Bunte Chemie

Kommen wir mal wieder zur Chemie. Und zwar einem Aspekt der Chemie ohne den unser Alltag um einiges trister und im wörtlichen Sinn grau wäre: Farben !

Von den Buntstiften unseres Nachwuchses, über den Lack auf unserem Auto, der der Bemalung der Porzellantasse aus der wir jeden Morgen unseren Kaffee schlürfen, bis hin zu Farbstoff im Essen (weniger schön, wenn dieser synthetisch und künstlich zugesetzt ist). „Doch Halt !“, mag das da Mancher argumentieren, „Sind nicht auch die Blumen auf der Wiese oder z.B. die Flügel des Schmetterlings schön bunt und farbenfroh?“. „Völlig richtig“, antwortet da der Chemiker, „aber wir wollen auch nicht vergessen, dass Mutter Natur eine sehr begabte Chemikerin ist !“.

Warum ist Farbe bunt ?

Alle Farbe steckt im Licht. Klingt erst einmal ziemlich esoterisch, aber im Dunkeln ist bestenfalls gut munkeln, aber ohne Licht sieht man nun mal nichts. Guckt man sich das Sonnenlicht an einem klaren Sommertag an, dann erscheint es farblos. Betrachtet man es jedoch durch ein Prisma, dann sieht man, dass das weiße Licht aus mehreren farbigen Komponenten zusammen gesetzt ist oder präziser ausgedrückt: das weiße Licht (polychromatisch = vielfarbig) ist eine Überlagerung von Licht mehrerer Wellenlängen. Licht einer einzigen Wellenlänge (monochromatisch), wie z.B. 450 nm ist zum Beispiel blau-violett, während solches mit der Wellenlänge 600 nm rot-orange ist.

Absorption !

Kommen wir nun zu den Farbstoffen. Wir können einen Gegenstand sehen, wenn Licht auf ihn fällt und er dieses zu uns reflektiert. Werden alle Wellenlängen reflektiert, erscheint der Gegenstand weiß. Absorbiert der Gegenstand jedoch bestimmte Wellenlängen, d.h. entfernt er diese aus dem reflektierten Licht, nehmen wir ihn als farbig wahr. Fällt das Licht z.B. auf einen roten Apfel, schluckt dieser die blauen und grünen Anteile und wir sehen die Farbe Rot, also die Komplementärfarbe zu Blau-Grün. In der Regel ist dieses rote Licht aber trotzdem nicht monochromatisch, sondern enthält immer noch eine Kombination zahlreicher Wellenlängen, erscheint uns aber aufgrund des Nichtvorhandenseins der Komplementärfarben trotzdem rot. Man spricht hier auch von subtraktiver Farbmischung, weil bestimmte Farben aus dem Licht abgezogen, sprich subtrahiert werden.

Elektromagnetische Strahlung von Radiowellen bis zur Gamma-Strahlung – in der Mitte: sichtbares Licht !

Jetzt wird’s physikalisch

Damit ein Stoff Licht absorbieren kann, benötigt er einen Chromophor (griechisch χρῶμα chrṓma ,Farbe‘, φορός phorós ‚tragend‘). Dies ist ein strukturelles Element mit delokalisierbaren pi-Elektronen, oder einfacher ausgedrückt mit „beweglichen“ Elektronen, die man durch Zuführung von Energie aus ihrem Grundzustand in ein energetisch angeregten Zustand heben kann. Je größer die Lücke zwischen diesen Zuständen ist, die überbrückt werden muss, desto mehr Energie in Form von Licht ist notwendig. Am energiereichsten ist blaues Licht (kurze Wellenlänge), während rotes Licht (große Wellenlänge) am anderen Ende der Energieskala liegt. Dabei wird immer nur die Wellenlänge absorbiert, deren Energie der Lücke zwischen den Zuständen des Chromophors entspricht. Ergo: Der Farbstoff absorbiert nur ganz bestimmte Wellenlängen aus dem polychromatischen Licht und es entsteht ein ganz bestimmter Farbeindruck. Besonders ausgedehnt ist der Chromophor im Graphit, welches eine Blätterteig-artige Struktur aus mehreren Lagen eines aus Benzolringen aufgebauten Wabenmusters ist. Hier sind die Elektronen besonders stark delokalisiert, weswegen ein sehr breites Spektrum an Wellenlängen absorbiert wird. Graphit ist deswegen schwarz.

Natürlich behält das angeregte Elektron nicht die Energie, sondern gibt diese nach kurzer Zeit wieder ab (ansonsten wäre die Fähigkeit zur Absorption irgendwann erschöpft und unser Farbstoff irgendwann nicht mehr farbig). Die Energie wird in den meisten Fällen in Wärme umgewandelt, kann bei besonderen Farbstoffen aber auch auf anderen Wegen, z.B. durch Aussenden von farbigem Licht wieder abgegeben werden. Dies kennen wir z.B. von Banknoten, die wenn wir sie mit UV-Licht bestrahlen fluoreszieren oder von den beliebten Leuchtsternen, die, einmal mit Licht „aufgeladen“ gelb-grün an der Kinderzimmerdecke leuchten (Phosphoreszenz).

Tintenblau und weißer Killer

Bleiben wir bei organischen Farbstoffen und dort bei einem besonders bekannten Beispiel: der blauen Tinte aus dem Füllfederhalter, die vermutlich jeder einmal beim Schreibenlernen in der Grundschule benutzt hat (bevor man später zu Kuli und/oder Finelinerstiften umgestiegen ist). Hier kommt z.B. der Farbstoff Wasserblau zum Einsatz, der nicht nur schön blau und relativ ungiftig ist, sondern auch wasserlöslich.

Wasserblau - mit und ohne Tintenkiller
Wasserblau – mit und ohne Tintenkiller

Sehr zur Freude vieler Grundschüler besitzen nun dieser Triphenylmethan-Farbstoff den Vorzug, dass man ihn mit einem Tintenkiller bearbeiten kann, wodurch das Geschriebene unsichtbar wird. Hässliche Tintenkleckse und Schreibfehler können so diskret kaschiert werden.

Diese bereits im Kaiserreich unter dem Namen Radierwasser auf den Markt gekommenen Präparate funktionieren dadurch, dass an das zentrale Kohlenstoffatom eine OH-Gruppe oder eine Sulfitgruppe angelagert wird, wodurch die für den Chromophor notwendige Kette von Doppelbindungen unterbrochen wird und der Farbstoff farblos wird.

Doch Obacht ! Das Geschriebene verschwindet nicht, sondern wird nur unsichtbar ! So lässt sich das vermeintlich Gelöschte durch Salzsäure- oder Essigdampf, sprich durch Einwirkung einer Säure wieder zum Vorschein bringen, indem der ursprüngliche Farbstoff regeneriert wird. Auch ein jahrelanges Liegen an Luft kann durch Oxidation die Schrift zumindest teilweise wieder sichtbar machen.

Dies geht natürlich nicht nur mit blauer Tinte: Prinzipiell geht dies auch mit anderen geeigneten Triphenylmethan-Farbstoffen. Ein Beispiel, dass ich aus eigener Anschauung aus meiner Kindheit her kenne sind die Malmäuse und der Löschkater:

Malmäuse - Ein Hoch auf die 80er
Malmäuse – Ein Hoch auf die 80er

Elf farbige Filzstiftmäuse, die von ihrem Antagonisten dem weißen Löschkater getilgt werden. Leider betrachtete meine Mutter die enthaltenen Chemikalien mit einer gehörigen Portion Argwohn, weswegen der Löschkater, der faszinierendste Teil des Sets, leider unter Verschluss blieb.

Geheime Botschaften

Hier sind wir dann auch nicht mehr weit von Geheimtinten entfernt, also Tinten, die im getrockneten Zustand farblos sind und erst durch Behandlung mit einem Reagenz wieder sichtbar werden. Nimmt man zum Beispiel die farblose Form des pH-Indikators Phenolphthalein zum Schreiben und bedampft das Schriftstück später mit Ammoniak, tritt die Schrift violett hervor. Alternativ kann man auch seine Nachricht mit einer schwachen Säure auf Papier schreiben. Erwärmt man den Brief dann später, beginnt das Papier sich an der beschrifteten Stelle zu zersetzen und färbt sich braun. Ein beliebter Versuch für Kinder benutzt hierfür z.B. Zitronensaft und ein Bügeleisen.

Da sich solche Tinten ausgezeichnet für den diskreten Versand von pikanten Liebesbriefen eignen, bürgerte sich auch der Begriff „sympathetische Tinte“ (von griech. Sympatheia „Zuneigung“) ein. Der römische Dichter Ovid empfahl hierfür auch die Benutzung von Milch, die sich durch Bestäuben mit Ruß wieder sichtbar machen lassen sollte. Einen ähnlichen Verwendungszweck hatten sogenannte Damentinten: Hier war die Nachricht zunächst offen lesbar, verblasste aber mit der Zeit durch offenen Zutritt von Luft. Also ideal um dem Liebhaber zu schreiben, ohne für den Vormund oder den gehörnte Ehemann später verfängliche Schriftstücke zu hinterlassen. Also eine frühe Form des heute benutzten Snapchats.

Bunte Tinte ? Nicht für Jedermann !

Warum sich bei der Tinte letztendlich der Farbton Blau durchgesetzt hat, ist durch einfache Google-Recherche nicht ganz zu klären, wenn auch sich diverse Hinweise finden lassen. Erst einmal: Früher war Tinte eher braun bis schwarz. Synthetische Farbstoffe kamen erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts auf und begründeten den Aufstieg der chemischen Industrie. Davor beinhalteten Tintenrezepturen schwarzen Ruß und/oder ein Gemisch aus Eisen(II)sulfat und den Saft von Galläpfeln. Zunächst war eine solche Eisengallustinte eher von schwacher Farbe, aber sobald das Eisen vom Luftsauerstoff in die Oxidationsstufe III oxidiert wurde, bildete sich mit der Gallussäure aus den Galläpfeln ein schwarzer, unlöslicher und damit dokumentenechter Farbstoff. Nachteil: Bekleckerte Textilien lassen sich nur schwer reinigen und das saure Eisensalz zersetzt über längere Zeiträume das Papier. Um der Tinte aber etwas mehr Farbkraft zu verleihen, bevor sie völlig oxidiert ist, setzte man der Tinte später den synthetischen Farbstoff Methylenblau zu. Der Eisenanteil hat sich dann im alltäglichen Gebrauch verloren, die blaue Farbe ist geblieben.

Wenn ich mich an meine Schulzeit erinnere, war die Benutzung von blauer Tinte bei Klassenarbeiten streng vorgeschrieben. Eben um eine zweifelsfreie Unterscheidung von der Korrektur des Lehrers mit roter Tinte zu gewährleisten. Grün war wiederum nur dem Schuldirektor vorbehalten.

Vorbild ist hier wohl die Vorschrift zu Aktenvermerken in Bundesministerien1: Grün bleibt dem Minister vorbehalten, Parlamentarische Staatssekretäre benutzen violett, Staatssekretäre nehmen den Rotstift, Abteilungsleiter blau und deren Unterabteilungsleiter benutzen den Braunstift, wenn sie am Seitenrand einen Vermerk anbringen. Ordnung muss schließlich sein.

Ein weiterer Vorteil von blauer Tinte gegenüber schwarzer, der aber erst in modernen Zeiten zum Tragen kam: Durch die Farbe der Tinte kann man das Original leicht von schwarz-weißen Fotokopien unterscheiden. Wobei dieser Vorteil durch das Aufkommen von preisgünstigen Farbdruckern sicherlich auch mittlerweile überholt ist.

  1. Nachzulesen in Anlage 2 zu §13 Abs. 2 der Gemeinsamen Geschäftsordnung der Bundesministerien (GGO)

Elementary

Auch in mir steckt ein kleiner Nerd. Und als Chemiker ist es da nicht verwunderlich, wenn man eine Brotdose mit dem Periodensystem der Elemente besitzt.

Für viele macht diese tabellarische Übersicht über die Bausteine der Materie einen substanziellen Teil des Missvergnügens aus, den sie mit dem Chemieunterricht in der Schule verbinden. Geradezu unerträglich und extrem schwierig erscheint Ihnen der Gedanke als Chemiestudent das PSE auswendig zu lernen.

Doch so schwer ist dies gar nicht. Das geht sogar ohne die dahinter verborgenen Gesetzmäßigkeiten zu kennen. Wie so oft im Leben braucht man nur eine gute Eselsbrücke.

  1. Spalte (1. Hauptgruppe, Wasserstoff & die Alkalimetalle):

Heisse Liebe Nachts Kann Räuber beim Cusehen Freuen1

  1. Spalte (2. Hauptgruppe, Erdalkalimetalle)

Bei Maggie Cann Sir Baltimore Rackern.

  1. Spalte (3. Hauptgruppe, Erdmetalle)

Bei Aldi Gabs Indische Teller

  1. Spalte (4. Hauptgruppe, Tetrele)

Cicero Sieht Gerne Sahne Plumbsen

  1. Spalte (5. Hauptgruppe, Pnicogene)

EiN PAsSbBild

  1. Spalte (6. Hauptgruppe, Chalkogene)

Otto Sucht Seinen TeePott

  1. Spalte (7. Hauptgruppe, Halogene)

Fluor, Chlor, Brom, Iod – Und schon sind alle Mäuse tot.

  1. Spalte (8. Hauptgruppe, Edelgase)

Hey, Neun Araber Kriegen Xehn Radieschen

Die Nebengruppen kann man sich horizontal wie folgt merken:

Scotch-Trinker Verlassen Craftlos manches Fest. Costeten Nichts Culinarische Z(n)uvor

Yvonne Zerstört Neben Modernster Technik RuRhPoldis Silberne Cd

Häufig Tauschen Wahre Ostfriesen Ihr Platin Gold und Quecksilber

Und das sind noch nicht mal alle Elemente. Es fehlen noch die seltenen Erden (Lanthanoide auf Fachdeutsch) und so einige radioaktive Strahlemänner. Uran & Plutonium fehlen z.B. in der Aufzählung. Insgesamt gibt es 118 Elemente. 80 davon sind stabil, 93 kommen natürlich vor, 25 können nur künstlich hergestellt werden. Die Herstellung neuer schwerer Elemente in Teilchenbeschleunigern scheint wohl eine Art Leistungssport und Wettstreit unter den Kernphysikern zu sein, denn in Flaschen füllen lassen sich diese Elemente wohl kaum. Nehmen wir zum Beispiel den jüngsten Sproß der Familie, Oganesson2 (Og, Ordnungszahl 118): Mit einer Halbwertzeit3 von kurzen 0,89 Millisekunden gehört es noch zu den stabileren superschweren Elementen. Da auch nur wenige Atome aufeinmal erhalten wurden, kann man verständlicherweise keine Chemie damit machen, so dass die Entdeckung dieses Elements von rein akademischem Interesse ist und nur zum Angeben in Wissenschaftlerkreisen taugt.

Aber es gab auch Zeiten, da kam die Wissenschaft mit deutlich weniger Elementen aus. Tatsächlich gab es bei den alten Griechen Anhänger der Theorie, dass alle Materie aus einem Urelement aufgebaut ist. Bei Thales von Milet war dies Wasser (ist in ausreichender Menge vorhanden), bei Anaximenes Luft (wird zum Mittelpunkt des Universums zu Wasser und Erde verdichtet) und bei Heraklit war es das sehr wandelbare Feuer.

Die klassischen 4 Elemente

An diesem Punkt kam nun Empedocles, der das ganze zur 4-Elementen-Lehre zusammenfasste: Im Prinzip beschreiben die 4 Elemente Eigenschaften, die unseren heutigen Aggregatzuständen entsprechen: Wasser ist flüssig, Erde ist fest und Luft ist gasförmig. (Feuer würde dem erst in jüngerer Zeit entdeckten Zustand Plasma entsprechen, kann aber im Kontext der alten Griechen erstmal ignoriert werden). Diese ewig existierenden und unveränderlichen Grundsubstanzen findet man dieser Lehre nun in verschiedenen Mischungsverhältnissen in allen uns bekannten Materialien. Dies ist im Grundgedanken gar nicht mal sooo weit von unserem heutigen Verständnis entfernt. Im Detail ist es zwar irgendwie logisch, aber dennoch falsch: Ist etwas fest & hart, enthält es ein großes Maß des Elements Erde, bei einer Flüssigkeit dominiert eher das Element Wasser und so weiter. Alkohol z.B., eine brennbare Flüssigkeit könnte dieser Logik folgend z.B. sowohl Wasser als auch Feuer enthalten.

Wenn man aber schon mal dabei ist ein System aufzustellen, dann kommt man schnell in Versuchung auch noch andere Aspekte damit zu erklären. Indem den Elementen bestimmte Gottheiten des griechischen Pantheons zugeordnet wurden, erhielten sie zusätzlich noch eine Reihe von Attributen und Eigenschaften: So lässt sich die Kraft des Feuers mit dem Göttervater Zeus in Verbindung bringen sowie mit den Eigenschaften Zielstrebigkeit, Kraft und Ehrgeiz. Luft ist flexibel, quirlig und veränderlich. Dementsprechend dauerte es nicht lange, bis man menschliche Gemütszustände oder auch medizinische Probleme mit einem Ungleichgewicht der Elemente zu erklären suchte und durch Zuführung des mangelnden Elements über eine seiner zahlreichen Mischformen dem Leiden entgegenwirken versuchte.

Wir sehen der Übergang zwischen Wissenschaft und Esoterik war fließend. Und der Weg vom Naturforscher und Universalgelehrten der Antike zum Alchemisten nicht weit. Doch vier Elemente reichten noch nicht aus. Die Alchemisten des Mittelalters bauten noch ein fünftes Element, den Äther, der den anderen ursächlich innewohnt und zur Umwandlung der Elemente beiträgt und demnach – sehr passend – auch Quintessenz genannt wurde.

So nahm der Hokus Pokus seinen Lauf, der zwar auch nützliche Dinge hervorbrachte, wie die Entdeckung des europäischen Porzellans durch den Alchimisten Böttger, aber mit der modernen Chemie bestenfalls nur rudimentäre Gemeinsamkeiten hatte.

Dies sollte sich erst mit dem Engländer Robert Boyle (1627 – 1692) ändern, der zwar noch versuchte die Elemente in einander umzuwandeln und Gold mit dem Stein der Weisen zu gewinnen, der aber in seinem Buch „The Sceptical Chymist“ (Der skeptische Chemiker) forderte, gründliche experimentelle Untersuchungen anzustellen und die 4-Elemente-Lehre der Antike ablehnte. Als Begründer der chemischen Analyse fand er heraus, dass sich z.B. Holz durch trockene Destillation in Kohle und „Holzgeist“4 zerlegen lässt und demnach kein Element sein kann.

Robert Boyle, der Skeptiker

Der Franzose Antoine Lavoisier (1743 – 1794) war es dann der erstmals die moderne Definition eines Elements als „Stoff, der sich nicht weiter in andere Stoffe zerlegen lässt“ festlegte. In eben jene Zeit fällt auch die beginnende Entdeckung vieler chemischen Elemente oder Identifikation bekannter Stoffe als solche. Nun füllte sich also der Baukasten der Chemiker und man gewann auch erste Erkenntnisse darüber, wie man aus diesen Bausteinen neue Substanzen erschafft. Es wurde gemessen, beobachtet und analysiert, was das Zeug hält. Mit der Definition des Elements, war es nicht mehr Weit bis zum Konzept des Atoms, welches von Dalton im Jahre 1809 postuliert wurde: „Elemente bestehen aus für das jeweilige Element charakteristischen, in sich gleichen und unteilbaren Teilchen, den Atomen“

Chemie war damit nicht mehr die Veränderung eines mehr oder minder esoterischen Fluidums, sondern die Umgruppierung dieser Bausteine, die in einem bestimmten festen Verhältnis erfolgt.

Anhand der gefundenen Eigenschaften der Elemente und ihrer Atommasse versuchte man nun eine Systematik aufzustellen, anhand derer man die Eigenschaften der Elemente erklären und auch vorhersagen könnte. Während erste Ordnungsversuche mehrere isolierte Gruppen von Elementen unter Anwendung verschiedener Ordnungskriterien hervorbrachten, waren es die Herren Meier und Mendelejew, die unabhängig von einander eine Tabelle aufstellten, die erstmals alle Elemente, sortiert nach ihrem Atomgewicht und gruppiert nach ihren Eigenschaften, beinhaltete und damit Grundlage für unser modernes Periodensystem bildet. Mit 63 Elementen war dies natürlich im Vergleich zum heutigen Stand der Technik noch unvollständig, was damals auch Mendelejew auffiel, da die Periodizität seines Systems einige Elemente vorhersagte, die noch nicht entdeckt waren.

Das Periodensystem: der moderne Nachkomme der Vier-Elemente-Lehre

Mit den stetig wachsenden Kenntnissen des Atombaus und der Quantenmechanik, konnte man auch schließlich recht genau erklären, wie es zur Systematik hinter dem Periodensystem kommt und warum die Elemente chemisch sich so verhalten wie sie es nun einmal tun.

Interessant wurde es dann 1896 als der Franzose Henri Becquerel die Radioaktivität entdeckt, die auf den Zerfall von Atomkernen zurückzuführen ist. Demnach war also die Atome doch nicht so unveränderlich wie ursprünglich angenommen. Ein radioaktives Element zerfällt unter Aussendung radioaktiver Strahlung in ein anderes Element.

Eine simplifizierte Skizze des Bohrschen Atommodells ist heute das Sinnbild für "Atom"

Eine simplifizierte Skizze des Bohrschen Atommodells ist heute das Sinnbild für „Atom“

In dieser Zeit war es dann auch, dass der Brite Ernest Rutherford und der Däne Niels Bohr ein Modell darüber aufstellten, wie das Atom in seinem Inneren aufgebaut ist: Negativen Elektronen kreisen auf definierten Bahnen oder genauer gesagt Orbitalen um den positiv geladenen Atomkern, der wiederum aus weiteren Teilchen, den positiven Protonen und den neutralen Neutronen aufgebaut ist.5 Und unteilbar ist das Atom (von altgriechisch ἄτομος átomos‚ unteilbar) auch nicht, wie Otto Hahn und Fritz Straßmann 1938 experimentell mit der Entdeckung der Kernspaltung zeigen konnten.

Nuclear Fission Experimental Apparatus 1938 - Deutsches Museum - Munich

Doch was man spalten kann, dass kann man doch auch sicher künstlich zusammenfügen? Tatsächlich gelang diese Umwandlung schon 1 Jahr vor der Kernspaltung, nämlich als es Segré und Perrier gelang das lange vergeblich gesuchte instabile Element Technetium aus einer mit schweren Wasserstoff beschossenen Molybdänfolie zu isolieren. Bei diesem Bestrahlungsvorgang wird ein Neutron & ein Proton in den Atomkern des Molybdäns eingebracht, wodurch das Technetium, das erste künstlich gewonnene Element, entsteht. Apropos künstlich… Wie kommt es, dass man die Nachbarelemente in der Natur findet und nur das Technetium selbst ins Dasein zwingen muss ? Dieses Element ist leider instabil und unterliegt radioaktivem Zerfall. Sprich: Lag es bei der Entstehung der Erde einmal im Erdreich vor, ist es mittlerweile zerfallen und wird nur in sehr geringem Maße wieder aus schwereren radioaktiven Elementen nachgebildet. Uran z.B. ist zwar ebenfalls instabil, doch sein Zerfall schreitet langsam genug voran, dass man es in der Erde finden kann.

Und wie so in der Wissenschaft nun einmal ist, kam es wie es kommen musste: Ist die Pionierarbeit erst einmal vollbracht, beackern auch andere Wissenschaftler das Feld. 118 Elemente zählt das Periodensystem nun und es wird fleißig weiter geforscht. Und so schließt sich der Kreis: Der Traum der Alchemisten, Elemente in einander umzuwandeln, wird Realität.


  1. Ok. Eigentlich heißt es Zusehen, aber hier machen wir uns die phonetische Ähnlichkeit zwischen den Verb zusehen und dem Namen Cäsium zu nutze…
  2. Klingt, zwar wie der Name eines armenisch-georgischen Physikers, ist aber ein chemisches Element
  3. Zeitspanne, nach dem eine Menge eines radioaktiven Isotops zerfallen ist
  4. Oder in moderner Sprache: Methanol.
  5. Und mittlerweile weiß man, dass selbst Neutronen & Protonen wiederum aus noch kleineren Teilchen bestehen…

Eine Tablette, wenn der Schädel brummt

Vom fiesen Katzenjammer war hier ja schon mal die Rede. Typisches Symptom: Kopfschmerzen. Doch nicht nur nach übermäßigem Verzehr von alkoholischen Getränken brummt uns der Schädel. Gerade in unserer heutigen schnelllebigen Zeit leiden ca. 70 % aller Deutschen über anfallsweise auftretende Kopfschmerzen, allerdings besonders häufig bei Stadtbewohnern, Menschen zwischen 30-40 Jahren und Erwerbstätigen mit einem jährlichen Einkommen größer 3500 €. Also all jenen, denen man ein verstärktes Maß an Stress zutraut.

Passend zum Stress kann man den Kopfschmerz in 90 % der Fälle dem Spannungskopfschmerz zuordnen. Aber auch bei Aktivitäten, die manche Leute eher der Entspannung zuordnen, nämlich dem Geschlechtsverkehr, Stichwort: Sexualkopfschmerz. Während dem Klischee zufolge Frauen eher VOR dem Geschlechtsakt zu Migräne neigen, setzt der Sexualkopfschmerz vor Allem bei MÄNNERN WÄHREND des Akts außer Gefecht. Kuriose Welt…

Vermutlich wegen dem im Alltag nicht ungewöhnlichen Auftreten von Kopfschmerz gibt es vermutlich nur wenige Medikamente, die ähnlich bekannt und verbreitet sind, wie die Kopfschmerztablette. Allen voran bekannte Wirkstoffe wie Aspirin, Paracetamol und Ibuprofen.

Aspirin (aka Acetylsalicylsäure)

Bereits im Altertum benutzte man einen Sud aus Weidenrinde in Wasser, um leichte Schmerzen zu bekämpfen und Fieber zu senken. Schon Hippokrates (der als Vater der modernen Medizin und Namenspate des hippokratischen Eids gilt) hatte Weidenrinde in seinem Apothekenschränkchen. Die Weide, lat. salix, enthält nämlich Salicylsäure und weitere dem Aspirin verwandte Stoffe.

Der erste Schritt auf dem Weg zur Kopfschmerztablette par excellence fand jedoch nicht wie man meinen sollte in den Labors von Bayer, dessen bekanntestes Produkt tatsächlich das Aspirin ist, statt, sondern im heimischen Labor des Chemikers Friedrich von Heyden in der Dresdner Leipziger Vorstadt statt. Von Heyden hatte am Vorläufer der TU Dresden Chemie studiert und dort den Chemiker Hermann Kolbe kennen gelernt, der die chemische Struktur der Salicylsäure aufgeklärt und ein Verfahren diese herzustellen entwickelt hatte. Die sogenannte Kolbe-Schmitt-Synthese erlaubte nämlich die Herstellung der pharmazeutisch wirksamen Salicylsäure in großen Mengen aus dem Rohstoff Phenol, welches aus Steinkohleteer gewonnen werden kann. Die Gewinnung aus dem Naturprodukt hatte immer den Nachteil, dass die Verfügbarkeit limitiert und der Gehalt an Salicylsäure saisonbedingt stark unterschiedlich sein konnte. Konsequenz: Gute Verfügbarkeit des Wirkstoffs, drastischer Preisverfall von 10 auf 1 Taler pro 100 g. Alles gute Bedingungen für ein „Massenmedikament“.

Da die Nachfrage nach Salicylsäure als Fiebersenker und Kopfschmerzmittel bald nicht mehr durch das Heimlabor Von Heynes befriedigt werden konnte, folgte bald die Gründung einer chemischen Fabrik in Radebeul und damit der Beginn der weltweit ersten Arzneimittelsynthese in industriellem Maßstab.

Nun hatte die Sache mit der Salicylsäure aber einen Haken. Zum Einen war dies der bittere Geschmack des Präparats. Weitaus negativer war vermutlich aber die schlechte Verträglichkeit, die sich in Form von Magenbeschwerden (Übelkeit, Erbrechen etc.) und bei hoher Dosierung Tinnitus manifestierte.

Hier kam nun Bayer ins Spiel, vertreten durch die Herren Eichengrün und Hofmann. Sie waren es, die ein neuartiges Verfahren zur Acetylierung entwickelten und damit Salicylsäure zu Acetylsalicylsäure / Aspirin veredelten.

Hier steht wie es gemacht wird – Das Laborjournal des Erfinders

Besagte Prozedur und der Name Felix Hofmann tauchen auch in einem anderen Zusammenhang auf: Wendet man das Verfahren zur Acetylierung des starken Schmerzmittels Morphin an, erhält man das nicht minder bekannte Diacetylmorphin aka Heroin, das auch erst als Pharmazeutikum vorgesehen war, dann jedoch traurige Geschichte als stark suchterzeugende Droge machte. Beide Wirkstoffe Aspirin & Heroin haben also einen gemeinsamen „Vater“.

Wie funktioniert’s ?

Dazu müssen wir erst einmal beleuchten, wie Schmerz überhaupt entsteht. Schmerz ist ein Symptom einer Gewebsschädigungen oder einer Krankheit. Wird Gewebe geschädigt, setzt der Organismus Schmerzstoffe, wie die Botenstoffe Acetylcholin, Serotonin, Histamin und die Kinine frei, die bestimmte Nervenendigungen (Nocizeptoren) aktivieren. Erst wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird, wird dieses Signal im Gehirn als Schmerzempfindung registriert. Parallel zu den Schmerzstoffen werden weitere Botenstoffe, die Prostaglandine, freigesetzt, welche die Wirkung der Schmerzstoffe auf die Nocizeptoren verstärken.1

Greift man also in die Bildung der Prostaglandine ein, sind die Nocizeptoren weniger empfindlich gegenüber den Schmerzstoffen und es ist ein größerer Reiz notwendig um ein Schmerzsignal zu erzeugen.

Liegen solche größeren Reize vor, braucht es natürlich schwerere Geschütze um den Schmerz zu unterdrücken. Daher gibt es noch eine ganze Reihe anderer Schmerzmittel. Keiner würde sich z.B. einem größeren chirurgischen Eingriff unterziehen, wenn er vorher nur eine Aspirin-Tablette bekommen hat.

Prostaglandine sind überhaupt an so einigen Prozessen in unserem Organismus beteiligt. Bei Entzündungen, bei Fieber, der Blutgerinnung und so einigem Anderen.

So kann Acetylsalicylsäure auch nützlich bei der Prophylaxe von Herzinfarkten, Schlaganfällen und Thrombose sein. Also Erkrankungen, bei welchen eine Blockade von Blutgefäßen durch Blutgerinnsel auftritt. Ohne hier zu sehr ins Detail zu gehen, beruht die Blutgerinnung auf einem Verklumpen von Blutplättchen und dient normalerweise dazu Wunden zu verschließen und Blutungen zu stoppen. Um dies zu erreichen und entsprechend zu regeln existiert ein hochkomplexer Mechanismus, in dem auch Prostaglandine eine wichtige Rolle spielen.

Bildet sich ein Gerinnsel jedoch nicht innerhalb einer Wunde, sondern innerhalb eines dünnen Blutgefäß und verschließt oder verengt es erheblich, kann dies o.g. ernste Konsequenzen haben. Hemmt man also die Fähigkeit der Blutplättchen sich zu Gerinnseln zusammenzulagern, wirkt man dem Auftreten solcher Gefäßverschlüsse und dem Auftreten z.B. eines Herzinfarkts entgegen. Aber auch die gewünschte Blutgerinnung ist reduziert. Vor Operationen sollte man also Aspirin und andere Gerinnungshemmer vermeiden, um Komplikationen durch starke Blutungen zu vermeiden !

Acetylsalicylsäure ist aber dennoch ein sehr sicheres Medikament. Tatsächlich sogar so sicher, dass es als „Over the Counter“-Medikament, also rezeptfrei, erhältlich ist. In manchen Ländern geht man sogar soweit, dass Aspirin auch ausserhalb von Apotheken erhältlich ist. Die mittlere tödliche Dosis liegt mit 200 mg/kg Körpergewicht sehr hoch. Ein 100 kg schwerer Mensch müsste also 20 g reines ASS zu sich nehmen, was in der Praxis wohl so gut wie nicht vorkommt. Dies bedeutet allerdings nicht, dass man Aspirin-Tabletten sorglos wie Bonbons zu sich nehmen sollte, da eben Nebenwirkungen vorkommen und es Situationen gibt, in welchem man Aspirin nicht zu sich nehmen sollte. In den USA sind Nebenwirkungen von ASS und anderen nicht-Opioid Schmerzmitteln unter den 16 häufigsten Todesursachen. Da die Statistik Aspirin nicht explizit aufführt, nimmt die Öffentlichkeit die Gefahren einer falschen, ggf. auch gewohnheitsmäßigen dauernden Einnahme einfach nicht wahr.

Daher auch hier: Für Risiken und Nebenwirkungen fragen sie ihren Arzt und Apotheker.

to be continued

  1. Die Prostaglandine sind eine sehr vielfältige Familie von Botenstoffen und erfüllen noch eine ganze Reihe anderer Funktionen. Dazu jedoch später mehr…

Da liegt was in der Luft…

Man denke sich folgendes Szenario: Man steht auf einer Party, in der Hand das Kaltgetränk der jeweiligen Wahl, und bemüht sich um eine gepflegte Konversation mit den übrigen Anwesenden… Nicht ungewöhnlich ist dabei die Frage, was der- oder diejenige denn beruflich macht. Antwortet man dann mit “Chemie !” und laufen die Zuhörer nicht sofort weg (“Oh, so spät schon ? Ich komme zu spät zu meiner Zahnwurzelbehandlung…”), hört man oft die Frage: “Na, wann ist denn bei Euch das letzte Mal was explodiert ?”. Aber auch unter Leuten vom Fach sind Gespräche der Marke “Als-mir-die-Reaktion-durchging-und-ich-mein-Produkt-von-der-Decke-kratzen-musste” ein beliebtes Thema. Eben das Jägerlatein des Chemikers. Gottseidank, sind solche Vorfälle doch eher selten, aber im Laufe des Studiums sammelt sich doch ein kleines Repertoire an Geschichten an. Nicht unbedingt aus erster Hand und manche nur vom Hören-Sagen, aber immerhin, geht nix über ne gute Geschichte…

Als ich und meine Kollegen im ersten Semester unsere ersten Versuche im Anfängerpraktikum machen durften, hatte man uns eindringlich vor dem berüchtigten Arsenwasserstoff gewarnt, einem giftigen Gas, dem man bei nicht sachgemäßem Umgang mit arsenhaltigen Substanzen ausgesetzt werden kann. Warnsignal: der knoblauchartige Geruch. Ich erinnere mich in dem Zusammenhang an die Aussage: “Wenn sie aus der Abfalltonne Knoblauch riechen, dann ist es so gut wie um sie geschehen !”

Nun gemahnt diese Warnung nicht nur zur Vorsicht, sondern führt auch zu einem Phänomen, dass ich mal als Phantom-Knoblauchgeruch bezeichnen möchte. So trägt der Praktikant mit zittriger Hand seinen Arsenabfall zum Entsorgungsabzug und findet dort nun ein aufgeblähtes Abfallgefäß vor. Ein rasch hinzugeholter Kollege bestätigt, dass da mit der Abfalltonne etwas faul ist und so dauert es dann nicht lang bis man sich einig ist, dass es schwach, aber dennoch deutlich nach Knoblauch riecht… So in etwa ist’s vermutlich passiert. Besagte “Nasen-Zeugen” wurden sogleich von der Praktikumsleitung ins Krankenhaus verbracht, wo diese dann erst mal eine Nacht zur Beobachtung dabehalten wurden.

Achtung, Knoblauch !

Das Praktikum: Vorübergehend geschlossen, da der Abfallraum wegen Gasalarm nicht mehr begehbar ist, alle Arsenversuche: bis auf Weiteres gestrichen. Um den Sachverhalt zu klären, sollte sodann ein Gasspürröhrchen beschafft werden. Lieferdauer: 4 Tage, die Herstellerfirma hatte einen Wasserschaden in der Logistikabteilung. Nun, 4 Tage später, betritt der Praktikumsleiter höchstselbst den Raum in voller Schutzmontur um mithilfe der mittlerweile eingetroffenen Messvorrichtung festzustellen: AsH3 negativ. Die Kollegen erfreuten sich auch bester Gesundheit.

Ein ähnlicher Fall: Selenwasserstoff… Auch nicht gerade das was man gerne einatmen möchte. Nun gab es im Fortgeschrittenen Praktikum in der Anorganischen Chemie die Allseits beliebten Versuche zum chemischen Transport. Immerhin war die Uni Münster in den 50er Jahren ein Mekka für dieses Verfahren. Genau entsinne ich mich nicht mehr, aber einer dieser Versuche beinhaltete das Einschmelzen eines Zinksalzes zusammen mit Selen und Iod in eine Quarzglasampulle, welche sodann zur Synthese von Zinkselenid in einen Röhrenofen gepackt wurde. Von ausgesprochener Wichtigkeit ist hierbei die minutiöse Berechnung der Iodmenge und die peinlichst akkurat auszuführende Einwaage der Reaktionspartner, weil sonst das ganze Brimborium gern mal wegen Überdruck platzt und so Selendämpfe freisetzen kann. Tja und genau das ist im Festkörper-Labor wohl ein paarmal passiert. Das eine Mal saß wohl nach einem solchen Vorfall ein Kollege, der direkt neben dem Ofen stand, als die Ampulle platzte, hinterher im Praktikumssaal ziemlich bleich auf der Laborbank und erkundigte sich bei jedem der vorrüber kam danach, wie wohl Selenwasserstoff riecht, es hätte so komisch gerochen im Festkörperlabor… Und wie lange denn die Latenzzeit einer solchen Vergiftung sei… irgendwie fühle er sich schon ganz komisch… Passiert ist aber – mit Ausnahme der Glasampullen – niemand etwas.

 

World of Chemcraft

Wenn man heutzutage den zahlreichen Werbebotschaften folgt, so sind Worte wie Bio, „natürlich“ und “frei von chemischen Zusätzen” die magischen Schlagworte, die man überall lesen kann. Chemie ist demnach  widernatürlich, “Synthetisch” und “Atom-“ pure Abschreckung.

Wer würde schon gern ein Getränk zu sich nehmen, das ein organisches Lösungsmittel enthält, welches auch als Desinfektionsmittel und Treibstoff verwendet werden kann ? Ein Stoff der betäubend wirkt, das Krebsrisiko erhöht, Schädigend auf die Leber wirkt, Mangelerscheinungen auslöst und zudem auch noch ein Nervengift ist ? Und doch tun dies zahlreiche Leute regelmäßig, in dem sie alkoholische Getränke konsumieren. Einen edlen Wein zum Beispiel, der total natürlich von biologisch nachhaltigen Hefezellen aus Traubensaft erzeugt wurde.

Quelle [1]

Kurzum, wie meine Großmutter schon sagte: “Dat kütt, alles von de Atom !” Wirft man jedoch einen Blick über den großen Teich nach Amerika, so stellt man fest, dass man dort, zumindest in vergangenen Zeiten, der Chemie und der Wissenschaft, sprich dem “Atom”, wesendlich aufgeschlossener gegenüber war:

(aus: Popular Science Dezember 1947)

Tja, während so mancher die Atomenergie zum Teufel wünscht, wird auf dieser Reklameanzeige die fantastische, geheimnisvolle und atemberaubende (awesome, mysterious, breath-taking) Kraft der Atomenergie gepriesen: Sicher, aber aufregend ! Ein Schmankerl, dass dem heutigen angehenden Chemikus verwehrt bleibt. Nun, da man das Zeug heute offenbar nicht mehr kaufen kann, kann man es vielleicht ja selber aus dem Erdreich gewinnen ? Schließlich wurde das Uran aus dem Chemiekasten ja auch irgendwo ausgegraben.

(aus: Popular Mechanics Juni 1950)

Für nur einen lumpigen Dollar gibt es den Bauplan für einen Uran-Finder (im Volksmund auch Geigerzähler genannt). Eine lohnenswerte Investition, zumindest in der Vergangenheit: 35.000 $ (in heutiger Währung satte 330000 $) vom Staat sind schon verlockend.

(aus: Popular Mechanics September 1955)

Wirkt heutzutage etwas befremdlich, aber damals, wo Atomenergie (vor allem beim Bombenbau) schwer in Mode war, herrschte in den USA ein wahres Uranfieber, ähnlich dem bekannten Goldrausch. Wer im Uranium Fever auch heutzutage mitfiebern möchte, kann sich ja mal den gleichnamigen Song von Elton Britt anhören:

 Uranium fever has done and got me down
Uranium fever is spreadin‘ all around
With a Geiger counter in my hand
I’m a-goin‘ out to stake me some government land
Uranium fever has done and got me down
(Uranium Fever – Refrain)

Das hat schon was von Schatzsuche, so etwas. Aber es soll ja auch Leute geben, die Suchen kein Uran, die haben es schon. So hatte einer meiner Labornachbarn an der Uni bei einer Gelegenheit mal folgende Schätzchen aus den geheimnisvollen Tiefen eines Chemikalienschranks zu Tage gefördert: Uranylnitrat und Uranylacetat (Nein, das Zeug taugt nicht, um daraus eine Bombe zu bauen, da es sich hier um abgereichertes Uran handelt. Ferner erübrigt sich auch eine dicke Bleiabschirmung, da die α-Strahlung nicht durch das Glas der Flasche kommt)

Nicht desto trotz ein ziemlich giftiges Zeug und Radioaktivität halte ich mir, auch wenn sie schwach ist, dann doch lieber vom Leib. Ich persönlich halte mich da lieber an ein anderes nützliches Metall: Es ist zwar nicht vom Nimbus des Urans umgeben, dafür ist es aber auch nicht radioaktiv. Dafür hat es eine sehr schöne rote Flammenfärbung. Die Chemiker werden es erraten haben: Es geht um Lithium !

Wie man der unten stehenden Abbildung entnehmen kann (Scientific American, Ausgabe Feb. 1957), handelt es sich um das Miracle Element (sic!). Flugzeugbau, Air-conditioning und Mehrzweck-Fett, sogar organische Chemie. Meiner Meinung nach ein Element, dessen Verbindungen (besonders die Organometallverbindungen) in keiner guten Synthese fehlen sollten (wie der Knoblauch in einer guten Tomatensauce).

 

Für diese und viele andere Perlen der antiken Werbung empfehle ich den Besuch bei folgendem lesenswerten Blog : http://blog.modernmechanix.com.

Quellen:

[1] links: Wikipedia, Foto by André Karwath aka Aka (Lizenz); rechts: Wikipedia, Stichwort Kanister

Gefilterte Sonne – Von Sonnenbrand und Sonnenschutz

Sommer ist’s und die Sonne scheint. Ein durchaus begrüßenswerter Umstand, wenn man an die düstere Winterzeit drängt. Vorbei ist es mit dem Stubenhocken und raus geht’s Sonne tanken. Doch halt ! Tummelt man sich über Tag allzu arglos in der Sonne kriegt man Abends dafür die Quittung: Man sieht aus wie ein gekochter Hummer, schmerzend gerötete Haut, sprich: Sonnenbrand !

Doch was genau ist Sonnenbrand und woher kommt er ? Um dies zu verstehen müssen wir uns das Sonnenlicht mal genauer betrachten:

Das augenscheinlich farblose Sonnenlicht ist gar nicht farblos, sondern ist eine Überlagerung verschiedener Wellenlängen von elektromagnetischer Strahlung, die wir einzeln betrachtet als unterschiedlich farbig wahrnehmen würden.

Jedoch enthält die Sonnenstrahlung, die uns innerhalb der Erdatmosphäre erreicht, nicht nur das sichtbare Licht, sondern auch die energiereiche ultraviolette Strahlung (UV).

UV-Licht ist hinreichend energiereich, dass es unsere Zellen schädigt, indem photochemische Reaktionen, z.B. in unserer DNA, ausgelöst werden. Diese Schäden lösen eine Reihe von Reaktionen des Organismus aus, die einer Entzündung nicht unähnlich sind, u. A. bemerkbar an Rötung, Übererwärmung und Schmerz. Wie schnell eine solche Reaktion auftritt, ist dabei von mehreren Faktoren abhängig.

Warum vornehme Blässe nicht erstrebenswert ist

Zum Einen ist dies von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich. Während sehr hellhäutige Menschen sehr schnell Sonnenbrand kriegen, dauert es bei dunklen Hauttypen deutlich länger, bis eine entsprechende Reaktion auftritt. Beim sehr hellhäutigen Typ I (keltischer Hauttyp, rötliches/hellblondes Haar) ist die Eigenschutzzeit, d.h. die Zeit in der ein Sonnenbrand auftreten kann, in der Mittagssonne im Sommer unter 10 Minuten. Beim mediterranen Typ IV (bräunliche oder olivfarbene Haut, dunkele Haare) wären 30 Minuten noch ok. Wer eine ganz grobe Abschätzung haben möchte zu welchem Hauttyp er gehört kann einmal einen Blick auf die Seite des Bundesamts für Strahlenschutz werfen.

Natürlich ist die Verweildauer, die man in der Sonne bleiben kann auch in großem Maße von der Intensität des Sonnenlichts ab. Bei bewölktem Himmel ist die Gefahr sich zu verbrennen eher gering. Eine Abschätzung für diesen Faktor liefert der UV-Index:

Kurze Erklärung: Die Bestrahlungsstärke einer horizontalen Fläche wird nach dem Wirkungsspektrum, d.h. der Schädlichkeit der verschiedenen Wellenlängen des Lichts gesichtet. UV-Licht mit einer Wellenlänge < 298 nm wird mit dem Faktor 1 voll berücksichtigt, während länderwelliges Licht, d.h. mit abnehmender Energie immer weniger zum Ergebnis beiträgt. Um etwas handlichere Werte zu erhalten teilt man das Ergebnis durch 25 und erhält so eine Skala die sich im Bereich von 1 bis 11+ bewegt, wobei 1-2 geringer Sonnenbrandgefahr entsprechen und bei Werten über 8 – 9 Sonnenschutz unbedingt empfohlen ist. Wer sich also entsprechend vorbereiten möchte kann dies z.B. durch Beobachten des Wetterberichts tun. Übrigens, sollten Sie den schönen Sportarten Segeln, Surfen (soll heißen Sport in oder am Wasser) oder Ski fahren (sprich: im Schnee) fröhnen gilt es ein erhöhtes Risiko zu berücksichtigen, da Schnee und Wasser Licht reflektieren und für eine erhöhte Bestrahlung sorgen !

Vor UV-Strahlung wird gewarnt !

Weitere Faktoren, die einen Einfluss auf die UV Immission haben, sind Luftverschmutzung (Staubpartikel absorbieren Licht), der geographische Breitengrad und die höhe der Lage des Standorts (je höher und je näher am Äquator desto intensiver).

Da man jedoch im Sommer auch einmal an die frische Luft möchte, muss man sich geeigneter Schutzmaßnahmen bedienen. Die magischen Worte lauten demnach Reflektieren, Streuen und Absorbieren. Drei geeignete Konzepte, damit die UV-Strahlung nicht an unsere Haut dringt.

Schutzmaßnahmen gegen die Sonne

Um die Schutzmaßnahmen nach ihrer Wirksamkeit beurteilen kann gibt es den sogenannten Lichtschutzfaktor (LSF / LPF) bzw. UV-Schutzfaktor (USF / UPF). Diese Größen geben an, wie viel mal länger man sich in der Sonne aufhalten kann, ohne dass eine Hautrötung auftritt. Ergo: Beträgt die Eigenschutzzeit 10 Minuten kann man mit LSF 20 etwa 10 min x 20 = 200 min, d.h. etwas länger als 3 Stunden in der Sonne bleiben. Doch auch hier ist ein gerüttelt Maß an Vorsicht geboten: Da trotz aller Schutzmaßnahmen, die Einwirkung der UV-Strahlung auf unsere Haut nicht völlig neutralisiert wird, sollte man die verlängerte Schutz-Zeit nicht völlig ausreizen. Etwa 60 % werden empfohlen um das Risiko langfristiger Schäden zu minimieren. Da die UV-Belastung kumulativ wirkt, sind auch vergangene Aufenthalte in der Sonne zu berücksichtigen. Hier gilt also (wie eigentlich fast überall): Nicht übertreiben !

Maßnahme LSF
Sonnenschirm ca. 15
Sonnencreme 1 – 30
Leichte Baumwollkleidung 2 – 10
Dichte Baumwollkleidung ca. 20
Schatten unter einem Baum 5 – 15

Quelle: Broschüre Textiler UV-Schutz (Link)

Wenn man nicht stationär im Schatten verharren will, so kann man z.B. den Ratschlag des Arztes Edmund Saalfeld aus dem Buch Kosmetik – Ein Leitfaden für praktische Ärzte1 beherzigen:

„Bei Wanderungen im Gebirge, auf Gletschern, an der See […] Schleier tragen. […] Ferner sollen die Hüte eine breite Krempe haben[…]. Ferner soll hier vom Puder ausgedehnter Gebrauch gemacht werden.“

Der Ratschlag leuchtet erst einmal ein. Ist die Haut abgedeckt, bekommt sie wenig Licht. Wer sich jedoch schon mal einen Pullover über den Kopf gezogen hat, der weiß, dass die meisten Textilien nicht völlig undurchlässig sind. Der Schutz durch Textilien ist nicht nur von der Art des Textils (Webdichte des Stoffs etc) abhängig, sondern auch von gebrauchsabhängigen Größen wie Feuchtigkeit, Dehnung des Stoffs, eng anliegend oder nicht und Abnutzungsgrad bestimmt. Führt man sich z.B. das Resultat eines Wet T-Shirt Contest vor Augen, dann wird offensichtlich, dass ein nasses T-Shirt entsprechend durchlässiger ist und weniger schützt.

Wer sich aber in der Sonnenhitze nicht komplett verhüllen mag, greift zur chemischen Aufrüstung des Eigenschutzes der Haut:

Molekularer UV-Schutz

Mit voranschreiten der Wissenschaften kamen dann spätestens in der 1930ern findige Chemiker auf die Idee Salben und Cremes auf Basis von UV-Filter-Materialien zu entwickeln. UV-Filter sind Substanzen, die über die Fähigkeit verfügen Licht im ultravioletten Bereich zu absorbieren und als längerwelligere, energieärmere Strahlung, die unsere Haut nicht schädigt, wieder abzugeben.

Wie wir auf dem UV Foto rechts erkennen können, absorbiert das Sonnenschutzmittel den UV Anteil des Lichts, der so nicht mehr auf die Haut treffen kann. Da so auch weniger UV von der Haut reflektiert wird, erscheinen die behandelten Hautpartien dunkel.

Um möglichst Effizient UV Licht absorbieren zu können, besitzen viele dieser Substanzen sogenannte konjugierte Doppelbindungen, d.h. direkt nebeneinander angeordnete Kohlenstoff-Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindungen.

Rot hervorgehoben: Konjugierte Doppelbindungen

Ähnlich verhält es sich auch mit der natürlichen Bräune der Haut: Diese ist eine Art natürlicher Sonnenschutz, basierend auf dem Hautpigment Melanin, welches sich beim Menschen aus den Komponenten Eumelanin (schwärzlich-braun) und Phäomelanin (gelblich-rötlich) zusammensetzt und je nach deren Verhältnis zueinander auch die unterschiedlichen Hautfarben/Hauttypen bedingt.

Körpereigener Sonnenschutz – Melanine

Alternativ besteht auch die Möglichkeit UV-Schutz durch die mineralischen Pigmente Zinkoxid und Titandioxid zu erreichen, die einfallendes Licht streuen bzw. reflektieren. Diese besitzen den Vorzug nicht wasserlöslich und unbedenklich zu sein. Nachteil: Als Weißpigment, dass man auch in Wandfarbe vorfindet, bilden sie einen weißen Schleier auf der Haut. In neueren Formulierungen von Sonnenschutzpräparaten versucht man dies durch den Einsatz dieser Stoffe als Nanopartikel zu kompensieren.

Tatsächlich enthält ein Sonnenschutzmittel meist nicht nur einen, sondern direkt mehrere dieser Wirkstoffe, da ein einzelner Stoff nicht die gesamte Bandbreite des UV-Lichts abdeckt. Ebenso findet man auch Antioxidantien (z.B. Vitamin E, Vitamin C), die dem Zweck dienen freie Radikale abzufangen, die durch UV Einwirkung gebildet werden und die UV-Filter zerstören bzw. nicht zuletzt unsere Zellen schädigen.

Wieviel ist genug ?

Wie bei allen Wirkstoffen gibt es aber auch bei Sonnenschutzmitteln ein paar Regeln, die es bei der Anwendung zu beachten gilt. Um einmal dem Gerücht entgegen zu wirken, dass der Naturwissenschaftliche Unterricht an unseren Schulen komplett am Alltag vorbei geht ein Beispiel: das Lambert-Beer’sche Gesetz, welches die Abschwächung einer Strahlung bei Durchtritt durch ein Medium mit einer absorbierenden Substanz beschreibt. Die Extraktion (El), welche hier der gewünschten Abschwächung des UV-Lichts entspricht, ist abhängig von

  1. Dem Exiktionskoeffizienten, also der Eigenschaft unseres UV-Filters, die beschreibt, wie effizient er das Licht absorbiert
  2. Der Konzentration des UV-Filters in unserem Sonnenschutzmittel
  3. Der Schichtdicke, d.h. wie dick wir die Sonnencreme auf unsere Haut auftragen.

Während wir auf Punkt 1 + 2 nur wenig Einfluss nehmen können, ist es offensichtlich, dass frei nach dem Motto viel hilft viel wir durch das Quantum, dass wir uns auf die Haut schmieren einen deutlichen Einfluss auf unseren Sonnenschutz haben.

Welche Schichtdicke benötigt man also ? Da die Dicke eines Fettfilms auf der Haut schwer zu bestimmen ist, geht man zweckmäßiger Weise von der Richtmenge von 2 mg Sonnenschutz je cm² Körperoberfläche aus. Das wären bei einer durchschnittlichen Körperoberfläche2 etwa 35 g. Wer es genau berechnen möchte:

Gegenanzeigen

Doch wie heißt es immer so schön in der Pharmawebung: „Zu Risiken und Nebenwirkungen fragen sie bitte…“ Klarer Fall, überall wo man sich Wirk- und Zusatzstoffe zuführt, ist die Frage nach unerwünschten Nebeneffekten nicht fern.

Tatsächlich lässt sich für manche der UV-Filter im Tierversuch eine hormonähnliche Wirkung nachweisen, die aber vom Bundesamt für Risikobewertung3 als für den Menschen als nicht relevant bewertet wird. Dies gilt natürlich vor der Maßgabe, dass das entsprechende Sonnenschutzmittel nicht in exzessiven Mengen eingesetzt wird. Ebenso ist sicherlich ein größeres Maß an Vorsicht bei Risikogruppen wie Schwangere oder stillende Müttern angebracht, bei hormonelle Einflüsse besonders kritisch auswirken können.4

Ebenso findet man den Einwand, dass bei Anwendung eines UV-Blockers mit LSF 20 etwa 95 % der Vitamin D Produktion, die UV-B Licht benötigt, zum Erliegen kommt. Um dennoch auf seine Kosten zu kommen empfiehlt das Robert Koch Institut: „Dies kann aber leicht durch einen kurzen (15-20 Minuten) Aufenthalt im Freien mit nicht eingecremten Armen und Gesicht, bei sonst textilgeschützter Haut kompensiert werden.“

Sicher das wichtigste Argument FÜR UV-Blocker ist die Hautkrebsprävention. So konnte in mehreren Studien gezeigt werden, dass der Einsatz von UV-Blockern das Risiko an schwarzem Hautkrebs zu erkranken, je nach Studie 18-33 % reduziert ist.5

Paradoxerweise gibt es auch Studien, die zeigen, dass es trotz Auftragen eines Sonnenschutzmittels zu erhöhtem Auftreten von Hautkrebs kommt. Dies ist jedoch nicht durch die Natur des Sonnenschutzmittels bedingt, sondern dadurch dass, gerade bei Einsatz von moderatem Lichtschutzfaktor, die Leute trotzdem eine erhöhte Dosis UV abkriegen, da sie sich sorgloser in der Sonne bewegen. 6, 7 Unter anderem wird dort bemängelt, dass sogenannte Confounder-Effekte, d.h. verdeckte Störeffekte aus Umwelt und falscher Anwendung nicht von den Studien berücksichtigt werden. Ein Umstand der solche und ähnliche Studien schwer zu interpretieren macht und dazu führt, dass regelmäßig in den Medien „eine neue Sau durch’s Dorf getrieben wird“.

Insgesamt kann man zu dem Schluss kommen, dass selbst wenn man die eingangs erwähnten Negativeffekte von Sonnenschutz berücksichtigt, insgesamt der Risiko-Nutzen-Faktor eine positive Bilanz aufweist.

  1. Springer Verlag, 1908.
  2. https://de.wikipedia.org/wiki/Körperoberfläche
  3. https://www.bfr.bund.de/de/presseinformation/2005/32/immer_auf_ausreichenden_sonnenschutz_achten_-6891.html
  4. https://www.deutsche-apotheker-zeitung.de/daz-az/2008/daz-31-2008/die-schattenseiten-von-uv-filtern
  5. Reza Ghiasvand, Elisabete Weiderpass, Adele C. Green, Eiliv Lund, Marit B. Veierød: Sunscreen Use and Subsequent Melanoma Risk: A Population-Based Cohort Study. In: Journal of Clinical Oncology. https://doi.org/10.1200/JCO.2016.67.5934
  6. Journal of Clinical Oncology 34, 3976. http://dx.doi.org/10.1200/JCO.2016.67.5934
  7. http://annals.org/aim/article-abstract/716987/sunscreen-use-risk-melanoma-quantitative-review?volume=139&issue=12&page=966

Wenn das Joghurt lügt…

Kürzlich erreichte mich eine Frage aus der Leserschaft. Anne M. möchte wissen:

Ich fände es eher interessant zu erfahren, warum man Erdbeeraroma aus Schimmelpilzen herstellt[…] Ist das gesund & richtig dermaßen in den Chemiebaukasten zu greifen?

In der Tat wirkt es befremdlich, wenn der Erdbeergeschmack aus unserem Joghurt nicht aus einer Erdbeere kommt, sondern aus einem Material gewonnen wird, dass man gemeinhin als nicht essbar einstufen würde. Tauchen wir also ein in die bunte Welt der Aromen.

Was sind Aromen ?

Wie für Vieles in der Lebensmittelbranche gibt es auch für Aromen eine EU Verordnung (Aromenverordnung (EG) Nr. 1334/2008), die genau regelt, was ein Aroma eigentlich genau ist:

„Aroma“: Erzeugnis,
i) das als solches nicht zum Verzehr bestimmt ist und Lebensmitteln zugesetzt wird, um ihnen einen besonderen Geruch und/oder Geschmack zu verleihen oder diese zu verändern;

Soweit erstmal ganz einleuchtend und keine große Überraschung. Wesentlich spannender wird es, wenn wir uns die Unterteilung der verschiedenen Aromen angucken: Aromastoffe, Aromaextrakte, thermisch gewonnene Reaktionsaromen, Raucharomen, Aromavorstufen und sonstige Aromen.
Für uns interessant sind die ersten beiden Kategorien plus das Raucharoma, da dies primär die Stoffe sind, die unserem Essen zugesetzt werden.

Aromastoffe sind einzelne Substanzen, die entweder natürlichen oder synthetischen Ursprungs sein können.

Was für Aromen gibt es ? Wie werden Aromen eingeteilt ?

Um uns das Ganze näher zu veranschaulichen, wollen wir beim Beispiel Erdbeere bleiben:

  • Erdbeerextrakt:
    Wie der Name bereits suggeriert, werden hier Erdbeeren genommen und mittels eines physikalischen Verfahrens (z.B. Extraktion mit einem Lösungsmittel oder Destillation) die enthaltenen Aromastoffe gewonnen. Wir erhalten also keinen einzelnen Stoff, sondern ein komplexes Gemisch, 100 %ig aus der Erdbeere gewonnen.
  • natürliches Erdbeeraroma:
    Hier müßen es nicht mehr 100 %, sondern nur noch 95 % sein. Was ist nun mit den übrigen 5 % ? Nun ist es tatsächlich so, dass alle Naturerzeugnisse einer gewissen natürlichen Qualitätsschwankung unterliegen. Nicht jede Erdbeere schmeckt gleich. Ähnliches kennen wir vom Wein, bei dem verschiedene Lagen und Rebsorten auch unterschiedliche Geschmacksnuancen besitzen. Da der Verbraucher aber bei Fertigprodukten eine gleichbleibende Qualität haben möchte, ist es erlaubt zur geschmacklichen Feinabstimmung weitere Aromastoffe zuzusetzen. Das Aroma muss zwar deutlich nach der Erdbeere schmecken, bildet deren volles Geschmacksspektrum aber nicht vollumfänglich ab. Ebenso gibt es auch den Fall, dass der natürliche Extrakt gesundheitsschädliche Inhaltsstoffe besitzt, so z.B. Citrusöl, dem die Terpene α-Pinen und Limonen entzogen werden.
  • natürliches Aroma:
    Aufgemerkt ! Hier fehlt jetzt der Name des Lebensmittels, dessen Geschmack nachgebildet wird. Zwar wird das Aroma nach wie vor aus natürlichen Quellen gewonnen, aber unsere beispielhafte Erdbeere muss nicht zwingend daran beteiligt gewesen sein. Der Name fällt insbesondere weg, wenn er den Geschmack des Aromas nicht zutreffend beschreibt. Tatsächlich kann man heutzutage mithilfe von Mikroorganismen Schlüsselkomponenten des authentischen Aromas nachbilden.
Bakterien der Gattung Streptomyces als biotechnologische Aromenfabrik

Beispiel: Vanillin, die Hauptkomponente im Vanillegeschmack. Hier kann man zum Beispiel auf Reis zurück greifen, der unter anderem Ferulasäure enthält, die von z.B. bestimmten Bakterien der Gattung Streptomyces zu Vanillin umgebaut wird. Die auf biotechnologischem Weg gewonnenen Aromastoffe lassen sich dann von Bakterien und Fermentationsbrühe abtrennen und hochrein isolieren.

Synthetisches Aroma:
Hier darf jetzt der Chemiker zeigen, was er kann. Sprich: Der Aromastoff wird nicht aus Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen gewonnen, sondern im Labor hergestellt. Beim naturidentischen Aroma handelt es sich um den selben Stoff, den man auch in der Natur finden kann. Liegt er in hochreiner Form vor, kann man nicht mehr unterscheiden, ob er extrahiert wurde oder synthetisch hergestellt wurde. Es ist das selbe Molekül. Beispiel Vanillin: Es kann wie wir gesehen haben aus Vanilleschoten oder aus Bakterienkulturen „natürlich“ isoliert werden oder als Resultat organischer Synthesechemie entstehen, hier z.B. in einer Variante die beim Chemiekonzern Rhône-Poulenc zum Einsatz kam:

Bleiben noch die künstlichen Aromen, die mit dem natürlichen Vorbild bis auf einen ähnlichen Geschmack, nur noch wenig gemein haben. Beispiel: Ethylvanillin, welches sich vom natürlichen nur dadurch unterscheidet, dass eine Methylgruppe (-CH3) durch eine Ethylgruppe (-CH2CH3) ausgetauscht wurde, dadurch aber bis zu 4-mal intensiver schmeckt als natürliches Vanillin. Übrigens, wenn man nur den simplen Begriff Aroma ließt, dann ist es fast sicher, dass es künstliches Aroma ist, da alle „höhenwertigen“ Aromen auch als als solche ausgewiesen werden, als sich mit den synthetischen unter einem Begriff gemein zu tun.

Warum schmecken Erdbeeren anders als aromatisierte Produkte mit Erdbeere ?

Tatsächlich sind Geschmack und Geruch der originalen unverfälschten Lebensmittel eine sehr komplexe Angelegenheit. Über 10.000 Aromastoffe hat man in der Natur identifiziert und allein der authentische Geschmack der Erdbeere wird von mehr als 300 verschiedenen Stoffen hervorgerufen. Wer einen ungefähren Eindruck dieser molekularen Vielfalt gewinnen will, kann einen Blick in diesen Wikipedia Artikel werfen, in dem diverse Schlüsselkomponenten in Fruchtaromen aufgelistet werden.

Übrigens… Wo wir schon von Komplexität sprechen. Es gibt Moleküle, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten. Sie scheinen sich wie ein Ei dem anderen zu gleichen, nur eben spiegelverkehrt. Und das kann interessante Auswirkungen auf ihre biologische Eigenschaften haben: Nehmen wir den Aromastoff Carvon – in der Form (S)-(+)-Carvon riecht dieser nach Kümmel, während (R)-(-)-Carvon das Aroma von Minze besitzt !

Daher beschränkt man sich auf einige wenige Schlüsselaromen, die dann von Aroma-Experten zu einer speziellen Rezeptur vermischt werden um den natürlichen Geschmack nachzubilden oder aber die passende Geschmacksnote für ein Produkt zu kreieren.

Wieso nicht nur natürliches Erdbeeraroma verwenden ?

Wenn schon Erdbeeraroma, dann bitte natürliches Erdbeeraroma, mag man sich denken. Hier stößt man auf das Problem, das der Gehalt an Aromastoffen in einer Erdbeere sehr gering ist. Man geht von einem Gehalt von etwa 0.01 % aus. Bedeutet: Für 1 kg Aroma würde man 10.000 kg Erdbeeren benötigen. Entsprechend kann man sich vorstellen, das der Bedarf an Erdbeeraroma mit Früchten alleine nicht zu decken wäre. Daher behilft man sich mit Tricks. Eben z.B. Mikroorganismen und Schimmelpilze einzusetzen, die natürliches Aroma auf billigem Weg erzeugen und das man nach entsprechender Aufreinigung nicht mehr vom aus der Erdbeere extrahierten Einzelstoff unterscheiden kann.

Erdbeer Aroma aus Sägespänen ? Echt jetzt ?

Man hört immer wieder, dass Erdbeer- oder Himbeeraroma aus Sägespänen gewonnen und dann als natürliches Aroma deklariert wird. Dies ist jedoch offenbar eine Urban Legend. Wie wir gesehen haben, darf sich nur solche Stoffe natürliches Aroma nennen, die mittels physikalischer Prozesse aus einem Naturprodukt wie Pflanzen und Tieren gewonnen oder mittels Mikroorganismen erzeugt wurden. Das Gerücht stammt daher, dass die Erdbeere auch in geringen Mengen Vanillin enthält, welches sich auf chemischen Wege aus Lignin synthetisieren lässt. Lignin wiederum gewinnt man aus Holz. Da hier aber chemische Prozesse benutzt werden, währen wir bestenfalls bei naturidentischem Aroma.

Warum werden Aromen verwendet ?

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Adriaen Brouwer – Der bittere Trank


Bleibt also die Frage nach dem Warum. Eine Antwort kann zum Beispiel sein: Um eine bittere Pille zu versüßen. Schon mal darüber nachgedacht wie Zahnpasta z.B. schmecken würde, wenn man den Pfefferminzgeschmack weglässt ? Putzkörper (aka Schmirgel), Schaumbildner und andere Funktionsstoffe… Ich kann mir nicht vorstellen, dass das gut schmeckt. Scheint also ein legitimer Einsatzort zu sein.

Standardisierung von Geschmack spielt gewiss auch eine große Rolle. Wenn man in den Supermarkt geht, um sein Erdbeerjoghurt zu kaufen, dann erwartet man, dass dieses immer gleich schmeckt. Da das Aroma natürlicher Zutaten einer gewissen Schwankungsbreite unterworfen ist, kann man durch Zusatz von externer Aromen ein für das jeweilige Produkt immer gleichen Geschmack gewährleisten. Der Aufbau und die Pflege einer Marke spielt hier auch eine Rolle. Es gibt viele Orangenlimonaden, die alle ihre geschmacklichen Charakteristika besitzen und dementsprechend verschiedene Leute unterschiedlich stark ansprechen. Intensiver Geschmack ist auch appetitanregend und daher auch verkaufsfördernd.

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Hier kommen wir dann langsam in einen Bereich wo es bedenklich wird. Intensiver Geschmack kann auch diverse Defizite des Lebensmittels kaschieren. So kann ein Produkt nur geringfügig mehr Nährwert als ein Becher Tapetenkleister besitzen (da aus billigsten Rohstoffen hergestellt), aber trotzdem frisch fruchtig schmecken. Besonders perfide wird es, wenn den Kleisterbecher Bilder von gesundem Obst zieren.

In unserem Zeitalter der Sparfüchse, wo Otto-Normalverbraucher nicht mehr bereit ist mehr Geld für qualitativ hochwertige Lebensmittel auszugeben, darf man sich dann ob solcher Phänomene nicht wundern, wenn alles billig sein muß.

Wie steht es mit Gesundheitsrisiken ?

Eine schwierige Frage, die nicht einfach und vermutlich auch nicht pauschal beantwortet werden kann. Positiv zu vermerken ist, dass es in der EU mit der EFSA (European Food Safety Agency) und in Deutschland mit dem Bundesinstitut für Risikobewertung Gremien gibt, die sich mit dieser Frage für die einzelnen Aromen beschäftigen und bedenkliche auch aus dem Verkehr ziehen und/oder Grenzwerte festlegt.

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Schon Paracelsus wußte: Die Dosis macht das Gift

Grundsätzlich können auch natürliche Aromastoffe gesundheitsschädlich sein, wie wir oben für Limonen in natürlichem Citrusöl gesehen haben. Für künstliche Aromen stellt sich die Frage sowieso. Hier gilt, wie bei vielen anderen Dingen auch, dass die Dosis das Gift macht.

Während also geringe Dosen unschädlich sind, beginnen jenseits eines Grenzwerts die Probleme. Somit ist es also auch ein Stück weit unerheblich, wo das Aroma hergekommen ist, wenn man es im Endprodukt auf bedenklich hohe Konzentrationen anreichert. Gottseidank sind Aromen sehr ergiebig, so dass also schon geringe Mengen für ein deutliches Geschmacksresultat ausreichen.

Aber man darf es nicht übertreiben !

Richtig unübersichtlich wird es, wenn die Aromastoffe zum Zwecke der besseren Dosierbarkeit und/oder Verarbeitung in Trägersubstanzen eingebettet sind:

Auszug aus dem Datenblatt eines kommerziellen Erdbeeraromas

Wir sehen, dass ein solches Aromapräparat, wie es z.B. für die Zubereitung von Getränken erhältlich ist, zu 4/5 aus Trägersubstanzen besteht. Diese Hilfsstoffe werden aber nicht unter den Inhaltsstoffe des Endprodukts aufgeschlüsselt. Hier taucht lediglich die Bezeichnung Aroma auf. Während die im aktuellen Beispiel aufgelisteten Stoffe als unbedenklich gelten und auch nur in geringen Mengen (etwa 1 mL pro 1000 mL) in das Endprodukt kommen, bleibt ein ungutes Gefühl. Hier kann man nur hoffen, dass unsere staatlichen Kontrollorgane ein wachsames Auge haben, um schwarze Schafe rechtzeitig aus dem Verkehr zu ziehen.

Was nun ?

Wer letztendlich auf Nummer sicher gehen will, der meidet Fertigprodukte und setzt auf selbstzubereitete Speisen aus frischen Lebensmitteln. Dies erfordert natürlich ein gewisses Quantum an Mehrarbeit. Hefeteig ansetzen und die Pizza selber belegen anstelle eine tiefgekühlte in den Ofen zu schieben. Orangen pressen und mit Sprudelwasser mischen anstelle eine Dose Limo aufzureißen. Oder aber eben wirklich die Produkte zu suchen, die auf echte Erdbeeren setzen, aber eben ein paar Euros mehr kosten.

Bang Boom Bang – Feuerwerk !

Physik ist das was nie gelingt, Chemie ist das was kracht und stinkt. Jeder kennt dieses flotte Sprüchlein. Und das diese Aussage, zumindest der Teil, der sich auf die Chemie bezieht, wahr ist, kriegt man zu Sylvester regelmäßig vor Augen geführt. Feuerwerk ist eine chemische Errungenschaft, die für viele mit Silvester untrennbar verbunden ist und die nicht nur knallt und leuchtet, sondern auch für dicke Luft sorgt (sprich: auch stinkt).

2013 Fireworks on Eiffel Tower 49

Ein schwarzes Pulver für bunte Farben

Zentraler Bestandteil jedes Feuerwerks, ob Böller oder Rakete, ist Sprengstoff. Sofern man einen handelsüblichen, regelkonformen Feuerwerkskörper kauft, handelt es sich dabei um Schwarzpulver, den Urvater aller Sprengstoffe.

Berthold Schwartz, Inventeur de l'Artillerie (André Thevet, 1584)

Berthold Schwartz, Inventeur de l’Artillerie (André Thevet, 1584)

Einer Legende nach wurden Pulver und Kanone durch Zufall durch einen Franziskaner Mönch mit Namen Berthold Schwarz erfunden, als dieser bei seinen alchemistischen Experimenten in einem Mörser Salpeter, Schwefel und Holzkohle verrieb und diesen dann auf den Ofen stellte, um kurz den Raum zu verlassen. Die kurz darauf stattfindende Explosion beförderte den verwendeten Stößel an die Decke des Raums, wo sich dieser in einen Deckenbalken bohrte und selbst nach Anrufung der hl. Barbara von den herbei geeilten Mönchen dort nicht mehr herausgezogen werden konnte. In Gedenken an diese Entdeckung trägt das Pulver nun den Namen des Erfinders, kurzläufige Geschütze den Namen „Mörser“ und die heilige Barbara wurde zur Schutzheiligen der Artilleristen.

Tatsächlich haben aber wohl die Chinesen das Pulver erfunden. Und das bereits um
25 – 250 n. Chr. Besonders der Mönch Li Tian soll sich zur Zeit der Tang-Dynastie besonders um das Feuerwerk verdient gemacht haben, da er den Bahzou, den Urvater des heutigen Chinaböllers erfand: Schießpulver gefüllt in ein Bambus-Rohr. Der Knall dieses Böllers muß wohl ziemlich deftig gewesen sein, diente aber noch nicht dem Amüsement oder der Kriegskunst, sondern sollte böse Geister und Dämonen in die Flucht schlagen. Mit der Erfindung des Feuerpfeils um das 12. Jahrhundert, war dann auch die Grundlage für die Feuerwerksrakete gelegt.

Nach Europa gelangte das Schießpulver dann über den franziskanischen Forschungsreisenden Wilhelm von Rubruck, der die Rezeptur 1255 von seiner Reise zu den Mongolen mitbrachte. Feuerwerk zu Unterhaltungszwecken wurde dann irgendwann besonders bei Hofe populär. Das erste Feuerwerk auf deutschem Boden ist Kaiser Maximilian I. anlässlich des Reichstags 1506 in Konstanz zu verdanken. Der englische König setzte dem noch Eins oben drauf, indem er sich von Händel die Feuerwerksmusik komponieren ließ, die 1749 zur Uraufführung kam.

Ein Wort der Warnung…

Nun mag mancher denken, dass so ein bisschen Schwarzpulver ein lohnendes Projekt für den Hobbykeller ist. Kohlenstaub, Schwefel und Salpeter sind schnell beschafft und kosten wenig. Oder man greift zu anderen Mischungen aus Bau- & Gartenbaumarkt Artikeln, um etwas zusammen zu mixen was knallt. Der Erfindungsreichtum des Improfeuerwerkers sind keine Grenzen gesetzt. Tatsächlich kommt es erstaunlich häufig vor, dass man als Chemiker von Laien gefragt wird, ob man nicht etwas zusammen mischen kann, was richtig knallt… Nun, können kann der Chemiker sicher schon, doch tut er gut daran (genauso wie der potentielle Improfeuerwerker) die Finger von solchen Unterfangen zu lassen. Denn man sollte es sich zum Grundsatz machen, nach getaner Arbeit immer die selbe Anzahl an Fingern mit nachhause zu nehmen, die man ursprünglich mitgebracht hat.

Und damit keiner der frischgebackenen Chemiestudenten auf krumme Gedanken kommt, wurde uns vor unserem ersten Laborkurs mit ziemlich drastischen Bildern vor Augen geführt, was so alles schief gehen kann, wenn man unbedacht mit explosiven Mischungen arbeitet. Was auf dem Foto wie ein Pfund Zwiebelmett anmutete, war tatsächlich mal eine menschliche Hand.

Handwrist

Darum sollte man keine Pyrotechnik im Hobbykeller betreiben…

Aber es gibt immer Unbelehrbare… Die nur mal gucken wollten… Die nur ganz wenig hergestellt haben… Wie der eine Kollege, der zu „Forschungszwecken“ in seinem Kellerlabor ein wenig Acetonperoxid hergestellt hat und dem selbiges dann (leichte Reibung genügt) in den Händen explodiert ist… Resultat: Ein längerer Krankenhausaufenthalt und lebenslange Narben auf beiden Armen und nur noch 10 % Sehfähigkeit auf einem Auge…

Auch kommerzielle Böller sind mit Vorsicht zu genießen… Klar, sie explodieren gewiss nicht urplötzlich wie manche Eigenbauartikel, aber auch hier kann einiges schiefgehen, wenn man unsachgemäß und/oder unkonzentriert daran herumfuhrwerkt.

In meinen Augen lohnt sich das Risiko für die ganze Knallerei nicht. Ich hänge an meinen Fingern und sie hängen an mir. Und da sollen sie auch bleiben.

Feuerwerkswissenschaft

Das Pulver knallt, es befördert die Rakete gen Himmel… Zwei wichtige Funktionen der Feuerwerksrakete haben wir abgehakt. Fehlt noch der bunte Feuerzauber. Wenn wir an den Chemieunterricht in der Schule zurück denken, dann erinnern wir uns mit Sicherheit auch an die Flammenfärbung ! Eben jenes Phänomen, dass man beobachten kann, wenn man bestimmte Metallsalze in eine heiße Flamme (so z.B. einen Bunsenbrenner) einbringt.

Achtung ! Physikalischer Exkurs !
Allen Elementen ist gemeinsam, dass Sie bei ausreichend hohen Temperaturen Licht aussenden. Bei den uns interessierenden Metallen sind, sind dies bereits Temperaturen, die in einer Bunsenbrennerflamme oder eben beim Abbrand von Schwarzpulver auftreten, farbiges Licht abgeben. Durch die thermische Energie der Flamme (A) werden die Metallionen angeregt, d.h. Elektronen aus der Schale des Atoms werden aus ihrem Grundzustand auf ein energetisch höheres Niveau angehoben (B). Bekanntermaßen ist der natürliche Lauf der Dinge, dass Alles, dem viel Energie innewohnt, diese in der Regel möglichst schnell wieder abgeben will. Dies bedeutet, dass unser angeregtes Elektron wieder in seinen Grundzustand zurück fällt (C) und die überschüssige Energie wieder als Licht abgibt (D).

Hier mal eine kleine Auswahl der möglichen Farben:

Element Farbe
Lithium karminrot
Natrium gelb
Barium gelb-grün
Kupfer Smaragdgrün
Azurblau
Caesium violett
Strontium ziegelrot
Calcium orange

Letztendlich kommt in einen farbigen Feuerwerkseffekt eine komplexe Mixtur verschiedener Chemikalien, die ungefähr folgendem Grundschema ähnelt:

  • Brennstoff
  • Oxidationsmittel (Führt der Verbrennung mehr Sauerstoff zu, damit die Flamme heißer brennt)
  • Additiv zur Flammenfärbung (Salze, siehe oben)
  • Chlordonator (Sorgt für eine intensivere Färbung und kann bei manchen Metallen eine andere Farbnuance hervorrufen, z.B. Grün im Falle von Kupfer)
  • Bindemittel (damit der ganze Kladderadatsch auch zusammen hält)

Wo Licht ist da ist auch Schatten…

Doch so schön Feuerwerk auch ist, es hat auch seine Schattenseiten, von der mit ihm einhergehenden Explosionsgefahr mal abgesehen. Ist die Luft der Silvesternacht auch noch so klar, spätestens um Mitternacht ist Schluss damit. Denn alles was verbrennt, erzeugt auch Abgase. Die Holzkohle wird zu CO2, der Schwefel erzeugt Schwefeloxide & Sulfide… Tatsächlich ist die Chemie der Schwarzpulververbrennung recht komplex, bei der ein buntes Gemisch an festen und gasförmigen Produkten frei wird. Und auch die Metallsalze und sonstigen Zutaten lösen sich nicht in Wohlgefallen auf, sondern enden als Feinstaub in der Luft, fast 5000 Tonnen (!) davon… Das ist eine beachtliche Menge, angesichts der Tatsache, dass ein Staubpartikel im Schnitt einen Durchmesser von 10 µm hat und damit fast nichts wiegt.

Feinstaub in der Silvesternacht (Quelle: Umweltbundesamt), für volle Größe KLICKEN

 

Interessant ist die Karte des Umweltbundesamts, die die Feinstaubbelastung vom 1.1.2017, 1 Uhr abbildet und uns eine ungefähre Vorstellung vermitteln, wo die größten Feuerwerksenthusiasten sitzen. Der Rekordhalter 2017 ist Leipzig mit 1860 µg/m3 ! Aber man braucht keine Messstation, um einen Eindruck davon zu kriegen, denn es wird ziemlich „neblig“.

Schall gilt übrigens auch als schädliche Emission ! Denn was des Einen Freud ist, ist des anderen Leid: Ich spreche hier sicher im Sinne vieler Haustierbesitzer, deren Tierchen durch die exzessive Knallerei fast durchdrehen.

Diese Katze ist GEGEN Böllerei !

Vor lauter Nebel darf man aber eine weitere Gefahr nicht außer Acht lassen: den Fallout ! Merke: Es braucht keinen atomaren Beschuss, um Fallout zu erzeugen. Während verkohlte Papierreste einer Rakete oder eines Böllers ein vergleichsweise geringes Übel sind, kann es jedoch ziemlich unangenehm sein, wenn einem das hölzerne Leitwerk oder Plastikspitzen einer Rakete auf den Kopf knallen. Neben diesem ‚kalten Fallout‘ gibt es auch noch heißen in Form von Schlacke (Metalloxide), die zwar selten als fester Körper den Boden erreichen, aber dennoch vorkommen.

Bedient man sich statt der klassischen Rakete einer Feuerwerksbatterie (1 x anzünden, zig mal schießen) bleibt der kalte Fallout zwar aus, aber die leer geschossene Karkasse aus Pappe und Ziegelmehl bleibt auf der Erde stehen. Während diese zwar niemandem auf den Kopf fallen können, bleiben diese aber meist eine ganze Weile stehen bis sich jemand erbarmt den Müll mal wegzuräumen. Sprich: In der Nachbarschaft siehts aus wie auf der Müllkippe.

Reste vom Vortag... Feuerwerksmüll

Reste vom Vortag… Feuerwerksmüll

Besonderer Augenmerk gilt einer besonderen Form von Fallout: dem Blindgänger. So kommt es immer wieder mal vor, dass die Rakete zwar kurz abhebt, aber nicht wirklich durchzündet und dann immer noch betriebsbereit auf dem Boden zu liegen kommt. Nun ist es nicht gerade ungefährlich diese Blindgänger zu beseitigen und deswegen bleiben sie oft liegen. Sehr zur Freude vieler Jugendlicher, die den Neujahrstag damit verbringen die Hinterlassenschaften der Silvesternacht nach solchen Versagern abzusuchen, um diese dann irgendwelchem Unfug zuzuführen. Das natürlich mit den Fundstücken kein sicheres Hantieren möglich ist, liegt auf der Hand. Daher kann man nur an alle Feuerwerksenthusiasten appellieren, entsprechende Hinterlassenschaften sicher zu beseitigen. So empfiehlt z.B. Feuerwerk.net:

Bei stehengebliebenen Feuerwerkskörpern jeglicher Art sollte vor einer Annäherung mindestens 15-30 Minuten gewartet werden. Mörser und Batterien werden nicht untersucht (mögliche versteckte Funken/Glut, Hang Fire), sondern mit viel Wasser aufgefüllt, Fontänen, Silvester-Knallkörper usw. in Wassereimern „ertränkt“.
— Quelle: Feuerwerk.net

Dennoch will ich Feuerwerk keinem madig machen. Auch ich erfreue mich an einer virtuos durchgeführten Feuerwerksshow. Wohlgemerkt solche mit buntem Funkenregen… Rohe Böllerei ist meiner Meinung nach einfach nur unnötiger Krach. Und selbst, wenn man jetzt den Einwand erhebt, man wolle damit die bösen Geister vertreiben… Glauben Sie allen Ernstes, dass sich Dämonen von ein bisschen Krach in die Flucht schlagen lassen ? Jeder Horrorfilm belehrt einen eines Besseren…

Also weg von der exzessiven Knallerei. Warum nicht einfach statt des ungelenkten Jedermann-Feuerwerks eine organisierte Show durch Profis mit entsprechenden Effekten ? Der Profi ist in sicherem Umgang geschult und sein Feuerwerk ist eh spektakulärer als das im Baumarkt verkaufte. Konsequenz: Weniger Müll, weniger Feinstaub, weniger Verletzte und trotzdem eine gute Show.

In diesem Sinne allen Lesern ein frohes und gesundes Jahr 2018 !

 

Süßes mal anders

Zucker… Schnelle Energie und in geeigneter Form auch Nahrung für Nerven und Seele (Schoki, Kekse & sonstiger Süßkram). Doch Zucker freut nicht nur die Naschkatze, sondern auch den Zahnarzt. Und die Kalorien (die kleinen Tierchen, die Nachts die Kleidung enger nähen). Deswegen versucht so mancher Zucker in seiner Ernährung zu reduzieren oder sogar ganz zu verbannen. Süßstoff ist das Zauberwort: Aspartam, Cyclamat, Sorbitol… Sehen wir uns also diese künstlichen Zusatzstoffe mal etwas näher an…

Süßes !

Süßes !

Der Vorteil von Süßstoffen ist, dass sie nur einen geringen Brennwert haben und auch kein Karies auslösen sollen, da die Bakterien in unserem Mund diese nicht verstoffwechseln können…

Exkurs: Karius & Bactus

Was machen die Bakterien mit dem Zucker im Mund ? Sie bauen Zucker wie Glucose (Traubenzucker), Fructose und Saccharose (Haushaltszucker) zu organischen Säuren wie z.B. Milchsäure ab. Und wie selbst Lieschen Müller weiß, kann man mit Säure Dinge auflösen… So z.B. auch unseren Zahnschmelz…

Besagte Vorteile der Süßstoffe werden auch dadurch verstärkt, dass sie um Einiges süßer sind als herkömmlicher Zucker1:

Süßstoff Süßkraft
Aspartam 200
Acesulfam-K 130–200
Cyclamat 30–50
Saccharin 300–500
Sucralose 600
Advantam 13000
Steviosid 200–300

Wenn wir also für Saccharose eine Süßkraft von 1 zugrunde legen, dann ist Aspartam z.B. 200x süßer als Zucker. Der experimentelle Süßstoff Lugdunam, der allerdings nicht öffentlich erhältlich ist, besitzt den Rekordwert von bis zu 300.000x ! Bei einer solchen Süße können diese Stoffe also in sehr geringer Konzentration eingesetzt werden, so daß ihr eigener Brennwert zu vernachlässigen ist. Dennoch ist der Brennwert einer Süßstofftablette nicht Null, da bei der Herstellung der Tablette noch weitere Zutaten involviert sind, in die der Süßstoff zur Verdünnung quasi „eingebettet“ ist. Hier mal als Beispiel die Angaben für ein gängiges in Deutschland erhältliches Süßungsmittel auf Aspartam & Acesulfam-K Basis:

Geschichtliches

Wer denkt, dass Süßstoffe eine Erfindung der neuzeitlichen Nahrungsmittelindustrie ist, der täuscht sich. Schon die Römer griffen sozusagen zu „Zuckerersatzstoffen“. Da reiner Zucker recht kostbar war (nur Honig war einfach verfügbar), griff man gerne zu sogenanntem Defrutum, eingekochtem Traubenmost.

Römer beim "bleischweren" Gelage

Römer beim „bleischweren“ Gelage

Dieser wurde zur Verstärkung der Süßkraft in Bleigefäßen zubereitet. Die im Most enthaltene Essigsäure löst Blei an, wodurch das Salz Blei(II)Acetat erhalten wird, welches wegen seines süßen Geschmacks auch unter dem Namen Bleizucker bekannt ist. Es ist natürlich mittlerweile nicht erstaunlich, dass dies nicht gerade gesundheitsförderlich ist, da Blei ein giftiges Schwermetall ist. Dennoch blieb Bleizucker bis ins 19. Jahrhundert in Gebrauch, z.B. zum Panschen von saurem Wein. Ein Opfer dieser ungesunden Praxis könnte der Komponist Beethoven sein, dessen Todesursache mit solchem Wein in Verbindung gebracht wird, auch wenn dies kontrovers diskutiert wird.

Saccharin & Cyclamat – Süßer Zufall

Der erste „künstliche“ Süßstoff ist das Saccharin, welches 1878 durch den Chemiker Constantin Fahlberg entdeckt wurde, als diesem beim Abendbrot auffiel, dass seine Hände und Arme trotz vorherigen Waschens eine süße Anhaften aufwiesen, worauf dieser konstatierte:

„Es konnte kein anderer Umstand hier mitgewirkt haben, als dass ich sie mir, trotz des Waschens, von meiner Arbeit aus dem Laboratorium so mitgebracht hatte. Ich lief ins Laboratorium zurück und durchkostete meine sämtliche Becher, Gläser und Schalen〔…〕“

American Chemical Journal. 1 (6): 426

American Chemical Journal. 1 (6): 426

Das Unterfangen diesen Stoff als Zuckeralternative zu vermarkten (1/3 billiger als Rübenzucker, bezogen auf die Süßkraft), stieß natürlich auf wenig Gegenliebe bei der Zuckerindustrie, weshalb diese einen Apothekenzwang erwirkte, woraufhin der Süßstoff nur noch auf Rezept erhältlich war. Überhaupt war Saccharin nur ein mäßiger Erfolg im privaten Haushalt, da es aufgrund seiner „starken Wirksamkeit“ nur schwer zu dosieren sei und sich auch nicht zum bestäuben von Kuchen eignete. Der Durchbruch kam erst später, als bedingt durch den 1. Weltkrieg richtiger Zucker knapp wurde.

Ebenfalls eine Zufallsentdeckung ist Cyclamat. Auch hier war ein schwerer Sicherheitsverstoß im Labor Mutter der Entdeckung. Der Amerikaner Michael Sveda, eigentlich auf der Suche nach fiebersenkenden Wirkstoffen, entdeckte, dass eine auf der Laborbank abgelegte Zigarette, einen süßen Geschmack angenommen hatte. Eine etwas entschärfte Version kann man in der New York Times nachlesen:

Dr. Sveda, who once told The New York Times in an interview that „God looks after damn fools, children and chemists,“ credited providence for his discovery of cyclamates. In 1937, while doing lab work for his doctorate at the University of Illinois, he brushed his lips without having washed his hands and found that his fingers tasted sweet. Intrigued, he tasted chemicals from all the beakers in front of him and discovered the compound that he eventually refined into the sweetener.

Andererseits war das Rauchen im Labor damals nichts Verwerfliches und Geschmacksproben (wie wir schon beim Saccharin gesehen haben) durchaus an der Tagesordnung. Etwas makaber erscheinen die Geschmacksanalysen wagemutiger Pharmazeuten, wie Erich Lück in der Chemie in unserer Zeit3 berichtet:

Furchtlose Pharmazeuten unterschieden bis

Mitte des 20. Jahrhunderts die beiden extrem bitteren Naturstoffe Chinin und Strychnin am Abgang: Die Bitterkeit von Chinin ließ relativ schnell nach, während die von Strychnin auch ein Mittagessen überdauerte.

Auch wenn das Cyclamat von der Süßkraft dem Saccharin unterlegen ist, hat es einen entscheidenden Vorteil: Während Saccharin einen leicht metallischen Geschmack besitzt, ist Cyclamat frei davon. Daher werden gerne Gemische von Cyclamat und Saccharin (10:1) eingesetzt, welche die Vorteile beider vereinen. Cyclamt bzw. sein Gemisch waren dann auch die ersten Vertreter, die zum Süßen von Cola & Limonaden verwendet wurden, z.B. im ersten Diät-Getränk mit dem bezeichnenden Namen No-Cal (Man beachte die vollmundige Aussage „Absolutely Non-Fattening“ !)

No-Cal Werbung (aus: Woman's Day 1954)

No-Cal Werbung (aus: Woman’s Day 1954)

Süße aus Aminosäuren

Der dritte Süßstoff, dem man im Alltag häufig begegnet ist Aspartam, einem Molekül, dass sich aus den Aminosäuren Phenylalanin und Asparaginsäure zusammensetzt. Und wieder war Kollege Zufall an der Entdeckung beteiligt, als James Schlatter an einer Synthese für das Hormon Gastrin arbeitete. Als diesem beim Versuch einen Synthesebaustein bestehend aus besagten zwei Aminosäuren mit dem Alkohol Methanol zu verestern, die Reaktionsmischung überkochte, gelangte etwas vom Reaktionsprodukt auf seine Hände. Der Rest der Geschichte dürfte bereits bekannt sein. Da die beteiligten Aminosäuren auch in unserer Nahrung gefunden werden können, ist es erst einmal nicht abwegig anzunehmen, dass ein solcher Süßstoff ungiftig ist. Dennoch sollte es zu einer hitzigen Diskussion über eine etwaige Schädlichkeit kommen…

Süßes Gift ?

Nun ist das was man daheim im stillen Kämmerlein verkostet eine Sache, wenn man jedoch einen neuen Lebensmittelzusatzstoff an die Massen verfüttern möchte eine deutlich andere. Solche Zusatzstoffe müssen nicht nur einen Zulassungsprozess durchlaufen, sondern sind immer wieder Objekt von Studien hinsichtlich ihrer Schädlichkeit.

In dem Zusammenhang kam auch mehrfach schon die Diskussion auf, ob bestimmte Süßstoffe krebserregend sind. So sahen sich die Hersteller von Saccharin und Cyclamat in den 60ern und frühen 70ern dem Vorwurf ausgesetzt, dass diese Süßstoffe Blasenkrebs bei Ratten auslösten. Bei Beiden Saccharin war man ursprünglich von ihrer Unschädlichkeit ausgegangen, da sie unverändert über den Harn ausgeschieden werden. Nun tauchten aber gerade in der Blase der Versuchsratten krebsartige Veränderungen auf.

Konsequenz des ganzen war ein Verbot von Cyclamat in den USA und ein Verbot von Saccharin in Kanada, sowie die Auflage, dass süßstoffhaltige Lebensmittel mit einem Warnhinweis zu kennzeichnen seien.

Diese Studien sind jedoch nicht unproblematisch: Zum Einen wurden die Ratten mit abenteuerlich hohen Mengen an Süßstoffen gefüttert: Den Ratten wurden täglich 2.5 g Cyclamt/kg Körpergewicht zugeführt, was auf den Menschen umgerechnet einem täglichen Verzehr von 330 Dosen süßstoffhaltiger Limonade entspricht !

Lange Rede, kurzer Sinn: Neuere Studien waren nicht in der Lage diese Ergebnisse zu reproduzieren, weswegen heute in Fachkreisen vermutlich mit Recht angenommen wird, dass diese Süßstoffe, sofern man nicht große Mengen davon zu sich nimmt unbedenklich sind.

Für das Aspartam ist die Kontroverse ähnlich, wobei auch hier die Fachwelt davon ausgeht, das Aspartam kein Krebs auslöst. Einen interessanten Nebeneffekt besitzt Aspartam aber dennoch: Studien aus den Jahren 1993 und 2014 konnten zeigen, dass bei Probanden nach einer Einnahme von 25 mg Aspartam / kg Körpergewicht eine deutliche Verschlechterung der Stimmung zu verzeichnen war ! Und da soll noch Einer mal sagen, dass Süßes gut für die Laune ist.

Ebenso wurden mehrfach Thesen aufgestellt, dass Süßstoffe zu einer Gewichtszunahme führen, obwohl weniger Kohlenhydrate aufgenommen werden (Stichwort: Blundell-Hill-Hypothese). Auch dies ist ein Thema, dass höchst kontrovers diskutiert wird. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung meint hierzu:

Die Theorie eines möglichen gewichtssteigernden Effekts von Süßstoffen wird durch die wissenschaftlichen Untersuchungen nicht bestätigt. Süßstoffe können im Rahmen von Gewichtsreduktionsprogrammen sinnvolle Hilfsmittel – ohne pharmakologische Wirkung – sein, die Energieaufnahme zu senken.4

Ein weiterer Aspekt, der normalerweise bei Pharmawirkstoffen diskutiert wird, ist die Abbaubarkeit von Süßstoffen in der Umwelt / in Kläranlagen. Viele Süßstoffe werden unverändert vom Menschen ausgeschieden und auch die Umwelt kriegt sie so schnell nicht klein. So lassen sich Süßstoffe (Saccharin, Cyclamat, Acesulfam-K) bereits in Gewässern nachweisen. Die Stiftung Warentest nahm den Nachweis von Süßstoffen als Maßstab für die Bewertung der Qualität von Mineralwässern. Kann darin Süßstoff gefunden werden, könne man davon ausgehen, dass Oberflächenwasser die Mineralquelle kontaminieren könne.

Süßstoff mal anders

Doch es muss nicht immer ein Süßstoff aus der Retorte sein… Mutter Natur hat ja auch ein reich gefülltes Repertoire an Wirkstoffen. Besonders Stevia ist in jüngerer Zeit sehr populär als „natürlicher“5 Süßstoff. Dabei handelt es sich um ein Extrakt aus der südamerikanischen Pflanze Stevia rebaudiana (auf Deutsch auch Süßkraut oder Honigkraut genannt). Obwohl Stevia bereits bei den südamerikanischen Ureinwohnern seit altersher bekannt ist und bereits in den 1970er Jahren in Japan als Süßstoff zugelassen wurde, schaffte es der Extrakt erst 2011 in Europa zugelassen zu werden.

Stevia rebaudia - Das Honigkraut

Stevia rebaudia – Das Honigkraut

Mit seiner Eigenschaft kein Karies zu verursachen und kalorienfrei zu sein, wird es gerne als gesündere Alternative zu Zucker und als natürlichere zu herkömmlichen Süßstoffen vermarktet. In punkto Süßkraft kann mit Stevia etwa das 350-fache von herkömmlichem Zucker erreicht werden.

Chemisch betrachtet ist dieser Extrakt ein Gemisch aus mehreren Stoffen, deren Strukturformel im Vergleich zu den bisher betrachten Süßstoffen recht barock (d.h. sehr komplex) anmutet. Die beiden wichtigsten Vertreter sind das sog. Steviosid und Rebaudiosid A. Wie es aber Naturprodukte generell zu eigen haben, kann sich die genaue prozentuale Zusammensetzung von Fall zu Fall auch ändern, was sich in teilweise stark unterschiedlichen Geschmacksnuancen äußert. So kann z.B. ein bitterer, lakritzartiger Nachgeschmack auftreten, der daher rührt, dass die Stevioside nicht nur unsere Rezeptoren für Süßes, sondern auch für Bitteres aktivieren. Daher werden kommerzielle Stevia Extrakte mit unterschiedlichsten Methoden aufgearbeitet, um den Gehalt an Rebaudiosid A zu optimieren, von dem man weiß, dass es diesen unerwünschten Nachgeschmack nicht besitzt.

Coca-Cola Life 0.5 liter

Coca Cola mit Stevia

Wie auch die anderen Süßstoffe ist Stevia nicht unumstritten und noch längst nicht überall zugelassen, obwohl Studien jüngeren Datums gezeigt haben, dass Stevioside, im Menschen weder erbgutverändernd noch krebserzeugend sind. Betrachtet man jedoch Nagetiere (Nierenversagen bei Hamstern) oder in vitro Studien sieht es schon wieder anders aus. Wir dürfen also davon ausgehen, dass die Kontroverse, die wir für die anderen Süßstoffe betrachtet haben, sich auch hier weiter abspielen werden !

Die Wunderbeere

Ein gänzlich ungewöhnlicher Süßstoff findet man in der sogenannten Wunderbeere: Diese Beere schmeckt erst einmal relativ neutral. Erst wenn man etwas Saures zu sich nimmt, geschieht das namensgebenden Wunder: die anfängliche Säure schmeckt plötzlich süß ! Verantwortlich für dieses „Mirakel“ ist das Protein Miraculin. Dieses bindet sich zunächst an unsere Süß-Rezeptoren, ohne diese zu aktivieren. Erst wenn wir etwas Saures zu uns nehmen, also den pH-Wert in unserem Mund absenken, nimmt das Protein eine veränderte Struktur ein und aktiviert den Rezeptor. Aus Saurem wird Süßes ! Steigt der pH Wert wieder, geht das Miraculin wieder in den inaktiven Zustand über und die Süße verschwindet, bis wir wieder neue Säure zuführen. Da das Miraculin recht stark an die Rezeptoren bindet können wir uns bis zu 1 Stunde an diesem Wunder erfreuen !

links: Das Protein Miraculin // rechts: Die Mirakelbeere

links: Das Protein Miraculin // rechts: Die Mirakelbeere

Insgesamt eine attraktive Sache, die in Zukunft als Süßstoff zur Anwendung kommen könnte. Hierbei gilt es jedoch das Problem der Herstellung zu lösen, da sich das Protein auf chemischem Wege nicht (einfach) herstellen lässt. Denkbar wäre eine Herstellung mit Hilfe der Gentechnik. Ähnlich dem Insulin, könnte Miraculin von gentechnisch veränderten Bakterien hergestellt werden, aus denen es dann leicht extrahiert werden könnte.

Bis es der Wundersüßstoff also käuflich zu erhalten ist, wird aber noch ein Weilchen vergehen. Bis dahin wird wohl, wie bei so vielen Dingen, beim Umgang mit Süßigkeiten (ob gezuckert oder mit Süßstoff gesüßt) Mäßigung die beste Lösung sein.

  1. http://www.suessstoff-verband.de/suessstoffe/verwendung/suesskraft-dosierung/
  2. Aus: 25 Jahre im Dienste der Saccharin-Industrie, C. Fahlberg, 1903, 5. Internationaler Kongress für Angewandte Chemie im Deutschen Reichstag Berlin.
  3. Chem. Unserer Zeit, 2011, 45, 406.
  4. http://www.dge.de/wissenschaft/weitere-publikationen/fachinformationen/suessstoffe-in-der-ernaehrung/
  5. Im Gegensatz zu synthetisch.

Thank you for smoking – Oder: Nikotin

Wie neulich schon angedeutet: Coffee & Cigarettes ist eine beliebte Kombination. So populär sogar, dass dem Thema ein ganzer Film gewidmet wurde. Koffein haben wir hier schon beleuchtet, daher nun eine Episode zum Alkaloid Nikotin, welches Zigaretten für so viele unwiderstehlich macht.

Pflanzen aus der neuen Welt

Nicht nur erfrischt und reinigt der Tabak das Gehirn, nein, er leitet die Seele zur Tugend und lehrt sie, rechtschaffen zu werden. Der Tabak ruft den Trieb zur Ehre und Tugend wach in allen Menschen, die sich seiner bedienen. Er ist die Leidenschaft der anständigen Leute, und wer ohne Tabak lebt, ist nicht würdig zu leben.
— Molière (frz. Dramatiker, 1622-1673) in Festin de Pierre

Nikotin kommt in der Natur in erster Linie in Pflanzen der Sorte Nicotiana tabacum und Nicotiana rustica (oder anders: in Tabak) vor. Obwohl Tabak heutzutage auch in Europa angebaut wird, so stammt sie ursprünglich aus den (sub)tropischen Gebieten Amerikas. Nach Europa gelangte die Pflanze und das Rauchen mit der Expedition Christoph Columbus’. Hervorzuheben ist hier wohl ein gewisser Rodrigo de Jerez aus Columbus’ Mannschaft, der als erster europäischer Raucher gelten darf. Dieser hatte auf Kuba die Einheimischen dabei beobachtet, wie sie die zerkleinerten Blätter der Tabakpflanze gerollt in Palm- und Maisblätter (sozusagen die Urform der Zigarre) rauchten.

Rodrigo de Jerez bei den indianischen Rauchern

Rodrigo de Jerez bei den indianischen Rauchern

Diesen Brauch führte er dann nach seiner Rückkehr den Bewohnern seiner Heimatstadt vor, nur um kurz darauf von der Spanischen Inquisition arretiert zu werden, da nur der Teufel es vermag einem Mann die Fähigkeit zu verleihen Rauch aus seinem Mund zu speien.

Tabak 9290019

Nicotiana tabacum

Ungeachtet dessen, fand man Gefallen an der Tabakpflanze, unter Anderem auch als Zierpflanze. 1560 gelangte die Pflanze dann durch den französischen Abgesandten am spanischen Hof, Jean Nicht de Villemin auch nach Frankreich, nach welchem die Pflanze und das in ihr enthaltene Alkaloid benannt wurde. In Reinform isoliert wurde Nikotin jedoch erst 1828 durch Posselt und Reimann und es dauerte bis 1892 bis zur Aufklärung seiner Struktur durch Pinner:

Nikotin, oder (S)-(–)-1-Methyl-2-(3-pyridyl)pyrrolidin

Nikotin, oder (S)-(–)-1-Methyl-2-(3-pyridyl)pyrrolidin

Nikotin – Ein giftiges Alkaloid

Der Rauch ist die beste Vorbereitung zu jeder schlechten Tat. Das Nikotin schläfert das Gewissen ein. Das Bedürfnis zu rauchen wächst mit dem Wunsche, das Gefühl der Reue zu ersticken. Das Rauchen hat überhaupt den Zweck, die Intelligenz zu umnebeln.
— Leo Tolstoi (russ. Schriftsteller, 1828-1910)

Nikotin ist eine farblose bis bräunliche ölige Flüssigkeit mit tabak-ähnlichem Geruch, die es in sich hat:

Auszug aus dem Sicherheitsdatenblatt (Sigma Aldrich)

Auszug aus dem Sicherheitsdatenblatt (Sigma Aldrich)

Giftig beim Verschlucken und Lebensgefahr bei Hautkontakt ! Klingt nicht gerade wie etwas, was man gerne in seine Nähe lässt ! Hinsichtlich der tödlichen Dosis ist man sich in Expertenkreisen nicht einig. Man findet immer einen Wert von 60 mg für einen gesunden Erwachsenen als Faustregel an, aber es gibt auch einige Berichte, bei denen größere Dosen überlebt wurden. Dies mag damit zusammenhängen, dass bei einer Nikotinvergiftung recht schnell Übelkeit und Erbrechen auftritt, dass einer weiteren Aufnahme des Gifts entgegen wirkt (Zwei Symptome, die auch Nikotinneulingen bei ihrer ersten Zigarette verspüren).

Und da Mutter Natur nichts ohne Grund macht, hat auch Nikotin seinen Zweck: Mit der Giftwirkung halten sich Pflanzen Insekten und andere Fraßfeinde vom Leib. Aus diesem Grunde steckte der Mensch sich den Tabak nicht nur in die Pfeife, sondern kochte ihn auch aus, um den so erhaltenen Sud zur Schädlingsbekämpfung auf seine Nutzpflanzen zu sprühen.

Die Dosis macht das Gift

Im Gegensatz zu Alkohol und Koffein, die relativ einfach zu dosieren sind, ist die Bestimmung der Nikotindosis beim Rauchen eine relativ komplexe Angelegenheit: Faktoren wie die „Rauchtechnik“ (Inhalationtiefe, -dauer, Anzahl der Züge, Länge der verworfenen Kippe etc.) oder die Konstruktion der Zigarette (mit Filter oder ohne, Art des Filters, Selbstgerecht vs Fertigzigarette) spielen dabei eine große Rolle. Der Nikotingehalt der Zigarette ist eher von geringerer Bedeutung. Überhaupt schaffen es etwa nur 30 % des enthaltenen Nikotins in den Rauch, während der Rest einfach verbrennt. Die Benutzung von Nikotin-reduzierten Zigaretten führt übrigens nicht zwingend zu einer reduzierten Nikotinaufnahme: Viele Raucher kompensieren dies, indem sie länger und stärker an der Zigarette ziehen oder eben generell mehr Rauchen um auf ihre gewohnte Dosis zu kommen !

Ist Nikotin krebserregend ?

Wenigstens ein positiven Umstand zu vermelden: Krebserregend ist Nikotin nicht. Doch vorsicht: Auch wenn Nikotin den Krebs nicht verursacht, so begünstigt er doch den Krebs… Es soll die Neubildung von Blutgefäßen fördern, was letztendlich das Tumorwachstum begünstigt. Aber auch wenn Nikotin nicht krebserregend ist, enthält der Tabakrauch noch genug andere Stoffe, die sehr wohl kanzerogen sind !

Warum tut man sich sowas an ?

In niedrigen Konzentrationen besitzt Nikotin einen anregenden Effekt. Es beschleunigt kurzzeitig den Herzschlag, verengt die Blutgefäße und führt zu einem absinken der Hauttemperatur1.

Es kommt zu einer temporären Steigerung der Aufmerksamkeit und Gedächtnisleistung2, sowie einer erhöhten Darmtätigkeit. Interessant ist auch, dass Nikotin in gewissen Maßen den Appetit zügelt. Ferner gibt es auch ein paar ältere Studien, die nahelegen, dass Nikotin die Fettverbrennung ankurbelt.34 5Dies mag damit zusammen passen, dass viele froschgebackene Nichtraucher erst mal an Gewicht zulegen, was eben auf Ausbleiben dieser Effekte in Kombination einer etwaigen erhöhten Zufuhr von z.B. Bonbons als Ersatzbefriedigung zurückzuführen ist. Ob man aber deswegen mit dem Rauchen anfangen sollte oder Nikotinkaugummis zusprechen sollte, ist fragwürdig.

Paradoxerweise verkehrt sich die anregende Wirkung geringer Dosen jedoch ins Gegenteil, wenn wir in den Bereich mittlerer Dosen kommen… Hier wirkt Nikotin dann beruhigend / sedierend.

Mittels Tabakrauch zugeführt, tritt die Wirkung des Nikotins recht rasch ein: 10 bis 20 Sekunden nach Aufnahme ist der „Nikotin Flash“ da. Ebenso wie Koffein also eine sehr effiziente Angelegenheit. Schon mal einen schweren Raucher auf Entzug bei seiner ersten Zigarette beobachtet ? Die anfängliche Schlechte Laune ist dann auch Ratz-Fatz verflogen.

Wenn’s der Raucher nicht lassen kann…

Apropos Nikotin-Sucht… Wenn es seine Wirkung im Gehirn entfaltet, kommt es auch zu einer erhöhten Ausschüttung des Neurotransmitter Dopamin, was eine erhöhte Konsumfreudigkeit hervorruft: Dopamin spielt eine wichtige Rolle für das sogenannte Belohnungszentrum im Gehirn.

Quelle: 3dman_eu / pixabay.de

Quelle: 3dman_eu / pixabay.de

Nikotin wirkt somit stimulierend auf das Belohnungszentrum. Und das ist mit dafür verantwortlich, warum Nikotin süchtig macht: Eine Aktivierung des Belohnungszentrum motiviert das jeweilige Individuum eine Aktivität zu wiederholen, welche die Aktivierung hervorgerufen hat. Da sich das Gehirn mit der Zeit an diesen Effekt gewöhnt, muss regelmäßig Nikotin zugeführt werden, damit keine Entzugserscheinungen, wie Reizbarkeit, schlechte Laune, Konzentrationsstörungen etc. auftreten. Es kann dabei bis zu 3 Wochen dauern, bis die Veränderungen der zugehörigen Rezeptoren im Gehirn sich wieder zurück gebildet haben und alle körperlichen Entzugserscheinungen verschwinden. (Wer übrigens seine eigene Tabakabhängigkeit testen will, kann dies mit Hilfe des Fagerström-Tests tun.)

Dennoch hat Nikotin alleine genommen nur geringes Suchtpotential. Erst in Verbindung mit den anderen Stoffen im Tabakrauch entfaltet sich ein hohes Potential, welches laut einer Studie aus dem Jahr 2007 zwischen dem von Alkohol und Kokain angesiedelt ist.6

Alternativen zur Zigarette

Raucherentwöhnungsprodukte

Ob der zahlreichen gesundheitlichen Gefahren, versuchen Viele, sich das Rauchen abzugewöhnen. Zu diesem Zwecke gibt es eine ganze Palette an verschiedenen Dareichungsformen von Nikotin. Der frischgebackene Nichtraucher erhält so seine Dosis Nikotin zur Bekämpfung der Entzugserscheinungen ohne sich gleichzeitig den schädlichen Rauch zuzuführen.

Quelle: Perlinator / pixabay.de

Quelle: Perlinator / pixabay.de

Bekannt sind z.B. Nikotinpflaster, die eine kontinuierlichen Aufnahme mit einer bestimmten Rate ermöglichen. Reines Nikotin wird nur sehr langsam durch die Haut aufgenommen, doch gelöst in einer geeigneten Trägersubstanz kann man die Rate beschleunigen (Vergleich: reines Nikotin = 0,8 mg pro cm² und h; gelöst in Wasser (20%) = 9 mg pro cm² und h). Nachteil: Nikotin reizt die Haut, daher muss man beim Gebrauch dieser Pflaster mit Hautrötungen rechnen.

Pfeifen

Eine der traditionsreicheren Konsumformen. Bei den Amerikanischen Ureinwohnern findet man z.B. die Friedenspfeife als Symbol der Streitschlichtung. Ferner ist mit keiner anderen Art Tabak zu konsumieren ein solcherPersonenkult verbunden, wie mit der Pfeife: Für manche Leute ist die Tabakspfeife eine Art Markenzeichen: Man denke nur an Sherlock Holmes, der neben Deerstalker-Mütze auch immer eine Tabakspfeife dabei hatte. Das Ensemble im Herrn der Ringe sieht man auch desöfteren dabei, wie sie in langstieligen Holzpfeifen „Pfeifenkraut“ Marke Alter Toby rauchen… Und seit 1969 wird vom Tabakforum der Titel Pfeifenraucher des Jahres verliehen an Prominenz wie Herbert Wehner (1969), Wolfgang Schäuble (1990), Günter Grass (2000) und Horst Lichter (2011), um nur ein paar Namen zu nennen.

Ein weiterer bekannter Raucher... Meisterdetektiv Nick Knatterton

Ein weiterer bekannter Raucher… Meisterdetektiv Nick Knatterton

Nota bene: Von vielen wird das Pfeife rauchen als eine ‚Kunst‘ betrachtet, die „dem Raucher ein nicht zu unterschätzendes Maß an Können und vor allem Erfahrung abverlangt“7

Schnupftabak

Wie manch andere „Drogen“ kann man sich Tabak (fein zerkleinert) auch durch die Nase ziehen. In den Berichten über Columbus’ Reisen lesen wir:

„Immer wenn die Könige ihre Götter um Rat fragen wegen ihrer Kriege, wegen einer Steigerung des Fruchtertrages oder wegen Not, Gesundheit und Krankheit, schnupften sie in ihren Tempeln das Kraut in ihre Nasenlöcher. […] Das Pulver ist von solcher Kraft, dass es einem völlig den Verstand raubt.“8

Nun, den Verstand rauben wird der Schnupftabak keinem. Allerdings reicht die Palette der Nebenwirkung von Schleimhautreizungen im Nasen-Rachen-Raum bis hin zu den üblichen Nikotin-Unverträglichkeiten, insbesondere dann, wenn man das Schnupfen nicht gewohnt ist.

Man unterscheidet zwei Formen: den Schmalzler und sogenannten Snuff. Ersterer ist besonders im süddeutschen Raum & in Österreich populär und ist eher grobfaserig, umaromatisiert und mit einer Dosis Schmalz versehen, um ihn weniger staubig zu machen. Das namensgebenden Schmalz wird heutzutage größtenteils durch Weißöl ersetzt.

L. Bouilly: Schnupfende Damen in Frankreich

L. Bouilly: Schnupfende Damen in Frankreich

Der Snuff hingegen ist feinpulvrig und oft mit Aromen wie Eukalyptus versehen.

Das Schnupfen selbst ist mit einer ganzen Reihe von Ritualen versehen… So ist es z.B. in manchen Kreisen üblich, jeden Schnupfvorgang mit einem Spruch einzuleiten. Wird vom Handrücken geschnupft, ist die linke Hand zu verwenden. Nur Amateure benutzen die Rechte. Ebenso ist zu heftiges Einsaugen zu vermeiden, da sonst der Tabak über das Ziel hinaus schießt und im Rachen landet, was eine Nies- und Hustorgie zur Folge hat.

Hat man eine Schnupftabaksdose und will sich betont vornehm geben, nimmt man eine Prise aus den Fingerspitzen… Eine recht aristokratisches Vorgehen, was auch erlaubt den Tabak rückstandsfrei an einem Schnauzbart vorbei zu bugsieren.

Thema Gesundheit: Außer den allgemeinen Nikotinrisiken, entfallen hier die Gefahren des Rauchens, die auf giftige Verbrennungsgase zurückzuführen sind. Laut einer Studie, die auch durch die WHO bestätigt wurde, ist Schnupftabak allein nicht krebserregend.9

Ferner interessant: Seit 1993 ist Schnupftabak von der Tabaksteuer befreit !

Shishas

In jüngerer Zeit in Deutschland sehr populär geworden sind Shishas – Wasserpfeifen, auch im Kreise von Leuten, die man sonst zu den Nichtrauchern zählt. Hierbei wird der Rohtabak mit Aromastoffen, sowie Glycerin bzw. Melasse vermengt und dann über glühenden Kohlen platziert. Da der Tabak dadurch nicht verbrennt, kann man nicht von Rauchen im eigentlichen Sinne sprechen. Durch die Gluthitze der Kohle, wird aber die enthaltene Feuchtigkeit mit den Aromen verdampft. Da Nikotin einen Siedepunkt von 246°C hat, wird es natürlich auch verdampft.

Shisha rauchender Mann (Quelle: onig99 / pixabay.de)

Shisha rauchender Mann (Quelle: onig99 / pixabay.de)

In Gutachten des Bundesamts für Risikobewertung geht man davon aus, dass die Nikotinaufnahme beim Shisharauchen mindestens vergleichbar mit dem Rauchen von Zigaretten ist. Man findet dort auch die Angabe, dass für „gelegentliche Wasserpfeifenraucher, die einen Tabakkopf mit 5 g Wasserpfeifentabak konsumierten, ein Zigarettenäquivalent von 0,4 bis 2 Zigaretten/Tag“ anzunehmen ist.

Gerne wird auf die Filterwirkung des Wassers hingewiesen. Nun, die ist tatsächlich vorhanden, hält aber nur einen Teil der Schadstoffe zurück. Glühende Kohlen sondern nämlich eine ganz eigene Qualität von unappetitlichen Stoffen ab, z.B. Kohlenmonoxid, welches irreversibel an den roten Blutfarbstoff bindet und den Sauerstofftransport unterdrückt. Es kommt zu einem „inneren Ersticken“. Kohlenmonoxid entsteht bei unvollständiger Verbrennung organischer (d.h. Kohlenstoff- haltiger) Materie und entsteht natürlich auch beim Zigarettenrauchen. Beim „shishen“ ist die Konzentration allerdings bis zu 10-mal höher. Nun erscheint eine akute Kohlenmonoxid-Vergiftung durch Rauchen recht unwahrscheinlich, doch hatte die Uniklinik Leipzig 2015 eben mit einem solchen Fall zu tun: Nach übermäßigem Shishagenuss musste ein Mann in einer Sauerstoff-Überdruckkammer notfallmedizinisch behandelt werden.

Berühmter Shisha-Raucher: Die Raupe aus Alice im Wunderland

Berühmter Shisha-Raucher: Die Raupe aus Alice im Wunderland

Wir sehen: Nikotin ist eine recht unangenehme Substanz, insbesondere in hohen Konzentrationen, auch wenn der schädlichste Effekt des Rauchens von anderen Substanzen herrührt. Besonders heimtückisch ist jedoch die suchtvermittelnde Wirkung… Wer will schon von irgendwas abhängig sein, wo wir doch soviel Wert auf unsere Unabhängigkeit legen. In diesem Sinne: Thank you for not smoking ! 🙂

 

  1. Umso seltsamer erscheint es, dass manche Raucher, während sie in der Kälte warten, eine Zigarette zum Aufwärmen rauchen, wo doch die Gefäßverengung einen negativen Effekt auf die erwärmende Durchblutung der Gliedmaßen haben sollte…
  2. Wohlgemerkt nur REINES Nikotin ! Als Inhaltsstoff von Tabakrauch, wurde eher eine dem Gedächtnis abträgliche Wirkung beobachtet !
  3. http://wayback.archive-it.org/org-197/20160311134008/http://archive.uninews.unimelb.edu.au/view-49206.html
  4. Orsini et al. 2001, Alcoologie et addictologie (in French). 23 (2 Suppl): 28S–36S.
  5. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=Andersson+und+Arner+2001
  6. D. Nutt et al. Lancet 2007, 369, 1047.
  7. https://de.wikipedia.org/wiki/Tabakspfeife#Geschichte
  8. https://de.wikipedia.org/wiki/Schnupftabak
  9. WHO IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans (2007): Smokeless Tobacco and Some Tobacco-specific N-Nitrosamines, IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans, Bd. 89, Lyon 2007, S. 366.