Stärke

mini|300px|Maisstärke-Körner bei 800-facher Vergrößerung mit Polarisationsfilter. Man sieht, dass Stärke optisch aktiv ist. mini|Ausschnitt aus einem Amylosepolymer mini|Ausschnitt aus einem Amylopektinpolymer

Stärke (lateinisch amylum; früher auch Amlung,Schweizerisches Idiotikon, Band IV, Spalte 218, Artikel Ammelenmëlw mit Anmerkung (Digitalisat). Amilum und Amidum sowie „Kraftmehl“Vgl. Wouter S. van den Berg (Hrsg.): Eene Middelnederlandsche vertaling van het Antidotarium Nicolaï (Ms. 15624–15641, Kon. Bibl. te Brussel) met den latijnschen tekst der eerste gedrukte uitgave van het Antidotarium Nicolaï. Hrsg. von Sophie J. van den Berg, N. V. Boekhandel en Drukkerij E. J. Brill, Leiden 1917, S. 199.Otto Beßler: Prinzipien der Drogenkunde im Mittelalter. Aussage und Inhalt des Circa instans und Mainzer Gart. Mathematisch-naturwissenschaftliche Habilitationsschrift, Halle an der Saale 1959, S. 156 („Amidum – amilum, krafft mele, […]“: „Weizenstärke (bzw. -mehl)“). genannt) ist eine organische Verbindung, ein Polysaccharid mit der Formel (C6H10O5)n, das aus α-D-Glucose-Einheiten besteht. Das Makromolekül zählt daher zu den Kohlenhydraten. Tierische Organismen, der menschliche Körper und Pilze verwenden Glycogen als Kohlenhydratspeicher. Stärke ist einer der wichtigsten Reservestoffe in pflanzlichen Zellen.

Natürliches Vorkommen

Stärke ist ein Produkt der Assimilation von Kohlenstoffdioxid (siehe Calvin-Zyklus). Im Normalfall liegt sie in der Pflanzenzelle in Form organisierter Stärkekörner vor, je nach Pflanzenart in unterschiedlicher Größe und Form. Sie können kugelig, oval, linsen- oder spindelförmig sein, mitunter (wie im Milchsaft der Euphorbiaceae) auch stabartig mit angeschwollenen Enden. Manchmal sind sie durch gegenseitigen Druck polyedrisch. Oft 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 glycosidische Bindungen miteinander verknüpft sind. Stärke besteht meist zu 20–30 % aus Amylose, linearen Ketten mit helikaler (Schrauben-)Struktur, die nur α-1,4-glycosidisch verknüpft sind, und 70–80 % aus Amylopektin, stark verzweigten Strukturen, mit α-1,6-glycosidischen und α-1,4-glycosidischen Verknüpfungen. Das Amylopektin der Stärke ist allerdings mit etwa einer α-1,6-glycosidischen Bindung nach etwa 30 α-1,4-glycosidischen Verknüpfungen weniger stark verzweigt als das des Glycogens (ca. 1 α-1,6-glycosidische pro 10 α-1,4-glycosidischen 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 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 Ethanol 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 der Iod enthaltenden Lugolschen Lösung in einer Iodprobe nachgewiesen (zuerst Henri-François Gaultier de Claubry, Jean-Jacques Colin 1814). Hierbei wird die in Stärke enthaltene Amylose mit einer charakteristischen Blaufärbung nachgewiesen. Die Blaufärbung entsteht in einer reversiblen Gleichgewichtsreaktion durch Einschluss von Iod in die wassergelöste Amylose. Bei geringen Konzentrationen (blasser Blaufärbung) gelingt es, durch Erwärmen das Gleichgewicht wieder auf die Seite der unkomplexierten farblosen Amylose zu verschieben. Vortrag November 2013, S. 5, Universität Regensburg.Beate Pfannemüller und Gerd Ziegast: Resonanz-Raman-Spektroskopie an Amylose-Iodkomplexen. In: Starch. 35, 7–11 (1983), doi:10.1002/star.19830350104.

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.

Stärke als pflanzlicher Speicherstoff

Rohstoffpflanze Stärkegehalt(in % der genutzten Pflanzenteile)Artikel Starch und Starch, Composition. In: Hans Zoebelein (Hrsg.): Dictionary of Renewable Ressources. 2. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim / New York 1996, S. 265–266, 267. ISBN 3-527-30114-3.Knollen-Stärken Kartoffel15Süßkartoffel13Maniok35Getreide-Stärken Gerste75Mais64Roggen72Sorghum74Reis89Triticale74Weizen74sonstige Erbse~65

mini|hochkant|Stärkekörner verschiedener Mehlfrüchte im Vergleich

Pflanzen und Grünalgen speichern mit Stärke 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 (sogn. 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, so 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.

Unter der Speicherstoffeigenschaft ist 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 Amyloplasten statt. Zuerst wird Glucose-1-phosphat durch ATP von dem Enzym Glucose-1-phosphat-Adenylyltransferase zu ADP-Glucose aktiviert. Danach addiert das Enzym Stärkesynthase die aktivierten ADP-Glucose-Monomere unter Abspaltung von ADP α-1,4-glycosidisch an die wachsende Amylosekette. Die α-1,6-glycosidischen Verzweigungen des Amylopektin werden anschließend vom Stärke-verzweigenden Enzym (1,4-α-Glucan-verzweigendes Enzym) erzeugt, indem sieben Glucosereste einer mindestens elf Reste langen α-1,4-glycosidischen Kette abgespalten und α-1,6-glycosidisch wieder an ein Glucosemolekül der Kette angefügt werden.

Synthese von Stärke im Labor

Chinesische Wissenschaftler haben Stärke aus CO₂ als Ausgangsprodukt synthetisiert, wie sie in einem Artikel in Science im September 2021 berichteten. CO₂ wurde in Methanol überführt, aus dem in weiteren Schritten Stärke synthetisiert wurde. Der chemische Reaktionsweg mit 11 Hauptreaktionen wurde durch „computergestütztes Pathwaydesign“ entworfen und wandelt CO₂ mit 8,5-mal höherer Geschwindigkeit als Stärkesynthese in Mais zu Stärke um. Falls das Verfahren in industriellem Maßstab angewandt werden kann, könnten die Treibhausgasemissionen, sowie der Land-, Pestizid- und Wasserverbrauch in der Produktion stärkehaltiger Produkte reduziert werden.

Stärkespaltung

Durch Enzyme (α-, β-Amylasen) kann Stärke gespalten werden. Dadurch entstehen Dextrine bzw. Disaccharide. 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 infolge natürlicher Amylase-Tätigkeit in der Regel jedoch eingedämmt werden, um die Backfähigkeit zu gewährleisten. Traditionell geschieht dies durch Säuerung der Teige.

Erhard Friedrich Leuchs entdeckte 1831 die stärkeabbauende Wirkung des Speichels.Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 36.

Verhalten beim Erhitzen (Verkleisterung) Stärke kann unter Wärmeeinwirkung 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. In kühler Umgebung 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 krebserregende Acrylamid.

Gewinnung

Stärke wurde in Europa früher meistens aus Kartoffeln oder Getreide gewonnen, heute ist Mais der dominierende Stärkelieferant. 1979 entfielen bei einer Weltproduktion von 13 Mio. Tonnen 76 % auf Mais, 15 % auf Kartoffeln, 4 % auf Maniok und 3 % auf Weizen.Walther Burchard: Polysaccharide. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-70099-6, S. 39 ().

International bedeutsam sind noch Reis (Bruchreis aus den Reisschälfabriken) und Maniok (Tapioka) als stärkeliefernde Pflanzen. In der japanischen Küche kommt zudem Kudzu (Kuzuko) und Japanischer Hundszahn (Katakuriko) zum Einsatz. Bei der industriellen Stärkegewinnung werden je nach Rohstoff verschiedene Technologien eingesetzt. Die Aufarbeitung des angelieferten Rohstoffes beginnt mit der Reinigung, setzt sich fort mit der Zerkleinerung und Auftrennung der Bestandteile (Stärke, Eiweiß und Fasern) und endet mit der Reinigung, Entwässerung und Trocknung der Stärke.Agrana Research & Innovation Center. Website der Stärkeforschung von Agrana

Historische Verfahren der Stärkeproduktion