„Die gesundheitsfördernden Auswirkungen von Obst und Gemüse“ Philipps-Universität Marburg Fachbereich Chemie  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.

Empfohlene Anteile verschiedener Nahrungsmittelgruppen an der täglichen Ernährung

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

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

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

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

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

Nachweis von Cellulose in Gemüse 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 Iodmoleküle

Pektin hohe Quellfähigkeit 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

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

Adsorption von Mineralstofflösung an Möhrenfasern 1.1 Ballaststoffe Versuch 2 Adsorption von Mineralstofflösung an Möhrenfasern 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 Exkurs: Gallensäuren Detergenzien, die Nahrungsfette emulgieren und so resorptions-fähig machen Synthese aus Cholesterin in der Leber Cholsäure

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

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

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

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

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

Carotinoide über 700 verschiedene Carotinoide bekannt 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

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

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

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

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

UV-Absorption der Carotinoide 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!

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

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

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 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·)

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

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

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

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

Nachweis von Vitamin C in Weißkohl 2. Antioxidantien Versuch 3 Nachweis von Vitamin C in Weißkohl 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

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

Versuch 4 Antioxidative Eigenschaften von Fruchtsäften 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·

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

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

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