Lexikon der Biologie: Stärke
Stärke, Amylum, ein aus Glucoseeinheiten (Glucose, Homoglykane) aufgebautes pflanzliches Polysaccharid ( ä vgl. Abb. 1 ) der Bruttoformel (C6H10O5)n mit einer relativen Molekülmasse bis zu 106 (Biopolymere). Stärke ist in pflanzlichen Organen, wie Samen, Wurzeln, Knollen oder Baum-Mark, in Form von Stärkekörnern (s.u.) enthalten (Stärkepflanzen). Aus den stärkehaltigen Pflanzenteilen kann Stärke durch Zerkleinern und Aufschlämmen mit Wasser gewonnen werden. Die beiden Hauptbestandteile der Stärke sind die linear aufgebaute Amylose und das auch Verzweigungen enthaltende Amylopektin. Stärke entsteht als Endprodukt der Kohlendioxidassimilation (Calvin-Zyklus) in den Chloroplasten der grünen Pflanzen in Form kleiner Körnchen (Stärkekörner, Stärkegrana; ä vgl. Abb. 2 ), die sich durch Zusammenlagerung vieler Stärkemoleküle bilden. Diese werden nach ihrer Entstehung wieder zu niedermolekularen Zuckern (Kohlenhydrate, Kohlenhydratstoffwechsel) abgebaut, um in dieser Form zu den Amyloplasten transportiert zu werden, wo sie erneut zu Stärkekörnern (Reservestärke) aufgebaut werden (Plastiden). Bei der Stärkesynthese ist Adenosindiphosphat-Glucose (ADP-Glucose) Ausgangsprodukt für den schrittweisen Einbau von Glucoseeinheiten in die wachsenden Polysaccharidketten. Stärke ist für die Pflanze eine physiologisch inaktivierte Kohlenhydratreserve (Reservestoffe), die bei der Keimung, beim Austreiben usw. wieder in niedermolekulare und metabolisierbare Zucker verwandelt werden kann. Der Stärkeabbau erfolgt entweder durch Phosphorolyse zu Glucose-1-phosphat oder durch Hydrolyse zu Glucose. Die an diesem enzymatischen Abbau beteiligten Amylasen kommen in Tieren und Mensch (z.B. im Speichel und im Sekret des Pankreas [Pankreassaft]), in Pflanzen (z.B. Malz-Amylase) und in Mikroorganismen vor. – In reiner Form ist Stärke ein weißes bis gelblichweißes hygroskopisches Pulver. In kaltem Wasser ist Stärke unlöslich; in heißem Wasser (95 °C) löst sie sich teilweise unter Bildung von sog. Stärkekleister. Für die menschliche Ernährung ist Stärke von großer Bedeutung, da die ca. 500 g täglich von jedem Menschen verbrauchten Kohlenhydrate vorwiegend in Form von Stärke aus Kartoffeln und Getreide (aber auch aus Früchten, wie z.B. Bananen) aufgenommen werden. Darüber hinaus gewinnt Stärke als regenerierbarer und biologisch abbaubarer Rohstoff (nachwachsende Rohstoffe) zunehmend auch an technischer Bedeutung (Biotechnologie), wie z.B. als Ausgangsprodukt zur Glucose- (und Glucose-Derivate)Gewinnung (Sucrochemie) und zur Erzeugung chemisch modifizierter Stärke, die in der Verpackungs-, Textil- und Waschmittelindustrie und als Zusatz synthetischer Polymere Verwendung findet. In Deutschland wird Stärke besonders aus Mais (71%), Kartoffeln (18%) und Weizen (11%) gewonnen, wobei jährlich ca. 1,5 Millionen t Stärkerohstoffe zu 650.000 t Stärke verarbeitet werden. Wichtige Stärkesorten für die menschliche Ernährung und Stärkeerzeugnisse:
Die grobkörnige Kartoffelstärke, im Handel als Kartoffelmehl, dient als Zusatz oder Quellmittel für Brot usw.; der Wassergehalt darf 20% nicht übersteigen (Inhaltsstoffe pro 100 g eßbarem Anteil: 15,5 g Wasser, 0,6 g Protein, 0,1 g Fett, 83,1 g Kohlenhydrate, 0,4 g Mineralien; Energiegehalt: 1427 kJ = 336 kcal). Zur Herstellung von Stärkesirup, Stärkezucker, Dextrin und Kartoffelsprit.
Die Maisstärke, aus Mais unter Zusatz chemischer Mittel (2,5‰ schweflige Säure) gewonnen, meist als Puder im Handel, dient zur Herstellung von Pudding, Suppen, Traubenzucker; Kleber dient als Viehfutter.
Die Weizenstärke, als Puder oder in Stücken (Strahlenstärke), ist Ausgangsprodukt für Glanzstärke (zum Stärken und Glanzgeben der Wäsche); der anfallende Kleber wird Nährmitteln (Diabetikerbrot, Suppenwürze, Glutamat) zugesetzt.
Reisstärke, pulverförmig oder in Stücken (Strahlen- oder Brockenstärke) im Handel, wie Maisstärke verwendet, ist auch Unterlage kosmetischer Puder.
Stärkezucker wird durch Hydrolyse oder beim Erhitzen mit verdünnten Säuren gewonnen; es bilden sich zuerst Dextrin, dann Traubenzucker (Glucose) und Malzzucker (Maltose).
Stärkeerzeugnisse sind Stärkesirup (besonders aus Kartoffel- und Maisstärke) mit ca. 34–40% Traubenzucker. Durch Hydrolyse des Stärkesirups entsteht Stärkezucker (bis 20% Dextrine und 8% Malzzucker), hat die Hälfte der Süßkraft des Rohrzuckers (Saccharose). Reiner Stärkezucker (Dextrose) besteht aus 98% Glucose. Traubenzucker besteht fast ganz aus Glucose (Kräftigungsmittel, für Diätspeisen geeignet). Sehr leicht verdaulich. – Kartoffel- und Reisstärke dienen in der Textilindustrie als Appreturen. Stärkekleister ist Tapeten- und Buchbinderklebstoff. – Leberstärke:Glykogen. Berzelius (J.J. von), Dextrine, Diastase, Freudenberg (K.J.), Gluconeogenese, Glykolyse, Kohlenhydrat-Malabsorption, Leloir (L.F.), Nutzpflanzen (Tab.), Pflanzenzelle, Sachs (J.), Stärkeverzuckerung, Stärkeverzweigendes Enzym, Verzuckerung; Kohlenhydrate II , Kulturpflanzen I .
Stärke
Abb. 1: Ausschnitt aus der chemischen Struktur von Stärkemolekülketten.
Stärke besteht im allgemeinen aus 15–25% Amylose und 75–85% Amylopektin. Amylose ist ein im wesentlichen unverzweigtes α-D-Glucan mit einem durchschnittlichen Polymerisationsgrad (Polymere) von 103. Die Amylose der Getreidekörner hat einen höheren Polymerisationsgrad als diejenige der Kartoffelstärke. Die Glucankette ist als Helix angeordnet. Amylose ist ein weißes Pulver, das in heißem Wasser löslich ist. Mit Iod wird eine blau gefärbte Einschlußverbindung gebildet (Iod-Stärke-Reaktion), die u.a. als Stärkenachweis dient. Amylopektin ist ein baumartig verzweigtes Glucan, dessen durchschnittliche Kettenlänge bei 20–25 Glucoseresten liegt. Der durchschnittliche Polymerisationsgrad beträgt 104 bis 105, ist also wesentlich höher als derjenige der Amylose. Die Verzweigungen kommen durch α(1→6)-Bindungen zustande. Amylopektin ist ein weißes Pulver, das mit heißem Wasser Kleister ergibt. Die Einschlußverbindung mit Iod ist rotviolett gefärbt.
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Stärke
Abb. 2:
Stärkekörner zeigen konzentrisch oder exzentrisch verlaufende Schichtungslinien und lassen sich außerdem in zusammengesetzte und einfache Stärkekörner unterscheiden. Sie werden in farblosen Pflanzenzellen in Amyloplasten abgelagert. Besonders klein sind die Stärkekörner der Reisstärke mit 4–6 μm, diejenigen der Kartoffelstärke sind z.B. mit bis 100 μm wesentlich größer. Die Abb. zeigen Stärkekörner von: 1 Weizen, a von der Kante, b von der Fläche gesehen; 2 Kartoffel, a großes Einzelkorn, b halb zusammengesetztes Korn, c ganz zusammengesetzte Körner; 3 zusammengesetztes Haferkorn.
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