Stärke

Grundaufbau und Eigenschaften

Stärke ist eine organische Verbindung und ein Polysaccharid, also ein aus vielen Zuckerbausteinen aufgebautes Kohlenhydrat. Ihr Monomer ist D-Glucose; die Formel lautet (C₆H₁₀O₅)ₙ, die Wiederholeinheit hat eine molare Masse von 162,14 g·mol⁻¹. Stärke ist ein farb- und geruchloses, festes Pulver, in kaltem Wasser nahezu unlöslich und zersetzt sich bei 200 °C. Sie ist einer der wichtigsten Reservestoffe pflanzlicher Zellen. Tiere, Menschen und Pilze speichern Kohlenhydrate dagegen als Glycogen.

Stärke liegt in Pflanzen meist als organisierte Stärkekörner vor. Deren Größe und Form unterscheiden sich je nach Pflanzenart; sie können unter anderem kugelig, oval, linsen-, spindel- oder stabförmig sein. Häufig besitzen sie Schichten mit unterschiedlichem Wassergehalt und unterschiedlicher Lichtbrechung. In polarisiertem Licht zeigen Stärkekörner ein helles, vierarmiges Kreuz und verhalten sich optisch wie Gebilde aus einachsigen Kristallnadeln.

Gewöhnliche Stärke besteht zu 20–30 % aus Amylose und zu 70–80 % aus Amylopektin. Amylose bildet lineare, schraubenförmige Ketten, deren Glucoseeinheiten ausschließlich durch α-1,4-glycosidische Bindungen verbunden sind. Amylopektin ist stark verzweigt und enthält sowohl α-1,4- als auch α-1,6-glycosidische Bindungen. In Stärke kommt ungefähr eine α-1,6-Bindung auf 30 α-1,4-Bindungen; Glycogen ist mit etwa einer α-1,6-Bindung je zehn α-1,4-Bindungen stärker verzweigt. Die Mengenverhältnisse können abweichen: Klebreis enthält beispielsweise fast ausschließlich Amylopektin.

Speicherung, Aufbau und Abbau in Pflanzen

Pflanzen und Grünalgen speichern überschüssige Energie in Form von Stärke. Weil Stärke unlöslich und damit osmotisch unwirksam ist, lässt sich Glucose auf diese Weise kompakt und ohne große Wassermengen lagern. Besonders stärkereich sind Samen, Knollen, Zwiebeln und Rhizome sowie Holzstrahlen und Holzparenchym. Reservestärke besitzt größere Körner als die feinkörnige Stärke in assimilierenden Geweben. Stärke ist zugleich das wichtigste Kohlenhydrat der menschlichen Ernährung und dient auch vielen Tieren als Nahrung.

Die Stärkegehalte genutzter Pflanzenteile unterscheiden sich deutlich: Kartoffeln enthalten etwa 15 %, Süßkartoffeln 13 %, Maniok 35 %, Mais 64 %, Weizen 74 %, Roggen 72 %, Gerste 75 %, Reis 89 %, Sorghum und Triticale jeweils 74 % sowie Erbsen ungefähr 65 %. Rotalgen besitzen eine im Verzweigungsgrad etwas abweichende Florideophyceen-Stärke; andere Organismengruppen verwenden teilweise andere Reservestoffe.

Biosynthese und Speicherung finden in Amyloplasten statt, einer Form der Plastiden. Zunächst aktiviert das Enzym Glucose-1-phosphat-Adenylyltransferase Glucose-1-phosphat mithilfe von ATP zu ADP-Glucose. Die Stärkesynthase fügt diese aktivierten Bausteine unter Abspaltung von ADP über α-1,4-glycosidische Bindungen an eine wachsende Amylosekette an. Das Stärke-verzweigende Enzym erzeugt anschließend die α-1,6-Verzweigungen des Amylopektins: Es trennt sieben Glucosereste von einer mindestens elf Reste langen α-1,4-Kette ab und fügt sie über eine α-1,6-Bindung wieder an.

α- und β-Amylasen können Stärke zu Dextrinen beziehungsweise Disacchariden spalten. Dadurch gewinnen Pflanzen sowie tierische und menschliche Organismen Energie oder Baumaterial. Resistente Stärke ist für Verdauungsenzyme dagegen nicht zugänglich. In der Mehlverarbeitung verbessern Amylasen häufig die Backfähigkeit; bei Roggen muss die natürliche Amylasewirkung jedoch meist durch Säuerung des Teigs begrenzt werden.

Nachweis und Verhalten beim Erhitzen

Der übliche Stärkenachweis ist die Iodprobe mit iodhaltiger Lugolscher Lösung. Dabei wird Amylose durch eine charakteristische Blaufärbung sichtbar. Diese entsteht in einer reversiblen Gleichgewichtsreaktion, bei der Iod in die gelöste Amylose eingeschlossen wird. Bei geringer Konzentration und entsprechend blasser Farbe lässt sich das Gleichgewicht durch Erwärmen wieder zur farblosen, nicht komplexierten Amylose verschieben. Quantitativ kann Stärke auch polarimetrisch bestimmt werden: Man spaltet sie durch Kochen mit Säure, filtriert nach Zugabe von Carrez I und II und misst anschließend die optische Drehung.

Beim Erhitzen mit Wasser kann Stärke ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Wasser binden, quellen und verkleistern. Die Körner quellen bei 47–57 °C; ihre Schichten platzen, und zwischen 55 und 87 °C entsteht Stärkekleister. Für Kartoffelstärke wird 62,5 °C, für Weizenstärke 67,5 °C angegeben. Das Steifungsvermögen ist je nach Sorte verschieden: Maisstärkekleister steift stärker als Weizenstärkekleister, dieser wiederum stärker als Kartoffelstärkekleister. Beim Abkühlen bildet sich die Verkleisterung langsam zurück; dieser Vorgang heißt Retrogradation. Verkleisterte Stärke und geronnenes Klebereiweiß bilden die Grundstruktur, die Krume, von Gebäck.

Bei starker Erhitzung, besonders beim Backen, Braten, Rösten, Grillen und Frittieren, kann in Gegenwart der Aminosäure Asparagin das möglicherweise krebserregende Acrylamid entstehen.

Gewinnung und wichtige Stärkearten

Industriell wird Stärke vor allem aus Mais, Kartoffeln, Weizen, Reis und Maniok gewonnen. In Europa dominierten früher Kartoffeln und Getreide, später wurde Mais zum wichtigsten Rohstoff. Bei einer Weltproduktion von 13 Millionen Tonnen im Jahr 1979 entfielen 76 % auf Mais, 15 % auf Kartoffeln, 4 % auf Maniok und 3 % auf Weizen. Unabhängig vom Rohstoff umfasst die Herstellung gewöhnlich Reinigung, Zerkleinerung, Trennung von Stärke, Eiweiß und Fasern sowie Reinigung, Entwässerung und Trocknung der isolierten Stärke.

Bei Kartoffeln werden die Zellen durch feines Zerreiben geöffnet und die Stärkekörner mit Wasser ausgespült. Sie setzen sich aufgrund ihrer Dichte ab oder werden mithilfe von Sieben und Zentrifugen von Fasern getrennt. Feuchte „grüne“ Stärke enthält etwa 33–45 % Wasser und wird für viele Anwendungen weiter entwässert und bei weniger als 60 °C getrocknet.

Weizen enthält neben Stärke Kleber, also Gluten. Historische Verfahren lösten oder schwächten den Kleber durch Gärung, bevor die Stärke ausgewaschen wurde. Alternativ wird aus Weizenmehl ein zäher Teig hergestellt, aus dem Wasser die Stärke herauswäscht, während der Kleber als fadenziehende Masse zurückbleibt. Bei Reis, der 70–75 % Stärke und 7–9 % unlösliche eiweißartige Stoffe enthält, werden die Eiweißstoffe traditionell mit schwacher Natronlauge gelöst. Mais wird eingeweicht, gemahlen, gesiebt und die Stärke auf langen, leicht geneigten Flächen abgesetzt.

Tapioka ist eine nahezu geschmacksneutrale Stärke aus der bearbeiteten und getrockneten Maniokwurzel und unter anderem Bestandteil von Krabbenchips. Rosskastanien liefern 19–20 % Stärke; wegen eines schwer entfernbaren Bitterstoffs eignet sie sich jedoch nur für technische Zwecke. Handelsübliche Stärke enthält ungefähr 80–84 % reine Stärke und 14–18 % Wasser.

Nutzung in Ernährung, Technik und Medizin

Der größte Teil der Stärke wird für Lebensmittel verwendet. In Deutschland gingen nach Angaben des Fachverbandes der Stärke-Industrie 55 % der verfügbaren 1,9 Millionen Tonnen in diesen Bereich. Stärkehaltige Pflanzen wie Kartoffeln, Weizen, Mais und Maniok sind wichtige Grundnahrungsmittel. Aus Stärke entstehen außerdem Dextrine, Traubenzucker, Maltodextrin, Glucosesirup, Dextrose und Isoglucose. Diese Stoffe dienen unter anderem als Süßungsmittel in Limonaden, Speiseeis, Konfitüren und Süßwaren; Folgen des Einsatzes von Maissirup werden teilweise kontrovers diskutiert.

Native, also naturbelassene, und modifizierte, also gezielt veränderte Stärke werden als Verdickungsmittel eingesetzt. In der Küche beruht die Bindung von Saucen, Suppen und Süßspeisen wie Flammeri („Pudding“) auf Quellung und Verkleisterung. Verwendet werden vor allem Mais-, Kartoffel- und Weizenstärke. Auch bereits in Lebensmitteln enthaltene Stärke beeinflusst die Konsistenz: Stärkereiches Nudelkochwasser bindet italienische Nudelsaucen, während austretende Reisstärke die cremige Konsistenz von Risotto erzeugt. Weitere Erzeugnisse sind unter anderem Amylose, Amylopektin, Quell- und Flockenstärke, Sago, Tapioka, Dextrine, Stärkesirup, Stärkeester und Stärkeether.

Als nachwachsender Rohstoff wird Stärke besonders in Papier und Wellpappe eingesetzt, etwa als Papierstärke und Kleber. Von den 2007 in Deutschland technisch genutzten mehr als 850.000 Tonnen Stärke und Stärkederivaten gingen 95,5 % in die Papier- und Wellpappenproduktion und etwa 4,5 % in die chemische und Fermentationsindustrie. Stärke dient dort als fermentierbares Substrat zur Herstellung von Plattformchemikalien und Bioethanol. Weitere Anwendungen sind das Beizen von Baumwolle, das Leimen von Papier, das Verdicken von Druckfarben und Stärkepuder im Offsetdruck.

Thermoplastische Stärke wird als biobasierter Kunststoff etwa für kompostierbares Einweggeschirr oder aufgeschäumtes Verpackungspolster verwendet. In der Pharmazie dient Stärke bei Tabletten als Füllstoff, Bindemittel und Sprengmittel sowie als Pudergrundlage. Ungekochte Maisstärke wird außerdem bei Glycogenspeicherkrankheiten eingesetzt: Weil sie langsam verdaut wird, kann sie bei Störungen der Glycogenfreisetzung aus der Leber den Blutzuckerspiegel mehrere Stunden stützen. Modifizierte medizinische Maisstärke setzt Energie noch langsamer frei.

Entwicklung, Laborsynthese und Sicherheit

Stärkehaltige Pflanzenteile wurden schon von frühen Menschen und Vorfahren wie Australopithecus genutzt. Als frühe Stärkelieferanten vor 170.000 Jahren gelten Rhizome von Hypoxis angustifolia; ein europäischer Nachweis ist etwa 30.000 Jahre alt, ein Mahlstein aus Cuddie Springs in Südostaustralien ungefähr 27.000 Jahre. In Europa entwickelte sich die Stärkeherstellung später vom landwirtschaftlichen Gewerbe zur Industrie. Fortschritte bei Maschinen, besonders Zentrifugen, steigerten die Ausbeute. Die Spaltung von Stärke zu Glucose entdeckte der Apotheker Constantin Kirchhoff; Erhard Friedrich Leuchs wies 1831 die stärkeabbauende Wirkung des Speichels nach.

Im September 2021 berichteten chinesische Wissenschaftler in Science über eine künstliche Synthese von Stärke aus CO₂. Dabei wird CO₂ zunächst in Methanol überführt und anschließend in einem durch computergestütztes Pathwaydesign entworfenen Weg mit elf Hauptreaktionen zu Stärke umgesetzt. Das Verfahren erreichte eine 8,5-mal höhere Geschwindigkeit als die Stärkesynthese in Mais. Ob es industriell einsetzbar ist, blieb offen; in diesem Fall könnten Treibhausgasemissionen sowie Land-, Pestizid- und Wasserverbrauch sinken.

Stärke trägt keine GHS-Gefahrstoffpiktogramme sowie keine H- oder P-Sätze. Als toxikologischer Wert wird eine LD₅₀ von 6600 mg·kg⁻¹ bei der Maus bei intraperitonealer Gabe angegeben. Für alveolengängigen Stärkestaub gilt in der Schweiz ein MAK-Wert von 3 mg·m⁻³. Der letzte Stärkehersteller der Schweiz stellte 2025 seinen Betrieb in Wädenswil ein.