AIC004 – Skript – Alles ist Chemie

Intro

Hallo,

und willkommen zum Podcast „Alles ist Chemie“, ich bin Nicholas Jankowski. Schön, dass ihr zuhört.Koche

Das ist die vierte Folge des Podcasts, heute wird es um ein Thema aus der Geschichte gehen.

Wir reden über das Kochen. Ich weiß nicht, wie es euch geht, aber ich liebe Essen. Seit prähistorischen Zeiten kochen wir Menschen und haben durch unseren Einfallsreichtum viele verschiedenste Gerichte, Geschmäcker und Methoden entwickelt. Dabei greifen wir zurück auf alle möglichen Quellen an Nahrungsmitteln. Wir sammeln Früchte und Nüsse, erlegen Tiere, bauen Weizen und Gemüse an. Dabei vergessen wir auch nicht die Geschmacksträger: Kräuter, Gewürze und Salz.

Wir gucken uns heute einen kleinen Ausschnitt an. Wir werden natürlich einen Einstieg in die Geschichte machen, uns dabei auf die Steinzeit beschränken.

Chemisch schauen wir uns mal an, woraus unsere Lebensmittel bestehen und was passiert, wenn wir anfangen zu kochen.

Geschichte

Wir beginnen mit dem geschichtlichen Hintergrund.

Vorletzte Folge haben ich über das Feuer gesprochen. Die Menschheit hat es nach derzeitigem Kenntnisstand vor mindestens 1 mio Jahren geschafft das Feuer kontrolliert einzusetzen. Im Laufe der nächsten 500.000 Jahre hat sich das Wissen darum, wie Feuer zu erzeugen ist auch verstetigt. Ob und wann zum ersten Mal gekocht wurde, ist natürlich erneut nicht zu belegen. Es finden sich ähnlich wie beim Feuer nur Hinweise, wie zum Beispiel verkohlte Pflanzen oder Tierreste.

Zusätzlich fraglich ist, ob vor der kontrollierten Nutzung oder erst danach das Kochen entdeckt wurde. Im Buch Cuisine & Culture wird darüber spekuliert, genauso wie in Feuer und Zivilisation. Insgesamt scheint es wahrscheinlich zu sein, dass es lange Kontakt von den Vorfahren der Menschen mit dem Feuer gab. Ganz ähnlich wie heute kommen Wald bzw. Savannenbrände häufig vor, auch mehrmals im Jahr. In Feuer und Zivilisation wird davon berichtet, dass es wahrscheinlich ist, dass menschliche Vorfahren sich in von Bränden verheerten Gebieten aufhielten. Durchaus wäre eine Idee, dass sie sich an der zurückbliebenden Glut wärmten, und dabei auf geröstete und verkohlte Früchte und Tiere stießen. Vielleicht geht es euch wie mir, ich dachte daran, dass man den Aromen dann auch als Vorfahre nicht widerstehen könnte. Im Buch wird aber auch darauf hingewiesen, dass sich die Haltbarkeit erhöht und die verkohlten Tiere noch lange genießbar waren, statt schnell zu verwesen.

Es mag also durchaus sein, dass das Kochen der Treiber war, um das Feuer zu beherrschen, wobei Licht und Wärme natürlich auch nicht zu verachten sind. Weiter wird spekuliert: Wenn nicht ganz gegarte Stücke entdeckt wurden, dann mag es durchaus sein, dass die erste Interaktion das Fertig-garen in den glühenden Resten des Brandes war. Eine bewusste Verbindung, die zum Erhalt des Feuers animierte, was dann voraussetzte, dass man Brennstoff aktiv suchte, sammelte und eventuell trocknete.

Aber ob das Entdecken des Kochens nun ein Zufall war oder nicht, mit der Beherrschung des Feuers kam in jedem Falle auch das Kochen und ist seitdem ein zentraler Bestandteil des Lebens.

Die einfachsten Formen des Kochens sind wohl die über dem offenen Feuer oder den glühenden Kohlen: Das Rösten und Grillen wird ja auch immer noch gerne betrieben. Von meiner Zeit im Einzelhandel kenn ich jedenfalls noch die Warteschlangen, die sich über Stunden nicht auflösten, am ersten schönen Wochenende des Jahres.

Heutzutage stellen wir uns in Schlangen für das spätere Essen. Unsere Vorfahren mussten jedoch ihr Essen zunächst jagen oder sammeln: Zumindest bis zur Neolithischen Revolution. Neolithisch bedeutet in dem Falle für uns Jungsteinzeit und Revolution kennzeichnet bekanntermaßen Umbrüche.

Die Neolithische Revolution bezeichnet die Sesshaftwerdung des Menschen, als begonnen wurde Ackerbau zu betreiben. Das geschah wahrscheinlich um 9000 BCE im Gebiet des fruchtbaren Halbmonds. Der liegt auf den heutigen Gebieten mehrerer Staaten, und zwar auf Teilen des Iraks, Syriens, Libanons, Israels, Palästinas und Jordaniens. Dort kommen fruchtbare Böden, hoher Niederschlag, Flüsse, große Biodiversität und vorteilhafte Temperaturen zusammen.

Zu den ersten Pflanzen, die angebaut wurden, waren Vorläufer von heute bekannten Arten. Auch heute werden im großen Maßstab Gerste, Gemeiner Lein, Kichererbsen, Erbsen und Linsen angebaut. Ein Nischendasein führen heute Emmer, Einkorn, Linsen-Wicke. Mit den heutigen Sorten haben, die zweifelsohne wenig zu tun, da der Mensch durch geschickte Auslese für sich bessere Sorten kultivierte.

Die Menschen lernten sowohl wilde Pflanzen als auch wilde Tiere zu domestizieren. Nach derzeitigem Stand war der Hund das erste domestizierte Tier, definitiv vor der Sesshaftwerdung. Schätzungen liegen weit auseinander zwischen 15.000-135.000 Jahre. Die Katze zum Vergleich kam deutlich später, vermutlich im Nahen Osten, nein tatsächlich nicht Ägypten, und zwar ca. 7000 vor BCE Jahren. Das war nach der Neolithischen Revolution in der dortigen Region.

Nutztiere die früh domestiziert wurden, d.h. ungefähr zu dieser Zeit, sind Schafe und Ziegen. Später kamen Schweine und Kühe hinzu. Auch hier hat der Mensch durch Züchtung gezielt für sich vorteilhafte Eigenschaften selektiert und dabei in das Erbgut der Tiere eingegriffen.

Insgesamt kann die Ernährung des Menschen als omnivor bezeichnet werden – wir sind Allesfresser. Wir können uns von Fleisch und Pflanzen ernähren. Sehr frühe menschliche Vorfahren waren wahrscheinlich Pflanzenfresser. Aus dieser Linie heraus entwickelten sich Vorfahren, die über lange Zeit sich anpassten und Fleisch konsumierten. Unsere Vorfahren wandelten sich zu Omnivoren bzw. Allesfressern.

Als die Menschen dann das Feuer zähmten, kam schließlich auch regelmäßiges Kochen dazu. Dadurch hatten die Menschen große Vorteile. Das Kochen von Lebensmitteln führt dazu, dass sie leichter verdaulich werden und so weniger Energie aufgewendet werden muss. Durch das Kochen bzw. Durcherhitzen werden Krankheitserreger in Lebensmitteln abgetötet. Das betrifft Bakterien, Viren und Parasiten. Dadurch wurde zum einen das Lebensmittel im gekochten Zustand länger haltbar, wodurch eine gewisse Kontrolle über die Ernährung möglich war, und andererseits wurde insgesamt die Gesundheit der Population erhöht. Dadurch gab es einen Vorsprung gegenüber anderen Tieren und der Mensch konnte sich besser durchsetzen. Nicht alle, aber gewisse Gifte zersetzen sich ebenfalls beim Erhitzen, leider nicht alle, aber einige Lebensmittel konnten so erfolgreich zur Ernährung gewonnen werden: Zum Beispiel Wildpilze, wie Maronen sind roh noch giftig und werden erst durch das Kochen genießbar.

Chemie: Überblick

Aber was passiert eigentlich beim Kochen? Das schauen wir uns jetzt an, aber gleich vorweg, über die Chemie des Kochens wurden lange Fachbücher geschrieben, es gibt Fachzeitschriften, es gibt als Studienfach Lebensmittelchemie mit eigenem Staatsexamen, Lebensmitteltechnologie und Ökotrophologie als weitere Studienfächer. Deswegen möchte ich das hier als einen groben Überblick verstanden wissen. Je mehr ich mich mit der Folge beschäftigte, desto größer wurde meine Erkenntnis, wie viel es noch zu lernen gibt, oder um es mit den Worten Sokrates‘ zu sagen: „Ich weiß, dass ich nichts weiß“.

Zunächst einmal schauen wir uns an woraus der menschliche Körper besteht, wie er sich zusammensetzt und was wir brauchen, um zu überleben.

Die Hauptbestandteile des Menschen sind:

Wasser
Proteine bzw. Eiweiße
Fette
Knochen
Kohlenhydrate
DNA und RNA
Einige Ionen und sogenannte Cofaktoren

Für uns in der Ernährung sind vor allem Proteine, Fette und Kohlenhydrate relevant. Sehr grob vereinfacht bilden die Proteine unsere Körper, Kohlenhydrate dienen der Energieversorgung und Fette der Energiespeicherung. Grob vereinfacht, weil zum Beispiel Fette auch an den Zellmembranen beteiligt sind und Zucker am Aufbau der DNA

Zum Kochen gehört aber mehr als nur die Nährstoffe, wir lieben Essen wegen des Geschmacks, also wie funktioniert das?

Geschmack ist eine Wahrnehmung die durch die Kombination die von Sinneszellen in Mund und Nase hervorgerufen wird. Im Mundraum befinden sich die Geschmacksknospen. In denen sind Rezeptoren, die die Basisgeschmäcker unterscheiden. Wir unterscheiden im Mundraum: Süß, Salzig, Sauer, Bitter und Umami, letzteres bezeichnet dabei einen reichhaltigen Geschmack, den man mit herzhaft beschreiben kann.

Die Eindrücke süß, bitter und umami werden hervorgerufen durch das Binden von bestimmten Molekülen an Rezeptoren. Salzig und Sauer werden hervorgerufen durch Alkali-Metallionen, insbesondere Natrium oder Protonen (H+). Der Geschmack hat natürlich auch eine Funktion und zeigt uns, ob etwas energiereich ist, wie umami und süß oder eventuell gefährlich, wie bittere Stoffe.

Das meiste an Geschmack hängt vom Geruchssinn ab, was man jedes mal schmerzlich bemerkt, wenn man einen Schnupfen hat.

In der Regel erschnüffeln wir kleine Moleküle bis 300 g/mol. Was hauptsächlich daran liegt, dass die Moleküle flüchtig sein müssen, also sich in der Luft verteilen. Für die Wahrnehmung sind sehr wenige Moleküle nötig, die Schwelle liegt zwischen 10-100 Millionen Molekülen, was im Femtogramm-Bereich liegt. Femtogramm ist wirklich wenig, und erreicht man, wenn man ein Gramm fünf mal durch 1000 teilt. Von Gramm zu Milligram, Mikrogramm, Nanogramm, Pikogramm zum Femtogramm. Ein greifbares Beispiel gibt es dafür nicht mehr, es liegt grob im Bereich von einzelnen Viren. Auch in der Nase erfolgt die Wahrnehmung aufgrund von der Bindung bestimmter Moleküle durch ihre Eigenschaften an bestimmten Rezeptoren. Diese molekulare Erkennung basiert auf Größe, räumliche Anordnung und chemisch-physikalischen Wechselwirkungen.

Damit schließen wir zunächst die Wahrnehmung ab und gehen wieder zurück zu den Makronährstoffen, den Anfang machen wir mit den Proteinen bzw. Eiweißen.

Chemie: Proteine

Proteine sind in gewisser Weise die Werkzeuge des Körpers. Sie übernehmen die vielfältigsten Aufgaben im menschlichen bzw. tierischen Körper. Die Struktur des Körpers wird maßgeblich von Kollagenen bestimmt. Die Muskeln bestehen unter anderem aus den Myosinen, Aktinen und Titin. Keratine formen Haare, Nägel, Hörner oder auch Schnäbel. Enzyme sind ebenfalls Proteine, die spezielle chemische Reaktionen im Körper katalysieren und auch Toxine sind häufig Proteine, beispielsweise Botulinum toxin – kurz Botox.

Damit Proteine diese ganzen Aufgaben übernehmen können, müssen sie sich in irgendeiner Weise unterscheiden. Und so sind sie aufgebaut aus verschiedenen Aminosäuren. In der Natur wurden über 500 Aminosäuren gefunden, für das Leben auf der Erde sind davon 22 α-Aminosäuren besonders wichtig, da sie die Proteine aufbauen. Sie werden deswegen auch proteinogene Aminosäuren genannt.

Die Aminosäuren verbinden sich also zu länger werdenden Molekülen, zuerst nennt man diese Peptide und bei längerer Kette nennt man sie Proteine, wobei der Übergang fließend ist und man die Grenze bei ca. 10000 Da, u bzw. g/mol setzt.

Doch was sind Aminosäuren? Sie sind kleine organische Moleküle, die mindestens eine Säurefunktion und eine Amino-Gruppe beinhalten. Sie sind verknüpft über mindestens ein weiteres Kohlenstoffatom. Als Funktion oder Gruppe bezeichnen Chemikerinnen eine bestimmte Anordnung von Atomen., die so immer wieder zu finden sind. Die Säure bzw. Carbonsäure-Funktion besteht aus einem Kohlenstoff-, zwei Sauerstoff- und einem Wasserstoffatom. Um nach außen neutral zu sein und die Oktettregel zu erfüllen möchte der Kohlenstoff 4 Bindungen ausbilden. Die Gruppe hängt über den Kohlenstoff an einem organischen Rest oder im einfachsten Falle an einem Wasserstoff. Organische Reste bezeichnet dabei eine nicht näher definierte Kohlenstoff-haltige Gruppe.

Also eine Bindung zu einem Rest, dann bleiben noch drei Bindungen. Eine Doppelbindung bildet sich zu einem der Sauerstoffatome, dadurch ist auch das zufrieden. Die letzte Bindung vom Kohlenstoff führt zum zweiten Sauerstoff, der eine weitere Bindung zum Wasserstoff ausbildet. Der Wasserstoff kann unter den richtigen Bedingungen abgespalten werden, was bedeutet, dass die Carbonsäure, sauer reagiert. Das kennen wir auch von der Essigsäure, die als organischen Rest eine CH3-Gruppe trägt. An dieser Stelle soll auf den Blog verwiesen sein: dort findet man Bilder hierzu.

Die Amin-Funktion wird abgeleitet vom Ammoniak. Ammoniak besteht aus drei Wasserstoffatomen und einem Stickstoffatom, NH3. Davon wird mindestens ein Wasserstoff entfernt und durch organische Reste ersetzt. In den Aminosäuren wird nur ein organischer Rest eingefügt: es sind primäre Aminfunktionen.

Die Aminofunktion kann mit der Säurefunktion unter bestimmten Bedingungen reagieren. Es entsteht eine neue funktionelle Gruppe: ein Amid. Amide bestehen aus einem Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff. am Stickstoff und Kohlenstoff können weitere Reste anhängig sein. Zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff ist eine Doppelbindung vorhanden.

Diese Bindung wird auch Peptidbindung genannt und bei der Bildung aus Säure und Amin wird Wasser abgespalten. Im Körper wird diese Reaktion durch spezialisierte Enzyme verrichtet. Diese Verkettung von Aminosäuren und ihre Abfolge wird als Primärstruktur der Proteine bezeichnet.

Durch bestimmte Anziehungskräfte, z.B. Wasserstoffbrückenbindungen, lagern sich Aminosäure-sequenzen zu höheren räumlichen Strukturen zusammen. Besonders markant sind dabei helicale Strukturen, und Faltblatt-Strukturen. Solche wiederkehrende Motive werden als Sekundärstrukturen bezeichnet. Die Tertiärstruktur bezeichnet dann die räumliche Anordnung des gesamten Proteins. Für viele Reaktionen im Körper reicht allerdings ein isoliertes Protein nicht aus, stattdessen lagern sich 2 oder mehr zu größeren Komplexen zusammen, diese zusammengesetzten Strukturen werden Quartärstruktur bezeichnet.

Das war jetzt eine kleine Abhandlung, was Proteine eigentlich sind. Jetzt wo wir wissen über was wir eigentlich sprechen, können wir uns anschauen, was beim Erhitzen passiert.

Als einfaches Beispiel sehen wir uns Fleisch an. Dieses besteht hauptsächlich aus Muskeln, Bindegewebe und Fett. Das Fett vernachlässigen wir vorerst. Muskeln und Bindegewebe bestehen hauptsächlich aus Proteinen. Die Muskelfasern sind dabei von dem Bindegewebe umgeben und bekommen dadurch halt. Muskelgruppen die stärker beansprucht werden, haben generell mehr und stärkeres Bindegewebe. Muskelfasern bestehen vor allem aus den Proteinen Actin und Myosin. Das Bindegewebe um den Muskelfasern besteht hauptsächlich aus Kollagen. Die Befestigung an den Knochen erfolgt durch Sehnen, diese bestehen hauptsächlich aus den Proteinen Reticulin und Elastin.

Wenn wir Fleisch kochen, dann wollen wir nach Möglichkeit hinterher ein möglichst zartes, schmackhaftes Gericht bekommen.

Wir fangen an zu erhitzen. Ab 40 °C denaturieren die Proteine der Muskelfasern. Das Denaturieren von Proteinen bezeichnet die irreversible Zerstörung der Tertiär- und/oder Sekundärstrukturen. Im Prinzip bedeutet es also, dass die räumliche Struktur sich verabschiedet und nicht wiederhergestellt werden kann. Dabei bleiben allerdings die Reihenfolge und Verknüpfung der Aminosäuren gleich, die Primärstruktur bleibt erhalten.

Also wir haben gerade angefangen auf ca. 40 °C zu erhitzen. Die Muskel-Proteine denaturieren und ziehen sich dabei zusammen. Dadurch wird das Fleisch zäher, etwas, was wir eigentlich vermeiden wollen. Je länger wir darauf rum braten, desto zäher wird das Ganze, bis wir bei der sprichwörtlichen Schuhsohle angelangt sind.

Wir gehen aber mal mit der Temperatur hoch. Ab 60 °C wird die Struktur von Kollagen zerstört. Das zähe Kollagen wandelt sich in weiche Gelatine um. Beides ist wichtig, um zartes Fleisch zu erhalten, schließt sich aber gegenseitig aus. Um die Sache nochmal schwieriger zu machen, kommt der beste Geschmack erst bei noch höheren Temperaturen. Die Maillard-Reaktion findet bei über 120 °C statt. Etwas abweichend von klassischen chemischen Namensreaktionen handelt es sich nicht um eine spezielle Reaktion, sondern um eine Vielzahl verschiedener Reaktionen. Diese ganze Reihe an Reaktionen finden zwischen Proteinen und Zuckern oder Stärke statt. Sie bringen die dunkle Färbung und das, was gerne als Röstaroma beschrieben wird. Es handelt sich um die wahrscheinlich um eine der wichtigsten Reaktionen um Geschmack zu kreieren

Also was bedeutet das fürs Braten von Fleisch? Wir wollen Fleisch möglichst scharf anbraten, also auf hoher Hitze, damit an der Außenseite die Maillard-Reaktionen ablaufen können, das Fleisch wird dunkel und kann die typischen Röst- und Fleischaromen bilden. Die Hitze wandert weiter ins Innere. Ein Filet-Stück hat besonders wenig Kollagen. Das heißt es kann wenig erhitzt werden und ist dabei zart. Will man ein solches medium haben, so wird es bis zu einer Kerntemperatur von ca 55°C erhitzt. Es geht auch weniger, blutig, wird nur bis ca. 49 °C erhitzt. Dadurch hat es Geschmack, aber bleibt zart.

Ein Stück welches viel Bindegewebe enthält, ist zum Beispiel Schulter. Das Fleisch eignet sich gut für Eintöpfe, wobei sehr lange über 60 °C gekocht wird. Auch hier wird zunächst scharf angebraten um die Maillard-Reaktionen ablaufen zulassen. Danach wird im Eintopf über Stunden gekocht, bis es ganz zart wird.

Einige Bestandteile von Pflanzen haben ebenfalls hohe Proteingehalte, aber nicht hoch genug um die dominanten Effekte beim Kochen zu sein. Trotzdem können natürlich auch da Maillard-Reaktionen ablaufen. Und wenn ihr wirklich mal guten Tofu selbst machen wollt: Dann presst den aus, soweit es geht, dann noch n bisschen mehr und schmeißt ihn in eine richtig heiße Pfanne. Außen kann sich Aroma bilden in einer dunklen Kruste und innen wird er nicht zäh.

Wir kommen jetzt zur zweiten Gruppe: den Fetten.

Chemie: Fette

Fette und Öle sind von der chemischen Seite aus das gleiche. Ihr Unterschied liegt darin, dass Fette bei Raumtemperatur fest sind, während Öle flüssig sind.

Chemisch aufgebaut sind sie die Ester von Glycerin und Fettsäuren. Wir fangen von hinten an: was sind Fettsäuren? Sie bestehen aus einer langen Kette von Kohlenstoffen und am Ende ist eine Carbonsäure-Gruppe, wie im Falle der Aminosäure schon besprochen. Lang meint in diesem Falle typischerweise zwischen 10 und 20 Kohlenstoffen.

Zwei Begriffe, die man schon öfter gehört hat, sind gesättigte und ungesättigte Fette. Gesättigt bedeutet, dass jedes Kohlenstoff so viele Wasserstoffe gebunden hat, dass es vier Bindungen hat, also in der Kette jeweils zwei und die letzte Gruppe drei Wasserstoffe. Ungesättigte Fette hingegen haben Doppelbindungen zwischen Kohlenstoffen der Molekülkette. Dadurch kommen Knicke in der Struktur zustande, die einen Einfluss auf das Verhalten der Fette haben. Gesättigte Fettsäuren haben flexible Kohlenstoff-Ketten, sie können sich sehr nah aneinander schmiegen. Ungesättigte und vor allem mehrfach ungesättigte Fettsäuren können das nicht, sie verhalten sich starrer und durch die Knicke können sie sich nicht gut zusammenlagern. Gesättigte Fette lagern sich deswegen einfacher zusammen und werden daher bei Raumtemperatur fest.

Glycerin ist ein Molekül bestehend aus drei Kohlenstoff-Atomen, die eine Kette bilden, an denen jeweils eine OH-Gruppe sitzt. OH-Gruppen an Kohlenstoffen sind die Stoffklasse der Alkohole.

Bringt man nun Alkohole und Carbonsäuren zusammen, können sie unter Abspaltung von Wasser zu Estern reagieren. Dabei entsteht eine neue Gruppe, die Ester-Funktion, sie sieht aus wie eine Säuregruppe nur ist das Wasserstoffatom am Sauerstoff durch einen kohlenstoffhaltigen Rest ausgetauscht. Also ein kohlenstoffhaltiger organischer Rest ist am Kohlenstoff gebunden, der zu einem Sauerstoff eine Doppelbindung ausbildet und zu einem Sauerstoff eine Einfachbindung. Über das Sauerstoff mit der Einfachbindung ist ein weiterer organischer Rest angeschlossen. Ein sehr schönes Beispiel ist Ethylacetat, was einige wahrscheinlich aus Nagellack-Entferner kennen. Ethylacetat wird hergestellt aus Essigsäure und Ethanol, also Essig und Trinkalkohol, an beiden Enden ist damit ein Ethylrest vorhanden. Ethyl bezeichnet dabei eine Kohlenstoffkette aus zwei Kohlenstoffen, gesättigt mit Wasserstoffatomen.

Fette bestehen also aus den Estern von Glycerin als Alkohol-Komponente und Fettsäuren als Säure-Komponente. Da drei Fettsäuren auf ein Glycerin kommen, werden sie auch Triglyceride genannt.

Zu den Eigenschaften von Fetten und Ölen gehört, dass sie nicht mischbar mit Wasser sind. Und dieses Verhalten kann verallgemeinert werden. Es gibt Stoffe, die sind wasserlöslich und andere Stoffe, die sind fettlöslich, in Fachsprache hydrophil und lipophil. Im Allgemeinen sind polare Stoffe in Wasser löslich, da auch Wasser polar ist. Das Extrembeispiel polarer Verbindungen sind Salze. Beispielsweise Natriumchlorid unser Speisesalz. Die Ladung ist in Salzen getrennt, sodass zwei Pole entstehen, positiv und negativ. Unpolare Stoffe hingegen haben keine Ladung und auch eine gleichmäßige Verteilung der Elektronen. In Fetten sind die langen Kohlenstoffketten unpolar. Dadurch können sie viele Geschmacksstoffe lösen, denn auch diese sind häufig unpolar. Das ist dann auch so ziemlich das Wichtigste für das meiste Kochen. Ansonsten ist der wesentliche Effekt den wir beim Kochen erzielen, dass feste Fette sich beim Erhitzen verflüssigen.

Wir kommen zur letzten Gruppe den Kohlenhydraten:

Chemie: Kohlenhydrate

Kohlenhydrate kommen im Stoffwechsel aller Lebewesen vor. Zu Ihnen gehören Zucker, Stärke und Cellulose. Kohlenhydrate sind das Hauptprodukt der Photosynthese und machen rund 2/3 der gesamten Biomasse des Planeten aus.

Die Definition von Kohlenhydraten ist eher theoretischer Natur, man dachte früher, dass es sich um die Hydrate der Kohlenstoffe handeln würde. Was falsch ist, wie man heute weiß. Sie besitzen zwar eine Summenformel, die darauf passt, sind aber anders aufgebaut, haben also eine andere Strukturformel.

Um dennoch einen Eindruck zu geben, beschreibe ich im folgenden Glucose, Saccharose und Stärke

Die Glucose ist ein Einfachzucker, der in zwei Formen vorkommen kann, einer offen und ringförmigen Form. Die Ringbildung ergibt sich durch eine intramolekulare Reaktion. Mehr dazu gleich.

In der offenen Kette sind in der Mitte vier Kohlenstoffatome mit jeweils einer OH-Gruppe. Am einen Ende befindet sich ein weiteres Kohlenstoffatom mit einer OH-Gruppe und am anderen Ende ein Aldehyd. Aldehyde sind eine weitere funktionelle Gruppe. Sie bestehen aus einem Kohlenstoffatom, einem Sauerstoffatom und einem Wasserstoffatom, die Gruppe ist an einen weiteren Rest angeschlossen. Das Kohlenstoffatom ist mit dem Rest durch eine Einfachbindung verbunden, zum Sauerstoff ist eine Doppelbindung vorhanden und die letzte Einfachbindung geht zum Wasserstoff. Falls das kein Wasserstoff ist, sondern ebenfalls ein organischer Rest, dann handelt es sich um ein Keton.

Der Aldehyd kann mit dem Alkohol am anderen Ende oder dem vorletzten Alkohol reagieren, dabei bildet sich entweder ein Fünf- oder ein Sechsring aus Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Diese Reaktion läuft spontan ab und ist reversibel. Glucose wird auch als Dextrose oder Traubenzucker bezeichnet.

Saccharose ist die Form von Zucker, die wir als Haushaltszucker, Kristallzucker oder Rohrzucker kennen. Chemisch handelt es sich um ein Disaccharid, besteht also aus zwei Einfachzuckern. Glucose und Fructose, die durch eine Ether-Funktion verbunden sind. Ether?! wird der gemeine Zuckerchemiker vielleicht fragen. Ja, Ether, obwohl wir uns weitere Namen für dieses bestimmte Merkmal ausgedacht haben, nämlich Acetal oder noch spezieller glycosidische Bindung. Für uns hier und heute bleiben wir aber bei Ethern: Ein Sauerstoff-Atom, an dem zwei organische Reste gebunden sind. Im Gegensatz dazu nochmal der Alkohol der einen organischen Rest hat und ein Wasserstoffatom.

Die Reaktion die zum Disaccharid führt ist eine Kondensations-Reaktion, das heißt aus den beiden reagierenden Partnern, Glucose und Fructose, wird Wasser abgespalten. Die Rückreaktion ist auch hier wieder möglich, dafür muss Wasser hinzukommen, was dann passend auch Hydrolyse heißt.

Die Saccharose wird hauptsächlich im Dünndarm durch spezialisierte Enzyme gespalten. Fehlt dieses Enzym führt das zur Unverträglich, für Saccharose relativ selten, mit Ausnahme der Inuit-Populationen. Eher bei uns bekannt ist die Lactose-Intoleranz. Auch Lactose ist ein Disaccharid, das im Dünndarm gespalten wird, durch Lactase. Fehlt das Enzym führt es dazu, dass dieser vom Körper nicht aufgenommen wird. Der Zucker wird dann zum Nährstoff für das Mikrobiom des Darms, was häufig zu Problemen führt unter anderem Schmerzen und Blähungen. In Deutschland sind davon ca. 15 % betroffen, viele Ethnien produzieren allerdings keine Lactase. Wäre halt ganz cool, wenn die Gerichte in Mensen und Kantinen lactosefrei wären.

Wir machen mit dem dritten Stoff weiter: Stärke. Es ist auch ein Kohlenhydrat und diesmal ein Polysaccharid. Das bedeutet, dass nicht zwei Einfachzucker verbunden sind, sondern praktisch unendlich viele. Der Einfachzucker der Stärke ist die Glucose. Stärke ist damit ein Biopolymer. Polymere im Allgemeinen bezeichnet große Moleküle, die sich durch wiederholende Einheiten auszeichnen. Künstliche Polymere finden wir als Plastik um uns herum.

Es gibt verschiedene Biopolymere, die aus Kohlenhydraten bestehen. Bekannt sind wahrscheinlich vielen eben die

Stärke, ein Energiespeicher in Pflanzen
Cellulose, das Strukturmolekül von Pflanzen
Chitin, in Insekten und Pilzen ebenfalls für die Struktur
Und Glykogen, als Energiespeicher in Tieren, Pilzen und Bakterien

Die Stärke besteht allerdings eigentlich aus zwei Molekülen. Die Amylose und das Amylopectin. Sie bestehen beide aus der Glucose sie sind aber unterschiedlich aufgebaut. Die Amylose ist ein lineares Molekül und macht ca. 20-30% der Stärke aus,

Und jetzt gucken wir uns das Kochen an.

Vielleicht habt ihr das ja auch mal gemacht, ich schon zweimal einmal für Bonbons und um Engelshaar herzustellen. Ich spreche von der Karamellisierung des Zuckers. Man schmeißt den Zucker in die Pfanne und erhitzt langsam die Pfanne. Der Zucker wird zunächst flüssig und ist dabei durchsichtig, werden die Temperaturen höher, dann entsteht eine gelb-goldene Färbung. Kleiner Einschub: Bei Engelshaar werden daraus Fäden gezogen, sodass dünne Karamell-Fäden entstehen, die in allerlei Formen gebracht werden können. Ich habe zum Beispiel Kuppeln für Panna Cotta gemacht.

Macht man das nicht, sondern erhitzt weiter, dann wird es immer dunkler und irgendwann ist nur noch eine schwarze Masse da.

Beginnt erst bei hohen Temperaturen, für Kristallzucker beginnt die Karamellisierung bei ein bisschen über 140 °C. Dabei brechen die Zuckermoleküle auseinander, (erst glykosidisch?), dann zerfallen die Zuckermoleküle. Die Bindungen brechen und reagieren mit dem Sauerstoff in der Luft, genau wie wir es bei der Verbrennung aus Folge 2 hatten. Dabei entstehen viele verschiedene kleinere Moleküle, die zu den Aldehyden, Ketonen und Carbonsäuren gehören. Und die können richtig gut schmecken oder richtig schlecht, kommt halt drauf an was es genau ist. Das Diketon Diacetyl zum Beispiel schmeckt gut und zwar nach Butter. 4-Hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanon schmeckt karamellartig oder auch fruchtig wie in Erdbeeren.

Wenn man es übertreibt mit der Hitze ist man irgendwann bei der schwarzen Masse, wie bereits gesagt. Es sind unter anderem lange Kohlenstoff-Verbindungen entstanden. Dieser verbrannte Zucker schmeckt sehr bitter. Mehr als einer meiner Versuche für das Engelshaar endete deswegen im Müll.

In der Industrie können die bitteren Geschmacksstoffe im Zuckercouleur durch die Reaktionsführung teilweise vermieden werden. Dieser Zuckercouleur wird zum Beispiel in Cola verwendet.

Die Karamellisierung findet auch beim Kochen und Backen statt, aber bei den meisten Gerichten in geringen Umfang. Viel wichtiger ist die vorher angesprochene Maillard-Reaktion, die bildet gleich den Abschluss als wichtigste Geschmacks-Reaktion.

Vorher gucken wir uns nochmal Stärke an. Stärke ist ein wirklich guter Fall um nochmal den Vorteil des Kochens zu verdeutlichen. Die Kartoffelstärke ist nur sehr schlecht vom Menschen verwertbar, erst durch das Kochen wird sie für uns gut verwertbar. Sie liegt in der sogenannten Resistenten Stärke vor, eine Form, die nicht bzw. nur sehr schlecht von unseren Enzymen angegriffen werden kann.

Kartoffeln besitzen kleine Stärkekörner, in denen Amylose und Amylopectin sich befinden. Die sind eng gepackt und die Körner entsprechend hart. Beim Kochen wird Wasser von den Stärkekörnern absorbiert und zwar mehr als es in kühlem Wasser der Fall wäre. Die Struktur ändert sich und kristalline Bereiche verlieren ihre Kristallinität, dabei schwellen die Körner an. Dieser Prozess ist dann nicht mehr umkehrbar, es kommt weiterhin zum Austritt von Amylose, ein Prozess der Gelatinierung heißt, was zum Eindicken von zum Beispiel Saucen führt.

Jetzt könnte an dieser Stelle noch ein sehr langer Abschnitt über Brot kommen, mit Gluten, was ein Protein ist, aber das verschieben wir auf ein andern mal.

Zusammenfassung

Fassen wir die heutige Folge zusammen:

Wir haben uns heute das Kochen angesehen. Los ging es für die Menschheit wahrscheinlich vor mindestens einer Millionen Jahren. Es ergibt sich damit eine gewisse Überschneidung mit der Beherrschung des Feuers. Ob eines früher war oder nicht kann heute leider nicht mehr mit Sicherheit gesagt werden. Nach einigen Theorien haben wir uns durch das Kochen zu dem entwickelt, was wir heute sind.

Das Kochen hat den Vorteil, dass viele Lebensmittel leichter bekömmlich sind. Das gilt sowohl für Fleisch als auch Pflanzen. Das Erhitzen kann bestimmte Gifte, die auf Proteinen basieren, zerstören. Genauso werden Parasiten und Bakterien abgetötet. Dadurch werden Lebensmittel auch noch länger haltbar.

Lebensmittel bestehen aus den drei Makronährstoffen: Proteine, Fette und Kohlenhydrate.

Proteine sind große Moleküle, die sich aus über 100 Aminosäuren zusammensetzen. Aminosäuren sind Moleküle, die an einem Ende eine Aminogruppe und an der anderen eine Carbonsäure-Funktion besitzen. Getrennt sind die Funktionen durch ein Kohlenstoffatom, an dem verschiedene Reste hängen können. Davon sind 22 als sogenannte proteinogene Aminosäuren als Bausteine des Lebens wichtig. Die Aminosäuren werden durch sogenannte Peptidbindungen miteinander verknüpft, die dadurch entstehende Sequenz ist die Primärstruktur von Proteinen. Diese wird beim normalen Garen nicht zerstört, sondern erst bei höheren Temperaturen zum Beispiel bei Verkohlung oder in der Maillard-Reaktion. Was sich ändert in der Denaturierung von Proteinen sind die Faltungen und damit die 3D-Anordnung der langen Kette. Diese Gestalt ist essentiell für ihre Funktion, aber nur durch vergleichsweise schwache Kräfte in Form gehalten.

Fette sind Triglyceride, das bedeutet sie sind die Ester von Glycerin und Fettsäuren. Gylcerin hat drei -OH bzw. Alkoholfunktionen die mit den Säurefunktionen der Fettsäuren verestert werden. Fette und Öle gehören zur selben Stoffklasse, der Unterschied liegt nur darin, dass Öle bei Raumtemperatur flüssig sind. Das liegt an der molekularen Struktur ihrer Fettsäuren. Diese sind in höherem Maße ungesättigt, wodurch sich „Knicke“ in der Struktur geben, sie können sich nicht mehr gut aneinanderlegen und werden erst bei tieferen Temperaturen fest. Beim Kochen werden Fette aber auch flüssig und in den flüssigen Fetten lösen sich vor allem gut unpolare Geschmack und Aromastoffe, sodass Fette einen wesentlichen Teil zum Erlebnis beitragen.

Kohlenhydrate bestehen aus Zuckermolekülen. Die einfachsten sind sogenannte Monosaccharide, dazu gehören zum Beispiel Glucose und Fructose. Die können sich zusammensetzen durch glykosidische Bindungen zu Disacchariden. Das Disaccharid aus Glucose und Fructose ist Saccharose, unser Haushaltszucker. Stärke ist ein Biopolymer, es besteht aus vielen vielen Glucose-Einheiten, die zu zwei Molekülen zusammengesetzt sind: Amylopectin, welches verzweigt ist und und Amylose, welches linear aufgebaut ist. Stärke quillt beim Kochen auf und geliert. Zucker kann aber auch karamellisiert werden, bei höheren Temperaturen, durch verschiedene Reaktionen entstehen dabei Aromastoffe.

Die Maillard-Reaktion ist wahrscheinlich die wichtigste Reaktion um Geschmack zu erzeugen. Sie erfolgt zwischen bestimmten Zuckern und Aminosäuren, die danach noch weiter reagieren und zu den verschiedensten Aromastoffen werden. Die Maillard-Reaktion bzw. ihre Produkte bräunen Lebensmittel beim Kochen. Zum Beispiel die Krusten auf Steaks, Tofu oder Broten.

Sign Off

Damit sind wir am Ende der Folge. Das Skript zum nachlesen, inklusive Bilder, weiterführende Links und einen Zeitstrahl findet ihr auf der Website: allesistchemie.de, zusammengeschrieben ohne Leerzeichen.

Wenn ihr Feedback oder Anregungen habt könnt ihr da einen Kommentar hinterlassen oder eine Email schreiben an info@allesistchemie.de.

Das war Alles ist Chemie Folge Nr 4. Danke fürs Zuhören.

Kapitelmarken:

00:00:00 Intro

00:00:54 Geschichte

00:06:36 Chemie: Überblick

00:10:08 Chemie: Proteine

00:18:35 Chemie: Fette

00:22:49 Chemie: Kohlenhydrate

00:31:48 Zusammenfassung

00:35:18 Sign Off

Kurzzusammenfassung:

In dieser Ausgabe folgen wir der Geschichte und schauen uns das Kochen an. Dabei kratzen wir gerade mal an der Oberfläche, aber wir besprechen die wichtigsten Nährstoffe, was passiert, wenn man diese kocht (vereinfacht) und was die chemisch eigentlich sind.

Das Skript zum Nachlesen, inklusive Bilder, weiterführende Links und einen Zeitstrahl findet ihr auf der Website: allesistchemie.de.

Wenn ihr Feedback oder Anregungen habt könnt ihr dort einen Kommentar hinterlassen oder eine Email schreiben an info@allesistchemie.de.