Haus­ar­beit über Fette und Öle: Aufbau, Gesät­tigte und unge­sät­tigte Fett­säu­ren, Physi­ka­li­sche Eigen­schaf­ten, Reak­tio­nen, Fette in der Nahrung

Hausarbeit in Chemie

Fette und Öle

Gliederung

1. Einleitung

2. Aufbau von Fetten

3. Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren

3.1. Cis-/Trans-Fette

3.2. Nomenklatur

4. Physikalische Eigenschaften

5. Reaktionen

5.1. Synthese

5.2. Alkanische Hydrolyse (Verseifung)

5.2.1. Waschvorgang/Waschwirkung

5.3. Biodiesel-Herstellung (Umesterung)

5.4. Härtung

5.5. Kennzahlen

5.5.1. Iodzahl

5.5.2. Verseifungszahl

5.5.3. Säurezahl

5.5.4. Acroleinprobe

6. Fette in der Nahrung

7. Quellen

1. Einleitung

Fette bestehen ausschließlich aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Fette kann man unterschiedlich einordnen, beispielsweise in feste und flüssige Fette (=Öle). Man kann sie aber auch in Organ- und Depotfette einteilen, da sie als Energiereserven für Lebewesen dienen können. Fette sind mit einem Energieinhalt von 38,9 kJ (9,3 kcal) pro Gramm der wichtigste Energiespeicher für Menschen, Tiere und auch einige Pflanzen. In Pflanzen findet man Fette vornehmlich in Samen oder Keimen, im tierischen Organismus im Fettgewebe. Fette und fette Öle finden Verwendung als Nahrungsmittel (Speisefette und Speiseöle) und werden auch technisch zum Beispiel als Schmierstoff (Schmierfette, Schmieröle) eingesetzt.

2. Aufbau von Fetten

Fette sind Ester zwischen 3 Fettsäuren und Glycerol (Fettsäureglycerolester, Fettsäureglyceride). In den meisten natürlich vorkommenden Fetten findet man nur unverzweigte Fettsäuren mit gerader Anzahl von Kohlenstoffatomen. Bei natürlichen Fetten sind alle drei Hydroxygruppen des Glycerols verestert. Jedes natürliche Fett besteht aus einer Vielzahl verschiedener Triglyceride (oft als Glyceride bezeichnet), die an einem Glycerinrest verschiedene Säurereste enthalten. Die drei Fettsäurereste können also identisch, teilweise identisch oder unterschiedlich sein.

Da sich Wasser bildet, bleibt keines der ursprünglichen Stoffe (Fettsäuren und Glycerin) erhalten, sondern nur noch "Reste", die sich zu einem Molekül verbunden haben.

Glycerin + 3 Fettsäuren = Fett + Wasser

3. Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren

Gesättigte Fettsäuren haben keine Doppelbindung zwischen C-Atomen, womit sie eine homologe Reihe bilden, die die Summenformel C_nH_2n+1COOH. hat. Sie sind den Alkansäuren zuzuordnen.

Ungesättigte Fettsäuren haben immer mindesten eine Doppelbindung zwischen C-Atomen. Somit gehören sie zu den Alkensäuren. Es kann weiterhin von einfach ungesättigten und mehrfach ungesättigten Fettsäuren unterschieden werden.

Als Beispiel für einen gesättigten Fettsäurerest sieht man den blauen Rest ohne Doppelbindung zwischen C-Atomen, der grüne Rest mit nur einer Doppelbindung ist ungesättigt und der rote Rest ist mit drei (mehr als eine) Doppelbindung ein mehrfach ungesättigter Fettsäurerest.

3.1. Cis-/Trans-Fette

Cis- und Trans-Konfigurationen finden sich an Doppelbindungen zwischen Kohlenstoff-Atomen bei ungesättigten Fettsäuren. Bei Cis-Doppelbindungen sind die Wasserstoff-Atome auf beiden Seiten der Bindung auf der selben Seite, was zu einem Knick von etwa 30° in der Kohlenstoff-Kette verursacht. Dies führt dazu, dass der Schmelzpunkt des Fettes im Vergleich zur Trans-Bindung sinkt, weil die Van-der-Waals-Kräfte zu anderen Molekülen geschwächt wird.

Beispielsweise ist Ölsäure eine ungesättigte Cis-Fettsäure.

Bei Trans-Doppelbindungen finden sich diese Wasserstoff-Atome auf unterschiedlichen Seiten. Sobald mindestens eine Trans-Doppelbindung in einer Fettsäure vorhanden ist, spricht man von Trans-Fettsäuren.

Ein Beispiel für die Trans-Konfiguration ist die Elaidinsäure, eine ungesättigte Trans-Fettsäure.

3.2. Nomenklatur

Fettsäuren werden wie alle chemischen Moleküle eindeutig mit Hilfe der IUPAC-Nomenklatur bezeichnet. Da die ungesättigte Fettsäuren mit steigender Anzahl an Doppelbindungen immer komplexere Namen tragen, können Fettsäuren auch durch ihren Lipidnamen: "Anzahl der Kohlenstoffatome : Anzahl der Doppelbindungen" bezeichnet werden. Bei dieser Nomenklatur muss die Lage der Doppelbindungen exakt spezifiziert werden. Dieses wird durch den Zusatz "n-3" für Omega-3-, "n-6" für Omega-6- und "n-9" für Omega-9-Fettsäuren angegeben. Hierbei wird vom Omega-Ende , gegenüberliegend von der Carboxylgruppe, angefangen zu zählen. Genannt wird die erste Doppelbindung vom Omega-Ende.

In rot ist die Omega-Zählweise geschrieben, in blau die alternative Zählweise. Der Lipidname lautet dann „18:3 (ω-3)“ , nach IUPAC „9Z,12Z,15Z-Octadecatriensäure“.

Die ungesättigten Fettsäuren werden in Omega-3, Omega-6 und Omega-9 Fettsäuren unterteilt.

Einige der wichtigen Fettsäuren haben zusätzlich eine in der Wissenschaft anerkannte Abkürzungsnomenklatur.

Omega-3-Fettsäuren:

Omega-6-Fettsäuren:

Omega-9-Fettsäuren:

Gesättigte Fettsäuren besitzen keine Doppelbindungen, weshalb sie mit "Anzahl der Kohlenstoffatome : 0“ angegeben werden können.

4. Physikalische Eigenschaften

Die Physikalischen Eigenschaften von Fetten hängen von der Kettenlänge der Fettsäuren und der Anzahl der C=C-Doppelbindungen in ihnen ab.

Der Schmelzpunkt wird mit einem Schmelzbereich angegeben, da natürliche Fette unterschiedliche

Fettsäuren enthalten. Die Schmelztemperatur steigt, je länger die Fettsäureketten sind und je weniger Doppelbindungen sie beinhalten. Das liegt daran, dass es bei kurzen Fettsäuren nur geringe Van-der-Waals-Kräfte gibt und der Schmelzbereich somit niedriger wird. Bei ungesättigten Fettsäuren gibt es durch Doppelbindungen weniger Kontaktfläche zwischen den Fettmolekülen was ebenfalls geringe Van-der-Waals-Kräfte mit sich zieht und folglich der Schmelzbereich auch sinkt. Sichtbar wird dies dadurch, dass feste Produkte wie Butter einen hohen Anteil an langen und gesättigten Fettsäuren aufweisen, flüssige Öle hingegen beinhalten einfach und mehrfach ungesättigte Fettsäuren.

Zur Löslichkeit von Fetten Lässt sich sagen, dass sie hydrophob (wassermeidend) und lipophil (fettliebend) sind. Ersteres liegt daran, dass zwischen-molekulare Kräfte zwischen Wassermolekülen (Wasserstoffbrücken) stärker sind als zwischen-molekulare Kräfte zwischen Wassermolekülen und Fettmolekülen, somit lagern sich Wassermoleküle zusammen was dazu führt, dass Fette sich nicht in Wasser lösen.

Zwischen-molekulare Kräfte zwischen unpolaren Molekülen sind ähnlich stark wie zwischen-molekulare Kräfte zwischen unpolaren Molekülen und Fettmolekülen, somit können sich die Moleküle vermischen. Damit sind Fette in unpolaren Lösungsmitteln gut löslich und fettliebend.

Da Fette aufgrund schwächerer zwischen-molekularer Kräfte einen größeren Abstand zueinander haben als Wassermoleküle, haben sie eine geringere Dichte als Wasser, also schwimmt Fett auf Wasser.

5. Reaktionen

5.1. Synthese

Die Synthese von Fetten ist eine Veresterung, in der Glycerin zusammen mit 3 Carbonsäuren, die aus mindestens vier C-Atomen bestehen, ein Fettmolekül bildet. Der Reaktionsmechanismus der Veresterung sieht folgendermaßen aus:

Eine Fettsäure und befindet sich in der mesomeren Grenzform nach Zugabe von Wasserstoff:





Das Sauerstoffatom des Glycerin geht an das positive C-Atom der Fettsäure:

Das H-Atom am Sauerstoff des Glycerin wandert (intramolekulare Protonenumlagerung) an einen O-H-Rest und bildet mit ihm zusammen eine Abgangsgruppe → Wasser entfällt:

Das Wasserstoff-Atom geht wieder ab und das positive C-Atom wird mit der Doppelbindung zum Sauerstoff wieder neutral:

Am rot umkreisten R befindet sich der Rest des Glycerins, der mit seinen zwei weiteren Fettsäureresten jeweils eine solche Veresterung durchführt. Damit ist ein ganzes Fettmolekül aus Glycerin und 3 Fettsäuren hergestellt.

Allgemein sehen Fettmoleküle wie oben aus, das Glycerin (blau) ist dreifach verestert mit 3 Fettsäuren (R¹, R², R³).

5.2. Alkanische Hydrolyse (Verseifung)

Die alkanische Hydrolyse ist die Umwandlung von Fett durch die wässrige Lösung eines Hydroxids in Glycerin und Tenside. Der Reaktionsmechanismus sieht wie folgt aus:

Fett in seiner mesomeren Grenzform verbindet sich mit Hydroxid. Das Sauerstoff-Atom mit der Doppelbindung löst diese und wird negativ:

( R¹ ist der Rest der Glycerins, R² der Rest der Fettsäure)

Es entsteht eine Abgangsgruppe (das Glycerin) und das negative Sauerstoff-Atom geht wieder in die Doppelbindung:

Es entsteht zunächst die Fettsäure und ein Alkoholat des Glycerins. Dieses bekommt den Wasserstoff der Fettsäure:

Damit sind die Produkte Glycerin und drei Fettsäureanionen, Tenside.

5.2.1.Waschvorgang/Waschwirkung

Die Waschwirkung funktioniert durch Tenside, die in allen Waschmitteln, Spülmitteln und Haarwaschmitteln enthalten sind.

Struktur eines Anionischen Tensid-Moleküls

Tenside bewirken, dass zwei eigentlich nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Öl und Wasser, fein vermengt werden können. Ein Tensid besteht aus einem polaren Kopf, dem Säure'anion'-Rest, der hydrophil, also wasserliebend, ist und aus der unpolaren Kohlenstoffkette, die wassermeidend ist. Der Waschvorgang sieht folgendermaßen aus:

Nach der Ausbreitung von Tensiden (Benetzung) folgt die Anlagerung der Tensid-Anionen an Faser und Schmutz. Tenside sind hier die roten Köpfe (hydrophil) mit den schwarzen Strichen (hydrophob).

Das polare Wasser allein kann die unpolare Faser nicht benetzen. Die Tensid-Anionen fungieren als Bindeglied zwischen hydrophilem Wasser und hydrophober (unpolarer) Faser/Schmutz.

Die gleichsinnig (negativ) geladenen Tensid- Anionen stoßen sich ab. Der Schmutz wird gelockert und geteilt.

Micelle

Die negativen Ladungen der Tensid-Anionen stoßen sich ab. Es kommt zu einer Art Micellenbildung. Der Schmutz wird dabei von den Tensidmolekülen umschlossen.

Die Abstoßung gleichsinniger Ladungen führt zur Verteilung der Schmutzteilchen, eine erneute Anlagerung auf der Faser wird verhindert.

Nun kann der Schmutz abgespült werden.

5.3. Biodiesel-Herstellung (Umesterung)

Eine Umesterung ist eine chemische Reaktion, bei der ein Ester in einen anderen übergeführt wird. Bei der Umesterung wird der Alkoholrest eines Esters durch einen anderen Alkoholrest ersetzt.

Im Falle der Biodiesel-Herstellung wird das Glycerin (Tripropanol) durch Methanol ersetzt, es entsteht Biodiesel und Glycerin, wie die folgende Grafik zeigt.

Der Reaktionsmechanismus sieht folgendermaßen aus:

Als erstes wird Methanol mit einer Lauge als Katalysator zum Alkoholat und Wasser, danach greift das negative O des Alkoholats des Methanols das Kohlenstoff in der Esterverbindung an. Dabei löst sich die Doppelbindung vom Sauerstoff zu einer einfachen Bindung mit negativ geladenen Sauerstoff. Es bildet sich eine Abgangsgruppe: der Glycerin-Rest geht ab.

Es entstehen zwei Produkte: Drei Biodiesel-Moleküle und der Glycerin-Rest.

Nun spaltet sich wieder das am Anfang entstandene Wasser womit wieder Glycerin und der Katalysator entsteht.

5.4. Härtung

Fetthärtung ist ein Verfahren, bei dem fette Öle verfestigt werden. Dabei werden durch Hydrierung (unten erklärt) die Doppelbindungen der ungesättigten Fettsäuren-Reste mit Wasserstoff – in Gegenwart geeigneter Katalysatoren (Nickel) – abgesättigt. Aus den (mehrfach) ungesättigten Fettsäureglycerinestern (z. B. in Pflanzenölen) bilden sich Glycerinester gesättigter Fettsäuren. Dabei werden Öle in feste Fette verwandelt. Aus relativ preiswerten und leicht verfügbaren Pflanzenölen werden Produkte gewonnen, die bessere technische Eigenschaften als natürliche feste Fette wie Butter oder Schmalz aufweisen. Neben der Verfestigung (höherer Schmelzpunkt) wird eine bessere Lagerfähigkeit und ein erhöhter Rauchpunkt (niedrigster Temperaturpunkt, bei dem ein Fett anfängt zu dampfen) erreicht. Typische Lebensmittel, bei denen gehärtete Fette verwendet werden, sind Margarine, Fette zum Frittieren, viele Kekssorten und abgepackte Kuchen, Fertiggerichte und Brotaufstriche, wie Erdnussbutter. Gehärtete Fette werden auch zur Seifenherstellung verwendet.

Die Hydrierung:

Für jede Doppelbindung (mit Pfeilen markiert) in den Fettsäure-Resten benötigt es ein H₂-Molekül und einen nicht löslichen Katalysator wie Palladium, Platin, Iridium oder Nickel um sie in eine einfache Bindung zu verwandeln. Damit besitzt das Produkt einen höheren Schmelzpunkt, als das Edukt.

5.5. Kennzahlen

Fettkennzahlen, auch Fettkennziffern genannt, dienen der Qualitätskontrolle und Charakterisierung von Fetten und Ölen. Die Fettkennzahlen sind Ergebnisse von analytisch-chemischen Untersuchungen im Labor. Eine exakte analytische Bestimmung des Gehalts einzelner Glyceride ist schwierig und zeitraubend, da die einzelnen Fette und Öle meist aus einer großen Anzahl verschiedener Glyceride bestehen, die nur geringfügig unterschiedliche Strukturformeln aufweisen. Deshalb charakterisiert man in Industrie und Gewerbe Fette und Öle pragmatisch mit Fettkennzahlen.

5.5.1. Iodzahl

Die Iodzahl (IZ) ist eine Fettkennzahl zur Charakterisierung von Fetten und Ölen. Sie ist ein Maß für den Gehalt eines Fettes an ungesättigten Verbindungen – genauer: ungesättigte Fettsäurereste in den Glyceriden. Es ist die Menge in Gramm Iod, die formal an 100 g Fett addiert werden kann. Je mehr Doppelbindungen es in einem Fett gibt, desto mehr Iod kann formal addiert werden und desto höher ist somit die Iodzahl. Die Methode kann zur Identifizierung und Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Man klassifiziert Lipide anhand ihres Sättigungsgrades (Anzahl der im Fettmolekül vorkommenden Einfach- und Doppelbindungen), da dieser ausschlaggebend für das Altern („Trocknen“) bei der Lagerung ist. Beim Erhitzen von Fetten (z.B. beim Frittieren) nimmt die Jodzahl ab.

5.5.2. Verseifungszahl

Die Verseifungszahl (VZ) ist eine Kennzahl zur chemischen Charakterisierung von Fetten und Ölen. Sie wird zu deren Reinheitsprüfung und Qualitätskontrolle herangezogen. Die Verseifungszahl ist ein Maß für die in einem Gramm Fett gebundenen und frei vorkommenden Säuren. Sie gibt an, wie viel Kaliumhydroxid (in mg) notwendig ist, um die in 1 g Fett enthaltenen freien Säuren zu neutralisieren und die vorhandenen Esterbindungen zu spalten (Verseifung). Je kleiner die mittlere molare Masse eines Fettes ist (also je mehr kurzkettige Fettsäuren enthalten sind), desto größer ist die Verseifungszahl.

5.5.3. Säurezahl

Die Säurezahl (SZ) ist eine chemische Größe zur Charakterisierung von sauren Bestandteilen in Fetten. Sie bezeichnet die Masse an Kaliumhydroxid (in mg), die notwendig ist um die in 1 g Fett enthaltenen freien Fettsäuren zu neutralisieren. Neben Fettsäuren können auch eventuell vorliegende Mineralsäuren erfasst werden. Es werden jedoch nicht die als Glyceride gebundenen Säuren mit. Die ermittelten freien Fettsäuren geben Rückschluss auf Zersetzungsprozesse oder Vorbehandlung.

5.5.4. Acroleinprobe

Bei der Acroleinprobe wird Fett erhitzt, und die dabei entstehenden Gase in Bromlösung eingeleitet. Hierbei ist zu beobachten, dass sich die Bromlösung nach kurzer Zeit entfärbt. Durch das Erhitzen des Fettes tritt eine hydrolytische Spaltung des Fettes in Glycerol ein, aus dem unter Anwesenheit von KHSO₄ Acrolein entsteht (Propenol). Somit wird mit der Acroleinprobe Glycerin als Fettbestandteil nachgewiesen.

6. Fette in der Nahrung

Fett enthält pro Gramm doppelt so viel Energie wie die Kohlenhydrate, macht aber längst nicht so satt. Wegen ihres hohen Energiegehaltes werden die Fette im Körper für schlechte Zeiten in Depotfett umgewandelt. Diese Fettdepots werden aber nicht so schnell wieder angegriffen. Die tägliche Körperarbeit wird fast ausschließlich durch Kohlenhydrate abgedeckt. Erst wenn die mit der Nahrung aufgenommen Energiemengen nicht ausreichen beginnt die Fettverbrennung. Einige Fette müssen über die Nahrung zugeführt werden, weil der Körper sie nicht selber herstellen kann. Das sind die sogenannten essentiellen Fettsäuren. Fett dient als Transport- und Lösungsmittel für die fettlöslichen Vitamine A, D, E und K. Fett speichert Energie für besondere Belastungen.

Gesättigte Fettsäuren lassen die Menge an unerwünschtem, "schlechten" Cholesterin (LDL) in die Höhe klettern und gelten daher als ungesund. Einfach ungesättigte Fettsäuren senken dagegen das LDL-Cholesterin und können die Menge an "gutem" HDL-Cholesterin leicht anheben. Mehrfach ungesättigte Fettsäuren senken zwar ebenfalls das LDL-Cholesterin - dafür aber auch leicht das HDL-Cholesterin, wenn sie in größeren Mengen konsumiert werden. Außerdem begünstigen Sie den Umbau des LDL in andere schädliche Verbindungen. Essenzielle Fettsäuren sind lebenswichtig. Es zählen dazu die Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren. Sie senken den Blutfettspiegel, wirken der Bildung von Blutgerinnseln entgegen und verringern das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Neue Untersuchungen lassen vermuten, dass Omega-3-Fettsäuren vor Herzrhythmusstörungen schützen können. Trans-Fettsäuren entstehen beim Erhitzen mehrfach ungesättigter Fettsäuren. Sie erhöhen das LDL-Cholesterin, senken das HDL-Cholesterin. Fette sollten vor allem in Form von pflanzlichen Fetten bzw. Ölen aufgenommen werden. Grund ist deren günstige Fettsäure- zusammensetzung: Sie sind meist reich an ungesättigten Fettsäuren (Ausnahme z.B. Kokosfett). Besonders empfehlenswert sind etwa Raps- und Olivenöl sowie Walnuss- und Leinöl. Auch Avocados, Nüsse und Samen sind sehr gesunde Fettquellen. Die essenziellen Fettsäuren Linol- und Linolensäure findet man ebenfalls in verschiedenen Pflanzenölen. Linolsäure, der Hauptvertreter der Omega-6-Fettsäuren, ist reichlich enthalten in Sonnenblumen-, Maiskeim- und Sojaöl. Die Omega-3-Fettsäure Linolensäure kommt in Lein-, Walnuss- und Rapsöl in größeren Mengen vor, außerdem auch in Nüssen und fettreichen Fischsorten wie Lachs, Hering oder Makrele.

Speisefette unterscheiden sich zum Teil erheblich in ihrem Fettsäuremuster, also der Art und Menge der enthaltenen Fettsäuren. Nachfolgend die Zusammensetzung verschiedener Fette in Prozent:

7. Quellen