Lecithine

Vorkommen

Polare Lipide, besonders Phospholipide, sind wichtige Strukturbestandteile von biologischen Membranen und kommen in allen Lebewesen (Menschen, Tieren, Pflanzen und Algen) und in vielen Mikroorganismen vor. Die höchsten Lecithin-Konzentrationen finden sich in Leber, Gehirn, Lunge, Herz sowie Muskelgewebe. Auch in manchen Körperflüssigkeiten sind Phospholipide – vor allem im Blutplasma der Wirbeltiere – vorhanden. Phosphatidylcholin wird – wie auch Phosphatidylethanolamin – im Kennedy-Stoffwechselweg erzeugt.

Verfügbarkeit

Derzeit werden pro Jahr etwa 180.000 t Lecithin vorwiegend aus den Sojabohnen (2 % Lecithin-Gehalt), die in den USA, in Brasilien und Argentinien geerntet werden, hergestellt. Andere Soja-Produzenten, wie China, Indien, Paraguay oder Kanada, haben für die weltweite Lecithin-Gewinnung derzeit wenig Bedeutung. Der Anbau von Soja in Europa ist marginal. Mehr als 70 % der weltweiten Soja-Ernte stammt aus gentechnisch veränderten Soja-Pflanzen (Stand 2011). Neben Soja zählen, wenn auch in geringerem Umfang, Raps und Sonnenblumen als Rohstoffquellen. Eigelb, mit seinem hohen Anteil an Lecithin (ca. 10 %), kann den Markt wegen der beschränkten Verfügbarkeit kaum versorgen. Die relativ niedrigen Mengen gehen vor allem in die Pharmazie, Medizin und Kosmetik.

Physikalische Eigenschaften

Rohe vegetabilische Lecithine sind braune bis gelbliche Substanzen von plastischer und flüssiger Konsistenz. Die Farbe ist abhängig von der Herkunft der Saat, den Ernte- und Lagerbedingungen sowie den Verarbeitungsverfahren und -anlagen. Die Konsistenz wird durch den Ölgehalt, durch die Menge an freien Fettsäuren und den Feuchtigkeitsanteil bestimmt. Entölte Lecithine sind pulvrig bzw. granuliert. Gut gereinigte (raffinierte) Lecithine haben einen charakteristischen (bohnigen) bis neutralen Geruch und Geschmack. Grundsätzlich sind Lecithine, deren modifizierte Abkömmlinge und die fraktionierten Phospholipide löslich in Ölen und Fetten.

Lecithine sind hygroskopisch. An der Luft bilden sie klebrige, wachsartige Massen. Bei längerer Erwärmung über 70 °C verfärben sich Lecithine dunkelbraun bis schwarz. Grundsätzlich sind Lecithine, die verwandten Phospholipide und deren modifizierten Abkömmlinge löslich in Fetten und Ölen und dispergierbar in Wasser. In organischen Lösemitteln wie Chloroform oder Hexan sind Lecithine gut löslich. In Aceton sind sie hingegen unlöslich. Die Löslichkeit in Ethanol ist abhängig von der Kettenlänge und dem Sättigungsgrad der Fettsäuren. Bei niedrigem Sättigungsgrad geht die Ethanollöslichkeit des Phosphatidylcholins zurück. Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylinosit sind in Ethanol wenig bis unlöslich.

Chemische Struktur und Eigenschaften

Lecithine (Phosphatidylcholine) sind eine weit verbreitete Verbindungsgruppe, die zu der übergeordneten Gruppe der Phosphoglyceride zählt. Phosphoglyceride sind Verbindungen, die mit Glycerin und zwei Fettsäuren einen Dicarbonsäureester bilden. Dieser Teil der Phosphoglyceride entspricht dem Aufbau von gewöhnlichen Fetten. Die dritte OH-Gruppe des Glycerins bildet jedoch mit einem Phosphat-Ion einen Phosphorsäurediester; einerseits mit Glycerin und andererseits mit einer weiteren, nicht näher definierten funktionellen Gruppe X. Die Gruppe X ist im Fall der Lecithine Cholin. Cholin ist eine quartäre Ammoniumverbindung, trägt also eine positive Ladung und ist ein Kation. Die Phosphat-Gruppe liegt über einen breiten pH-Bereich als Anion vor, trägt also eine negative Ladung. Somit kann man Lecithine als Zwitterionen bzw. innere Salze auffassen. Lecithine haben keinen charakteristischen Schmelzpunkt, da die Verbindungen unterschiedliche Fettsäurezusammensetzung haben. Ungesättigte Fettsäuren wie Ölsäure oder Linolensäure sind bei Lecithinen recht häufig vertreten.

Der Aufbau dieser Verbindungen führt zu der Eigenschaft, als Tensid zu wirken: Ein Teil des Moleküls hat eine polare (hydrophile), ein anderer Teil eine apolare (hydrophobe) Eigenschaft. Sie sind somit amphiphil, können die Grenzflächenspannung zwischen unterschiedlichsten Substanzen (Phasen) herabsetzen und wirken als Emulgatoren oder Dispergiermittel. Sie erlauben daher das Mischen von eigentlich nicht mischbaren Flüssigkeiten wie Öl und Wasser und das Suspendieren von Partikeln in einer wässrigen Phase.

Analog können Lecithine Liposomen bilden, die als Modellvorstellung für die Entwicklung von Zellen dienen und in der Medizin als Transporthilfe von Wirkstoffen helfen können. Lecithine sind auch in der Lage, lamellare flüssigkristalline Phasen zu bilden, was von besonderem Interesse für die kosmetische Anwendung ist.

Lecithine sollten dicht verschlossen, vor Licht geschützt und nicht über 15 °C gelagert werden. Da es zu Oxidation mit molekularem Sauerstoff neigt (Autooxidation), können zur Stabilisierung Antioxidantien zugegeben werden.

Sojabohne als Rohstoff

Die Sojabohnen der Haupterzeugerländer stehen als nachwachsender Rohstoff ausreichend zur Verfügung (Ernte 2005: 214 Mio. t). Ausgereifte und sorgfältig gelagerte Bohnen sind für gute Lecithin-Qualitäten von großer Bedeutung. Die Bohnen müssen zunächst gereinigt, gebrochen und zu Plättchen gewalzt werden.

Zwischenprodukt Sojaöl

Die Bohnenplättchen (2–5 mm) werden in einer Extraktionsanlage im Gegenstrom mit Hexan extrahiert. Das dabei entstehende Gemisch (Miscella) wird destilliert und eingedampft und schließlich im Vakuum durch direktes Zuführen von Dampf vom Lösemittel befreit.

Das dabei entstandene Rohöl ist das Ausgangsprodukt für das Sojalecithin. Durch Dämpfung der Ölsaaten vor der Extraktion kann der Lecithingehalt des Rohöles um 50–100 % erhöht werden. Dabei sinkt dann der Anteil nicht hydratisierbarer Phospholipide im entschleimten Öl.

Rohlecithin

Das Rohöl, das als Begleitstoff etwa 2 % Lecithin enthält, wird in einem Quellbehälter auf 70–90 °C erwärmt und mit 1–4 % Wasser intensiv vermischt. Dabei quillt das Lecithin auf, fällt als gallertartige Masse aus und wird mit hochtourigen Spezial-Separatoren vom Rohöl abgetrennt. Diesem Lecithin-Nass-Schlamm – mit etwa 12 % Öl, 33 % Phospholipiden und 55 % Wasser – wird in einem Dünnschichtverdampfer das Wasser entzogen. Es entsteht ein Rohlecithin, das 60–70 % polare Lipide und 27–37 % Sojaöl enthält. Der Wasseranteil beträgt jetzt nur noch 0,5–1,5 %.

Die Hauptbestandteile der durch die Entschleimung des Öls gewonnenen Rohlecithine sind: Phospholipide (auch als Phosphatide bezeichnet), Triglyceride, Glykolipide und Kohlenhydrate. Nebenbestandteile: Sterine, freie Fettsäuren, Farbstoffe und eine Reihe anderer Verbindungen.

Neben der Entschleimung des Öls durch das Quellverfahren mit Wasser gibt es die Entschleimung mit Säuren (Super Degumming) und ein Entschleimungsprozess mit dem Enzym Phospholipase A2. Hierbei werden besonders auch die sonst nicht oder nur schwer erfassbaren sogenannten nicht hydratisierbaren Phospholipide gefällt.

Aufbereitung und chemische Modifizierung

Für viele Anwendungen kann Lecithin in seiner ursprünglichen Form genutzt werden. Vielfach ist es aber sinnvoll, natives (ursprüngliches) Lecithin zu entölen, zu fraktionieren oder zu modifizieren, um für besondere Anwendungen spezifische Lecithine zu erhalten:

• Die Entölung dient zur Herstellung pulverförmiger oder granulierter „Reinlecithine“, indem das Öl und die freien Fettsäuren aus dem nativen Lecithin entfernt werden. Sie sind geschmacksneutral, gut dosierbar, besitzen eine hohe Phospholipidkonzentration und haben verbesserte O/W-Emulgiereigenschaften.
• Fraktionierung bedeutet die Auftrennung des Lecithinkomplexes in eine alkohollösliche und eine alkoholunlösliche Komponente. Aus der alkohollöslichen Fraktion kann durch ein chromatografisches Verfahren eine weitere Aufteilung in zwei Fraktionen mit spezifischen Eigenschaften erfolgen.
• Die Modifizierung beruht auf der Abtrennung eines Fettsäuremoleküls aus dem Phospholipidmolekül. Dies geschieht mit Hilfe der Phospholipase A2. Man nennt den Vorgang enzymatische Hydrolyse. Das dadurch entstandene „Lysolecithin“ ist besonders hydrophil, wodurch die O/W-Emulgiereigenschaften verstärkt werden und die Calciumionenverträglichkeit erhöht wird.
• Die Acetylierung, eine andere Form der Modifizierung, verändert das Phosphatidylethanolamin, indem an die Aminogruppe ein Essigsäurerest angelagert wird. Dadurch wird das entstandene Lysolecithin besonders hydrophil.
• Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Emulgieraktivität der Lecithine ist die Hydroxylierung der im Phospholipidmolekül gebundenen ein- und mehrfach ungesättigten Fettsäuren. Diese erfolgt durch die Umsetzung mit Wasserstoffperoxid.

Lebensmittel

• Brot und Backwaren
• Margarine
• Schokolade und Schokoladenüberzug
• Instantgetränk

Die größte Menge von industriell erzeugtem Lecithin, vorwiegend aus Sojabohnen, geht in die Lebensmittelwirtschaft. Zunächst war Pflanzen-Lecithin ein Ersatz für Ei-Lecithin. Längst gilt es aber als gleichwertig, teilweise sogar als überlegen. Einen festen Platz hat es als Emulgator und Dispersionsmittel, sowohl für hydrophile Stoffe in öligen und hydrophobe in wässrigen Medien als auch als Stabilisator von Grenzflächen in gasförmig/wässrigen und gasförmig/festen Nahrungsmittelsystemen. Sojalecithin aus gentechnisch veränderten Pflanzen ist in der Regel nicht nachweisbar, da es aufgrund des Herstellungsprozesses keine DNA aus der Pflanze mehr enthält. Lecithin aus gentechnisch veränderten Pflanzen ist kennzeichnungspflichtig.

• Lecithin in Brot- und Backwaren: Lecithine sind vor allem wichtige Hilfsstoffe bei Backprozessen. Sie erleichtern das Aufschlagen fetthaltiger Teige und ermöglichen die Verwendung kleberarmer Teige. Die höhere Volumensausbeute, feinere Porung und knusprigere Kruste, die erzielt werden können, kommt besonders der Brötchenherstellung zugute. Die Fähigkeit des Lecithins, das Altbackenwerden von Brot- und Backwaren zu verzögern, ist besonders bedeutsam. Dem Teig wird 0,1–0,3 % reines Lecithin zugesetzt. Kommerzielles Lecithinpulver besteht aus 50–95 % Mehl, diese Verdünnung erleichtert die Dosierung kleiner Mengen.

• Lecithin bei der Herstellung von Margarine: Anfangs hatte Margarine gegenüber der Butter den Nachteil des Spritzens beim Ausbraten sowie das feste Anhaften des Milchcaseins, das unter Geruchsbelästigung verbrannte. Um das zu verhindern, wurde zunächst Lecithin aus Eigelb als Emulgator eingesetzt. Die Probleme ließen sich aber erst mit geschmacksneutralem Sojalecithin wirtschaftlich lösen. Neue Verfahrenstechniken und Rezepturen sorgten für eine wesentliche Qualitätssteigerung, die aber zur Abkehr vom nativen Sojalecithin hin zu speziellen Lecithinfraktionen führten. Damit konnte dann auch eine bessere Oxidationsbeständigkeit und Stabilisierung erzielt werden. Eine gute Antispritzwirkung bei Halbfettmargarine (40 % Fett und 60 % Wasser) lässt sich mit Lecithin-Zusatz allein nicht erreichen. Dies gelingt nur in Verbindung mit grenzflächenaktiven Substanzen, wie Sojaproteinkonzentraten.
• Lecithin in Schokolade: Wie fast überall hat auch hier Lecithin eine Doppelfunktion: eine Qualitätssteigerung der Schokolade und eine Reihe von Vorteilen bei der Herstellung. Um in der Schokoladenherstellung die richtige Konsistenz zu erzielen und das typische Aroma zu erreichen, muss die Masse mehrere Stunden in der Conche gerührt werden. Durch den Einsatz von Lecithin wird dabei die Viskosität herabgesetzt, die Bearbeitungszeit verkürzt und Kakaobutter eingespart. Aber auch die Eigenschaften werden günstig beeinflusst. Die Schokolade wird widerstandsfähiger gegenüber erhöhten Temperaturen, die Haltbarkeit verlängert, der Glanz der Oberfläche erhöht und ein vorzeitiges Vergrauen vermindert. Die Industrie verwendet fast ausschließlich Sojalecithine, aber auch Lecithine aus Raps- und Sonnenblumensaaten werden eingesetzt. Synthetische Lecithine und Lecithin-Kombinationen können sich bei der Produktion als vorteilhaft erweisen. Das Gleiche gilt beim Einsatz von Lecithinfraktionen, die eine bessere Verflüssigung der Schokolade beim Conchieren zulassen als native Lecithine.
• Lecithin in Instant-Lebensmitteln: Pflanzenlecithine haben sich bei der Instantisierung von Kakao- und Kaffeepulver bewährt. Aber besonders effektiv lassen sie sich bei Voll- und Magermilchpulver einsetzen. Darüber hinaus dienen sie als Dispergiermittel in Sojaproteinerzeugnissen, Kartoffelstärke und Trockensuppen.
• Lecithin in Speiseeis: Industriell hergestelltem Speiseeis werden häufig Hilfsstoffe wie Bindemittel, Emulgatoren, Stabilisatoren, pflanzliche Fette sowie Aroma- und Farbstoffe zugesetzt. Als natürlicher Emulgator wird oft das in Eigelb vorkommende Lecitin eingesetzt. Mit seiner Hilfe wird eine feinste Verteilung der Fetttröpfchen im Wasser erreicht, ein Aufrahmen, also die Trennung des Fetts vom Wasser, verhindert. Vor allem tiefgekühlte Desserts wie Eiscreme oder Sorbets enthalten besonders viel Emulgatoren.
• In Kaugummi wird Lecithin zu 0,3 % eingesetzt.

Medizin

Lecithin ist beim Menschen in der Dickdarmschleimhaut vorhanden und schützt diese vor Nahrungsbestandteilen und Darmbakterien. Bei Colitis-Ulcerosa-Patienten kommt Lecithin dort in geringerer Menge als bei Gesunden vor. Es wird angenommen, dass eine externe Zufuhr von Lecithin diesem Mangel an Ort und Stelle entgegenwirken könne. Da Magensäure Lecithin zu spalten vermag, sind magensaftresistente Formulierungen (z. B. magensaftresistenter Überzug, Mikroverkapselung) erforderlich, um einem Abbau entgegenzuwirken. Eine klinische Studie mit einem solchen Präparat wurde in der Phase 3 abgebrochen, nachdem sich im Vergleich zu Placebo keine Wirksamkeit abzeichnete.

Futtermittel

• Kälber und Rinder: In Futtermitteln für Rinder hat Lecithin vornehmlich eine technologische Bedeutung. Lecithin verhindert z. B. bei der Herstellung mehlförmiger Kraftfuttermischungen die Staubbildung. Gleichzeitig sinkt die Gefahr von Staubexplosionen bei der Produktion. Es verzögert durch seine Emulgierfähigkeit das Aufrahmen des Fettes und die Sedimentation unlöslicher Bestandteile in der Tränke. Bei den Jungtieren allerdings stehen die physiologischen Aspekte eher im Vordergrund. So werden bei Kälbermilchaustauschern, bei denen die Kuhmilch durch Magermilch ersetzt und mit milchfremden Fetten und Proteinen angereichert werden, sehr gute – der Kuhmilch mindestens vergleichbare – Fütterungsergebnisse erzielt.

• Schweine: Bei künstlicher Sauenmilch, die häufig bei der Ferkelaufzucht notwendig wird, hat der Einsatz von Lecithin etwa die gleiche Bedeutung wie bei Kälbermilchaustauschern. Die Zugabe von Lecithin im Mastfutter bewirkt eine wesentlich bessere Fettverwertung, so dass sich die Mastzeit in der Regel verringern lässt.
• Hühner: Ein schnelleres Wachstum und eine vermehrte Vitamin-A-Speicherung in der Leber ließen sich bei Küken, wenn diese mit dem Futter Lecithin aufnahmen, nachweisen. Das Fettlebersyndrom, das seit 1956 in Deutschland beschrieben wird, wird durch die Zugabe von Lecithin – mit seinem hohen Anteil an Cholin und Inosit – im Legehennen-Futter günstig beeinflusst. Die Psoriasis trat ebenfalls nicht mehr auf. Ebenso kann die Legeleistung und das Ei-Gewicht von Hybriden erhöht werden.
• Aquakultur: In der Zucht von Forellen und Salmoniden führt die Unverdaulichkeit von Fetten zu Problemen und zu einer erhöhten Todesrate. Auch Seetier-Öle bewirkten Leber- und Nierenschäden und Depigmentierungen, so dass Forellen lange Zeit fettfrei gefüttert wurden. Lecithine sowie Geflügelfett allerdings haben einen günstigen Einfluss auf die Gesundheit und das Wachstum der Fische. Die Linol- und Linolensäure und das Cholin des Lecithins fördern das Wachstum und erhöhen die Futterverwertung. Nieren- und Darmblutungen sowie das Fettlebersyndrom lassen sich vermeiden. Die Verwendung von Lecithin in der Aquakultur gewinnt zunehmend an Bedeutung, wie etwa bei der Zucht von Krusten- und Schalentieren und Meeresfrüchten.
• Pelztiere: Zuerst vermutete man nur, dass die Verfütterung von Lecithin, z. B. bei Kaninchen und Nerzen, sinnvoll sein könnte, um Lebererkrankungen vorzubeugen – besonders während der Trächtigkeit. Spätere Fütterungsversuche bewiesen es. Das Wachstum ist zügiger, die Pelze der Jungnerze werden größer und von besserer Qualität. Die Fettleber ist bei Nerzen weit verbreitet. Das liegt einerseits an einer meist einseitigen Ernährung, aber auch an fehlenden Substanzen wie sie im Lecithin vorhanden sind und sich beim Leberstoffwechsel bewährt haben.

Kosmetik

Phospholipide sind rückfettend. So verhindern sie bei normaler und besonders bei trockener Haut das Austrocknen nach dem Waschen. Diese Eigenschaft wird auch in Haarwaschmitteln genutzt. Sie regulieren den pH-Wert der Haut und unterstützen den natürlichen Schutzmantel gegen aggressive Umwelteinflüsse. Ihr hoher Gehalt an Linol- und Linolensäure wirkt bei Hautkrankheiten positiv. Relativ jung ist die Anwendung der Phospholipide zur Herstellung kugelförmiger Vesikel, den Liposomen. Die Kugeln sind durch Lipiddoppelmembranen aus Phospholipiden begrenzt. In ihrem Innern enthalten sie eine wässrige Phase, in der spezielle Wirkstoffe gelöst sind, die auf diese Weise leichter in die Haut eingeschleust werden können. In Kosmetikartikeln wird es in der Liste der Inhaltsstoffe als LECITHIN (INCI) aufgeführt.

Pflanzenschutzmittel und Insektizide

Pflanzenschutzmittel enthalten neben den Wirkstoffen Lösungsmittel und Emulgatoren und eventuell noch andere Hilfsstoffe. Ist Lecithin der Emulgator, reduziert er den bioziden Wirkstoffanteil bei gleichzeitiger Erhöhung der Wirksamkeit des verbleibenden Wirkstoffgehaltes. Die wässrige Emulsion bleibt beständig und ermöglicht eine bessere Verteilung der Wirkstoffe.

Als physisch wirksames Insektizid wird Lecithin auch zur Bekämpfung von Larven und Puppen von Stechmücken eingesetzt. Lecithin bildet einen besonders dünnen Film auf der Wasseroberfläche, wodurch das Anheften der aquatischen Entwicklungsstadien der Stechmücken mit ihren Atemorganen verhindert wird. Diese sterben aufgrund von Sauerstoffmangel ab, ohne dass dadurch andere Organismen geschädigt werden.

Weitere Anwendungen

Weiter wichtige Anwendungsbereiche sind:

• die Bauindustrie,
• die Behandlung von Bauholz,
• der Einsatz bei Chemiefasern,
• Bekleidungs- und Handschuhleder,
• Lederpflegemittel,
• beim Schmälzen von Wolle,
• Färben oder Bedrucken von Geweben,
• im Kohletransport durch Rohrleitungen, sowie
• in Farben und Lacken.