„Die gesundheitsfördernden Auswirkungen von Obst und Gemüse“

Übungen im Experimentalvortrag

 „Die gesundheitsfördernden  Auswirkungen von Obst und 

Gemüse“

gehalten von:

Andrea Bontjer

“An apple a day keeps the doctor away!”

Laut Ernährungsstudien...

...senkt regelmäßiger Obst- und Gemüsekonsum das Risiko, an Zivilisationskrankheiten zu erkranken.

...ist der Verzehr von Obst und Gemüse neben dem

Verzicht auf das Rauchen die Maßnahme mit dem

größten Präventionspotential für Krebs.

Nahrungsmittelgruppen an der täglichen Ernährung

Darf es ein bisschen mehr sein?

Wissenschaftler empfehlen:

600 g Obst und Gemüse am Tag durchschnittlicher Verzehr:

250 g

1. Inhaltsstoffe von Obst und Gemüse und deren Wirkung im menschlichen Körper

1.1 Ballaststoffe

1.2 Sekundäre Pflanzenstoffe

2. speziell: Antioxidantien und oxidativer Angriff

3. Schulrelevanz

1. Inhaltsstoffe in Obst und Gemüse

Vitamine: Vitamin C, Folsäure, Vitamine B _1, B _2, B ₆

Mineralstoffe: Kalium, Magnesium, Eisen, Spurenelemente

In der aktuellen Diskussion:

Ballaststoffe

Sekundäre Pflanzenstoffe

Definition:

Pflanzliche Stoffe, die resistent sind gegen Verdauungsenzyme aus dem Magen-Darm-Trakt des Menschen.

Beispiele:

Cellulose

Pektin

Lignin

Cellulose

• Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden, kommt in allen Pflanzen vor, häufigstes Polysaccharid

• unverzweigte Ketten von mehreren tausend (β-1,4)-verknüpften Glucose- Molekülen

Aufbau der Cellulose

O

OH O

O O

OH

O O HOH

C

OH HOH

C

HOH

C

OH

OH

OH

Versuch 1

Nachweis von Cellulose in Gemüse

Ergebnis: Blaufärbung der Cellulose durch Zinkchloridiod-Lösung 

Quellung der Fasern durch

Zinkchlorid, Einlagerung von Iod-

Molekülen zwischen den Fasern Iodmoleküle

Pektin

• hohe Quellfähigkeit

• vor allem enthalten in Früchten (Äpfel, Zitrusfrüchte), aber auch in Gemüse (Möhren, Kürbisse)

• kettenförmig (1,4)-verknüpfte D-Galacturonsäureeinheiten

Aufbau des Pektins

O R O

O OH R HO

O

O R

O OH HO

O

R

OH OH

R = COOH; COOCH ₃

OH

Lignine

• Verholzung von Pflanzenteilen (von lat. lignum: Holz)  Möhren, Kohlrabi, Spargel

• hochmolekulare, aromatische Verbindungen

Phenylpropanol-Bausteine

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OCH

H

CO OCH

O CH

HC

CH

OH

CH CH

CH

OH

O CH

CH

OH CH

O HC

HOH

C CH

OH

Ausschnitt aus einem Ligninmolekül

Gesundheitsförderliche Eigenschaften der  Ballaststoffe

Quellfähigkeit:

• Sättigungsgefühl durch Füllung des Magens bei geringer Energiedichte

• Erhöhung des Stuhlvolumen, Anregung der Darmperistaltik  Verkürzung der Darmpassage

Adsorptionsfähigkeit:

• Adsorption von Gallensäuren  Senkung des Cholesterin-

spiegels

Versuch 2

Adsorption von Mineralstofflösung an Möhrenfasern

Ergebnis:

Das Pektin in den Möhrenfasern adsorbiert Ca ²⁺ -Ionen an den unveresterten Säuregruppen.

Calcium-Ionen-Nachweis:

Ca ²⁺ _(aq) + ^- OOC-COO ^- _(aq) 

Ca(OOC-COO) _(s)

Exkurs: Gallensäuren

• Detergenzien, die Nahrungsfette emulgieren und so resorptions- fähig machen

• Synthese aus Cholesterin in der Leber

HO

OH

OH CH ₃

CH ₃

COOH H

CH ₃

H H

Cholsäure

Adsorption und Ausscheidung

Einfluss der Ballaststoffe

Cholesterin aus Blutbahn

Leber:

Gallensäure- synthese aus Cholesterin

Dünndarm:

Emulgierung der Nahrungsfette Reso rptio n in d ie

Blutb ahn

Gallenblase

Effekt:

Senkung des Cholesterinspiegels bei Aufnahme von 6-10 g Pektin am Tag:

z.B. + +

Wirksamerer Effekt als Verzicht auf das Frühstücksei!

hm igt

• in der Pflanze: Abwehrstoffe gegen Schädlinge und Krankheiten, Lock-, Duft-, Farb- und Geschmacksstoffe

• 400.000 in der Natur, 5.000 bis 10.000 in der Nahrung des Menschen

Beispiele:

Carotinoide Polyphenole

Sulfide

Carotinoide Polyphenole Sulfide

Brokkoli, Weißkohl, Rettich • • •

Karotten, Tomaten, Spinat • •

Knoblauch, Zwiebeln, Lauch • •

Trauben, Beeren, Aprikosen • •

Zitronen, Orangen, Mandarinen • •

Demonstration 1 

Extraktion von Carotinoiden aus Gemüse

Carotinoide

• über 700 verschiedene Carotinoide bekannt

• wirken antioxidativ Struktur:

• Tetraterpene; formal aus acht Isopreneinheiten (C5-Körper) aufgebaut

• ausgedehntes, konjugiertes -System  reaktive Verbindungen, Farbigkeit

Isopreneinheit

Carotinoide

einfachstes Carotinoid:

Lycopin

Cyclisierung der Endgruppen:

-Carotin -Carotin

Carotinoide

sauerstoffhaltige Gruppen: Xanthophylle

OH

OH

OH

OH

Zeaxanthin

Lutein

OH

-Cryptoxanthin

++++: überdurchschnittlicher Gehalt, +++: hoher Gehalt, ++: mittlerer Gehalt, +: geringer Gehalt β-Carotin α-Carotin Lycopin Lutein Zeaxanthin β-Cryptoxanthin

Karotten ^{++++ +++ +}

Spinat ^{++ ++++ ++}

Rote Paprika ^{+ + ++ ++++}

Tomate ^{++ ++++ +}

Mandarine ^{+ + + + ++++}

Aprikose ^{+++ + + + ++}

Carotinoide in Obst und Gemüse

Demonstration 2

UV-Absorption von Carotinoiden

UV-Absorption der Carotinoide 

• in der Pflanze: Schutzfunktion vor überschüssiger UV-Strahlung

• Mensch: Lichtschutzeffekt nachgewiesen  Einlagerung in Hautzellmembran

• Carotinoide absorbieren UV-Licht und fangen reaktive Produkte ab (antioxidative Wirkung)

 Carotinoide als orale Sonnenschutzmittel

 10 Wochen lang täglicher Verzehr von 40 g Tomatenmark  Lichtschutzfaktor 2-3

 moderater, gleichmäßiger Schutz, aber kein Ersatz für

Sonnencreme!

Polyphenole

Aromatische Verbindungen mit einer oder mehrerer Phenolgruppen Phenolsäuren

Flavonoide (gelbe Flavone, rote bis blaue Anthocyane) Polyphenole wirken antioxidativ

Flavonoide schützen Tocopherole und Ascorbinsäure vor Oxidation

Gallussäure

Quercetin Cyanidin

OH

OH

OH

OH

O

OH O O

OR OH

OH OH

OH O

O

OH

OH

OH

Sulfide

Schwefelhaltige Inhaltsstoffe in Liliengewächsen wie Knoblauch, Zwiebeln, Schnittlauch und Lauch

Sulfide wirken antioxidativ

Allicin im Knoblauch ^{S S}

O

2. Antioxidantien

• verhindern Oxidation von im Körper vorhandenen Molekülen

• geben Elektronen ab; können Radikalreaktionen abbrechen

• werden dabei selbst nicht zu reaktiven Stoffen

 Carotinoide, Polyphenole, Sulfide, Vitamin C, (Vitamin E)

Moleküle, die Oxidationen auslösen können

• molekularer Sauerstoff (O ₂ )

• hochreaktive Sauerstoffspezies und –verbindungen

– Singulettsauerstoff ( ¹ O ₂ ) – Wasserstoffperoxid (H 2 O 2 )

– Stickstoff-Monoxid und Stickstoff-Dioxid (NO, NO 2 )

• freie Radikale  Atome oder Moleküle, die über ein ungepaartes Elektron verfügen  besonders reaktiv

– Superoxidradikalanion (·O 2- ) – Hydroxylradikal (·OH)

– Peroxylradikal (ROO·)

Freie Radikale Nahrungsmittel Luftverunreinigungen

Zigarettenrauch

Arzneimittel Atmungskette

Immunabwehr

oxidative Enzyme

UV-Licht, ionisierende Strahlung

endogene Ursachen

exogene Ursachen

Was passiert bei einem Radikal-Angriff?

Beispiel: Peroxidation von Zellmembranen

Modell einer Zellmembran

Phospholipid

Peroxyradikal Fortpflanzungsschritt 1:

R R'

R R'

O O

O ₂

•

• C CH

(CH

)

CO H

C(H

C)

H

CH CH

O

CH

O

O C(CH

)

CH

O

PO(CH

)

N(CH

)

O

O

H

R

R'

OH - H

O

Pentadienyl-Radikal

Startreaktion: ^{R R'}

R R'

R R'

•

•

•

•

Fortpflanzungsschritt 2:

Peroxyradikal

erneut Fortpflanzungsschritt 1:

Lipidhydroperoxid Dienylradikal

+

R R' R R'

O O

O ₂

•

•

R R'

O O

+

R

C H R'

H R R'

O OH

R R' R R'

O O

O ₂

•

•

Antioxidantien können Radikalkette stoppen:

O CH

H

C

CH

O

CH

R

+ Lipid-O

oder Lipid-O-O

+ H

Lipid-OH oder Lipid-O-OH

• O

CH

H

C

CH

HO

CH

R O

CH

H

C

CH

-

O

CH

R -H

+ Lipid-O oder Lipid-O-O

•

•

-Tocopherol

-Tocopheroxyradikal

Peroxyradikal

Lipidhydroperoxid

O O

O CH

H

C

CH

-

O

CH

R

+

OH

O O

H

H HO

CH

OH

• OH

-

O O

H

H HO

CH

OH

+

O CH

H

C

CH

O

CH

R

•

Ascorbinsäure Semihydroascorbinsäure

Regenerierung des Vitamin E durch Vitamin C:

Versuch 3

Nachweis von Vitamin C in Weißkohl

O OH

OH HO

OH

O O

O

O HO

OH O

+ 2 H ⁺ + 2 e ^-

Ergebnis:

Vitamin C wirkt als Reduktionsmittel

Reduktion: 2 Fe ³⁺ + 6 Cl ^- + 2 H ⁺ + 2 e ^- 2 Fe ²⁺ + 4 Cl ^- + 2 H ⁺ + 2 Cl ^- Oxidation:



 

_

Cholesterin

LDL-Molekül

Ablagerung in den Blutgefäßen

Resveratrol  wirksamer Schutz vor Peroxidation des LDL

Phenoxy-Radikal: mesomeriestabilisiert  weniger reaktiv

OH

OH

OH

O • O O O

•

•

•

Versuch 4

Antioxidative Eigenschaften von Fruchtsäften

Briggs-Rauscher-Reaktion:

Oszillierende Reaktion, bei der sich radikalische und nichtradikalische Phasen abwechseln; Perhydroxylradikal (HOO·)

Ergebnis:

Die Antioxidantien in den Fruchtsäften können die Radikale

abfangen und die Oszillation unterbrechen:

Oxidativer Stress

Oxidativer

Angriff Antioxidative

Verteidigung

Antioxidative Verteidigung Oxidativer

Angriff

Normalzustand

• hoher Obst- und Gemüseverzehr  geringeres Risiko für Krebs und Herz-Kreislauferkrankungen

• vielfältige Wirkungsursachen

• genaue Wirkung nicht immer bekannt

• Kombination der Wirkstoffe am effektivsten

 regelmäßiger Verzehr verschiedener

Obst- und Gemüsearten empfehlenswert

Fächerübergreifender Chemieunterricht in der Oberstufe

Klasse 12: technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen Klasse 13: Nahrungsmittel als Wahlthema “Angewandte Chemie”

Hoher Lebensweltbezug  tägliche Nahrungszufuhr, Medienberichte

 Chance, Alltagserfahrungen der SchülerInnen mit wissenschaftlichen

Erkenntnissen zu verknüpfen