Stärke und Cellulose

Cellulose und Stärke – Chemie

Was haben wohl eine Kartoffel und die Tablette im Medizinschrank gemeinsam? Oder welche Gemeinsamkeit verbindet ein Taschentuch und ein Stück Holz? Sie bestehen aus Stärke bzw. Cellulose. Warum man diese Stoffe auch als Biopolymere bezeichnet und welche Eigenschaften sie haben, wollen wir im Folgenden klären.

Vorwissen
Du solltest bereits Vorkenntnisse über Kohlenhydrate in der Chemie haben. Außerdem solltest du die Begriffe Monosaccharide, Disaccharide und vielleicht auch Polysaccharide kennen und verstehen.

Cellulose und Stärke – Definition

Sowohl bei Stärke als auch bei Cellulose handelt es sich um Polysaccharide (Vielfachzucker) aus der Stoffgruppe der Kohlenhydrate. Sie setzen sich aus mehreren Einheiten von Monosacchariden – hier ist das strukturgebende Monosaccharid die Glucose – zusammen, die über glykosidische Bindungen miteinander verknüpft sind. Die allgemeine Summenformel für Cellulose und Stärke wird mit $\ce{(C6H10O5)_n}$ angegeben, wobei $n \geq 11$ ist. Analog zu den Kunststoffen bezeichnet man Stärke und Cellulose auch als Biopolymere.

Cellulose und Stärke – Strukturen

Doch was sind die strukturellen Unterschiede zwischen Stärke und Cellulose?
Beide bestehen aus dem Monomer D-Glucose. Betrachtet man die Glucose in der Haworth-Projektion, so fällt auf, dass die Hydroxygruppe ($\ce{-OH}$) am anomeren Kohlenstoffatom einmal nach oben und einmal nach unten gerichtet sein kann. Das anomere Kohlenstoffatom stellt ein sogenanntes Chiralitätszentrum dar. Nähere Erläuterung findest du im Video zur Chiralität und optischen Aktivität. Für die Struktur der Cellulose und der Stärke musst du dir so viel merken: Steht die Hydroxygruppe nach unten, spricht man von der $\alpha$-D-Glucose. Sie ist der Grundbaustein der Stärke. Steht die Hydroxygruppe nach oben, spricht man von der $\beta$-D-Glucose, dem Grundbaustein der Cellulose.

Abhängig von der Lage der Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoffatom unterscheidet sich auch die Verknüpfung der Glucosemoleküle untereinander. So herrscht im Makromolekül Cellulose eine $\beta$-glykosidische Verbindung zwischen den Glucosemolekülen. Wir finden hier lange unverzweigte Ketten vor.
Im kettenförmigen Bestandteil der Stärke, der Amylose, sind die $\alpha$-D-Glucosemoleküle über eine $\alpha$-1,4-glykosidische Verbindung verknüpft. Treten zusätzlich noch $\alpha$-1,6-glykosidische Verbindungen auf, handelt es sich um den verzweigten Teil der Stärke, das Amylopektin. Beide Varianten bauen gemeinsam zu unterschiedlichen Anteilen das Stärkemolekül auf. Die Zahlen in den Bindungsbezeichnungen sagen dir dabei, welche Kohlenstoffatome der Glucosebausteine jeweils miteinander verknüpft sind.

Cellulose und Stärke – Eigenschaften

Auch wenn Cellulose und Stärke aus den gleichen Grundbausteinen aufgebaut sind, so führt doch die unterschiedliche Lage der Hydroxygruppe ($\ce{-OH}$) am anomeren C-Atom zu unterschiedlichen Verknüpfungen der Glucoseeinheiten. Die strukturellen Unterschiede spiegeln sich demzufolge auch in den Eigenschaften wider. Betrachten wir zunächst die Eigenschaften von Cellulose:

• Geruchloses, weißes Pulver
• Unlöslich in organischen Lösungsmitteln
• Wasserunlöslich
• Dichte: $\rho\pu{=1,5 g//cm3}$

Im Gegensatz zur Cellulose handelt es sich bei Stärke nicht um ein homogenes Biopolymer. Es besteht hingegen aus den zwei Stoffen Amylose (20–30 %) und Amylopektin (70–80 %). Während es sich bei Amylose um ein langkettiges, unverzweigtes Molekül ähnlich dem der Cellulose handelt, zeichnet sich das Amylopektin durch zahlreiche Querverknüpfungen aus. Daher unterscheiden sich auch die Eigenschaften der Stärke teilweise von denen der Cellulose.

• Geruchloses, weißes Pulver
• Unlöslich in organischen Lösungsmitteln
• In kaltem Wasser unlöslich
• In heißem Wasser ($\geq \pu{60°C}$) teilweise löslich, Quellen der Stärke zu Stärkekleister
• Dichte: $\rho \pu{=1,5 g//cm3}$

Cellulose und Stärke – Abbau und Verwertung

Sowohl Stärke als auch Cellulose können durch spezifische Enzyme abgebaut werden. Der Mensch besitzt das Enzym Amylase, das im Zuge der Verdauung Stärke bis hin zur Glucose abbaut. Cellulose können wir Menschen nicht enzymatisch verwerten und scheiden diese unverdaut wieder aus. Im Gegensatz dazu können Wiederkäuer wie Kühe Cellulose durch das Enzym Cellulase abbauen. Cellulase wird jedoch nicht von den Wiederkäuern selbst, sondern von Mikroorganismen wie den Wimpertierchen produziert. Aber auch Pilze und Bakterien können Cellulase produzieren und somit Cellulose spalten.

In der Chemie lassen sich Cellulose und Stärke in Anwesenheit von Säuren in ihre Glucosemonomere spalten. Die Reaktion bezeichnet man als saure Hydrolyse.

Vorkommen und Anwendung von Cellulose und Stärke

Sicher fallen dir auf Anhieb einige Stoffe ein, die Stärke oder Cellulose enthalten. Im Folgenden sind einige Beispiele für das Vorkommen beider Biopolymere aufgeführt:

Stärke
Stärke findet man häufig in sogenannten Nutzpflanzen – Pflanzen, die wir für unsere Ernährung oder die Ernährung von Tieren benötigen. Dazu zählen beispielsweise Reis, Mais, Kartoffeln, Weizen und Roggen. Stärke wird aber auch in großen Mengen in der Lebensmittelindustrie verwendet – als Verdickungsmittel in Fertiggerichten, als Zutat in Back- und Süßwaren oder als Grundstoff zur Herstellung von Dextrose, auch als Traubenzucker bzw. Glucose bekannt. Auch in der Pharmazie und Kosmetik findet Stärke Anwendung als Bindemittel, Füllstoff oder Pudergrundlage, aber auch in Form von Biokunststoff.

Cellulose
Cellulose bildet den Hauptanteil der pflanzlichen Zellwände. Demzufolge ist sie Bestandteil von Holz, Baumwolle, Jute und Grundlage für die Herstellung von Papier. Futtercellulose wird in der Ernährung von Tieren eingesetzt. Beispielsweise wenn diese an erhöhten Blutzuckerwerten leiden. Cellophan ist chemisch modifizierte Cellulose und wird als Verpackungsmaterial eingesetzt.

Zusammenfassung – Cellulose und Stärke

In der folgenden Tabelle sind Stärke und Cellulose im Vergleich gegenübergestellt. So hast du Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Biopolymere schnell auf einen Blick parat.

Das Video Stärke und Cellulose kurz zusammengefasst

In diesem Video lernst du die Polysaccharide Stärke und Cellulose kennen. Ihre Strukturen, ihre Eigenschaften und ihre Vorkommen in der Natur werden dir genauer vorgestellt. Außerdem lernst du, wie Cellulose und Stärke abgebaut werden können. Dein neu gewonnenes Wissen kannst du anschließend mit interaktiven Übungen sowie einem Arbeitsblatt zum Herunterladen festigen.