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Lebensmittelfarbstoffe

Bei der Herstellung von Lebensmitteln werden häufig auch Farbstoffe verwendet. Das Färben von Lebensmitteln hat vor allem den Grund, dem Verbraucher das Lebensmittel schmackhafter und attraktiver erscheinen zu lassen: „Das Auge isst mit“. Farbstoffe, die zur Färbung von Lebensmitteln verwendet werden dürfen, müssen für diesen Zweck zugelassen sein und sind in der Lebensmittelzusatzstoffverordnung aufgeführt.
Die eingesetzten Farbstoffe kann man in natürliche, naturidentische und künstliche Farbstoffe unterteilen.

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  • Bei der Verarbeitung oder Lagerung entstehen Farbveränderungen oder Farbverluste. Durch nicht färbende Inhaltsstoffe kann das Lebensmittel beispielsweise schwächer gefärbt sein als es der Konsument erwartet. So ist Milchspeiseeis mit Fruchtgeschmack durch die Milch bzw. Sahne von sich aus sehr hell. Um Blaubeereis richtig blau und Himbeereis richtig rot aussehen zu lassen, werden Farbstoffe zugegeben.
 
  • Eine pH-Verschiebung bei der Herstellung oder der Lagerung kann eine Farbveränderung verursachen, die das Lebensmittel unansehnlich werden läßt (z. B. Fruchtjoghurt).
 
  • Bei Lebensmitteln, die an sich farblos oder nur sehr schwach gefärbt sind, wird durch die Färbung der typische Geschmack unterstrichen (z. B. Cola oder Vollkornbrot).

Farbstoffe, die zur Färbung von Lebensmitteln verwendet werden, müssen für diesen Zweck zugelassen sein und sind in der Lebensmittelzusatzstoffverordnung (E-Nummern-Liste) aufgeführt.
Die eingesetzten Farbstoffe kann man in natürliche, naturidentische und künstliche Farbstoffe unterteilen.

1. Natürliche Farbstoffe

Natürliche Farbstoffe werden aus natürlichen Rohstoffen (tierischem oder pflanzlichem Material) isoliert.

Isoprenoidderivate

Isoprenoidfarbstoffe bestehen aus einzelnen Isopren-Einheiten. Sie sind durch eine lange Kette konjugierter Doppelbindungen gekennzeichnet. Zu den wichtigsten Isoprenoiden gehören die Carotinoide. Carotinoide sind im Tier- und Pflanzenreich weitverbreitet. Sie sind unter anderem in Möhren, Paprika, Tomaten und Orangen, aber auch in Lachs und Hummerschalen (Lutein) für die Färbung verantwortlich. Großtechnisch werden sie durch Extraktion aus Mohrrüben gewonnen.
Der bekannteste Vertreter ist das beta-Carotin (β-Carotin, Bild 4), auch Provitamin A genannt. Es wird im Körper zu Vitamin A (Retinol) umgewandelt, welches am Sehvorgang beteiligt ist.

Tetrapyrrolderivate

Die Tetrapyrrolderivate, die für die Lebensmittelfärbung von Bedeutung sind, besitzen ein Porphyrin-Grundgerüst. Zu den Porphyrinen gehören neben den Chlorophyllen, die in allen Pflanzen (Fotosynthese) aber auch in Bakterien vorkommen, die Hämfarbstoffe (Hämoglobin = Farbstoff des Bluts). Gemeinsam ist allen Porphyrinfarbstoffen ein Metall-Ion als Zentralatom, Eisen bei den Hämfarbstoffen und Magnesium bei den Chlorophyllen (Bild 5).
Der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll a ist in allen grünen Gemüsen, v. a. in Salat, in Spinat und Kohl, aber auch in Kartoffeln enthalten. Bei der Lagerung der Lebensmittel wird das Magnesium-Ion durch Wasserstoff ersetzt, wodurch eine oliv-bräunliche Farbe entsteht, die das Gemüse unansehnlich macht. Außerdem ist Chlorophyll a wegen des langkettigen Phytolrests im Ester nicht wasserlöslich. Daher verwendet man zur Färbung von Lebensmitteln modifizierte Chlorophylle. Einerseits wird das Magnesium durch Kupfer ersetzt, das stabilisiert den Komplex und erhält damit die Farbe der Verbindung. Andererseits verseift man den Ester und spaltet den Phytolrest ab, sodass die Verbindungen wasserlöslich werden. Chlorophyll wird aus Luzernen oder Brennnesseln extrahiert und u. a. zur Färbung von Cremespeisen, Likören, Süßwaren und Getränken verwendet.

  • Strukturformeln von Chlorophyll und Häm (aus Hämoglobin)

    MEV Verlag, Augsburg

Anthocyane

Anthocyane sind als Blüten- und Fruchtfarbstoffe in der Pflanzenwelt weitverbreitet (Bild 6). Ihr Farbspektrum reicht von Rot über Violett bis Blau. Die große Variationsbreite der Blütenfärbungen beruht auf der Mischung verschiedener Anthocyane, der Anwesenheit von unlöslichen Pigmenten und gelbem Flavon. Zusätzlich spielt der pH-Wert der Zellflüssigkeit eine Rolle.
Anthocyane bestehen aus einem Benzopyran-Grundkörper, an den eine Phenylgruppe und mehrere Hydroxy-Gruppen substituiert sind. An einer Hydroxy-Gruppe ist ein Zucker glycosidisch gebunden. Für die Farbigkeit spielt die Anwesenheit des Zuckers keine Rolle. Als Farbstoff werden die Aglyca (Moleküle, bei denen der Zucker fehlt) eingesetzt. Diese Aglyca werden als Anthocyanidine bezeichnet und gehören zu den Polymethinfarbstoffen. Anthocyane werden aus blauen Trauben, Kirschen oder Preiselbeeren gewonnen und zur Färbung von Süßwaren und Getränken eingesetzt.

Betalaine

Die Betalaine haben alle die gleiche Grundstruktur. Je nach der Verlängerung des mesomeren Systems durch die Reste R1 und R2 variieren die Farben von Gelb bis Rot. Der Hauptbestandteil des Rote-Beete-Farbstoffs ist das Betanin. Es wird als Extrakt aus den Wurzeln der Roten Beete gewonnen.

Curcuminoide

Curcuminoide werden aus der Wurzel von Curcuma longa und Curcuma xanthorhiza (Gelbwurzel) gewonnen. Das Curcumin aus dieser Gruppe bildet die gelbe Farbe des Curry, wird aber auch einzeln als Gewürz verwendet.

Cochenille

Cochenille ist der einzige Lebensmittelfarbstoff, der aus tierischem Material gewonnen wird. Er wird aus Schildläusen extrahiert, stammt aber eigentlich aus dem Saft des Feigenkaktus, der von den Läusen gesaugt wird. Cochenille gehört zu den Anthrachinonfarbstoffen und ist wegen der vielen Hydroxy-Gruppen und dem glycosidisch gebundenen Zucker wasserlöslich. Die Substanz gibt z. B. dem Campari® seine typische Farbe.

  • Anthocyane werden u. a. aus roten Kirschen gewonnen.

    DNY59 - iStock

2. Naturidentische Farbstoffe

Als naturidentische Farbstoffe bezeichnet man Substanzen, die natürlicherweise in pflanzlichem oder tierischem Material vorkommen, die aber in der Regel aus wirtschaftlichen Gründen synthetisch hergestellt werden.
Ein Beispiel für diese Gruppe ist Riboflavin, ein gelber Farbstoff, der auch als Vitamin B2 bekannt ist. Hefe, Leber, Milch und Eier sind besonders reich an Riboflavin (Bild 7). Aus Milch wurde es erstmals isoliert und erhielt den Namen Lactoflavin. Heutzutage wird Riboflavin synthetisch hergestellt. Als Farbstoff wird es z. B. in Vanillepudding und Gebäck eingesetzt.

3. Synthetische Farbstoffe

Die meisten Farbstoffe in der Lebensmittelindustrie sind künstlich hergestellt und werden daher synthetische Farbstoffe genannt.

Azofarbstoffe

Die Azofarbstoffe bilden die größte Gruppe der synthetischen Farbstoffe. Ihr hauptsächliches Einsatzgebiet ist die Textilfärbung. Gegen Anfang des 20. Jahrhunderts wurden sie immer häufiger zur Färbung von Lebensmitteln verwendet. Denn sie haben gute Färbeeigenschaften und lassen sich gut miteinander mischen, sodass beinahe jeder Farbton möglich wird. Bereits in den 30er-Jahren stellte man allerdings fest, dass eine große Zahl dieser Verbindungen gesundheitsschädlich und krebserregend ist. Daher wurde z. B. der bis dahin zur Färbung von Margarine verwendete Farbstoff Buttergelb bereits 1938 verboten. Im Lebensmittelbereich werden Azofarbstoffe daher heute nur noch zurückhaltend eingesetzt. Tartrazin, Gelborange S sind zugelassene Azofarbstoffe, weil sie wasserlöslich sind und schnell aus dem Körper ausgeschieden werden.

  • Riboflavin ist reichlich in Eiern enthalten.

    123ducu - iStock

Triarylmethanfarbstoffe

Das blaue Patentblau V und das grüne Brillantsäuregrün AS gehören in die Gruppe der Triarylmethanfarbstoffe . Sie werden in Süßwaren und Getränken eingesetzt. Da sie vom Körper nicht aufgenommen werden, sondern unverändert ausgeschieden werden, gelten sie als unproblematisch.

Indigofarbstoffe

Da Indigo selbst nicht wasserlöslich ist, ist es für die Lebensmittelfärbung wenig geeignet. Durch die Einführung von Sulfonsäure-Gruppen erhält man Indigotin, einen wasserlöslichen blauen Farbstoff. Das Glycosid des Indigotins kommt auch natürlicherweise in der Indigopflanze vor und wird schon seit Jahrhunderten zur Färbung von Stoffen benutzt.

Färbende Lebensmittel

Ein neuer Trend in der Lebensmitteltechnologie ist es, anstelle von Farbstoffen modifizierte, färbende Lebensmittel einzusetzen. Dies hat für die Herstellerfirmen den Vorteil, dass sie nicht unter die Lebensmittelzusatzstoffverordnung fallen und daher auf der Deklaration nicht als Farbstoff erscheinen müssen.
Auf der Grundlage von Johannisbeeren, Holunder, Hibiskus, Rotkohl, Curcuma, Brennnessel u. v. a. werden mithilfe moderner biochemischer und enzymatischer Verfahren stabile Farbkonzentrate mit guten technologischen Eigenschaften hergestellt.

  • Indigo wird zum Färben von Jeans genutzt.

    MEV Verlag, Augsburg

Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Lebensmittelfarbstoffe." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/index.php/schuelerlexikon/biologie-abitur/artikel/lebensmittelfarbstoffe (Abgerufen: 07. July 2025, 04:41 UTC)

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Fotosynthese der Bakterien

Fototrophe Bakterien sind fotosynthetisch aktive Mikroorganismen, die die Lichtenergie als Energiequelle nutzen. Zu ihnen gehören alle prokaryotischen Mikroorganismen wie Cyanobakterien, Anoxyphotobacteria (anoxygene fototrophe Bakterien) und Archaebakterien. Sie sind typische Wasserbakterien in Süß-, Brack- und Salzwasser sowie feuchten Böden und überschwemmten Feldern. Sie können beweglich oder unbeweglich sein und sind stets braun, rötlich (purpur), grün oder gelblich gefärbt. Sie sind gram-negativ. Es lassen sich zwei Gruppen unterscheiden: Purpur-, Grüne und Heliobakterien einerseits und die Cyanobakterien andererseits. Neben den Vertretern der Domäne der Bakterien können auch die Archaebakterien Fotosynthese betreiben.
Die Fotosynthese der Bakterien war in ihrer ursprünglichen Form an die sauerstofffreie Biosphäre angepasst (anaerob). Archaebakterien verwenden darum beispielsweise als Fotosynthesepigment kein Chlorophyll sondern Bakterienrhodopsin zur Lichtabsorption. Typische Pigmente des fototrophen Stoffwechsels sind ansonsten Bakterienchlorophylle und bestimmte Carotinoide. Im engeren Sinne grenzt man Fotosynthesebakterien von Cyanobakterien und Chloroxybakterien ab. Fotosynthesebakterien im engeren Sinne unterscheiden sich u. a. durch Aufbau und Ablauf der chemischen Reaktionen. So besitzen sie z. B. nur das Fotosystem I, Coenzym NAD+, Bakterienchlorophylle als Fotosynthesepigmente und können außerdem keinen Sauerstoff herstellen. Während Aufbau und Vorgänge der Cyanobakterien denen der höheren Pflanzen entsprechen (z. B. auch Sauerstoffbildung), nehmen Chloroxybakterien eine Zwischenstellung in der Evolution der Fotosynthese ein.

Calvin-Zyklus – genauer betrachtet

Der nach dem Entdecker benannte CALVIN-Zyklus beschreibt innerhalb der Fotosynthese der Pflanzen den Weg des Kohlenstoffdioxids bis zur Entstehung eines Kohlenhydrats. Für den Ablauf der chemischen Reaktionen, die im Stroma des Chloroplasten stattfinden, werden als Voraussetzungen lediglich ATP als Energiequelle und NADPH + H+ als Reduktionsmittel benötigt. Licht ist für diesen Vorgang nicht nötig. Die komplexen Vorgänge werden in drei Phasen eingeteilt. Zunächst erfolgt die Fixierung des Kohlenstoffdioxids an einen Akzeptor (Ribulose-1,5-bisphosphat). Das erste daraus entstehende stabile Produkt ist ein Molekül mit drei Kohlenstoffatomen: Glycerinsäure-3-phosphat. Pflanzen, die auf diesem Weg Kohlenhydrate herstellen, nennt man daher C3-Pflanzen. Neben diesem Weg haben Fotosynthesespezialisten in Anpassung an trockene Umweltbedingungen Mechanismen entwickelt, Kohlenstoffdioxid in ihren Blattgeweben vorläufig zu konzentrieren.
In einer zweiten Phase erfolgt über Zwischenprodukte unter Verbrauch von ATP und mithilfe von NADPH + H+ die Reduktion der Glycerinsäure-3-phosphat zu Glycerinaldehyd-3-phosphat. Einige Moleküle dieses entstehenden Kohlenhydrats werden aus dem Kreisprozess ausgeschleust und sind die Grundlage für die Bildung weiterer Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße u. a. zur Speicherung von Energie. Die verbleibenden Glycerinaldehyd-3-phosphat-Moleküle werden im Kreislauf zur Regeneration des Akzeptors unter nochmaligem Verbrauch von ATP verwendet.
Fotosynthetisch aktive Pflanzen zeigen auch einen Gaswechsel (Sauerstoffverbrauch und Kohlenstoffdioxidabgabe), der im Licht wesentlich aktiver abläuft als im Dunkeln und wegen seiner Ähnlichkeit zur Atmung als Lichtatmung bzw. Fotorespiration bezeichnet wird.

Feinstruktur eines Chloroplasten

Die Chloroplasten gehören neben Amylo-, Leuko- und Chromoplasten zu miteinander verwandten Pflanzenorganellen, die als Plastiden bezeichnet werden. Man findet sie in Blättern und anderen Organen der grünen Pflanzen sowie in ein- oder vielzelligen Algen. Sie enthalten den grünen Farbstoff Chlorophyll, Enzyme und Moleküle, die zum fotosynthetischen Stoffwechsel nötig sind.
Chloroplasten (bei Pflanzen haben sie einen Durchmesser von 1 bis 5 µm) als Zellorganellen der Fotosynthese lassen sich schon im Lichtmikroskop als linsenförmige Körperchen erkennen. Mithilfe des Elektronenmikroskops erhält man einen Einblick in die Feinstruktur der Chloroplasten. Sie bestehen im Innenraum aus einer Grundsubstanz (Stroma), lamellenartigen Membranen (Stroma- bzw. Granathylakoide), ringförmiger DNA, Assimilationsstärke, Ribosomen u. a. und werden nach außen durch eine Doppelmembran gegenüber dem Cytoplasma abgegrenzt. Durch spezielle Techniken, wie z. B. Gefrierätztechnik gelang es, den Feinbau der Thylakoidmembranen zu ermitteln. Diese enthalten besondere Strukturen, wie z. B. Fotosystem I und II, ATP-Synthase und die Enzym-Komplexe einer Elektronentransportkette.

Zyklischer Elektronentransport

Der zyklische Elektronentransport gehört neben der Fotolyse des Wassers, der Elektronentransportkette und anderen Reaktionsschritten zur Lichtreaktion der Fotosynthese bei Pflanzen. Diese läuft in den Chloroplasten der grünen Pflanzen ab und ermöglicht es der Pflanze, mithilfe von Lichtenergie aus den einfachen Molekülen des Kohlenstoffdioxids und des Wassers energiereiche Glucose aufzubauen. Dabei fällt, quasi als „Abfallprodukt“, Sauerstoff an. Die durch die Strahlungsenergie des Sonnenlichts angeregten Elektronen werden dabei über eine Kette von Stoffen übertragen und entweder chemisch gebunden und in der anschließenden Dunkelreaktion für die Herstellung energiereicher Glucose verbraucht oder über mehrere Komplexe zum Chlorophyllmolekül zurückgeführt. Ein Elektron des Chlorophyllmoleküls im Fotosystems I (P 700) wird dabei auf ein höheres Energieniveau gehoben und langsam unter Passieren mehrerer Molekülkomplexe in das Ausgangsniveau zurückversetzt. Bei Ankunft am ursprünglichen Chlorophyllmolekül ist ATP entstanden. Da das Elektron sich in einem Kreislauf bewegt, wird der Vorgang als zyklischer Elektronentransport bezeichnet.

Fotolyse des Wassers

Durch Lichtabsorption des Fotosystems II gelangen angeregte Elektronen vom Reaktionszentrum (Chlorophyll a-Molekül: P 680) auf ein höheres Energieniveau und werden an einen Akzeptor abgegeben. Die dadurch entstandene Elektronenlücke im Reaktionszentrum wird durch die bei der lichtabhängigen Wasserzersetzung (Fotolyse des Wassers) entstehenden Elektronen wieder aufgefüllt. Zusätzlich entstehen bei dieser Reaktion noch Protonen (Reduktion des Coenzyms NADP + ) und Sauerstoff als Abfallprodukt.

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