Stärke

Strukturformel
Allgemeines
Name	Stärke
CAS-Nummer	9005-25-8
Monomer
Monomer	D-Glucose
Summenformel	C6H10O5
Molare Masse	162.14 g·mol−1
Eigenschaften
Aggregatzustand	fest
Dichte	550 - 700 kg/m3 [1] 1.5 g/cm3 [2]
Schmelzpunkt	200 °C (Zersetzung) [1]
Löslichkeit	unlöslich in Wasser (50 g/l bei 90 °C)[1]
LD50	6600 mg/kg (Maus, intraperitoneal)[3]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Stärkekörner bei 800-facher Vergrößerung mit Polarisationsfilter. Man sieht, dass Stärke optisch aktiv ist.

Ausschnitt aus einem Amylosepolymer

Ausschnitt aus einem Amylopektinpolymer

Stärke (lat. Amylum) ist eine organische Verbindung. Sie ist ein Polysaccharid mit der Formel (C₆H₁₀O₅)_n, das aus α-D-Glucose-Einheiten besteht. Das Makromolekül zählt daher zu den Kohlenhydraten. Stärke ist einer der wichtigsten Reservestoffe in pflanzlichen Zellen, während der tierische bzw. menschliche Organismus sowie Pilze Glykogen als Kohlenhydratspeicher benutzen.

Natürliches Vorkommen in Stärkekörnern

Stärke ist ein Produkt der Assimilation von Kohlenstoffdioxid (siehe Calvin-Zyklus). Im Normalfall liegt sie in der Pflanzenzelle in Form organisierter Körner vor. Diese Stärkekörner besitzen, je nach Pflanzenart, eine unterschiedliche Größe und Form. Sie können kugelig, oval, linsen- oder spindelförmig aussehen, mitunter, wie im Milchsaft der Euphorbiaceae, auch stabartig mit angeschwollenen Enden. Manchmal sind sie durch gegenseitigen Druck polyedrisch. Nicht selten treten mehrere Körner zu einem abgerundeten Ganzen zusammen (zusammengesetzte Stärkekörner).

Der Aufbau von Stärke ist homolog zu dem von Glycogen, dem Speicherstoff in Tierischen Zellen. Stärkemoleküle bestehen aus D-Glucose-Einheiten, die über glykosidische Bindungen miteinander verknüpft sind. Stärke besteht meist zu

• 20–30 % aus Amylose, linearen Ketten mit helikaler (Schrauben-)Struktur, die nur α-1,4-glykosidisch verknüpft sind und
• 70–80 % aus Amylopektin, stark verzweigten Strukturen, mit α-1,6-glykosidischen und α-1,4-glykosidischen Verknüpfungen. Amylopektin der Stärke ist allerdings mit etwa einer α-1,6-glykosidischen Bindung nach etwa 30 α-1,4-glykosidische Verknüpfungen weniger stark verzweigt als das des Glycogens (ca. 1 α-1,6-glykosidische pro 10 α-1,4-glykosidischen Bindungen).

In Ausnahmefällen können die Mengenverhältnisse auch abweichen, so enthält etwa der sogenannte Klebreis fast ausschließlich Amylopektin.

Im Wasser liegende Stärkekörner lassen eine deutliche Schichtung erkennen, die dadurch hervorgerufen wird, dass um eine innere, weniger dichte Partie, das sogenannte Bildungszentrum, Schichten von ungleicher Lichtbrechung schalenartig gelagert sind; das Bildungszentrum liegt nur bei kugeligen Körnern genau im Mittelpunkt (konzentrisch), meist ist es exzentrisch, und die es umgebenden Schichten haben dementsprechend ungleiche Dicke. Die Schichtung wird durch den verschiedenen Wassergehalt und die dadurch bedingte unterschiedliche Lichtbrechung der Schichten verursacht, weshalb auch trockene oder in absolutem Alkohol liegende Körner ungeschichtet erscheinen. In polarisiertem Licht zeigen alle Stärkekörner ein helles, vierarmiges Kreuz, dessen Mittelpunkt mit dem Schichtungszentrum zusammenfällt; sie verhalten sich demnach so, als wenn sie aus einachsigen Kristallnadeln zusammengesetzt wären.

Stärkenachweis

Normalerweise wird Stärke mithilfe von Iod in einer Iodprobe nachgewiesen. Das Nachweisreagenz ist Lugolsche Lösung, die einer stärkehaltigen Substanz zugegeben wird. Die aus Iod und Iodidionen gebildeten Polyiodidionen lagern sich im Innern der spiralförmigen Amylose an. Dadurch entsteht die charakteristische Lilafärbung. Bei Erwärmen der Lösung wird die Stärke entspiralisiert, da die Wasserstoffbrücken-Bindungen gespalten werden. Hierdurch werden die Polyiodidionen wieder freigesetzt, die Lösung erhält dann eine farblose bis gelbbraune Farbe. Unter Abkühlung kommt es zu einer Respiralisierung und einer erneuten Einlagerung der Polyiodidionen.

Außerdem kann Stärke mit Hilfe eines Polarimeters nachgewiesen werden, indem die Stärke durch Kochen mit Säure gespalten, und nach Zugabe von Carrez I und II filtriert wird. Am Polarimeter lässt sich dann die optische Drehung bestimmen, was einen Rückschluss auf die Stärkemenge gibt.^[4]

Praktische Anwendungen findet die Iodprobe auch bei der vorgeschriebenen Markierung bestimmter Lebensmittel wie z. B. subventioniertem Butterfett. Diesen Lebensmitteln wird eine geringe Menge Stärke beigefügt. So gekennzeichnet lassen sich die betreffenden Produkte ohne aufwändige Analysemethoden mittels Iod-Kaliumiodid-Lösung nachweisen.

Stärke als pflanzlicher Speicherstoff

Rohstoffpflanze	Stärkegehalt (in % der genutzten Pflanzenteile)[5]
Erbse	40
Gerste	75
Kartoffel	82
Mais	71
Maniok	77
Reis	89
Roggen	72
Sorghum	74
Süßkartoffel	72
Triticale	74
Weizen	74

Mit Stärke speichern Landpflanzen und Grünalgen ihre überschüssige Energie als Reserve. Der Sinn der Stärkebildung ist hierbei die Speicherung der Glucose in unlöslicher und somit osmotisch unwirksamer Form. Stärke kann deshalb im Vergleich zu Glucose ohne viel Wasser, also viel kompakter, gespeichert werden. Die Stärke tritt in den verschiedenartigsten Geweben aller grünen Pflanzen auf. Während eine im Verzweigungsgrad etwas variierende Form von Stärke auch in Rotalgen vorkommt (sog. Florideophyceen-Stärke), verwenden die meisten anderen Organismen andere Reservestoffe (Diatomeen, Goldalgen und Braunalgen: Chrysolaminarin; Euglena: Paramylon; Cryptophyceae: Öle im Cytoplasma, Stärke im periplastidären Raum).

Auch tritt in den Epidermiszellen einiger höherer Pflanzen eine mit Iod sich blau oder rötlich färbende Substanz in gelöster Form auf, die lösliche Stärke. In allen übrigen Fällen ist das Auftreten der Stärke in der beschriebenen Körnerform die Regel. Sehr reich an Stärke sind die zur Reservestoffspeicherung dienenden Gewebe der Samen, Knollen, Zwiebeln und Rhizome sowie die Holzstrahlen und das Holzparenchym im Holzkörper der Bäume. Diese Reservestärke unterscheidet sich durch ihre Großkörnigkeit von der feinkörnigen im assimilierenden Gewebe auftretenden Stärke. Die Bildung der Stärke erfolgt entweder innerhalb der Chloroplasten oder in anderen Plastiden, etwa in den farblosen Leukoplasten. Letztere treten besonders in solchen chlorophyllfreien Geweben auf, in denen die Assimilationsprodukte in Reservestärke umgewandelt werden, wie in vielen stärkemehlhaltigen Knollen. Bei vielen chlorophyllhaltigen Algen, z. B. bei Spirogyra, treten die Stärkekörner an besonderen Bildungsherden im Umkreis von Pyrenoiden auf. Das Wachstum der anfangs ganz winzigen Stärkekörner erfolgt durch Einlagerung neuer Stärkemoleküle zwischen die schon vorhandenen, während die zusammengesetzten Stärkekörner sich durch nachträgliche Verschmelzung und Umlagerung mit neuen Schichten bilden.

Stärke ist das wichtigste Kohlenhydrat der menschlichen Ernährung. Auch viele Tiere ernähren sich von der pflanzlichen Stärke. Eine Zusammenstellung der Stärke liefernden Arten findet sich im Artikel Nutzpflanzen.

Unter der Speicherstoffeigenschaft wäre letztlich noch der technische Zugriff auf den Energieinhalt zu nennen, erläutert z. T. unter Bioenergie, oder Ethanol-Kraftstoff.

Stärkebiosynthese

Die Biosynthese und Speicherung von Stärke findet in den Chloroplasten statt. Zuerst wird Glukose-1-phosphat durch ATP von dem Enzym Glukose1-P-Adenylyltransferase zu ADP-Glucose aktiviert. Danach addiert das Enzym Stärke Synthase die aktivierten ADP-Glucose Monomere unter Abspaltung von ADP α-1,4-glykosidisch an die wachsende Amylosekette. Die α-1,6-glykosidischen Verzweigungen des Amylopektin werden anschließend vom Stärke verzweigenden Enzym (1,4-α-Glucan-verzweigendes Enzym) erzeugt, indem sieben Glukose Reste einer mindestens elf Reste langen α-1,4-glykosidischen Kette abgespalten und α-1,6-glykosidisch wieder an ein Glukosemolekül der Kette angefügt werden.

Stärkespaltung

Durch Enzyme (α-, β-Amylasen) kann Stärke gespalten werden. Dadurch entstehen Dextrine bzw. Doppelzucker. Dies geschieht z. B. auch im Innern von Pflanzenzellen, denn im Leben der Pflanze liefert die Stärke z. B. das Material für den Aufbau der Zellwand. Auf ähnliche Weise kann der tierische und menschliche Körper Energie aus Stärke gewinnen. Dagegen ist Resistente Stärke für die Verdauungsenzyme unzugänglich. Amylasen werden aber auch als Mehlbehandlungsmittel eingesetzt um Mehle besser backfähig zu machen. Speziell bei Roggen muss die Spaltung der Stärke in Folge natürlicher Amylase-Tätigkeit in der Regel jedoch eingedämmt werden, um die Backfähigkeit zu gewährleisten. Traditionell geschieht dies durch Säuerung der Teige.

Verhalten beim Erhitzen (Verkleisterung)

Stärke kann unter Hitzeeinwirkung ein Vielfaches ihres Eigengewichtes an Wasser physikalisch binden, aufquellen und verkleistern. Beim Erhitzen mit Wasser quillt die Stärke bei 47–57 °C, die Schichten platzen, und bei 55–87 °C (Kartoffelstärke bei 62,5 °C, Weizenstärke bei 67,5 °C) entsteht Stärkekleister, welcher je nach der Stärkesorte verschiedenes Steifungsvermögen besitzt (Maisstärkekleister größeres als Weizenstärkekleister, dieser größeres als Kartoffelstärkekleister) und sich mehr oder weniger leicht unter Säuerung zersetzt. Bei kühlen Temperaturen bildet sich dieser Effekt langsam wieder zurück – man spricht von Retrogradation. Verkleisterte Stärke und geronnenes Klebereiweiß bilden die Basisstruktur oder Krume von Gebäcken jeder Art.

Nach heutigem (2004) Wissen entsteht bei Überhitzung von Stärken, insbesondere beim Backen, Braten, Rösten, Grillen und Frittieren in Gegenwart der Aminosäure Asparagin das möglicherweise Krebs erregende Acrylamid.

Stärkegewinnung

Stärke wird in unseren Breiten meistens aus Kartoffeln oder Getreide gewonnen. Man gewinnt Stärke aber auch aus zahlreichen anderen Pflanzen, von denen neben Weizen und Kartoffeln auch Reis (Bruchreis aus den Reisschälfabriken) und Mais besonders wichtig sind. International ist noch Maniok (Tapioka) eine wichtige Stärkepflanze. Die Gewinnung erfolgt durch Auswaschen der Stärke aus den Pflanzenteilen mit Hilfe einer Kochsalzlösung.

Verwendung

Der Hauptteil von Stärke und deren Produkte wird im Bereich der Lebensmittelindustrie in der Herstellung von Süßwaren, Backwaren, Milchprodukten und insbesondere Getränken in Form von stärkebasierten Zuckerstoffen (vor allem Glukosesirup, Dextrose und Isoglukose) verwendet. Dieser Anteil beträgt nach Angaben des deutschen Fachverband der Stärke-Industrie e.V. derzeit 55% der in Deutschland verfügbaren Menge von 1,9 Mio. Tonnen.^[6] Aufgrund der Eigenschaften der Stärke als modifizierbares Polymer sowie seiner Zusammensetzung aus fermentierbaren Zuckereinheiten wird Stärke allerdings auch als nachwachsender Rohstoff in der chemisch-technischen Industrie vielfältig eingesetzt; der Verbrauch an Stärke und Stärkederivaten betrug beispielsweise 2007 in Deutschland nach Verbandsangaben 45% und damit mehr als 850.000 t im Jahr 2007. Von diesen gingen etwa 4,5% in die chemische und die Fermentationsindustrie, 95,5% wurden in der Papier- und Wellpappeproduktion eingesetzt.^[6] Chemische Anwendungen sind vielfältig, in der Summe jedoch selten und der Einsatz in der Fermentation ist im Vergleich zu Saccharose (als Dicksaft und Melasse) relativ gering.

Stärkeerzeugnisse^[7]

• Stärkefraktionen
  • Amylose
  • Amylopektin

• verformte Stärke
  • ohne Hitze
    • Brockenstärke
    • Strahlenstärke
  • mit Hitze
    • Flockenstärke
    • Quellstärke (Instantstärke)

• Sago/Tapioka
  • Perlsago
  • Perltapioka

• teilabgebaute Stärke
  • dünnkochende Stärke
  • Dextrin
    • Röstdextrin
    • Säuredextrin
  • Maltrin

• Hydrolyseprodukte
  • Stärkesirup
  • Glucose
  • Oligofructose

• Verdickungsmittel
  • Stärkeester
  • Stärkeether

Verwendung in der Nahrungsmittelindustrie

Stärke wird als native und modifizierte Stärke in der Nahrungsmittelindustrie auf vielfältige Weise genutzt. Stärkehaltige Pflanzen wie Kartoffeln, Weizen, Reis und Maniok stellen international die wichtigsten Grundnahrungsmittel zur Versorgung mit Kohlenhydraten dar. Hinzu kommen Nudeln, Brot und andere Backwaren, für deren Herstellung Mehl aus verschiedenen stärkehaltigen Getreidearten wie Weizen, Roggen oder Gerste genutzt wird. Darüber hinaus dient Stärke zur Herstellung von verschiedenen stärkebasierten Zuckerstoffen wie Dextrinen, Traubenzucker, Maltodextrin sowie Glucosesirup, der als Süßungsmittel in der gesamten Lebensmittelindustrie eingesetzt wird (z. B. Limonaden, Speiseeis, Konfitüren, Süßwaren), allerdings mit z. T. kontrovers diskutierten Folgen (siehe Maissirup).

Einzelne Stärkearten (wie Kartoffelstärke oder Maisstärke) dienen auch als Zutat bei zahlreichen Kochrezepten sowie in der Nahrungsmittelindustrie, wo die Stärke häufig in Form von modifizierter Stärke verwendet wird (siehe Verdickungsmittel). Stärke ist das wichtigste Verdickungsmittel in der Lebensmittelindustrie und wird z. B. in Fertiggerichten aller Art eingesetzt.

Verwendung in der Industrie und als Werkstoff

→ Hauptartikel: Stärke als nachwachsender Rohstoff

Die Verwendung als Kleber für Wellpappe stellt eine wichtige Verwendung von Stärke dar.

Stärke gehört vor allem in Form von Kartoffelstärke, Maisstärke und Weizenstärke, aufgrund seiner vielfältigen Anwendungen in der chemisch-technischen Industrie neben Holz und Zucker (Saccharose) zu den wichtigsten nachwachsenden Rohstoffen. Die Hauptanwendungsbereich für Stärke liegen dabei in der Herstellung von Papier und Wellpappen als Papierstärke sowie in der Fermentationsindustrie als fermentierbares Substrat zur Herstellung verschiedener Plattformchemikalien und Bioethanol als Biokraftstoff. In den USA stellt Maisstärke den Hauptrohstoff für Bioethanol dar. Nach Angaben der deutschen Bioethanolwirtschaft 2009 (BDB 2009) wird auch in Deutschland der größte Teil des Bioethanols aus stärkehaltigen Pflanzen, vor allem Weizen, gewonnen. In einigen anderen Ländern wird der Biokraftstoff vorwiegend aus Zucker gewonnen, beispielsweise in Brasilien aus dem Anbau von Zuckerrohr.

Stärke dient auch zum Beizen von Baumwolle, zur Färbung mit Anilinfarben, zum Leimen von Papier, sowie zum Verdicken von Farben in der Zeugdruckerei. Im Offsetdruck wird ein Stärkepuder-Luftgemisch, häufig aus Mais, mittels Puderapparaten auf die frisch bedruckte Oberfläche aufgetragen. Das Puder wirkt als Abstandhalter zwischen den übereinandergestapelten Papierbogen und fördert wegen der mit eingeschlossenen Luft das oxidative Trocknen der Druckfarbe.

Relativ neu ist der werkstoffliche Einsatz als Biokunststoff in Form der sogenannten thermoplastischen Stärke z. B. für kompostierbares Einweg-Geschirr und -Besteck oder als aufgeschäumtes Polstermaterial in Paketen (Stärke-Duroplast). In der Pharmazie verwendet man Stärke in der Tablettenherstellung, bei der sie als Füllstoff, Sprengmittel und Bindemittel dienen kann, sowie als Pudergrundlage.

Historisches

Stärke war bereits der Antike bekannt, nach Dioskurides wurde sie amylon genannt, weil sie nicht wie andere mehlartige Stoffe in Mühlen gewonnen wird. Nach Plinius wurde sie zuerst auf Chios aus Weizenmehl hergestellt. Über die Fortschritte der Fabrikation im Mittelalter weiß man wenig, nur so viel ist sicher, dass die Holländer im 16. Jahrhundert Stärke im großen Maßstab herstellten und bedeutende Mengen exportierten. Die Stärkeindustrie entwickelte sich vorwiegend als landwirtschaftliches Gewerbe. Mit einfachsten Vorrichtungen gewann man zwar nur eine mäßige Ausbeute, doch die Fortschritte in der Vervollkommnung der Maschinen und Apparate führten dann zu einer größeren Ausbeute, vor allem durch Einführung besonders konstruierter Zentrifugalmaschinen.

Die Spaltung der Stärke in Glucose entdeckte der Apotheker Constantin Kirchhoff.

Stärkefabrikanten

• AGRANA Stärke GmbH (Kartoffel + Maisstärke)
• AVEBE (Kartoffelstärke)
• Cerestar / Cargill (Mais-/Weizenstärke)
• Chamtor (Weizenstärke)
• Crespel & Deiters (Weizenstärke)
• Emsland Group (Kartoffelstärke)
• Jäckering Mühlen- und Nährmittelwerke GmbH (Weizenstärke)
• Kröner-Stärke / Hermann Kröner GmbH (Weizenstärke)
• Lyckeby (Kartoffelstärke)
• National Starch (Vorwiegend Maisstärke)
• Remy Industries (Reisstärke)
• Roquette Frères (Kartoffel-/Mais-/Weizen-/Erbsenstärke)
• Südstärke GmbH (Kartoffelstärke)
• Syral / Tereos (Mais-/Weizenstärke)

• Ehemalige Hoffmann’s Stärkefabriken in Bad Salzuflen (Kartoffel-, Reis- und Weizenstärke)
• Ehemalige Stärkefabrik R. Hundhausen in Hamm, später in Ahlen/Westf. (Weizenstärke)

Siehe auch

• Amflora
• Lösliche Stärke nach Zulkowsky
• Maissirup
• Native Stärke
• Physikalisch modifizierte Stärke
• Wäschestärke

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} Eintrag zu CAS-Nr. 9005-25-8 in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA (JavaScript erforderlich)
2. ↑ Fiche internationale de sécurité chimique, consultée le 10 juillet 2009
3. ↑ Starch bei ChemIDplus, consulté le 27 mai 2009
4. ↑ Reinhard Mattisek, Gabriele Steiner, Markus Fischer: Lebensmittelanalytik. 4. Auflage. Springer, Berlin 2010, ISBN 978-3-540-92205-6, doi:10.1007/978-3-540-92205-6. 
5. ↑ Artikel Starch und Starch, Composition. In: Hans Zoebelein (Hrsg.): Dictionary of Renewable Ressources. 2. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim und New York 1996; Seiten 265-266, 267. ISBN 3-527-30114-3.
6. ↑ ^{a b} Zahlen und Daten zur deutschen Stärkeindustrie. Angaben vom Fachverband der Stärke-Industrie e.V.
7. ↑ Ternes, Täufel, Tunger, Zobel: Lebensmittel-Lexikon. Behr’s Verlag, Hamburg 2005, ISBN 3-89947-165-2.

Literatur

• International Starch Institute (Hrsg.): Technical Memorandum on Production of Potato Starch. Link.
• Chulaporn Kamnerdpetch: Enzymatic Hydrolysis and Peptide Mapping of Potato Pulp Protein. Hannover 2006. Link.
• National Starch: Food starch technology. PDF, 1,4 MB
• Acrylamid – wie kommt es in Lebensmittel?. Link.