14

6 Brennwertbestimmung mittels Bombenkalorimeter

6.1 Vorwort

Wir nehmen sie täglich zu uns – Zucker, Süßstoffe und Zuckeraustauschstoffe.

Dabei liegt die besondere Attraktivität dieser Zuckerersatzstoffe darin, dass sie angeblich (wie

bereits erwähnt) über deutlich weniger bis hin zu gar keinen Kalorien verfügen.

Doch stimmt das wirklich?

In diesem Versuch haben wir uns mit den Brennwerten sechs verschiedener Zuckerersatzstoffen

(Xylitol, Fructose, Sorbit, Stevia, Cyclamat, Erythritol) und dem Haushaltszucker (Saccharose)

beschäftigt, um diese Aussage beurteilen zu können.

Welche Aussagen lassen sich aufgrund der erhaltenen Ergebnisse treffen und was bedeutet das

genau für eine Ernährung auf Basis von Zuckerersatzstoffen ?

15

6.2 Theoretische Grundlagen

Verbrennt man organische Verbindungen wie unsere zu untersuchenden Zucker und

-ersatzstoffe, setzt sie also mit Sauerstoff um, so wird dabei Energie in Form von Wärme

entweder aus der Umgebung entzogen oder an sie abgegeben.

Mittels einer kalorimetrischen Bombe, dem Bombenkalorimeter, lässt sich genau diese

Verbrennungsenergie bestimmen.

Dabei richtet man sich nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik, welcher die Änderung der

inneren Energie als Summe der Änderung der Wärmemenge und der verrichteten Arbeit auffasst.

Betrachtet man dabei die Bombe mit dem umliegenden Wassermantel als ein System, so verhält

sie sich adiabatisch und die innere Energie entspricht der abgegeben Wärmemenge, da keine

Volumenarbeit verrichtet wird.

Die Bombe hingegen folgt isobaren Bedingungen, da der Druck konstant gehalten wird, jedoch

ein Wärmeaustausch mit dem umliegenden Wassermantel statt findet.

Demnach lässt sich aus der gemessenen Temperaturänderung des Wasserbades, der eingesetzten

Masse, sowie der zuvor mittels Benzoesäure ermittelten Wärmekapazität der Brennwert einer

Verbindung bestimmen.

16

6.3 Relevante Formeln

Wasserwert: T

eBenzoesäurUnc BW

)( (1)

bzw. T

eBenzoesäurUmc BW

)(

Verbrennungsenergie: n

TcU WR

bzw.

m

TcU WR

(2)

Stoffmenge: M

mn (3)

Mittelwert: N

x

x

N

i

i 1 (4)

Fehlerfortpflanzung:

222

)(

W

W

cc

UT

T

Um

m

UU (5)

mit:

)( eBenzoesäurUB = Bildungsenthalpie von Benzoesäure (-3232 kJ/mol bzw. -26,46 kJ/g)

n = Stoffmenge in mol

m = Masse in g

M = molare Masse in g/mol

T = Temperaturdifferenz AnfangEnde TT (273K = 0°C)

17

6.4 Apparaturbeschreibung und Versuchsdurchführung

Als erstes werden die zu untersuchenden Substanzen und die Benzoesäure mittels einer

geeigneten Presse zu Pastillen/Zündpille verarbeitet, wobei der Zünddraht direkt eingearbeitet

wird. Die jeweiligen Massen der verwendeten Substanz, sowie die des Zünddrahtes werden

notiert und die Pastille wird wie in Abbildung 6.1 dargestellt, so befestigt, dass die Wand der

Bombe nicht berührt wird und kein Kurzschluss entstehen kann. Außerdem muss darauf geachtet

werden, dass kein Knick im Draht ist, da es sonst ebenfalls zu einer Fehlzündung kommen kann.

Abbildung 6.1: Aufbau einer kalorimetrischen Bombe

Im Bombenkalorimeter wird nun mittels eingespeistem Sauerstoff (O2) die jeweilige Substanz zu

Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) verbrannt, wobei das Wasser an den Wänden der

Bombe kondensiert und das Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre übergeht.

Das Wasser, welches als flüssiger Rückstand in der Bombe bleibt, führt zu einer

Beeinträchtigung der Wärmekapazität, welche wir jedoch in unserem Versuch vernachlässigen.

Ebenso wird die Verbrennung des Drahtes nur indirekt berücksichtigt, da ein Großteil

unverbrannt zurück bleibt.

Direkt nach der Zündung der Bombe vergehen ein paar Sekunden, in der noch kein

Temperaturanstieg messbar ist, da sich die durch die Verbrennung entstandene Wärme zunächst

in der Bombe bis an die Wände verbreiten muss und von dort dann an das umliegende Wasser

abgegeben werden kann.

Von da an lässt sich ein Temperatur-Zeit-Verlauf dokumentieren, welcher anschließend zur

Bestimmung des Brennwertes herangezogen werden kann.

18

6.5 Messwerte und Auswertung

Für die Verbrennungen der sieben untersuchten Substanzen und vier Benzoesäurekalibrierungen

ergaben sich die im folgenden dargestellten Messwerte und daraus resultierenden Abbildungen.

t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]

0 23,89 45 25,79 90 26,26 210 26,36

5 23,89 50 25,94 95 26,28 240 26,36

10 23,97 55 25,97 100 26,30 270 26,36

15 24,18 60 26,05 105 26,31 300 26,34

20 24,60 65 26,14 110 26,32 330 26,35

25 24,90 70 26,20 115 26,33 360 26,35

30 25,21 75 26,20 120 26,33 390 26,34

35 25,49 80 26,21 150 26,35

40 25,69 85 26,24 180 26,35

Tabelle 6.1: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (A)

Abbildung 6.2: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (A)

19

t [s] T [°C] t [s] T [°C]

0 21,62 180 24,03

30 21,63 190 24,1

60 21,63 200 24,16

90 21,63 210 24,22

120 21,63 220 24,24

130 21,64 230 24,27

140 22,53 240 24,28

150 23,32 250 24,3

160 23,7 280 24,32

170 23,93 310 24,33

Tabelle 6.2: Temperatur-Zeit-Verlauf von Xylitol

Abbildung 6.3: Temperatur-Zeit-Verlauf von Xylitol

20

t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]

0 25,95 45 28,36 90 28,77 210 28,86

5 25,95 50 28,51 95 28,78 240 28,85

10 26,12 55 28,52 100 28,8 270 28,85

15 26,64 60 28,61 105 28,8 300 28,85

20 27,2 65 28,63 110 28,81 330 28,84

25 27,61 70 28,69 115 28,82 360 28,84

30 27,91 75 28,71 120 28,82 390 28,82

35 28,06 80 28,72 150 28,85 420 28,82

40 28,27 85 28,75 180 28,86

Tabelle 6.3: Temperatur-Zeit-Verlauf von Fructose

Abbildung 6.4: Temperatur-Zeit-Verlauf von Fructose

21

t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]

0 22,37 45 23,53 90 23,78 210 23,87

5 22,38 50 23,62 95 23,79 240 23,87

10 22,45 55 23,63 100 23,8 270 23,88

15 22,69 60 23,66 105 23,81 300 23,89

20 22,91 65 23,68 110 23,81 330 23,88

25 23,11 70 23,71 115 23,82 360 23,89

30 23,28 75 23,74 120 23,82 210 23,87

35 23,38 80 23,75 150 23,85

40 23,46 85 23,77 180 23,86

Tabelle 6.4: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (B)

Abbildung 6.5: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (B)

22

t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]

0 23,85 45 25,16 90 25,46 210 25,51

5 23,85 50 25,26 95 25,47 240 25,51

10 23,93 55 25,29 100 25,48 270 25,51

15 24,29 60 25,31 105 25,49 300 25,51

20 24,5 65 25,35 110 25,5 330 25,5

25 24,72 70 25,38 115 25,5 360 25,5

30 24,88 75 25,4 120 25,5 210 25,51

35 25,05 80 25,43 150 25,51

40 25,13 85 25,45 180 25,52

Tabelle 6.5: Temperatur-Zeit-Verlauf von Sorbit

Abbildung 6.6: Temperatur-Zeit-Verlauf von Sorbit

23

t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]

0 25,3 45 25,87 90 25,98 210 26,01

5 25,3 50 25,89 95 25,99 240 26

10 25,4 55 25,92 100 26 270 26

15 25,51 60 25,93 105 26,01 300 25,98

20 25,65 65 25,94 110 26 330 25,98

25 25,69 70 25,96 115 26,01 360 25,97

30 25,78 75 25,97 120 26 210 26,01

35 25,8 80 25,98 150 26,01

40 25,84 85 25,98 180 26

Tabelle 6.6: Temperatur-Zeit-Verlauf von Stevia

Abbildung 6.7: Temperatur-Zeit-Verlauf von Stevia

24

t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]

0 25,85 40 26,61 80 26,87 120 26,91

5 25,86 45 26,65 85 26,88 150 26,91

10 25,88 50 26,74 90 26,89 180 26,92

15 26,03 55 26,76 95 26,9 210 26,91

20 26,17 60 26,79 100 26,9 240 26,9

25 26,34 65 26,81 105 26,91 270 26,9

30 26,43 70 26,83 110 26,91 300 26,9

35 26,52 75 26,85 115 26,91 330 26,88

Tabelle 6.7: Temperatur-Zeit-Verlauf von Cyclamat

Abbildung 6.8: Temperatur-Zeit-Verlauf von Cyclamat

25

t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]

0 26,48 40 27,95 80 28,22 120 28,27

5 26,48 45 28,04 85 28,23 150 28,28

10 26,63 50 28,08 90 28,24 180 28,26

15 26,95 55 28,11 95 28,26 210 28,26

20 27,34 60 28,15 100 28,26 240 28,26

25 27,52 65 28,17 105 28,26 270 28,25

30 27,77 70 28,19 110 28,26 300 28,25

35 27,92 75 28,21 115 28,26

Tabelle 6.8: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (C)

Abbildung 6.9: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (C)

26

t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]

0 22,64 40 24,34 80 24,74 120 24,84

5 22,65 45 24,43 85 24,77 150 24,87

10 22,73 50 24,52 90 24,79 180 24,89

15 23,09 55 24,6 95 24,8 210 24,9

20 23,47 60 24,63 100 24,82 240 24,91

25 23,82 65 24,66 105 24,83 270 24,92

30 24,04 70 24,7 110 24,84 300 24,92

35 24,18 75 24,72 115 24,84

Tabelle 6.9: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (D)

Abbildung 6.10: Temperatur-Zeit-Verlauf von Benzoesäure (D)

27

t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]

0 24,78 40 27,18 80 27,69 120 27,8

5 24,78 45 27,33 85 27,72 150 27,81

10 25,05 50 27,43 90 27,73 180 27,83

15 25,61 55 27,53 95 27,75 210 27,83

20 26,12 60 27,56 100 27,77 240 27,83

25 26,56 65 27,63 105 27,78 270 27,83

30 26,81 70 27,65 110 27,79 300 27,83

35 27,04 75 27,68 115 27,8

Tabelle 6.10: Temperatur-Zeit-Verlauf von Saccharose

Abbildung 6.11: Temperatur-Zeit-Verlauf von Saccharose

28

t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C] t [s] T [°C]

0 27,57 40 29,19 80 29,48 120 29,55

5 27,58 45 29,22 85 29,5 150 29,55

10 27,75 50 29,3 90 29,51 180 29,55

15 28,2 55 29,33 95 29,52 210 29,55

20 28,55 60 29,42 100 29,52 240 29,54

25 28,71 65 29,42 105 29,53 270 29,53

30 28,89 70 29,44 110 29,54 300 29,52

35 29,04 75 29,46 115 29,54

Tabelle 6.11: Temperatur-Zeit-Verlauf von Erythritol

Abbildung 6.12: Temperatur-Zeit-Verlauf von Erythritol

Alle Graphen ähneln sich in dem grundlegenden Verlauf.

Zunächst ist die Temperatur des Wassers konstant, dann zeigt sich nach erfolgreicher Zündung

der Bombe ein Anstieg im Temperaturverlauf, bis das Maximum erreicht ist und die Temperatur

ungefähr konstant bleibt oder sich das Wasser sogar wieder leicht abkühlt, also Wärme an die

kühlere Umgebung abgibt.

Legt man jeweils eine Ausgleichsgerade durch das Plateau am Anfang und am Ende und legt

anschließend eine Senkrechte so durch diese beiden Geraden, dass die darunter- bzw.

darüberliegenden Flächen ungefähr gleich groß sind, erhält man das jeweilige

Temperaturminimum und –maximum (siehe z.B. Abbildung 6.12).

29

Die Ergebnisse sind in Tabelle 6.12 zusammengetragen. Die Temperaturdifferenz wird als

Differenz beider Werte berechnet und ebenfalls eingetragen.

Die Rechnung wird einmal exemplarisch für Benzoesäure (A) und für die anderen Substanzen

analog durchgeführt.

KCCCTTT AnfangEnde 47,247,289,2336,26

AnfangT [°C] EndeT [°C] T [°C] T [K]

Benzoesäure (A) 23,89 26,36 2,47 2,47

Xylitol 21,63 24,28 2,65 2,65

Fruchtzucker 25,95 28,88 2,93 2,93

Benzoesäure (B) 22,38 23,85 1,47 1,47

Sorbit 23,85 25,52 1,67 1,67

Stevia 25,30 26,03 0,73 0,73

Cyclamat 25,85 26,93 1,08 1,08

Benzoesäure (C) 26,48 28,29 1,81 1,81

Benzoesäure (D) 22,65 24,84 2,19 2,19

Saccharose 24,78 27,80 3,02 3,02

Erythritol 27,58 29,57 1,99 1,99

Tabelle 6.12: Temperaturerhöhung durch die jeweiligen Verbrennungen

Da verschiedene Massen eingesetzt wurden und sich die Substanzen zusätzlich in der Molmasse

unterscheiden, lassen sich aus den bloßen Temperaturdifferenzen noch keine Schlüsse ziehen.

Um die Verbrennungsenergien berechnen zu können, müssen zusätzlich die Stoffmengen, welche

aus eingewogener Masse und bekannter molarer Masse nach Gleichung (3) berechnet werden,

herangezogen werden.

Die Masse der verwendeten Substanz wird über die Differenz aus der Masse eingesetzten

Drahtes und Masse der fertigen Pastille bestimmt.

Auch hier wird wieder eine Rechnung exemplarisch für Benzoesäure (A) und für alle anderen

Substanzen analog durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6.13 dargestellt.

30

Summenformel M [g/mol] mDraht

[g]

mPastille [g] mSubstanz

[g]

n [mol]

Benzoesäure (A) 267 OHC 122,121 0,056 1,039 0,983

31005,8

Xylitol 5125 OHC 152,146 0,094 2,047 1,953 0,013

Fructose 6126 OHC 180,156 0,048 2,084 2,036 0,0113

Benzoesäure (B) 267 OHC 122,121 0,040 0,607 0,567

310643,4

Sorbit 6146 OHC 182,172 0,057 1,364 1,307

310175,7

Stevia 186038 OHC 804,872 0,053 0,396 0,343

410262,4

Cyclamat SNNaOHC 3126 201,219 0,052 0,822 0,770 310827,3

Benzoesäure (C) 267 OHC 122,121 0,036 0,782 0,746

310109,6

Benzoesäure (D) 267 OHC 122,121 0,056 0,928 0,872

31014,7

Saccharose 11226 OHC 342,296 0,060 2,028 1,968

31075,5

Erythritol 4104 OHC 122,120 0,027 1,375 1,348 0,11

Tabelle 6.13: Stoffmengen der verwendeten Substanzen

Anhand dieser Daten lässt sich zunächst die Wärmekapazität des Wassers nach Gleichung (1)

über die Benzoesäure berechnen. Der Veranschaulichung halber, werden diese Werte einmal pro

eingesetzte Masse und einmal pro eingesetzter Stoff-/Molmenge errechnet.

Die Benzoesäure (A) wurde zur Kalibrierung des Wasserwertes bei der Brennwertbestimmung

von Xylitol und Fructose, Benzoesäure (B) und (C) für die Messungen von Sorbit, Stevia und

Cyclamat und Benzoesäure (D) für die Messungen von Saccharose und Erythritol verwendet.

Somit muss lediglich von den durch Benzoesäure (B) und (C) bestimmten Wasserwerten ein

Mittelwert nach Gleichung (4) gebildet werden.

Die Rechnungen sind im Folgenden dargestellt.

molmolg

g

M

mngggmmm DrahtPastillezSubs

3

tan 1005,8/121,122

983,0983,0056,0039,1

31

• Benzoesäure (A):

11

113

53,1047,2

46,26983,0)(

53,1047,2

)3232(1005,8)(

KkJK

gkJg

T

eBenzoesäurUmc

KkJK

molkJmol

T

eBenzoesäurUnc

BW

BW

Da sich bei beiden Möglichkeiten zur Bestimmung des Wasserwertes der gleiche Wert ergibt,

wird im Folgenden lediglich über die Stoffmenge gerechnet.

• Benzoesäure (B):

113

87,952,1

)3232(10643,4)(

KkJ

K

molkJmol

T

eBenzoesäurUnc BW

• Benzoesäure (C):

113

97,108,1

)3232(10109,6)(

KkJ

K

molkJmol

T

eBenzoesäurUnc BW

Es wird wie zuvor erläutert der Mittelwert gebildet.

111

42,102

97,1087,9

2

))(())((

KkJKkJKkJBeBenzoesäurcAeBenzoesäurc

c WWW

• Benzoesäure (D):

113

12,1028,2

)3232(1014,7)(

KkJ

K

molkJmol

T

eBenzoesäurUnc BW

Alle berechneten Wasserwerte liegen also ungefähr in einem Bereich von 10kJ/K.

Abweichungen untereinander sind auf ungleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb des Wassers,

Einwaageungenauigkeiten und somit Fehler in der Stoffmenge, Ablesefehler der Temperatur

sowie unzureichende Wärmeisolierung und die bereits erwähnte Beeinträchtigung durch während

der Verbrennung entstehendes Wasser zurückzuführen.

Die Verbrennungsenergie lässt sich abschließend nach Gleichung (2) für jede verbrannte

Substanz unter Einbezug der dazu bestimmten Wärmekapazität sowie eingesetzter Stoffmenge /

Masse berechnen.

Durch Division mit 4,1868 werden die kJ in kcal umgerechnet.

• Xylitol

11868,411

11868,411

49,361,14953,1

71,253,10

29,5421,2195013,0

71,253,10

gkcalgkJg

KKkJ

m

TcU

molkcalmolkJmol

KKkJ

n

TcU

WR

WR

32

• Fructose

11868,411

11868,411

59,305,15036,2

91,253,10

68,64771,27110113,0

91,253,10

gkcalgkJg

KKkJ

m

TcU

molkcalmolkJmol

KKkJ

n

TcU

WR

WR

•

Sorbit

11868,411

11868,41

3

1

18,331,13307,1

67,142,10

27,57928,242510175,7

67,142,10

gkcalgkJg

KKkJ

m

TcU

molkcalmolkJmol

KKkJ

n

TcU

WR

WR

•Stevia

11868,411

11868,41

4

1

15,557,21343,0

71,042,10

01,414652,1735810262,4

71,042,10

gkcalgkJg

KKkJ

m

TcU

molkcalmolkJmol

KKkJ

n

TcU

WR

WR

•Cyclamat

11868,411

11868,41

3

1

46,348,1477,0

07,142,10

84,69535,291310827,3

07,142,10

gkcalgkJg

KKkJ

m

TcU

molkcalmolkJmol

KKkJ

n

TcU

WR

WR

•Saccharose

11868,411

11868,41

3

1

75,368,15968,1

05,312,10

13,128253681075,5

05,312,10

gkcalgkJg

KKkJ

m

TcU

molkcalmolkJmol

KKkJ

n

TcU

WR

WR

•Erythritol

11868,411

11868,411

55,386,14348,1

98,112,10

51,4316,18211,0

98,112,10

gkcalgkJg

KKkJ

m

TcU

molkcalmolkJmol

KKkJ

n

TcU

WR

WR

Anhand der berechneten Werte lassen sich die Zuckerersatzstoffe nach aufsteigender

Verbrennungsenergie in kcal/g ordnen.

UR (Sorbit) < UR (Cyclamat) < UR (Xylitol) < UR (Erythritol) < UR (Fructose)

< UR (Saccharose) < UR (Stevia)

33

6.6 Diskussion und Fehlerbetrachtung

Durch den Versuchsaufbau bedingt, werden die Messwerte von den bereits genannten Faktoren

beeinträchtigt.

Rußbildung bei der Verbrennung verhindert eine Druckisolation.

Außerdem wird ein Teil der Verbrennungsenergie zur Verbrennung von Rußrückständen

innerhalb der Bombe aufgebracht. Selbiges gilt für das während der Verbrennung entstandene

Wasser. Ein weiterer Betrag dient zur Verbrennung des Drahtes, welchen wir jedoch (wie bereits

erwähnt) vernachlässigen.

Beim Entfernen der Bombe aus dem Wasserbad geht immer etwas Wasser aus dem Kalorimeter

verloren. Dies verfälscht den mit Benzoesäure kalibrierten Wasserwert, welcher die größte

Fehlerquelle darstellt, da er in alle Berechnungen eingeht. Um diesen Fehler möglichst gering zu

halten, wurde der Wasserwert vor und nach der Messreihe bestimmt, um anschließend einen

Mittelwert zu erhalten.

Des Weiteren tritt ein Abwägefehler durch die Ungenauigkeit der Waage ein, welcher ebenfalls

den berechneten Brennwert beeinflusst.

Mittels Gleichung (5) wird der absolute Fehler mittels Fehlerfortpflanzung für jede Substanz

bestimmt. Da der Wasserwert nicht vor jedem Wasserwechsel bestimmt wurde, muss dieser

Fehler für manche Berechnungen vernachlässigt werden, weshalb der tatsächliche Fehler für

Fructose, Saccharose und Erythritol größer sein müsste.

Anschließend wird daraus der relative Fehler an die jeweilige Verbrennungsenergie bestimmt,

um daraus wiederum über den Dreisatz den eigentlichen Fehler an die Verbrennungsenergie in

kJ/g zu errechnen.

Die Rechnung wird einmal für Xylitol und analog für alle anderen Substanzen durchgeführt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 6.14 zusammengetragen.

• absoluter Fehler:

222

)(

W

W

cc

UT

T

Um

m

UU

34

12121

11

1

1

2

11

2

28,820,814,1

20,801,0953,1

146,152)53,10()(

14,1001,0953,1

146,15271,253,10

molkJmolkJmolkJU

molkJKg

molgKkJT

m

McT

T

U

molkJgg

molgKKkJm

m

MTcm

m

U

W

W

• relativer Fehler:

%377,01077,3

1,2195

28,8 %10031

1

molkJ

molkJ

U

U

• Fehler an den Brennwert in kJ/g bzw. kcal/g

11

11

01,0%100

49,3%377,0)(

06,0%100

61,14%377,0)(

gkJgkJ

U

gkJgkJ

U

Brennwert

experimentell Angabe auf der Verpackung

Substanz kJ/g kcal/g kJ/g kcal/g

Xylitol -14,61±0,06 -3,49±0,01 9,9 2,36

Fructose -15,05±0,05 -3,59±0,01 16,91 3,98

Sorbit -13,31±0,71 -3,18±0,17 9,99 2,4

Stevia -21,57±1,18 -5,15±0,28 0,0 0,0

Cyclamat -14,48±0,78 -3,46±0,19 4105 4101

Saccharose -15,68±0,05 -3,75±0,01 17,13 4,09

Erythritol -14,86±0,75 -3,55±0,18 0,84 0,2

Tabelle 6.14: Gegenüberstellung von experimentellen Werten und Inhaltsangaben

Die erste Auffälligkeit liegt im Vorzeichen der Werte. Während die experimentell bestimmten

Verbrennungsenergien ein negatives Vorzeichen tragen, besitzen die kalorimetrischen

Inhaltsangaben ein positives Vorzeichen. Das liegt daran, dass Brennwerte immer mit einem

35

positiven Vorzeichen versehen werden, während molare Reaktionsenthalpien auch ein negatives

tragen können.

Im Experiment haben wir die bei der Verbrennung vollständig frei werdende Energie bestimmt,

den sogenannten physikalischen Brennwert.

Der physiologische Brennwert wird bei der Inhaltsangabe preisgegeben. Er gibt die bei der im

Organismus stattfindenden Verbrennung frei werdende Energie an.

Weicht der physiologische Brennwert stark vom physikalischen ab, so bedeutet das, dass der

Körper nur einen geringen Teil der maximal möglichen Verbrennungsenergie effektiv nutzen

kann.

Körperliche Funktionen und Tätigkeit benötigen jedoch ein von Grund- und Leistungsumsatz

abhängiges Maß an Energie. Dabei gilt im Schnitt, dass Frauen etwa 3,8 kJ pro Kilogramm und

Größe benötigen, während es bei Männern etwa 4,2 kJ pro Kilogramm und Größe betragen.

36

6.7 Zusammenfassung

Mit Hilfe eines Bombenkalorimeters haben wir die Brennwerte sieben verschiedener

Zuckerersatzstoffe experimentell bestimmt.

Dabei gilt es zwischen physikalischen und physiologischem Brennwert zu unterscheiden.

Der physikalische Brennwert bezeichnet die bei der Verbrennung maximal freiwerdende Energie,

während der physiologische den maximal von dem Organismus nutzbaren Wert an Energie

angibt.

Da jeder Organismus ein Mindestmaß an Energie zum Aufrechterhalten körperlicher Funktionen

benötigt, welches aus dem Verzehr von Kohlenhydraten und dessen Verbrennung bezogen wird.

Lässt sich nur ein geringer Teil des physikalischen Brennwertes als physiologischen nutzen, so

bedeutet das, dass man seine Energie aus anderen Quellen (z.B. Fetten und Eiweißen) beziehen

muss. Nimmt man mehr Energie als notwendig zu sich, so sollte man dies durch sportliche

Betätigung o.ä. kompensieren, um sein Gewicht konstant zu halten.

Süßt man seine Speisen mit Stevia, Cyclamat oder Erythritol, ist es somit sinnvoll genügend

Eiweiße und Fette mit der Nahrung zu konsumieren, da sie praktisch keine Energie liefern,

während Fructose und Saccharose im Vergleich mit ca. 4 kcal/g ein hohes Maß an nutzbarer

Energie liefern und man sparsamer mit dem Verzehr von Eiweißen und Fetten sein sollte.

Xylitol und Sorbit mit einem physiologischen Brennwert von je ca. 2 kcal/g scheinen den besten

Mittelweg für eine ausgewogene Ernährung auf der Grundlage von Kohlenhydraten, Fetten und

Eiweißen zu sein, da man diese drei Energielieferanten in vielerlei Lebensmitteln findet.