Fette

Aufteilung der Fette – Beispiele

Wir können Fette nach ihrem Aggregatzustand, ihrer Herkunft und ihrer chemischen Beschaffenheit einteilen. Der Aggregatzustand von Fetten kann fest – z.B. Kokosbutter, Schmalz oder Talg – und flüssig – z.B. Sojabohnenöl, Olivenöl und Lebertran – sein. Auch der Aggregatzustand deutet auf eine weitere Unterteilung hin: feste Fette haben nur gesättigte Bindungen im Kohlenwasserstoffteil, während flüssige Fette auch ungesättigte Bindungen in der Struktur haben. Das Vorhandensein von Doppelbindungen beeinflusst die Biegung der Kohlenstoffkette, was wiederum die Konzentration der Moleküle und damit ihre Dichte verringert. Natürlich vorkommende ungesättigte Fette haben die Geometrie der -cis-Struktur, werden aber durch Wärmebehandlung in -trans-Isomere umgewandelt, die gesundheitsschädlich sind.   Die chemische Beschaffenheit von Fetten kann sich auch auf das Vorhandensein oder Fehlen bestimmter Bindungen in der Struktur beziehen. Gesättigte Fette haben nur gesättigte Bindungen, wie in Schmalz, Talg und Butter, während ungesättigte Fette in Sojabohnenöl, Olivenöl und Lebertran vorkommen. Eine dritte wichtige Unterteilung ist die nach der Herkunft – pflanzlich und tierisch.

Herkunft der Fette

Die am häufigsten vorkommenden Lipide sind tierische Fette und pflanzliche Öle. Trotz großer Unterschiede im Erscheinungsbild und im Aggregatzustand sind ihre Strukturen ähnlich.  Tierische Fette sind fest, wie z.B. Butter und Schmalz, während pflanzliche Öle flüssig sind, wie z.B. Maisöl oder Erdnussöl. Von der molekularen Struktur und Chemie her sind sowohl tierische als auch pflanzliche Fette Triacylglyceride (TAG) – Glyceroltriester (Glycerintriester) mit drei Molekülen langkettiger Carbonsäuren. Pflanzliche Fette sind in den größten Mengen in Samen und Fruchtfleisch enthalten, während tierische Fette vor allem in Fettzellen und -geweben zu finden sind. Neben den beiden Hauptfettquellen gibt es noch eine weitere Gruppe von Fetten, die künstlich synthetisiert werden.   Natürliche Fette sind insgesamt ein Gemisch aus vielen Estern, während die synthetischen Fette ausschließlich aus einer chemischen Verbindung bestehen.

Grundlegende physikalisch-chemische Eigenschaften von Fetten

Trotz des unterschiedlichen Aufbaus der Vertreter dieser vielfältigen Gruppe ist keiner von ihnen in Wasser löslich.  Stattdessen sind sie aufgrund ihrer unpolaren Struktur in gebräuchlichen organischen Lösungsmitteln wie Benzol, Diethylether, Chloroform oder Aceton löslich. In Verbindung mit Wasser bilden Fette Emulsionen, d.h. heterogene Gemische, in denen eine Flüssigkeit in einer anderen dispergiert ist.  Ihre Dichte ist geringer als die des Wassers, weshalb sie auf dessen Oberfläche schwimmen.  Das spezifische Gewicht liegt zwischen 0,910 und 0,996 g/cm3. Fette unterliegen dem Ranzigwerden, d h. der Bildung chemischer Verbindungen, wie z.B. Buttersäure, die für den Körper schädlich sind und einen unangenehmen Geschmack und Geruch haben. Die Umwandlung erfolgt unter aeroben Bedingungen, unter dem Einfluss von Temperatur und Bakterien. Unter normalen Bedingungen sind Fette, unabhängig von ihrem physikalischen Zustand, geruchs-, geschmacks- und farblose Stoffe mit neutraler Reaktion. Jeglicher Geschmack oder Geruch kann auf die verwendeten Zusatzstoffe oder Zersetzungsprodukte zurückzuführen sein. Fette sind nicht flüchtige und brennbare Substanzen mit einem Heizwert von etwa 38 J/g. Ihr Brennwert liegt bei etwa 39 kJ/g, so dass es sich um hochenergetische Reservematerialien handelt. Die Gewinnung von Fetten erfolgt durch eine Veresterungsreaktion, die direkt zwischen der Carbonsäure und einem Alkohol abläuft. Dies ist eine grundlegende Reaktion für einfache und komplexe Lipide, aber nicht für Isoprenoide. Die Veresterung findet immer in einem sauren Milieu statt und ist reversibel. Sie verläuft entsprechend der Reaktion:

R¹COOH + R²OH ↔ R¹COOR² + H₂O

Spezifische Fette

Aufgrund ihres strukturellen Aufbaus sind sie Ester aus dem Trihydroxyalkohol – Glycerol und verschiedenen Fettsäuren. Das Glycerolmolekül enthält drei veresterbare Hydroxylgruppen, so dass je nach den Bedingungen eine Reaktion zwischen einer, zwei oder drei Gruppen und der Fettsäure stattfindet. Die Produkte dieser Umwandlungen können Monoacylglycerole, Diacylglycerole und Triacylglycerole sein, die wiederum eine, zwei und drei Fettsäurereste enthalten. Alle Fette natürlichen Ursprungs sind Triacylglycerole, während synthetische Fette in der Regel Monoacylglycerole oder eventuell Diacylglycerole sind. Ein Beispiel für ein spezifisches Fett ist Glyceroltristearat, in dessen Molekül alle drei Hydroxylgruppen mit Stearinsäuremolekülen verestert sind.

Zusammengesetzte Fette

Sie sind Bestandteile der Zellmembranen und tragen zu deren reibungslosem Funktionieren bei. In der Regel dienen sie der Stoßdämpfung der inneren Organe und der Wärmeisolierung. Sie bestehen hauptsächlich aus drei Gruppen: Phospholipide, Glykolipide und Steroide. Sie zeichnen sich durch das Vorhandensein bestimmter Atome in den Molekülen aus. Phospholipide sind Derivate der Phosphatidsäure, Glykolipide enthalten Zucker in ihrer Struktur, und Steroide bestehen aus vier benachbarten aromatischen Ringen.

Einfache Fette vs. Mischfette

Aufgrund der Möglichkeit, dass in einem Triacylglycerol drei Säurereste vorhanden sind, kann die Struktur drei gleiche oder unterschiedliche Fettsäurereste enthalten. So unterscheidet man zwischen einfachen Triacylglycerolen, die identischen Säurereste enthalten, und gemischten Triacylglycerolen, die unterschiedlichen Säurereste aufweisen. In den meisten Fällen haben natürliche Fette mehrere verschiedene Säurereste und sind daher Mischfette. Daher haben sie ihre Isomerie – die Verteilung der verschiedenen Gruppen an verschiedenen Orten beeinflusst das gleichzeitige Vorhandensein von drei ihrer Positionsisomere in der Natur. Diese Tatsache macht die Kategorie der Fette in der Natur sehr umfangreich.

Hydrolyse von Fetten

Es sind zwei verschiedene Varianten der Fetthydrolysereaktion möglich.  Unter dem Einfluss von Wasser findet die saure Hydrolyse statt, während unter alkalischen Bedingungen die alkalische Hydrolyse erfolgt. Im Falle der sauren Hydrolyse sind die Produkte Glycerol und Fettsäuren. Die alkalische Hydrolyse wird auch als Verseifungsprozess bezeichnet. Bei der Reaktion entstehen Glycerol (Propan-1,2,3-Triol) und die Salze der Fettsäuren, aus deren Säureresten das umgesetzte Fett aufgebaut war. Die uns bekannten Seifen hingegen sind chemisch gesehen die Natrium- oder Kaliumsalze höherer Carbonsäuren und bestehen in der Regel aus einem Gemisch dieser Säuren, daher auch die andere Bezeichnung für die alkalische Hydrolyse von Fetten – die Verseifung. Die saure Hydrolyse von Fetten unterscheidet sich im Mechanismus nicht von der Hydrolyse von Estern. Der Prozess beginnt mit der Protonierung eines Carbonyl-Sauerstoffatoms, um das Molekül zu aktivieren, wodurch dann die nukleophile Addition eines Wassermoleküls erfolgt. Der nächste Schritt ist der Protonentransfer und die sukzessive Eliminierung des Alkoholmoleküls, wobei eine Carbonsäure entsteht. Der saure Katalysator wird in der letzten Stufe rekonstituiert.

Verseifung von Fetten

Der Mechanismus selbst folgt einem nukleophilen Substitutionsmechanismus, wobei das nukleophile Agens ein Hydroxidanion ist. Im ersten Schritt des Prozesses lagert es sich an das Kohlenstoffatom der Fettcarbonylgruppe an und verändert deren Form von trigonal (sp²-Hybridisierung) zu tetraedrisch (sp³). Anschließend wird ein Alkoxy-Ion aus dem Zwischenprodukt herausgelöst und eine Carbonsäure gebildet, die nach und nach ein Proton verliert und ein Carboxylat-Anion bildet. Das abgelöste Proton bindet sich an das Alkoxyl-Ion. Im letzten Schritt, nach Zugabe einer anorganischen Säurelösung, wird das Carboxylat-Ion protoniert oder das Natriumkation gebunden.

Nachweis der Anwesenheit von Fetten

1. Acrolein-Test

Es ermöglicht, Fett von fettigen Substanzen wie zum Beispiel Mineralöl zu unterscheiden. Dabei wird das Öl in einer Brennerflamme erhitzt und die Umwandlung kann zu Acroleindämpfen mit einem spezifischen Geruch führen. Acrolein oder Acrylaldehyd ist ein flüchtiges, ungesättigtes Produkt der Dehydratisierung von Glycerol. Neben dem Reizgeruch besitzt Aldehyd die Fähigkeit, Silberionen in einer alkalischen Umgebung zu reduzieren. Acrolein kommt häufig in verbranntem Öl vor, zum Beispiel beim Braten.

Bedeutung von Fetten in der Ernährung

In der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie werden Fette in großem Maßstab eingesetzt. Als Bestandteil der Ernährung sind sie ein wichtiges Element, da der Körper die fettlöslichen Vitamine, d.h. A, D, E, K benötigt. Darüber hinaus sind sie ein Energiespeicher und ein notwendiges Reagenz für viele Stoffwechselprozesse. Wesentlich bei der Ergänzung von ungesättigten Fettsäuren, die der Körper nicht selbst synthetisiert, sind vor allem Omega-3 und Omega-6. Sie sind für das reibungslose Funktionieren des Organismus unentbehrlich, unter anderem für den Transport von Cholesterin oder die Blutgerinnung. Dazu gehören α-Linolensäure (ALA), Eicosapentaensäure (EPA), Docosahexaensäure (DHA), Linolsäure (LA), Gammalinolensäure (GLA) und Arachidonsäure (AA, ARA). Jede von ihnen kann gewonnen werden, indem man die richtigen Fette in die Ernährung einführt.

Aushärtung von flüssigen Fetten

Die Reaktion, die unter anderem bei der Herstellung von Margarine und Frittierfetten eingesetzt wird, ist die Hydrierung von Fetten. Die in Pflanzenölen vorhandenen Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen können katalytisch reduziert werden. Am häufigsten, um Mischfette von geeigneter Konsistenz herzustellen, werden flüssige Öle wie Soja-, Kokos- und Baumwollsamenöl verwendet.