeckenden Haushaltszucker, auch Saccharose genannt. Doch was steckt chemisch und biologisch dahinter? In diesem Artikel betrachten wir detailliert, zu welcher Stoffgruppe Zucker gehört, wie Zucker aufgebaut ist, wie er gewonnen, verarbeitet und verstoffwechselt wird und welche verschiedenen Zuckerarten existieren. Außerdem beleuchten wir die Rolle von Zucker im Organismus und in der Nahrung sowie seine geschichtliche und industrielle Bedeutung.
Klassifizierung: Zu welcher Stoffgruppe gehört Zucker?
Chemisch gehört Zucker zur Stoffklasse der Kohlenhydrate, auch als Saccharide bezeichnet. Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoff-Atomen (Wasser- und Sauerstoff kommen meist in den gleichen Proportionen wie im Wasser vor); ihre Klassifizierung hängt von der Zahl der verbundenen einfachen Moleküle ab. Zucker gehören wie Stärke oder Zellulose zu den Kohlenhydraten und stehen im Zentrum des Energiestoffwechsels von Lebewesen. Zucker bestehen teilweise aus nur einem einzigen Zuckermolekül und werden unter dem Begriff Monosaccharide zusammengefasst.
Zuckerarten lassen sich weiter einteilen nach der Anzahl der Bausteine, aus denen sie bestehen:
- Monosaccharide (Einfachzucker): z.B. Glucose (Traubenzucker), Fructose (Fruchtzucker), Ribose
- Disaccharide (Zweifachzucker): z.B. Saccharose (bestehend aus Glucose und Fructose), Maltose (aus zwei Glucosemolekülen), Lactose (aus Glucose und Galactose)
- Oligosaccharide: aus drei bis neun Einfachzuckern, z.B. Raffinose, Stachyose, Verbascose
- Polysaccharide (Vielfachzucker): lange Ketten mit teilweise Tausenden Zuckereinheiten, z.B. Stärke, Glykogen, Cellulose
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Im Gegensatz zu Einfachzuckern sind die langkettigen Polysaccharide wegen ihrer Größe nicht süß. Die Saccharose (Haushaltszucker) ist ein Disaccharid, also ein Zweifachzucker. Je nach Verknüpfungsmuster und Zusammensetzung ergeben sich vielfältige physikalische und chemische Eigenschaften.
Struktur und chemische Eigenschaften von Zucker
Saccharose besteht als Dimer aus je einem Molekül α-D-Glucose (Pyranoseform) und β-D-Fructose (Furanoseform). Saccharose ist ein nicht-reduzierendes Disaccharid. Saccharose ist in Wasser sehr gut löslich. Saccharose zeigt daher bei der stark alkalischen Fehling-Probe eine negative Nachweisreaktion. Bei 20 °C erhält man eine Lösung mit 67 % Massenanteil (Dichte 1,33 kg/l), bei 100 °C dagegen eine 83 gew.-prozentige gesättigte Lösung mit 83 % Massenanteil (Dichte 1,44 kg/l), die beim Abkühlen jedoch keine Kristalle mehr ausscheidet (gehinderte Kristallisation).
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Nicht-reduzierende Disaccharide sind über ihre beiden anomeren C-Atome O-glycosidisch miteinander verknüpft, ihre chemische Bezeichnung endet mit -sid. Dies bedeutet, dass im Saccharose-Molekül die beiden Komponenten so miteinander verbunden vorliegen, dass keine Aldehydgruppe unter Ringöffnung (weder vom Glucose- noch vom Fructose-Molekül) gebildet werden kann. Diese nicht-reduzierenden Atomgruppierungen nennt man Acetale.
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Saccharose ist chiral und daher optisch aktiv: In wässriger Lösung dreht Saccharose polarisiertes Licht im Uhrzeigersinn (spezifischer Drehwinkel = +66,5°). In saurer Lösung oder durch das Enzym Invertase wird das Dimer Saccharose in die Monomere Glucose und Fructose gespalten. Dabei ändert sich der mit einem Polarimeter beobachtbare spezifische Drehwinkel; dieses Phänomen nennt man Mutarotation. Nicht-reduzierende Disaccharide sind vergleichsweise stabil in basischem und neutralem Milieu, sie sind nur durch Säurekatalyse zu öffnen.
Zusammensetzung verschiedener Zuckerarten nach Stoffklassen
| Zuckerart | Stoffgruppe | Struktur/Einheiten | Beispiele |
|---|---|---|---|
| Monosaccharide | Kohlenhydrate | 1 Einheit | Glucose, Fructose, Ribose |
| Disaccharide | Kohlenhydrate | 2 Einheiten | Saccharose, Maltose, Lactose |
| Oligosaccharide | Kohlenhydrate | 3-9 Einheiten | Raffinose, Stachyose, Verbascose |
| Polysaccharide | Kohlenhydrate | 10-10000+ Einheiten | Stärke, Glykogen, Cellulose |
Natürliche Quellen und industrielle Zuckergewinnung
Saccharose ist in fast allen Früchten und in vielen Pflanzensäften enthalten, vor allem im Zuckerrohr und in der Zuckerrübe. Vor allem Zuckerrübe, Zuckerrohr und Zuckerpalme enthalten dieses Disaccharid in wirtschaftlich nutzbaren Mengen. Die Zuckerrübe liebt warmes trockenes Klima und verträgt keinen Frost. Die Ernte beginnt in Deutschland im Oktober. Die Rüben werden in einem Arbeitsgang maschinell geköpft, gerodet und in Behälter gegeben. Dann müssen sie möglichst schnell zu den Zuckerfabriken gebracht werden, um Oxidation und Gärung zu verhindern.
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Das Zuckerrohr (Saccharum officinarum L.) gehört zur Familie der Poaceae (Süßgräser, echte Gräser), zu der auch unsere Getreidearten gehören. Die ursprüngliche Heimat des Zuckerrohrs ist vermutlich Neuguinea. Zuckerrohr ist ein bis zu 7 m hohes mehrjähriges Gras mit einem 2 bis 7 cm dicken Halm. Im Inneren des Halms befindet sich das Zucker speichernde Mark. Die Weiterverarbeitung muss möglichst schnell erfolgen, weil sonst Oxidations- und Gärprozesse den Zuckergehalt schnell vermindern würden. Die Halme werden zerkleinert und zwischen Walzen mehrfach gequetscht und ausgepresst, der Rückstand - die Bagasse - besteht fast nur aus Zellulose.
Andere Pflanzen, aus denen Saccharose gewonnen wird, sind etwa die Zuckerpalme, Zuckerhirse, oder der Zuckerahorn. Durch die Entwicklung der Zuckergewinnung aus Zuckerrüben wurde Saccharose erstmals als Massenprodukt zugänglich.
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Biochemie der Zucker: Bildung und Stoffwechsel
Saccharose wird von vielen Pflanzen mittels Photosynthese gebildet. Die Biosynthese von Saccharose erfolgt im Cytoplasma von Pflanzenzellen aus den Hexose-Intermediaten UDP-Glucose und Fructose-6-phosphat. Die beiden Monosaccharide werden aus Triosephosphaten gebildet, die bei der Kohlenstoffassimilation der Photosynthese (Calvin-Zyklus) im Chloroplasten entstehen.
Saccharose ist der wichtigste Transportzucker in Pflanzen. Die durch die Photosynthese in grünen Pflanzenzellen bei Licht entstehende Saccharose gelangt durch passiven Transport in den Apoplasten und anschließend durch aktiven Transport in das assimilatleitende Phloem der pflanzlichen Leitgewebe. Im Phloem wird sie zu anderen, nicht-photosynthetischen Geweben transportiert, wie z. B. zu Speicherorganen (Wurzel, Knolle, Samen).
In den Zielzellen wird Saccharose durch Enzyme wie Invertasen oder Saccharose-Synthase gespalten, um Glucose und Fructose bereitzustellen. Andere Zuckerarten wie Maltose oder Raffinose entstehen durch Verknüpfung weiterer Zuckereinheiten.
Zucker in der menschlichen Ernährung und im Stoffwechsel
Zucker spielt eine zentrale Rolle in der menschlichen Ernährung. Alle Zuckerarten müssen erst zu Einfachzuckern abgebaut werden, um ins Blut aufgenommen werden zu können. Der menschliche Organismus kann nur Einfachzucker direkt verwerten. Saccharose oder Stärke werden bereits im Mund von unserem Speichel und später im Dünndarm zu Glucose abgebaut. Diese gelangt über die Blutbahn zu unseren Zellen. Zum Beispiel benötigen Gehirnzellen ausschließlich Glucose als Energiequelle. Glucose ist der ideale Energielieferant für die Körperzellen, da sie schnell aufgenommen werden kann und über die Stoffwechselwege der Glykolyse, des Zitratzyklus und der Atmungskette sehr effektiv in Energie umgesetzt wird.
Ein Teil der Glucose wird in Leber und Muskeln als Glykogen gespeichert. Überschüssige Glucose wird in Fett umgewandelt und in dieser Form gespeichert. Der Nährwert eines Gramms Zucker beträgt 16,8 kJ = 4,0 kcal. Übermäßiger Zuckerkonsum kann zu Übergewicht und einer erhöhten Krankheitsanfälligkeit wie Diabetes mellitus oder Zahnkaries führen. Viele Zuckerarten können von Bakterien im Mund zu zahnschädigenden Säuren umgewandelt werden.
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Die Weltgesundheitsorganisation empfiehlt, nicht mehr als zehn Prozent Zucker der täglichen Energieaufnahme zu sich zu nehmen. Viele Menschen in Industrienationen nehmen meist weit mehr Zucker zu sich.
Kurzüberblick: Zucker, Kohlenhydrate und ihre Bedeutung
- Zucker sind wasserlösliche, süß schmeckende Kohlenhydrate.
- Sie liegen als Mono-, Di-, Oligo- und Polysaccharide vor, je nach Anzahl der Zuckereinheiten.
- Haushaltszucker (Saccharose) ist ein Disaccharid aus Glucose und Fructose.
- Saccharose kommt natürlich in Zuckerrübe und Zuckerrohr sowie in vielen Früchten und Pflanzensäften vor.
- Alle Zucker werden in unserem Körper letztendlich zu Glucose abgebaut und als Energiequelle genutzt.
- Polysaccharide wie Stärke und Glykogen dienen in Pflanze und Tier als Energiespeicherstoffe.
- Zucker findet Verwendung nicht nur als Nahrungsmittel und Süßungsmittel, sondern auch als Ausgangsstoff für Bioplastik und Biotreibstoffe.
Zusammenfassende Tabelle: Wichtigste Zuckerarten
| Name | Stoffgruppe | Vorkommen | Eigenschaft |
|---|---|---|---|
| Glucose | Monosaccharid | Obst, Honig, Blut | süß, wasserlöslich, Energiequelle |
| Fructose | Monosaccharid | Früchte, Honig | sehr süß, wasserlöslich |
| Saccharose | Disaccharid | Zuckerrübe, Zuckerrohr, viele Früchte | zweifach, süß, sehr gut löslich |
| Stärke | Polysaccharid | Kartoffeln, Getreide | lange Kette, nicht süß, Energiespeicher |
| Cellulose | Polysaccharid | Pflanzenzellwände | nicht süß, Ballaststoff |
Geschichte und Bedeutung des Zuckers
Zucker war in der Antike unbekannt, in Europa diente Honig zum Süßen von Speisen und Getränken und in den Anbaugebieten des Zuckerrohrs (vor allem Indien) dessen ausgepresster Saft. Die Kristallisation von reinem Zucker aus dem ausgepressten Saft des Zuckerrohrs wurde wahrscheinlich im 4. Jahrhundert n. Chr. in Indien entdeckt. Im Mittelalter und mit Beginn der Kolonialzeit wurde Zucker weltweit zu einem wichtigen Wirtschaftsgut.
Die industrielle Gewinnung aus Zuckerrüben wurde ab 1801 kommerziell nutzbar, womit Zucker zum Massenartikel wurde. Heute finden sich verschiedenste Haushaltzucker-Sorten: Rohrzucker, Rübenzucker, Raffinadezucker, brauner Zucker, Rohzucker.
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Zucker gehört heute zu den Grundnahrungsmitteln: In den Industrieländern werden 10 bis 15 % des Nährstoffbedarfs durch Zucker gedeckt. Er dient dabei nicht nur zum Süßen von Kaffee und Tee, sondern ist auch in Bonbons, Gebäck, Glasuren, Konfitüren, Kuchen, Limonaden, Salatsoßen, Sirup, Schokolade und in vielen anderen Dingen enthalten.
Fazit
Zusammengefasst gehört Zucker (Saccharose und andere) zur Stoffklasse der Kohlenhydrate, im engeren Sinne zu den Oligo- und besonders Disacchariden. Dies ist die chemische Grundlage für seine biologische Bedeutung als schnell verfügbarer Energieträger, aber auch die Ursache für seine Auswirkungen auf Gesundheit und Stoffwechsel. Zucker ist also weit mehr als ein süßer Genuss - er ist ein zentrales Biomolekül, das Pflanzen, Organismen und letztlich den Menschen verbindet.
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