Philipps-Universität Marburg Fachbereich Chemie Übungen im Experimentalvortrag

1. Philipps-Universität Marburg Fachbereich Chemie Übungen im Experimentalvortrag  „Die gesundheitsfördernden Auswirkungen von Obst und Gemüse“ gehalten von: Andrea Bontjer

2. “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.

3. Empfohlene Anteile verschiedener Nahrungsmittelgruppen an der täglichen Ernährung

4. Darf es ein bisschen mehr sein? Wissenschaftler empfehlen: 600 g Obst und Gemüse am Tag durchschnittlicher Verzehr: 250 g

5. Inhalt des Vortrages • Inhaltsstoffe von Obst und Gemüse und deren Wirkung im menschlichen Körper 1.1 Ballaststoffe 1.2 Sekundäre Pflanzenstoffe • speziell: Antioxidantien und oxidativer Angriff • Schulrelevanz

6. 1. Inhaltsstoffe in Obst und Gemüse Vitamine: Vitamin C, Folsäure, Vitamine B1, B 2, B6 Mineralstoffe: Kalium, Magnesium, Eisen, Spurenelemente In der aktuellen Diskussion: Ballaststoffe Sekundäre Pflanzenstoffe

7. 1.1 Ballaststoffe Definition: Pflanzliche Stoffe, die resistent sind gegen Verdauungsenzyme aus dem Magen-Darm-Trakt des Menschen. Beispiele: Cellulose Pektin Lignin

8. 1.1 Ballaststoffe 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

9. Iodmoleküle 1.1 Ballaststoffe 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

10. 1.1 Ballaststoffe 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

11. Ausschnitt aus einem Ligninmolekül 1.1 Ballaststoffe Lignine • Verholzung von Pflanzenteilen (von lat. lignum: Holz)  Möhren, Kohlrabi, Spargel • hochmolekulare, aromatische Verbindungen Phenylpropanol-Bausteine

12. 1.1 Ballaststoffe 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

13. Ergebnis: Das Pektin in den Möhrenfasern adsorbiert Ca2+-Ionen an den unveresterten Säuregruppen. Calcium-Ionen-Nachweis: Ca2+ (aq) + -OOC-COO-(aq) Ca(OOC-COO) (s) 1.1 Ballaststoffe Versuch 2 Adsorption von Mineralstofflösung an Möhrenfasern

14. 1.1 Ballaststoffe Exkurs: Gallensäuren • Detergenzien, die Nahrungsfette emulgieren und so resorptions-fähig machen • Synthese aus Cholesterin in der Leber Cholsäure

15. Cholesterin aus Blutbahn Leber: Gallensäure-synthese aus Cholesterin Gallenblase Resorption in die Blutbahn Dünndarm: Emulgierung der Nahrungsfette Adsorption und Ausscheidung 1.1 Ballaststoffe Gallensäurekreislauf, Cholesterinspiegel und Einfluss der Ballaststoffe

16. 1.1 Ballaststoffe Effekt: Senkung des Cholesterinspiegels bei Aufnahme von 6-10 g Pektin am Tag: z.B. + + Wirksamerer Effekt als Verzicht auf das Frühstücksei! genehmigt

17. 1.2 Sekundäre Pflanzenstoffe • 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

18. Carotinoide Polyphenole Sulfide Brokkoli, Weißkohl, Rettich • • • Karotten, Tomaten, Spinat • • Knoblauch, Zwiebeln, Lauch • • Trauben, Beeren, Aprikosen • • Zitronen, Orangen, Mandarinen • • Sekundäre Pflanzenstoffe in Obst und Gemüse

19. 1.2 Sek. Pflanzenstoffe Demonstration 1 Extraktion von Carotinoiden aus Gemüse

20. 1.2 Sek. Pflanzenstoffe Carotinoide • über 700 verschiedene Carotinoide bekannt • wirken antioxidativ Struktur: • Tetraterpene; formal aus acht Isopreneinheiten (C5-Körper) aufgebaut • ausgedehntes, konjugiertes -System  reaktive Verbindungen, Farbigkeit Isopreneinheit

21. 1.2 Sek. Pflanzenstoffe Carotinoide einfachstes Carotinoid: Lycopin Cyclisierung der Endgruppen: -Carotin -Carotin

22. 1.2 Sek. Pflanzenstoffe Carotinoide sauerstoffhaltige Gruppen: Xanthophylle Zeaxanthin Lutein -Cryptoxanthin

23. β-Carotin α-Carotin Lycopin Lutein Zeaxanthin β-Cryptoxanthin Karotten ++++ +++ + Spinat ++ ++++ ++ Rote Paprika + + ++ ++++ Tomate ++ ++++ + Mandarine + + + + ++++ Aprikose +++ + + + ++ 1.2 Sek. Pflanzenstoffe Carotinoide in Obst und Gemüse ++++: überdurchschnittlicher Gehalt, +++: hoher Gehalt, ++: mittlerer Gehalt, +: geringer Gehalt

24. 1.2 Sek. Pflanzenstoffe Demonstration 2 UV-Absorption von Carotinoiden

25. 1.2 Sek. Pflanzenstoffe 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!

26. 1.2 Sek. Pflanzenstoffe 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 Cyanidin Quercetin

27. 1.2 Sek. Pflanzenstoffe Sulfide Schwefelhaltige Inhaltsstoffe in Liliengewächsen wie Knoblauch, Zwiebeln, Schnittlauch und Lauch Sulfide wirken antioxidativ Allicin im Knoblauch

28. 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)

29. 2. Antioxidantien Moleküle, die Oxidationen auslösen können • molekularer Sauerstoff (O2) • hochreaktive Sauerstoffspezies und –verbindungen • Singulettsauerstoff (1O2) • Wasserstoffperoxid (H2O2) • Stickstoff-Monoxid und Stickstoff-Dioxid (NO, NO2) • freie Radikale  Atome oder Moleküle, die über ein ungepaartes Elektron verfügen  besonders reaktiv • Superoxidradikalanion (·O2-) • Hydroxylradikal (·OH) • Peroxylradikal (ROO·)

30. 2. Antioxidantien UV-Licht, ionisierende Strahlung Atmungskette Luftverunreinigungen Immunabwehr Freie Radikale Nahrungsmittel Zigarettenrauch oxidative Enzyme exogene Ursachen endogene Ursachen Arzneimittel

31. Startreaktion: • • • • Pentadienyl-Radikal Fortpflanzungsschritt 1: • • Peroxyradikal 2. Antioxidantien Was passiert bei einem Radikal-Angriff? Beispiel: Peroxidation von Zellmembranen Phospholipid Modell einer Zellmembran

32. • • • • Beschädigte Zellmembran 2. Antioxidantien + Fortpflanzungsschritt 2: Peroxyradikal erneut Fortpflanzungsschritt 1: Lipidhydroperoxid Dienylradikal

33. • • • Regenerierung des Vitamin E durch Vitamin C: • • O Ascorbinsäure Semihydroascorbinsäure 2. Antioxidantien Antioxidantien können Radikalkette stoppen: Peroxyradikal -Tocopherol Lipidhydroperoxid -Tocopheroxyradikal O

34. Ergebnis: Vitamin C wirkt als Reduktionsmittel Reduktion: 2 Fe3+ + 6 Cl- + 2 H+ + 2 e- 2 Fe2+ + 4 Cl- + 2 H+ + 2 Cl- Oxidation: Rotfärbung: Fe3+ + 3 SCN- Fe[SCN]3 2. Antioxidantien Versuch 3 Nachweis von Vitamin C in Weißkohl

35. LDL-Molekül Ablagerung in den Blutgefäßen Cholesterin Resveratrol  wirksamer Schutz vor Peroxidation des LDL Phenoxy-Radikal: mesomeriestabilisiert  weniger reaktiv • • • • 2. Antioxidantien Entstehung der Arteriosklerose

36. 2. Antioxidantien 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: Ar-OH + HOO·  H2O2 + Ar-O·

37. Oxidativer Angriff Antioxidative Verteidigung Antioxidative Verteidigung Oxidativer Angriff 2. Antioxidantien Oxidativer Stress Normalzustand

38. Fazit: • 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

39. 3. Schulrelevanz des Themas 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