Stärke

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 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 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, wie wenn sie aus einachsigen Kristallnadeln zusammengesetzt wären.

Normalerweise wird Stärke mithilfe der Iod enthaltenden Lugolschen Lösung in einer Iodprobe nachgewiesen (zuerst Henri-François Gaultier de Claubry, Jean-Jacques Colin 1814). Es wird hierbei 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.

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.

Mit Stärke speichern Pflanzen 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 (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.

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.

Chinesische Wissenschaftler haben Stärke von 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.

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.

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. 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.

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.

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.

Der Hauptteil von Stärke und deren Produkte wird in der Lebensmittelindustrie bei der Herstellung von Süßwaren, Backwaren, Milchprodukten und insbesondere Getränken in Form von stärkebasierten Zuckerstoffen (vor allem Glucosesirup, Dextrose und Isoglucose) verwendet. Dieser Anteil beträgt nach Angaben des deutschen Fachverbandes der Stärke-Industrie derzeit 55 % der in Deutschland verfügbaren Menge von 1,9 Mio. Tonnen. Aufgrund der Eigenschaften der Stärke als modifizierbares Polymer sowie ihrer Zusammensetzung aus fermentierbaren Zuckereinheiten wird Stärke auch als nachwachsender Rohstoff in der chemisch-technischen Industrie vielfältig eingesetzt; der Verbrauch von Stärke und Stärkederivaten betrug 2007 in Deutschland nach Verbandsangaben 45 % und damit mehr als 850.000 t. Von der Menge gingen etwa 4,5 % in die chemische und die Fermentationsindustrie, 95,5 % wurden in der Papier- und Wellpappeproduktion eingesetzt. 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.

Im Gegensatz zu verbreiteten Vorstellungen einer Steinzeiternährung (Paläo-Diät) nutzten Menschen und deren Vorfahren wie Australopithecus bereits vor der Altsteinzeit mitunter stärkehaltige Pflanzenteile wie Hirsekörner. Der Beitrag der Stärke in der Ernährung wird als essentiell für die menschliche Evolution betrachtet. Als frühe Stärkelieferanten (vor 170.000 Jahren) gelten die Rhizome der afrikanischen Hypoxis angustifolia. Ein früher Nachweis der Stärkeverwendung aus Europa wird mit 30.000 Jahren datiert. Stärke wurde von Menschen aller Kontinente genutzt. Ein besonders alter Mahlstein (etwa 27.000 Jahre) stammt von der Fundstelle Cuddie Springs in Südost-Australien.

In der Antike wurde Stärke Dioskurides zufolge amylon genannt, weil sie nicht wie andere mehlartige Stoffe in Mühlen gewonnen wird. Nach Plinius dem Älteren wurde sie auf Chios aus Weizenmehl hergestellt.

Im Mittelalter wurde in den Niederlanden im 16. Jahrhundert Stärke in großem Maßstab hergestellt und bedeutende Mengen exportiert. Vereinzelte Anweisungen für die Herstellung von Stärke im 15. und 16. Jahrhundert sind in einer Wolfenbütteler Handschrift (Codex Guelferbytanus 16.17. Aug. 4°; nach 1415), in einem englischen Kochbuch des 15. Jahrhunderts und im Kochbuch von Balthasar Standl (1569) enthalten. 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. In Schleswig-Holstein wurde Stärke aus Getreide Amidam (von mittellateinisch amidum) genannt und nicht nur als Klebstoff, sondern beispielsweise auch als Haarpuder gebraucht. 1840 belief sich die Produktionsmenge der 20 vorhandenen schleswig-holsteinischen Amidam-Fabriken auf 180 Tonnen im Jahr. Das Lübecker Amidam galt im 18. und 19. Jahrhundert europaweit als besonderes Qualitätsprodukt.

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

• AGRANA Stärke (Stärke aus Kartoffel, Mais, Wachsmais und Weizen)
• AVEBE (Kartoffelstärke)
• Cargill (incl. Cerestar)
• Chamtor (Weizenstärke)
• Emsland Group (Kartoffelstärke / Erbsenstärke)
• Jäckering Mühlen- und Nährmittelwerke (Weizenstärke)
• Ingredion (ehem. National Starch und amerikanische Corn Products International (CPI))
• Roquette Frères (Kartoffel-/Mais-/Weizen-/Erbsenstärke)
• Tereos (Mais-/Weizenstärke)
• Tate & Lyle (Weizenstärke und Kartoffelstärke)

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