CHEMIE AM STRAND · 2018. 7. 9. · CHEMIE AM STRAND Fachbereichsarbeit aus Chemie vorgelegt bei...
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Bundesgymnasium und Bundesrealgymnasium Lerchenfeldstraße CHEMIE AM STRAND Fachbereichsarbeit aus Chemie vorgelegt bei Dr. Helga Voglhuber von Astrid Berg, 8A Klagenfurt, Februar 2005
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Bundesgymnasium und Bundesrealgymnasium Lerchenfeldstraße
CHEMIE AM STRAND
Fachbereichsarbeit aus Chemie
vorgelegt bei
Dr. Helga Voglhuber
von Astrid Berg, 8A
Klagenfurt, Februar 2005
Ehrenwörtliche Erklärung
Hiermit erkläre ich, dass ich die Fachbereichsarbeit selbständig und auch ohne Benutzung anderer
als der angegebenen Hilfsmittel verfasst habe.
........................... ....................................................
Datum Unterschrift
Vorwort „Fry now, pay later” – Das Motto der amerikanischen Anti-Hautkrebs-Kampagne steht sinnbildlich
für die Einstellung der Menschen unserer Zeit gegenüber der Sonne. Braun zu sein gehört heute zu
einem Schönheitsideal, das dem Körper sehr stark schaden kann.
Ich habe mich für eine Fachbereichsarbeit im Fach Chemie und für das Thema „Chemie am Strand“
entschieden, weil mich diese Haltung schon seit längerer Zeit beschäftigte. Ich wollte der
Problematik eines zu sorgenlosen Umgangs mit der Sonne auf den Grund gehen und habe mir die
Frage gestellt, was Sonnenstrahlung überhaupt ist und warum sie in der Haut des Menschen solche
Schäden anrichten kann. Wie entsteht Hautkrebs eigentlich und warum birgt ein Sonnenbrand ein
größeres Risiko als den meisten von uns bewusst ist? Auf diese Fragen wollte ich eine Antwort.
Folglich habe ich mich intensiv mit der Wirkung von Sonnenstrahlung und mit
Sonnenschutzmitteln beschäftigt.
Mein besonderer Dank gilt Frau Prof. Dr. Voglhuber, die immer wieder mit neuen Anregungen und
Vorschlägen kam und den Anstoß für so manchen Versuch gab. Mit Fragen und Problemen konnte
ich mich immer an sie wenden.
Bedanken möchte ich mich auch bei Herrn Mag. Buchner, der mir beim Formelzeichnen und
besonders bei der Bedienung des Programms MDL ISIS Draw geholfen hat.
Klagenfurt, im Februar 2005 Astrid Berg
1
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis............................................................................................................................... 1
1 Die elektromagnetische Strahlung............................................................................................ 3
1.1 UV-C-Strahlung................................................................................................................... 3
1.2 UV-B-Strahlung................................................................................................................... 4
1.3 UV-A-Strahlung................................................................................................................... 5
2 Die Haut.................................................................................................................................... 6
2.1 Aufbau der Haut................................................................................................................... 6
2.1.1 Die Oberhaut .............................................................................................................. 6
2.1.2 Die Lederhaut............................................................................................................. 7
2.1.3 Die Unterhaut............................................................................................................. 7
2.2 Pigmentierung...................................................................................................................... 8
2.2.1 Melanin ...................................................................................................................... 8
2.2.2 Indirekte Pigmentierung............................................................................................. 9
2.2.3 Direkte Pigmentierung ............................................................................................... 9
2.2.4 Spontanpigmentierung ............................................................................................... 9
3 Wirkung der Sonnenstrahlung................................................................................................ 10
3.1 Positive Wirkung ............................................................................................................... 10
3.1.1 Urocaninsäure .......................................................................................................... 10
3.1.2 Vitamin D................................................................................................................. 10
3.2 Negative Wirkungen .......................................................................................................... 11
3.2.1 Erythem.................................................................................................................... 11
3.2.2 Photosensibilisierung und Lichtdermatosen ............................................................ 12
3.2.2.1 Phototoxische Dermatitis ................................................................................................. 13
3.2.2.2 Photoallergische Dermatitis ............................................................................................. 13
3.2.3 Lichtinduzierte Hautalterung ................................................................................... 13
3.2.4 Schädigung von Kernsäuren .................................................................................... 14
4 Sonnenschutz .......................................................................................................................... 16
4.1 Kleidung............................................................................................................................. 16
4.2 Sonnenschutzmittel ............................................................................................................ 16
4.2.1 Anforderungen an Sonnenschutzmittel.................................................................... 17
4.2.2 Der Lichtschutzfaktor .............................................................................................. 18
4.2.3 Physikalische Lichtschutzfilter ................................................................................ 19
4.2.3.1 Titandioxid (TiO2) ............................................................................................................ 20
2
4.2.3.1.1 Photometrische Untersuchung von TiO2........................................................ 20
4.2.4 Chemische UV-Filter ............................................................................................... 21
4.2.4.1 Chemische UV-B-Filter ................................................................................................... 22
4.2.4.1.1 p-Aminobenzoesäure ..................................................................................... 22
4.2.4.1.2 Cinnamat ........................................................................................................ 23
4.2.4.1.3 Salicylat.......................................................................................................... 23
4.2.4.1.4 Campherderivat .............................................................................................. 24
4.2.4.1.5 Triaminotriazin............................................................................................... 24
4.2.4.2 UV-A-Filter ...................................................................................................................... 25
4.2.4.3 Breitbandfilter .................................................................................................................. 25
4.2.4.4 Experimentelle Untersuchung von Sonnenschutzmitteln................................................. 25
4.2.4.4.1 Untersuchung der Absorptionsbereitschaft verschiedener Stoffe .................. 26
4.2.4.4.2 Untersuchung von Sonnencremen mit UV-Reaktionspapier ......................... 27
4.2.4.4.3 Vergleich von UV-Lampe und Sonnenlicht................................................... 28
4.2.4.4.4 Photometrische Untersuchung von Sonnenschutzmitteln.............................. 29
4.2.5 Antioxidantien.......................................................................................................... 31
4.2.5.1 Die Vitamine C und E ...................................................................................................... 32
4.2.5.2 Carotine ............................................................................................................................ 32
4.2.5.2.1 Extraktion von β-Carotin aus Karotten .......................................................... 34
4.2.5.2.2 UV-Absorption von β-Carotin ....................................................................... 34
5 Bräunungscremen ................................................................................................................... 35
5.1 Photometrische Untersuchung von Dihydroxyaceton ....................................................... 36
5.2 Herstellung von Bräunungscreme mit Dihydroxyaceton................................................... 36
5.3 Bräunung von Hähnchenhaut mit Dihydroxyaceton ......................................................... 37
Zusammenfassung und Ausblick ..................................................................................................... 39
Abbildungsnachweis ........................................................................................................................ 41
Quellenverzeichnis........................................................................................................................... 42
Arbeitsliteratur ................................................................................................................................. 43
3
1 Die elektromagnetische Strahlung
Vom Strahlungsspektrum des Sonnenlichts ist nur ein sehr schmaler Bereich mit Wellenlängen von
400 bis 800 nm für das menschliche Auge sichtbar. Wellenlängen über 800 nm, auch Infrarot-
strahlung (IR) genannt, können höchstens zur Erwärmung führen, während kurzwellige Strahlung
unter 400 nm in der Lage ist, schwerwiegende Veränderungen in der Haut hervorzurufen. Dieser
Bereich kann ionisieren und photochemische Reaktionen auslösen. [1, 2]
Mit „Ultraviolett“ werden die elektromagnetischen Schwingungen im Bereich zwischen 200 und
380 nm bezeichnet. Diese Zuordnung muss aufgrund der unterschiedlichen Wirkungsweise inner-
halb dieses Bereiches noch genauer unterteilt werden. Je nach Wellenlänge und Energiegehalt ent-
stehen andere physiologische Wirkungen. Deshalb unterscheidet man drei Bereiche:
UV-A: mit Wellenlängen von 380 bis 315 nm
UV-B: mit Wellenlängen von 315 bis 280 nm
UV-C: mit Wellenlängen von 280 bis 200 nm
Die Grenze zwischen UV-A- und UV-B-Strahlung liegt nach den europäischen Normierungs-
ausschüssen bei 315 nm. In amerikanischen Schriften liegt sie bei 320 nm. [3]
UV-C-Strahlung wird in der Erdatmosphäre, genauer gesagt in der Ozon-Schicht, absorbiert und
muss deshalb bei der Herstellung von Sonnenschutzmitteln nicht berücksichtigt werden.
Die Sonnenstrahlung, die tatsächlich auf die Erdoberfläche auftrifft, ist aus rund 52% sichtbarem
Licht (VIS), 42% IR und 6% UV-A und UV-B zusammengesetzt. Dieser kleine UV-Bereich ist für
die Hautveränderungen, die durch das Sonnenlicht verursacht werden, verantwortlich. [1, 4]
1.1 UV-C-Strahlung
Der Ultraviolettbereich zwischen 200 und 280 nm wird als kurzwellige Ultraviolettstrahlung oder
UV-C bezeichnet. UV-C ist der kurzwelligste und deshalb auch der energiereichste Teil des Ultra-
violettspektrums. Er verursacht die Bildung von Ozon, indem er Sauerstoffmoleküle in Atome
spaltet, die dann mit weiteren Sauerstoffmolekülen reagieren. Dadurch wird UV-C in der
Atmosphäre absorbiert und gelangt nicht bis auf die Erdoberfläche. Ozon (O3) hält Strahlung mit
Wellenlängen unterhalb von 290 nm zurück. [2]
4
Ozon befindet sich normalerweise in einem Fließgleichgewicht. Es wird ständig durch kurzwelliges
Licht (UV-B bis zu einer Wellenlänge von 300 nm) in einzelne Sauerstoffmoleküle zerlegt und baut
sich auch ständig wieder auf. Durch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (CFK) gerät dieses Gleich-
gewicht aus der Balance, da diese, ebenfalls bedingt durch energiereiche Strahlung, Chlorradikale
ausbilden, die O3-Moleküle angreifen und sie zerstören. Das wirkt sich negativ auf die Filter-
funktion und auf die Schutzwirkung von Ozon aus, welche für Leben auf der Erde absolut not-
wendig sind.
Da UV-B in der Atmosphäre Ozon spaltet und dadurch von der Erdoberfläche ferngehalten wird,
gelangt es nach Einwirkung von CFK vermehrt auf die Erde. [5]
1.2 UV-B-Strahlung
Zum UV-B-Bereich zählen alle Wellenlängen von 280 bis 315 nm. Rund 0,4% der Gesamtenergie,
die auf die Erdoberfläche trifft, ist UV-B-Strahlung. Die Körperoberfläche wird durch UV-B um elf
mal weniger als durch UV-A belastet.
Die große Zahl der hautschädlichen Reaktionen, die dennoch durch UV-B verursacht werden,
resultiert daraus, dass UV-B die energiereichste Strahlung ist, die unter natürlichen Bedingungen
auf unsere Körperoberfläche trifft. Sie findet in der Haut passende Reaktionspartner, die sie anregt.
So kann es zur Veränderung von Molekülen und DNA kommen. [3]
Auch an der Bildung von Vitamin D sind UV-B-Strahlen mitbeteiligt.
Außerdem erreichen UV-B-Strahlen die Basalzellschicht und aktivieren dort Melanocyten, die
Melanin, das Hautpigment, bilden. Dieser Farbstoff wird in die Keratinocyten (Hornzellen)
transportiert und bewahrt die DNA vor Veränderungen durch UV-Strahlung, indem es sich als
Schutz über den Zellkern legt. Die Zellen färben sich durch die Melanineinlagerung braun und
bilden den natürlichen Sonnenschutz des Menschen. Die Haut wird indirekt pigmentiert. [1]
UV-B beschleunigt zusätzlich die Zellteilung in der Basalzellschicht. Dadurch kommt es zur Aus-
bildung der Hornschicht, die innerhalb weniger Tage entsteht, und deren Bildung nach zwei bis drei
Wochen abgeschlossen ist.
Die häufigste Reaktion der Haut auf UV-B-Strahlung ist der Sonnenbrand (Erythem). Seine
Symptome können von leichter Rötung bis zu starker Verbrennung mit Blasenbildung reichen. [6]
5
1.3 UV-A-Strahlung
Zum UV-A-Bereich gehören elektromagnetische Wellen zwischen 315 und 380 nm.
Charakteristisch dafür sind größere Wellenlängen und geringerer Energiegehalt als bei UV-B. Die
biologische Wirkung ist demnach unterschiedlich. UV-A dringt besser in die Haut ein als UV-B,
was zu häufiger auftretenden phototoxischen Reaktionen führt. [3]
Abb.1: Eindringtiefe von UV-A (360 nm) Abb.2: Eindringtiefe von UV-B (250 nm)1
Die Auswirkungen der UV-A-Strahlung auf die Haut wurden lange Zeit unterschätzt. Mittlerweile
ist bewiesen, dass auch sie Hautschäden verursachen kann. UV-A verursacht ebenfalls Sonnen-
brand, allerdings ist im Vergleich zur UV-B-Strahlung eine wesentlich höhere Dosis nötig.
An chronischen Schäden tritt auch durch diese Strahlung der Hautkrebs auf, zusätzlich können aber
wegen der großen Eindringtiefe auch Immunzellen betroffen sein, die für die Entfernung
geschädigter Hautzellen verantwortlich sind.
In Zusammenwirkung mit Medikamenten kommt es unter Umständen auch zur Photo-
sensibilisierung2. Außerdem ist UV-A-Strahlung für die Hautalterung verantwortlich, weil sie die
Elastizität des Bindegewebes dauerhaft schädigen kann.
Die UV-A-Strahlung löst die direkte Pigmentierung aus, indem sie Melanin-Vorstufen oxidiert.
Diese Reaktion äußert sich in einer Bräunung der Haut. Sie erfolgt schnell, ist aber auch innerhalb
weniger Tage fast wieder vollständig verschwunden. [2]
1 in Fluoresceinlösung 2 siehe Kapitel 3.2.2
6
2 Die Haut
2.1 Aufbau der Haut
Die Hautoberfläche eines erwachsenen Menschen misst ca. 2 m², sie ist an unterschiedlichen Stellen
verschieden dick, zwischen 1,5 und 4 mm, und wiegt 3 kg ohne Unterhautfettgewebe.
Sie besteht aus drei Schichten, der Oberhaut, der Lederhaut und der Unterhaut.
2.1.1 Die Oberhaut
Sie ist die Grenzfläche unseres Körpers zur Umwelt und wird auch Epidermis genannt. Im Laufe
der Zeit differenzieren sich die einzelnen Zellen der Oberhaut, es tritt Verhornung ein. Sie kann
dadurch weiter unterteilt werden in Basalzellschicht, Stachelzellschicht, Körnerschicht und Horn-
schicht.
Die Dicke der Oberhaut beträgt durchschnittlich 0,1 mm, sie schwankt jedoch abhängig vom Haut-
gebiet. An Stellen, wo sie stärker beansprucht wird, wie zum Beispiel an Fußsohlen und Hand-
tellern, misst sie bis zu 3 mm, wobei diese Stärke hauptsächlich auf die Hornschicht zurückzuführen
ist. Abgesehen von mechanischen Belastungen kann auch UV-B-Einwirkung zu einer Zunahme der
Dicke der Hornschicht führen.
Die Hornschicht ist das Ergebnis eines Keratinisierungsprozesses, der in der Basalzellschicht, der
untersten Schicht der Oberhaut, beginnt. Diese Basalzellschicht befindet sich über der Basal-
membran, welche schon zur Lederhaut gehört. Obwohl die Basalzellen in dieser Membran
verankert sind, stellt diese Verbindung eine Schwachstelle in der Haut dar. Bei starker Hitze kann
sich zwischen Basalzellschicht und Lederhaut ein Spalt bilden, der sich mit Gewebswasser füllt.
Diese Blase ist das Zeichen für eine Verbrennung. In der Basalzellschicht werden ständig Zellen
gebildet, welche an die Oberfläche wandern und in die nächste Schicht übergehen.
Zusätzlich zu den Basalzellen befinden sich hier noch eingestreute pigmentbildende Zellen, die
Melanocyten. Jeder Melanocyt bildet mit 36 Basalzellen eine Pigmenteinheit. Melanocyten ver-
sorgen durch feine Verzweigungen die Oberhautzellen mit Pigment.
7
Tochterzellen, die durch Mitose aus den Keratinocyten der Basalzellschicht entstanden sind, bilden
die darüber liegende Stachelzellschicht, die aus zwei bis fünf Zelllagen besteht. Die zylindrischen
Zellen werden hier abgeflacht und überlappen immer stärker.
Darauf folgt die Körnerschicht, in der bereits Vorläufer der Hornsubstanz als feinste Körnchen
innerhalb der Zellen auftreten. Zusätzlich mit Proteinen und Bestandteilen des Plasmas der Zellen
bilden diese Körnchen Hornzellen, aus denen die Zellkerne verschwinden. Auch die Kittsubstanz,
welche die Zellzwischenräume ausfüllt, entsteht hier.
Die Zellen der Hornschicht bestehen vollständig aus Horn und sind mit ihren Nachbarzellen
verkittet. Horn ist der Begriff für feste, harte Eiweißkörper. Die Hornschicht besteht aus zehn bis
zwanzig Zelllagen, in denen nebeneinander liegende, verzahnte Säulen von Hornzellen erkennbar
sind. Nach oben hin wird die Kittsubstanz in den Zellzwischenräumen immer lockerer, an der Ober-
fläche lösen sich ständig Hornzellen ab. Die Zellen verlieren ihren Zusammenhalt, die Kittsubstanz
zerbröckelt. Dadurch können Stoffe von außen oberflächlich in die Haut eindringen.
Eine saure Emulsion (Säuremantel) bestehend aus Wasser, produziert durch Schweißdrüsen, sowie
Fettstoffen, produziert durch Talgdrüsen, schützt jedoch die Haut. Die Hornschicht ist empfindlich
gegen Stoffe wie Detergentien oder organische Lösungsmittel, welche einen Verlust der Plastizität
verursachen können.
2.1.2 Die Lederhaut
Die Lederhaut, die auch Dermis oder Corium genannt wird, ist mit der Epidermis fest verbunden.
Sie besteht aus gut durchblutetem, von Nerven durchzogenem Bindegewebe und versorgt die Ober-
haut durch Diffusion. Diese Schicht der Haut ist ein Netzwerk von Proteinen aus Kollagen-, Elastin-
und Retikulinfasern.
Das Wasserbindungsvermögen und die Ausbildung dieses Bindegewebes tragen entscheidend zum
Aussehen der Haut bei. Junge Haut besitzt viel Bindegewebe und viel Gewebswasser, bei alter Haut
ist das Gegenteil der Fall. Die Hautalterung hat in dieser Schicht ihren Ursprung. UV-Einwirkung
schädigt das Bindegewebe nachhaltig.
2.1.3 Die Unterhaut
Die Unterhaut wird auch Subkutis genannt. Sie besteht aus lockerem Bindegewebe mit
eingelagerten Fettzellen. Bei Unterernährung kann diese Schicht fast ganz verschwinden, bei Fett-
8
leibigkeit vergrößert sie sich stark. Sie ist vor allem Schutz vor Abkühlung und mechanischer
Schädigung, außerdem kann sie Wasser und Nährstoffe speichern. [1, 3]
2.2 Pigmentierung
2.2.1 Melanin
In der Basalzellschicht der Epidermis befinden sich
neben den Basalzellen die pigmentbildenden Zellen,
die auch Melanocyten (griech. melanos = schwarz)
genannt werden. Darin wird das Hautpigment
Melanin gebildet, das aber keinen chemisch
einheitlichen Körper darstellt. Man spricht besser
von Melaninen, die in zwei Gruppen, nämlich
Eumelanine und Phäomelanine unterteilt werden. Im
Gegensatz zu den dunklen Eumelaninen, die alle Bereiche von Wellenlängen absorbieren können,
sind Phäomelanine rötlich bis gelb und absorbieren nur schwach.
Abb.3: Eumelanin und Phäomelanin
In kleinen Einschlusskörperchen in den Melanocyten entstehen zuerst farblose Vorstufen, die
Prämelanine. Aus ihnen werden nach Anregung, beispielsweise durch UV-Einstrahlung, die
eigentlichen Pigmente gebildet. Es entstehen Melanosomen (griech. soma = Körper), kleine
Pigmentkörnchen. Die Verteilung dieser Melanosomen und ihre Aktivität sind für den
Pigmentierungsgrad der Haut weitaus entscheidender als ihre Anzahl. Feine Verteilung lässt die
Haut dunkel wirken, während grobe einen hellen Farbton ergibt.
Melanin hat mehrere wichtige Funktionen, von denen hier nur einige genannt werden sollen:
1. Es dient als Lichtfilter und schützt die Haut.
2. Es entfernt reaktionsfähige Sauerstoffmoleküle, welche Hautalterung und Faltenbildung
beschleunigen.
3. Es schützt gegen Überwärmung, indem es Wärmestrahlen absorbiert und die Energie nach
außen abgibt.
Die Melaninbildung ist ein komplizierter Vorgang, der noch nicht vollständig geklärt ist.
9
Die Ausgangssubstanz für die Pigmentbildung ist die Aminosäure Tyrosin (= Monohydroxyphenyl-
alanin), aus der mit Hilfe von verschiedenen Enzymen über Ringschlussbildung und
Polymerisierung Eumelanin und Phäomelanin entsteht. Die komplexen Vorgänge werden durch
UV-Strahlung eingeleitet und führen zu Substanzen, die keineswegs einheitlich gebaut sind.
2.2.2 Indirekte Pigmentierung
UV-B führt zur indirekten Pigmentierung. Es erfolgt eine Aktivierung der Phenoloxidase, die
Melaninbildung startet. Diese Art der Pigmentierung wird erst verzögert sichtbar. Das gebildete
Melanin legt sich über die Zellkerne der Keratinocyten, gelangt nach vier Wochen in die Horn-
schicht und wird abgestoßen. Die Bezeichnung „indirekte Pigmentierung“ leitet sich von der
Meinung ab, dass dieser Vorgang erst nach einem Sonnenbrand auftritt, da er einige Tage dauert.
Auch eine Strahlendosis unterhalb der Erythemschwelle führt zur indirekten Pigmentierung. Oft tritt
jedoch zuerst der Sonnenbrand wegen fehlender Vorsichtsmaßnahmen und in weiterer Folge die
Pigmentierung auf. Eine Dauerpigmentierung ist auch ohne Sonnenbrand möglich, wenn man sich
nur Strahlung aussetzt, welche die Pigmentbildung auslöst aber noch nicht schädlich ist.
2.2.3 Direkte Pigmentierung
UV-A führt zur direkten Pigmentierung. Schon nach ein bis zwei Stunden ist eine schwache
Bräunung der Haut sichtbar, weil UV-A bereits vorhandene Melaninvorstufen oxidiert und es zu
einer feineren Verteilung der Melaninkörnchen kommt. Nach spätestens 24 Stunden verschwindet
diese Pigmentierung aber wieder.
2.2.4 Spontanpigmentierung
UV-A kann in hohen Dosen auch zur Spontanpigmentierung führen. Wellenlängen um 340 nm
können zusätzlich zur direkten Pigmentierung bei hoher Intensität die Pigmentsynthese ankurbeln.
Dadurch lässt sich in Sonnenstudios ohne die Gefahren eines Sonnenbrandes eine maximale Haut-
bräunung erreichen. In Studien wurde bewiesen, dass das Pigment, welches unter UV-A-
Einwirkung gebildet wird, auch vor UV-B schützt. [3]
10
3 Wirkung der Sonnenstrahlung
3.1 Positive Wirkung
3.1.1 Urocaninsäure
Im Keratin ist die Aminosäure Histidin enthalten. Bei intensiver UV-B-
Einwirkung wird sie desaminiert, es wird also die Aminogruppe ab-
gespalten, wobei Urocaninsäure entsteht. Sie ist im Schweiß vorhanden.
Urocaninsäure absorbiert Lichtquanten der UV-Strahlung. Das führt zu
einem Umbau des Moleküls. Es kommt zu einer Isomerisierung; aus
trans-Urocaninsäure wird die energiereichere Form cis-Urocaninsäure. Dadurch wird die Energie
abgeleitet und die Haut geschützt.
Abb.4: Urocaninsäure
Die Verwendung von Urocaninsäure in Sonnenschutzmitteln wurde in der EU verboten, weil ihre
cis-Form zur Immunsuppression beiträgt. [2]
3.1.2 Vitamin D
In Zusammenhang mit positiven Aspekten der UV-Strahlung muss die Vitamin D-Synthese genannt
werden. Mehrere ähnliche Stoffe werden als Vitamin D bezeichnet, deshalb spricht man von den
Vitaminen der D-Gruppe. Durch UV-Licht werden die Provitamine, also die jeweiligen Vorstufen,
umgewandelt, dabei wird ein Ring mit zwei Doppelbindungen aufgesprengt.
Abb.5: Vitamin D2 (Ergocalciferol) Abb.6: Vitamin D3 (Cholecalciferol)
11
Wichtig für den menschlichen Körper sind die Vitamine D2 und D3, von denen das letztgenannte
aus 7-Dehydro-cholesterin entsteht. Dieses Vitamin D3 wird aus der Vorstufe nach Einwirkung von
UV-Strahlung gebildet. 7-Dehydro-cholesterin befindet sich in hoher Konzentration in der Haut,
dadurch kann auch die positive Wirkung von Sonnenlicht auf Rachitis erklärt werden.
Vitamin D spielt eine bedeutende Rolle bei der Aufnahme von Calcium-Ionen und beeinflusst somit
die Kalkeinlagerung in Knochen. Ein Mangel dieses Vitamins führt zu Rachitis - die Knochen
erweichen wegen Calciummangel. Zur Heilung kann daher dieses Vitamin wieder eingesetzt
werden. [7]
3.2 Negative Wirkungen
3.2.1 Erythem
Die am häufigsten auftretende Reaktion auf zu lange Sonneneinstrahlung ist der Sonnenbrand, auch
Erythem genannt. Zum Erythem kommt es, wenn die minimale Erythemdosis (MED) überschritten
wurde, das ist jene Dosis, die ausreicht, um einen gerade sichtbaren Sonnenbrand auszulösen. Sie ist
individuell verschieden und hängt vom Pigmentierungstyp und von der Stärke des bereits ausge-
bildeten UV-B-Schutzes ab. Bei Menschen mit dunkler Haut beträgt sie bis zu 60 Minuten,
Hellhäutige sollten aber nicht länger als 15 Minuten ungeschützt in die Sonne gehen.
UV-A- und UV-B-Strahlung führen zu Sonnenbrand, wobei für ein UV-A-Erythem, im Vergleich
zu dem von UV-B verursachten, ca. die 1000fache Dosis nötig ist. Auch innerhalb des UV-B-
Bereichs bedingen die einzelnen Wellenlängen unterschiedlich starke Erytheme.
Die Entzündung der Haut ist das Resultat einer Serie photochemischer Reaktionen, welche nach der
Absorption von Licht durch bestimmte Hautbestandteile, die Chromophore, auftreten. Solche
Chromophore in der Haut sind zum Beispiel Nukleinsäuren, Aminosäuren, Urocaninsäure und
Melanin. Manche dieser Chromophore bilden nach dem Einwirken von UV-Strahlung freie
Radikale, das sind Atome oder Moleküle mit einem oder mehreren freien Elektronen.
12
Auf das genaue Prinzip, nach dem solche Radikale gebaut sind, wird in Kapitel 4.2.4 näher
eingegangen. Zum besseren Verständnis soll hier ein kurzer Überblick gegeben werden:
Ein einziges Elektron belegt ein Orbital alleine. Weil aber freie Elektronen immer danach streben,
Elektronenpaare zu bilden, sind diese Radikale äußerst reaktiv und sehr instabil. Durch Reaktionen
mit Bestandteilen von Zellen können sie diese nachhaltig schädigen und viele Erkrankungen
auslösen. Für die Schädigung, die nach Einwirkung von UV-Strahlung entsteht, sind freie
Sauerstoffradikale verantwortlich.
Die Haut hat beim Entstehen von Radikalen einige Schutzmechanismen parat, die jedoch bei UV-
Einwirkung zu schwach sind. Diese Radikale reagieren mit der Zellmembran und verändern sie.
Substanzen, welche die Gefäße erweitern, werden freigesetzt. Diese Gefäßreaktionen verursachen
die primäre Hautrötung und das Brennen, sind aber der erste Schritt zur Heilung des Schadens, der
durch die UV-B-Einstrahlung entstanden ist, denn es werden Mineralstoffe, Flüssigkeit und Blut-
zellen herantransportiert. Außerdem führen diese Substanzen zu einer Hemmung der Zellteilung,
somit kann die gestörte Information nicht weitergegeben werden.
In der Spätphase sind besonders Enzyme für ein Fortbestehen der Entzündung verantwortlich.
Durch Photonentreffer sterben einzelne Oberhautzellen ab. Sie bleiben noch kurz im Zellverband,
man nennt sie dann „sunburn cells“, nach einigen Tagen werden sie als Schuppen abgestoßen. [2, 3]
3.2.2 Photosensibilisierung und Lichtdermatosen
Lichtdermatosen sind durch Sonnenlicht verursachte oder geförderte krankhafte Haut-
veränderungen. Sie werden in primäre und sekundäre eingeteilt, wobei die primären Licht-
dermatosen vor allem durch den UV-B-Bereich der Sonnenstrahlung verursacht werden. Es kommt
zu einer direkten Schädigung der Zellen durch eine phototoxische Reaktion, wie zum Beispiel durch
den Sonnenbrand. Sekundäre Lichtdermatosen treten nur auf, wenn ein Stoff, zum Beispiel ein
Medikament und Sonnenstrahlung gemeinsam auf die Haut einwirken. Bestimmte Arzneimittel
können also Lichtempfindlichkeit auslösen. Es ist daher während Medikamenteneinnahme
empfehlenswert, Sonnenbäder zu meiden.
Bei sekundären Lichtdermatosen unterscheidet man zwei Formen: die phototoxische und die
photoallergische Dermatitis. Voraussetzung für beide ist die Fähigkeit der schädlichen Stoffe, im
langwelligen Bereich elektromagnetische Wellen zu absorbieren.
13
3.2.2.1 Phototoxische Dermatitis
Die phototoxische Dermatitis ist eine entzündliche Hautreaktion ohne Beteiligung des Immun-
systems. Ein Photosensibilisator, also ein Stoff, der mit Licht reagiert, bewirkt nach Bestrahlung,
die sonst zu keiner Reaktion führen würde, sonnenbrandähnliche Schädigungen. Bestimmte Stoffe
lösen diese Reaktionen bei jedem Menschen aus.
Medikamente, die einen Chromophor enthalten, der Wellenlängen im UV-A-Bereich absorbieren
kann, führen zur Photosensibilisierung. UV-A-Strahlung führt nach dem Auftreffen auf die
Chromophore zu elektrisch angeregten Molekülen. Von diesem Zustand gibt es für das Elektron
mehrere Möglichkeiten der Rückkehr in die Ausgangslage.
Energie kann strahlend, nicht-strahlend oder über eine photochemische Reaktion, wie Wasserstoff-
transfer, Elektronentransfer, Isomerisierung oder Spaltung abgegeben werden.
Biomoleküle wie Peptide, DNA oder Lipide können mit dem elektronisch angeregten Chromophor
reagieren und durch ihn photosensibilisiert werden. Das führt zu Zellschäden.
3.2.2.2 Photoallergische Dermatitis
Photoallergische Dermatosen treten seltener als phototoxische auf. Sie kommen nur bei Menschen
vor, die vorbelastet sind, also eine Allergie aufweisen. Über einen bestimmten Zeitraum, teilweise
auch Jahre, kommt es nach dem Kontakt mit einem Allergen zu einer Sensibilisierung, das heißt zu
einer Immunreaktion in der Epidermis. Die Symptome der allergischen Reaktion erscheinen nur bei
gemeinsamem Auftreten von Allergen und Lichteinwirkung. Diese Reaktionen kommen im
Gegensatz zu den phototoxischen Reaktionen nur bei bestimmten Menschen vor, die auf spezifische
Substanzen reagieren. [1, 8, 9]
3.2.3 Lichtinduzierte Hautalterung
Das Altern der Haut ist ein natürlicher biologischer Prozess, der durch die Einwirkung von UV-B-
Strahlung wesentlich beschleunigt werden kann. Diese lichtinduzierte Hautalterung findet im
Gegensatz zur natürlichen nicht an der ganzen Hautoberfläche, sondern nur an Hautstellen, die der
Sonne ausgesetzt sind, statt. Die Art der Veränderung unterscheidet sich nicht.
14
Bei der Hautalterung ist die Haut trocken, schuppig, sie weist zahlreiche Falten auf und ist wegen
der unterschiedlichen Pigmentverteilung fleckig. Außerdem können sich sternförmige Pseudo-
narben entwickeln. Die Lichtalterung der Haut entsteht nicht durch einen einzigen Vorgang,
sondern sie ist durch eine Verdickung der Epidermis, eine Reduktion der Langerhanszellen und eine
Anhäufung von Material in der Lederhaut gekennzeichnet. [3]
Besonders die UV-A-Strahlung ist für die Hautalterung verantwortlich. Sie dringt bis in die Leder-
haut ein und schädigt das Elastin. Darunter versteht man die in die Haut eingelagerten, elastischen
Fasern. Sie zersetzt die feuchtigkeitsbindenden Collagen- und Elastinfasern. Dadurch trocknet die
Haut aus, sie verliert ihre Elastizität. Ihr Wasserbindungsvermögen und ihre Immunfunktion lassen
nach. [6]
Die Sonnenstrahlung verändert auch die Struktur der Melanocyten, die dadurch in ihrer Funktion
beeinträchtigt werden. Es entsteht unregelmäßige Pigmentierung in Form von braunen Hautflecken.
Außerdem kann die Epidermis durch Sonneneinwirkung dünner und empfindlicher werden. Alle
diese Vorgänge zusammen werden als Hautalterung bezeichnet.
Zusätzlich zur Sonne können auch andere Faktoren die Hautalterung beschleunigen, wie zum
Beispiel das Rauchen. [10]
3.2.4 Schädigung von Kernsäuren
Die Entstehung von Hautkrebs gehört zu den schwerwiegenden Folgen von UV-B-Einstrahlung.
Wellenlängen zwischen 300 und 320 nm führen zur Schädigung von Kernsäuren, den
Desoxyribonukleinsäuren (DNS) im Zellkern. Diese Säuren sind Träger der genetischen
Information und steuern den Zellstoffwechsel und die Zellteilung. Im Zellkern haben sie die Gestalt
von doppelten, spiralig gedrehten Strängen. UV-B-Strahlung kann Bausteine dieser Stränge
miteinander verkleben, daran Wassermoleküle anhängen, Ketten aufspalten oder Kettenteile mit
Eiweiß vernetzen. Als Resultat dieser Ereignisse wird die ganze Kette funktionsunfähig, die
Information ist nicht mehr abrufbar oder es werden fehlerhafte Informationen weitergegeben.
Jede Zelle besitzt jedoch ihr eigenes System von Biokatalysatoren, so genannte Repair-
mechanismen, die diese Schäden wieder beheben. Geschädigte Teile können aus den Strängen
herausgeschnitten und durch neue ersetzt werden. Stammt die Energie, die dafür benötigt wird, aus
15
dem Zellstoffwechsel, wird die Reparatur als „dark repair“ bezeichnet und läuft im Dunkeln ab.
Geschieht dies unter Einwirkung von Violettlicht oder UV-A, spricht man von „light repair“.
Werden die Schädigungen nicht vollständig behoben, treten Änderungen im Zellstoffwechsel auf.
Dies führt zur Bildung von Mutationen und später zu Tumoren.
Man unterscheidet das Basalzell- und das Plattenepithelkarzinom, sowie das Melanom. Das Basal-
zellkarzinom ist relativ gutartig, es wächst fast nur an den Stellen der Entstehung weiter.
Selten kommt es zur Verschleppung an andere Orte des Körpers.
Das Plattenepithelkarzinom (Stachelzellkarzinom, Spinaliom) geht von den Stachelzellen aus. Es
entsteht aus Keratosen, die als bräunlich-rote, raue Flächen beginnen und langsam nach außen und
in die Höhe wachsen. Stecknadelkopfgroße Knötchen mit rauer, trockener Oberfläche entstehen. Es
bilden sich Geschwüre, in denen man einzelne Hornperlen erkennen kann. Die Oberfläche ist leicht
verletzbar und kann aufreißen und zu bluten beginnen. Das Plattenepithelkarzinom wächst
zunehmend an der Stelle, wo es zuerst aufgetreten ist und zerstört umliegendes Gewebe. Je länger
ein solches Karzinom besteht, desto wahrscheinlicher ist es, dass es auch die benachbarten
Lymphknoten angreift.
Das Basalzellkarzinom (Basaliom) ähnelt dem Spinaliom, es fehlen aber die Hornperlen, da die
Ausgangszellen, die Basalzellen, keine Fähigkeit zur Verhornung besitzen. In seltenen Fällen
enthalten sie Melanin.
Das Melanom (Pigmentkrebs, „schwarzer Krebs“) gehört zu den bösartigsten Tumoren des
Menschen. Bei der Entstehung des Melanoms spielt eher die kurzfristige, intensive UV-Bestrahlung
eine Rolle, im Gegensatz zum Karzinom, welches bevorzugt nach langjährigem Sonnenaufenthalt
auftritt. Starke Sonnenbrände, das sind Sonnenbrände mit Blasenbildung, erhöhen besonders in der
Jugend das Melanomrisiko. Das Melanom geht von den Melanocyten aus, es beginnt als dunkler
Fleck, der sich langsam vergrößert. Dieser ist nicht gleichmäßig dunkel gefärbt, sondern besteht aus
hellen und dunklen Bereichen. Wenn das Flächenwachstum in Knotenbildung übergeht, kann ein
Einbruch in die Gefäße und eine Fernabsiedelung erfolgen. Tumorzellen können über Blut- und
Lymphweg bis in die Lunge oder ins Gehirn verschleppt werden. Melanome treten auch an Stellen
auf, die der Sonne nicht ausgesetzt waren. [3]
16
4 Sonnenschutz
4.1 Kleidung
Im Laufe der Jahre gab es einen bedeutenden Wandel in der Einstellung der Menschen zur Sonne.
Während die Bräune am Anfang des 20. Jahrhunderts als Zeichen für den niederen Stand galt, der
draußen auf dem Feld arbeiten musste, entwickelte sie sich später zum Symbol für Gesundheit und
Fitness. Mit dieser Änderung ging auch ein bedeutender Wechsel in der Strandmode vor sich. Die
Badeanzüge wurden zu Bikinis und die Tendenz ging in die Richtung, möglichst nahtlos braun zu
werden. Damit setzten sich die Menschen aber auch vermehrt den Gefahren der Sonne aus.
Besonders am Strand ist es wichtig, auf den Sonnenschutz zu achten. Dazu zählt nicht nur die Wahl
des richtigen Lichtschutzmittels, sondern auch der Schutz durch Kleidung. Textilien schützen zwar
nicht hundertprozentig vor der Sonne, sind aber oft wesentlich effektiver als Sonnencremen.
Wie aus dem Versuch mit dem UV-Papier ersichtlich ist (siehe Kapitel 4.2.4.4), schützt ein dicker
Baumwollstoff besser als ein gutes Lichtschutzmittel. Doch auch die dünne Stoffprobe hält die UV-
Strahlung teilweise ab. Bemerkenswert ist, dass Baumwolle im nassen Zustand weitaus mehr
Strahlung durchlässt als im trockenen.
Kleinkinder und Babys sollten sich überhaupt nicht in der prallen Sonne aufhalten, da ihre Haut
dünner ist als die eines erwachsenen Menschen und ihre körpereigenen Schutzmechanismen, wie
die Lichtschwiele, die verdickte Hornschicht, noch nicht so gut ausgebildet sind. Besonders in den
ersten Lebensjahren eines Kindes erhöhen Sonnenbrände das Risiko, später Hautkrebs zu
bekommen. Kleidung kann die Haut zumindest zum Teil vor der schädlichen Strahlung der Sonne
schützen.
4.2 Sonnenschutzmittel
Die Eigenschutzzeit der Haut ist im Vergleich dazu, wie lange sich der Mensch durchschnittlich in
der Sonne aufhält, sehr kurz. Man geht bei nicht vorgebräunter Haut von einer Eigenschutzzeit von
10 bis 40 min aus. Deshalb wird heute zu Sonnenschutzmitteln gegriffen, um den gefährlichen
Schädigungen wie Hautkrebs oder Sonnenbrand vorzubeugen.
17
Sonnenschutzmittel sind kosmetische Produkte, die auf die Haut aufgetragen oder teilweise oral
eingenommen werden. Sie können UV-Strahlung entweder absorbieren, reflektieren oder streuen.
Zur Vermeidung von Nebenwirkungen hat man zahlreiche gesetzliche Bestimmungen eingeführt.
In der EU müssen sich die Hersteller der Sonnenschutzmittel bei den Inhaltsstoffen an die EU-
Kosmetikrichtlinien halten. Sie wurden am 27.7.1976 eingeführt und am 21.4.2002 fortgesetzt.
Darin ist eine Liste der in kosmetischen Mitteln erlaubten UV-Filter enthalten. Ebenfalls aufgeführt
ist die maximale Konzentration.
4.2.1 Anforderungen an Sonnenschutzmittel
Die Anforderungen an Sonnenschutzmittel sind umfangreich.
Sie sollten den UV-A und UV-B-Bereich abschirmen. Die Wirksamkeit gegen diese beiden
Strahlungsarten ist nicht am Lichtschutzfaktor feststellbar, da sich dieser nur auf den UV-B-Anteil
bezieht. Manche Werbungen für Sonnenschutzmittel suggerieren, dass ein gutes Produkt die UV-B-
Strahlung aufhalten und die UV-A-Strahlung durchlassen sollte. Jedoch kann auch die langwellige
UV-Strahlung Schädigungen, wie zum Beispiel die lichtinduzierte Hautalterung oder das Melanom,
auslösen. Deshalb sollte man beim Kauf eines Präparates unbedingt darauf achten, dass auch UV-
A-Schutz inkludiert ist. Bis heute ist noch nicht eindeutig erwiesen, wie viel UV-A schädlich für
den Menschen ist. Die Menge an UV-A, die herausgefiltert werden muss, wird auch in Europa nach
dem australischen Standard bestimmt.
Sonnenschutzfilter müssen absolut ungefährlich sein, da sie großflächig auf die Haut aufgetragen
und von Personen jeden Alters verwendet werden. Ca. 2% der Substanz werden durch die Haut auf-
genommen, deshalb gibt es genaue Richtlinien für diese Stoffe. Nur wenn über einen Zeitraum von
ca. einem halben Jahr keine negativen Effekte an Lebewesen nachgewiesen werden können, wird
die Substanz als „nicht toxisch“ bezeichnet.
Für Sonnenschutzmittel ist auch eine gute Verträglichkeit wichtig. Trotz umfassender Tests können
Nebenwirkungen oft erst später bekannt werden. Meistens sind es nicht die UV-Filter, sondern
andere Inhaltsstoffe, welche allergische Reaktionen auslösen.
18
Außerdem sollen Sonnenschutzmittel nicht in tiefer liegende Hautschichten als die Hornschicht
eindringen, weil sie dort in den ganzen Körper wegtransportiert werden könnten. Das wäre erstens
für den Sonnenschutz nicht zuträglich und zweitens eine unnötige Belastung für den Körper.
Sonnenschutzmittel werden einer intensiven Sonnenstrahlung ausgesetzt, dadurch kommt es zu
einem photochemischen Abbau, der bei der Sonnenschutzwirkung zu berücksichtigen ist. Dieser
Abbau kann zu Stoffen führen, die Krebs auslösen bzw. toxisch oder auch photosensibilisierend
wirken können. Sonnenschutzmittel werden daher auf ihre Photostabilität aber auch auf ihre
chemische Stabilität und ihre Hitzeresistenz getestet, um ihre Funktion auch nach längerer
Aufbewahrung und Sonnenexposition zu gewährleisten.
Sie sollten auch wasserfest sein, da UV-Strahlung bis zu 60 cm tief ins Wasser eindringt. Als
wasserfest gilt ein Sonnenschutzmittel dann, wenn nach zweimal 20 Minuten Badezeit noch 50%
der Schutzwirkung vorhanden sind.
4.2.2 Der Lichtschutzfaktor
Der Lichtschutzfaktor LSF wird berechnet, indem man die Erythemschwellendosis für geschützte
Haut durch jene für ungeschützte Haut dividiert.
Abb.7: Gleichung zur Berechnung des Lichtschutzfaktors
Die Erythemschwellendosis ist von vielen Faktoren wie vom Hauttyp, von der Intensität der
Strahlung und vom bereits vorhandenen Eigenschutz der Haut abhängig. Sie wird bei einer
Wirkstoffkonzentration von 2 mg/cm3 ermittelt. Bei der praktischen Anwendung werden aber oft
viel geringere Konzentrationen verwendet. Das bedeutet, dass der angegebene Lichtschutzfaktor
meistens zu hoch ist. Außerdem gibt es einige Hautschäden, die schon vor dem Erreichen der
Erythemschwellendosis auftreten. Schon deshalb sollte man sich nicht blind auf den angegebenen
Lichtschutzfaktor verlassen. Eine einheitliche Vorschrift für UV-A-Schutz ist in Europa noch nicht
vorhanden. Deshalb basieren die Sonnenschutzmittel auf dem australischen Standard, der besagt,
dass mindestens 90% der UV-A-Strahlung absorbiert werden müssen.
19
Sonnenschutzmittel müssen die negativen Reaktionen von Strahlung in der Haut verhindern.
Deshalb enthalten sie Stoffe, die das Licht entweder absorbieren, streuen oder reflektieren. Es gibt
auch Substanzen, die von der UV-Strahlung ausgelöste Reaktionen erst in der Haut unterbrechen. Je
nach Wirkungsweise unterscheidet man chemische und physikalische Lichtschutzfilter oder
Antioxidantien.
4.2.3 Physikalische Lichtschutzfilter
Physikalische Lichtschutzfilter enthalten mineralische Pigmente, die das Licht reflektieren, streuen,
brechen und teilweise sogar absorbieren. Wie viel Prozent der Strahlung reflektiert werden, hängt
vor allem von den einfallenden Lichtwellenlängen und der Größe dieser Pigmente ab. Je kleiner die
Partikelgröße ist, desto kleinere Lichtwellenlängen können reflektiert werden. Durch diesen
Umstand sind physikalische Lichtschutzfilter im UV-Bereich sehr wirksam, was ihnen zu der
Bezeichnung „Blocker“ verholfen hat. Doch auch physikalische Filter reflektieren den UV-Bereich
nicht vollständig.
Die am häufigsten verwendeten Pigmente sind Titandioxid und Zinkoxid, die als Mikropigmente
mit Partikelgrößen von ca. 10 - 70 nm in Sonnenschutzmitteln verwendet werden.
Physikalische Lichtschutzfilter lösen kaum allergische Reaktionen aus, da sie, wenn überhaupt, nur
in geringe Tiefen der Haut eindringen.
Probleme bei physikalischen Lichtschutzfiltern ergeben sich in der Lagerung, weil sich die Mikro-
pigmente häufig zu Agglomeraten zusammenballen. Die dadurch entstehende, wesentlich größere
Oberfläche dieser Verbindungen wirkt sich nachteilig auf den Lichtschutz aus. Ein weiterer
Nachteil, an dessen Vermeidung gearbeitet wird, ist die kosmetische Akzeptanz der Pigmente. Denn
durch zu große Partikel kann es zu einer Weißfärbung der Haut kommen. Deshalb werden oft zu
kleine Dosierungen verwendet, durch die auch die Lichtschutzwirkung nachlässt. [2, 6]
20
4.2.3.1 Titandioxid (TiO2)
Titandioxid ist das am häufigsten verwendete weiße Pigment, da es auch beim Mischen mit Wasser
oder einem Bindemittel seine weiße Farbe nicht verliert. Es wird heute in Wandfarben aber auch in
kosmetischen Produkten eingesetzt, weil es besonders verträglich ist. In Zahnpasta finden wir es
genauso wie in Lichtschutzmitteln.
Titandioxid kommt in kosmetischen Produkten als Pigment mit der Partikelgröße von 80 bis 100
nm vor, man arbeitet aber schon an Mikropigmenten mit Größen von 15 bis 20 nm, die für das
sichtbare Licht durchlässig und folglich unsichtbar sind, was einen typischen Nanoeffekt darstellt.
Als Größenvergleich: Ein Haar ist 250 - 500 mal dicker als ein Lichtschutzpartikel und 10 bis 100
mal dicker als ein Wandfarbpartikel.
Zusätzlich zur Unsichtbarkeit dieser Partikel ergibt sich durch die Größe noch ein weiterer Vorteil.
Kleinere Partikel liegen auch enger nebeneinander und schützen demnach besser. Wenn die Partikel
jedoch zu klein sind, dann werden UV-Strahlen durchgelassen.
4.2.3.1.1 Photometrische Untersuchung von TiO2
Durchführung: Materialien und Geräte:
Photometer
Küvette
Handcreme
TiO2
• Photometer mit Wasser eichen
• TiO2 unter Handcreme mischen
• Mischung außen auf mit Wasser gefüllte Küvette auftragen
Ergebnis:
Der Absorptionsbereich ist im Diagramm sichtbar. Um zu zeigen, dass die Absorptionswirkung
nicht durch die Handcreme zustande kommt, wurde auch eine Vergleichsprobe mit Handcreme
photometrisch untersucht.
21
Photometrie: TiO2
00,10,20,30,40,50,6
280 300 320 340 360
nm
E (E
xtin
ktio
n)Photometrie: Nivea Handcreme
00,10,20,30,40,50,6
280 300 320 340 360
nm
E (E
xtin
ktio
n)
Abb.8: Photometrie von TiO2 Abb.9: Photometrie mit Nivea Handcreme
4.2.4 Chemische UV-Filter
Chemische UV-Filter sind organische Substanzen, die UV-Licht im Bereich von 250 bis 350 nm
wegen der vorhandenen chromophoren Strukturen absorbieren können. Möglichst kleine Mengen
dieser Substanzen sollen möglichst viel UV-Strahlung aufnehmen.
Chromophore bei Sonnenschutzmitteln sind solche, die ein delokalisiertes π-Elektronen-System
aufweisen.
Dieses System ist mit dem Modell der Hybridisierung erklärbar. Kommt es zur Bildung von
Molekülen, die aus solchen hybridisierten Atomen entstanden sind und in denen sich Einfach- und
Doppelbindungen abwechseln, können die Elektronen der p-Orbitale über viele Atome hinweg frei
wandern. Man nennt sie delokalisierte Elektronen, weil sie sich nicht an ihrem Ursprungsort
befinden, sondern frei über die Grenzstrukturen verteilt sind. [11]
Wenn in Molekülen ausschließlich σ-Bindungen zu finden sind, können die Elektronen nur sehr
schwer auf höhere Energieniveaus gebracht werden. Die Anhebung geschieht durch sehr energie-
reiche, kurzwellige UV-Strahlung; genau diese kann auch absorbiert werden. Sind aber π-
Bindungen vorhanden, verschiebt sich der Absorptionsbereich in den langwelligen UV-Bereich, da
für die Anhebung dieser π-Elektronen wesentlich weniger Energie notwendig ist. Durch
delokalisierte Elektronen kann der Absorptionsbereich noch einmal in Richtung längerer Wellen-
längen verschoben werden. Je länger die konjugierte C-Kette ist, desto größer ist der Absorptions-
bereich.
In chemischen UV-Filtern werden diese Verbindungen noch zusätzlich mit Elektronendonatoren
und Elektronenakzeptoren verbunden. Die Wirkung dieser Verbindungen beruht auf der
22
Polarisierung der Moleküle und aus der daraus folgenden Verschiebung von delokalisierten
Elektronen. [12]
Die Lage des Absorptionsmaximums ist von der Stärke der Donor- und der Akzeptorgruppe und der
Ausdehnung der π-Bindungen abhängig. Die Wellenlänge des Maximums entspricht der
Anregungsenergie der π-Bindungen.
4.2.4.1 Chemische UV-B-Filter
Die chemischen Verbindungen in Sonnenschutzmitteln, die für
die Absorption der UV-B-Strahlung verantwortlich sind, leiten
sich im Allgemeinen von fünf großen Gruppen ab. Daneben gibt
es auch noch andere Filtersubstanzen, wie zum Beispiel das
Octocrylen, welches die Photostabilität und die Wasserfestigkeit
von Sonnenschutzmitteln erhöht. Diese werden jedoch nicht so
häufig eingesetzt. Jede der von mir durch Photometrie und UV-Papier untersuchten Sonnencremen
enthält zumindest eine Substanz aus dieser Gruppe.
Abb.10: Octocrylen
4.2.4.1.1 p-Aminobenzoesäure
Die p-Aminobenzoesäure wurde früher häufig in Sonnenschutz-
mitteln eingesetzt. Hier stellt der Benzolring das π-System zur
Verfügung, er ist also der Chromophor. Die Aminogruppe ist der
Donor und die C=O-Gruppe der Carbonsäure wirkt als Akzeptor.
In kleinen Mengen ist die p-Aminobenzoesäure unbedenklich, in
hohen Konzentrationen kann sie aber Schäden, wie Phototoxizität
und Photosensibilisierung, im Körper anrichten. Diese Substanz hat eine gute Schutzwirkung,
jedoch hat sie Nachteile wie die gute Wasserlöslichkeit, die leichte Oxidierbarkeit und die
Abhängigkeit des Absorptionsspektrums vom pH-Wert. Zusätzlich ist die Neigung zur
Kristallisation störend. Deshalb wird heute die p-Aminobenzoesäure kaum noch verwendet.
Abb.11: p-Aminobenzoesäure
Häufiger werden die Ester dieser Säure in Sonnenschutzmitteln eingesetzt, da diese eher lipophil
sind und dadurch die Mischbarkeit mit Wasser verringert wird. Auch die Abhängigkeit vom pH-
23
Wert verschwindet, da die Carboxylgruppe nicht mehr freiliegt. Es werden hauptsächlich
verzweigte Alkohole zur Veresterung verwendet, die eine Kristallisation unmöglich machen.
4.2.4.1.2 Cinnamat
Die Ester der Zimtsäuren werden in Europa häufig als Sonnenschutzmittel
eingesetzt. Hier wirkt statt der Amino- eine Methoxy-Gruppe als Donor.
Dadurch kommt es zu einer Verschiebung der Absorption in den kürzer-
welligen Bereich, die durch Verlängerung des π-Systems ausgeglichen
wird. Je nachdem, welcher Alkohol zur Veresterung eingesetzt wurde,
können unterschiedliche Nebenwirkungen auftreten.
Abb.12: Zimtsäure
Bei der Verwendung von Ethylhexyl-Methoxy-
cinnamat in Sonnenschutzmitteln gab es Fälle
von Photosensibilisierung. Außerdem kann es
zur trans-cis-Isomerisierung kommen, was die
Wirksamkeit der Substanz beeinträchtigt. Abb.13: Ethylhexyl-Methoxycinnamat
4.2.4.1.3 Salicylat
Wenn Donor- und Akzeptorgruppe einander nicht gegenüberliegen, sondern
an zwei nebeneinander liegenden Kohlenstoffatomen des Benzolrings
angebracht sind, verschiebt sich das Absorptionsmaximum in den
längerwelligen Bereich, weil weniger Energie notwendig ist, um Elektronen
in den angeregten Zustand zu bringen.
Abb.14: Salicylsäure
Nach diesem Prinzip sind Salicylsäurederivate aufgebaut,
welche fettlöslich und sehr stabil sind. Sie sind gut
verträglich, müssen aber in hohen Konzentrationen
eingesetzt werden, um gute Lichtschutzwirkung zu
gewährleisten. Deshalb werden sie meistens zusammen mit anderen Filtersubstanzen eingesetzt.
Abb.15: Ethylhexyl-Salicylat
24
4.2.4.1.4 Campherderivat
Campher ist ein polycyclisches
Keton, das sehr photostabil ist. Einige
Campherderivate sind in Europa
zugelassen, in den USA aber nicht.
Schon niedrige Konzentrationen
dieser Substanzen führen zu hoher Lichtschutzwirkung.
Abb.16: Campher
Abb.17: 4-Methylbenzyliden-Campher
4.2.4.1.5 Triaminotriazin
Aromatische Verbindungen, deren Ring neben Kohlenstoffatomen auch
andere Atome enthält, werden als aromatische Heterocyclen bezeichnet.
In Triaminotriazinen wirkt dieser Heterocyclus als π-Donor und muss
mit π-Systemen und Akzeptoren kombiniert werden. Mit diesen relativ
neuen Substanzen kann hohe Lichtschutzwirkung erzielt werden. Sie
sind photostabil und absorbieren gut im UV-B-Bereich.
Abb.18: Triaminotriazin
Abb.19: Ethylhexyl Triazone3
3 Nomenklatur nach der INCI
25
4.2.4.2 UV-A-Filter
Chemische Filter, die langwellige UV-A-Strahlung absorbieren, sind nach demselben Prinzip wie
UV-B-Filter aufgebaut. Um eine Verschiebung des Absorptionsbereichs in die langwelligere
Richtung zu erreichen, müssen diese Filter ausgedehntere π-Systeme enthalten.
Hier ist vor allem Butyl-
Methoxydibenzoylmethan zu nennen, das
im UV-A-Bereich gut absorbiert. Es ist
allerdings nicht besonders photostabil
und muss zusammen mit stabilen
Filtersubstanzen verwendet werden.
Abb.20: Enolform von Butyl-Methoxydibenzoylmethan
Auch verschiedene Derivate von Sulfonsäuren können im UV-A-Bereich absorbieren.
Veränderungen in der Haut wie Hautalterung, photoallergische Reaktionen und Immunsuppression
können durch Zugabe bestimmter Substanzen verhindert werden.
4.2.4.3 Breitbandfilter
Breitbandfilter sind Stoffe, die sowohl UV-A als auch UV-B absorbieren. Dadurch wird eine
negative Wechselwirkung zwischen bestimmten Substanzen vermieden, da in der Strukturformel
eines Breitbandfilters schon beide Filterwirkungen enthalten sind. Ein Breitbandfilter muss zwei
Absorptionen bei unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen.
Benzophenon wird oft als Breitbandschutz verwendet, muss aber trotzdem mit UV-B-Filtern
kombiniert werden, da es in dem Bereich, der den Sonnenbrand auslöst, nur sehr schlecht
absorbiert. Dieser Stoff kann auch als Photosensibilisator wirken. [2]
4.2.4.4 Experimentelle Untersuchung von Sonnenschutzmitteln
Zur Untersuchung der Wirkungsweise von Sonnenschutzmitteln habe ich einige einfache Versuche
durchgeführt. Das UV-Papier zeigt die unterschiedliche Absorptionsbereitschaft verschiedener
Stoffe auf. Durch die Photometrie werden die verschiedenen Absorptionsmaxima von
Sonnenschutzmitteln genauer untersucht.
26
4.2.4.4.1 Untersuchung der Absorptionsbereitschaft verschiedener Stoffe
Äußere Bedingungen: Materialien:
Papier
UV-Reaktionspapier
Sonnencreme LSF 12
Sunblocker LSF 40
Stoffprobe „dünn“
Stoffprobe „dick“
Handcreme
Sonnenbrillenglas
Glas mit Wasser
Klarsichthülle
14.9.2004, sehr warm, wolkenlos
Aufgabenstellung:
Der Versuch soll die Wirkung von UV-Strahlung auf UV-Reaktionspapier
unter verschiedenen Bedingungen aufzeigen. Bei direktem Lichteinfall
färbt sich das Papier blau, die Abstufung der Färbung ist dabei direkt
abhängig von der Intensität der auftreffenden UV-Strahlung. Geschützte
Proben bleiben weiß bzw. hellblau.
Durchführung:
• UV-Reaktionspapier in kleine Stückchen schneiden und mit Klebeseite auf Papierbogen
kleben
• Papierbogen in Klarsichthülle geben
• Felder über der Klarsichthülle behandeln mit: Sonnencreme LSF 12, Sunblocker LSF 40,
Stoffprobe „dünn“, Stoffprobe „dick“, Handcreme, Sonnenbrillenglas, Glas mit ca. 1 cm
hoch Wasser. Ein Feld zum Vergleich freilassen
• Papierbogen aus Klarsichthülle nehmen und Schutzfolie abziehen (dieser Schritt sollte im
Dunkeln erfolgen)
• Papierbogen wieder in die Klarsichthülle geben und für 10 min der Sonne exponieren
• im Schatten unterschiedliche Färbung der Proben vergleichen
27
Ergebnis:
Nach 10 Minuten ist eine deutliche
Abstufung der einzelnen Blau-Töne zu
erkennen. Die ungeschützte Probe ist am
dunkelsten. Darauf folgen die Proben mit der
normalen Handcreme und mit dem Wasser-
glas. Wirksameren Schutz bieten bereits die
dünne Stoffprobe und die Sonnencreme mit
Lichtschutzfaktor 12. Die Sonnencreme mit
Lichtschutzfaktor 40 hält die Strahlung
deutlich besser ab, dennoch ist immer noch
eine leichte Blaufärbung sichtbar. Am besten
schützen das Sonnenbrillenglas und die Probe des dicken Stoffes.
Abb.21: Untersuchung der Absorptionsbereitschaft
verschiedener Stoffe mit UV-Reaktionspapier
4.2.4.4.2 Untersuchung von Sonnencremen mit UV-Reaktionspapier
Durchführung:
• Papierbogen mit UV-Reaktionspapierstückchen bekleben
• Papierbogen in Klarsichthülle geben
• Felder über der Klarsichthülle mit verschiedenen Sonnen-
cremen und Handcreme behandeln. Ein Feld zum
Vergleich freilassen
Materialien:
UV-Reaktionspapier
Klarsichthülle
verschiedene Sonnencremen
Handcreme
• den Bogen in die Sonne legen
• nach 10 Minuten die unterschiedliche Färbung der Proben vergleichen
Ergebnis:
Das unbedeckte Feld hat sich dunkelblau gefärbt. Fast genauso dunkel ist das Feld mit der La Vie
Tagescreme. Geringen Sonnenschutz bietet die Piz Buin Sonnencreme mit LSF 4, etwas besser
wirkt schon die Sun Dance Sonnenmilch mit LSF 12. Das Dado Sun sensitive Sonnengel (LSF 20)
lässt sich nur schwer auf die Folie auftragen, es beginnt sich zu einem kleinen Fleck
28
zusammenzuziehen. An den abgedeckten Stellen schützt das Sonnengel sehr gut, die ungeschützten
Flecken zeigen aber ähnlich dunkelblaue Färbung wie beim unbedeckten Feld. Den besten Schutz
bietet die La Vie Sonnenschutzlotion mit LSF 40.
1 La Vie Tagescreme
2 La Vie Sonnenschutzlotion (LSF 40)
3 Sun Dance Sonnenmilch (LSF 12)
4 Dado Sun sensitive Sonnengel (LSF 20)
5 Piz Buin Sonnencreme (LSF 4)
6 ohne Abdeckung
Abb.22: Untersuchung der Absorptionsbereitschaft verschiedener Sonnenschutzmittel
4.2.4.4.3 Vergleich von UV-Lampe und Sonnenlicht
Durchführung: Materialien:
UV-Lampe
UV-Reaktionspapier
Sonnencreme LSF 12
Sonnencreme LSF 40
2 Klarsichthüllen
2 Papierbögen
• 2 Papierbögen mit UV-Reaktionspapierstücken bekleben
• Papierbögen in Klarsichthülle geben
• Felder über der Klarsichthülle auf beiden Bögen gleich behandeln
mit: Sonnencreme LSF 12 und Sonnencreme LSF 40. Ein Feld zum
Vergleich freilassen
• einen Bogen in die Sonne, den anderen unter eine UV-Lampe legen
• nach 10 min die Färbung der UV-Reaktionspapierstückchen vergleichen
29
Ergebnis:
Auf beiden Bögen ist deutlich die dunklere
Blaufärbung des Reaktionspapiers an der Stelle
des Sonnenschutzmittels mit niedrigerem
Lichtschutzfaktor sichtbar. Im Vergleich der
beiden Papiere zeigt sich, dass das der
Sonnenstrahlung ausgesetzte UV-Rektionspapier
deutlich dunkler gefärbt ist als jenes, welches
der Strahlung der UV-Lampe exponiert wurde.
Das liegt daran, dass die Strahlungsdichte der
Sonnenstrahlung höher ist, als die der UV-
Lampe. In der gleichen Zeit trifft viel mehr Sonnenlicht als Licht von der UV-Lampe auf dieselbe
Fläche. Außerdem sendet die UV-Lampe, je nach Einstellung, nur UV-A oder UV-B aus, während
im Spektrum des Sonnenlichts beide Wellenbereiche vorhanden sind.
Abb.23: links UV-Lampe, rechts Sonnen-
strahlung
4.2.4.4.4 Photometrische Untersuchung von Sonnenschutzmitteln
Durch die Photometrie wird die Absorptionsbereitschaft verschiedener Stoffe untersucht. Dabei gibt
das Photometer an, wie viel Licht in einer bestimmten Probe absorbiert wird. Wenn Licht durch
eine Substanz tritt, so ist die Intensität vor der Probe stärker als nach dem Durchtritt. Das Verhältnis
dieser beiden Intensitäten wird Transmission genannt. Wichtiger ist aber die Extinktion, der
negative dekadische Logarithmus der Transmission. Sie ist der Schichtdicke und der Konzentration
proportional. Das Verhältnis dieser drei Größen wird im Lambert-Beerschen-Gesetz durch einen
Proportionalitätsfaktor ausgedrückt.
Vor der Messung muss das Photometer geeicht werden. Es wird mit der Substanz, welche die
Grundlage der zu untersuchenden Probe darstellt, auf Null gestellt. Damit wird dem Photometer die
ursprüngliche Intensität angegeben, da es ja nur die Intensität nach der Probe misst.
30
Vorbereitung: Materialien:
Photometer
Küvetten
verschiedene Sonnencremen
Eichung des Photometers mit Wasser
Durchführung:
• Sonnencremen dünn auf die Außenseite einer mit Wasser gefüllten Küvette streichen
• mit dem Photometer untersuchen
Ergebnis:
Die Ergebnisse wurden in Diagrammen festgehalten. Hier zeigt sich, dass die La Vie
Sonnenschutzlotion (LSF 40) am besten absorbiert, gefolgt vom La Roche-Posay Sonnengel (LSF
40) und von der Nivea Sun® Feuchtigkeitssonnenmilch (LSF 12). Alle drei enthalten, genau wie das
Dado Sun sensitive Sonnengel (LSF 20), TiO2. Diese vier Sonnenschutzmittel schnitten bei der
photometrischen Untersuchung am besten ab. Sie absorbieren bis in den UV-A-Bereich hinein, was
beim Sonnengel von La Roche-Posay als „Ultra Protection UVA“ gekennzeichnet ist.
In der La Vie Sonnenschutzlotion sind, wie auch im Dado Sun sensitive Sonnengel,
Zimtsäurederivate zu finden, sie enthält jedoch zusätzlich Campherderivate für den UV-B- sowie
Butyl-Methoxydibenzoylmethan für den UV-A-Schutz.
Die Nivea Sun® Feuchtigkeitssonnenmilch enthält neben dem Cinnamat auch einen Breitbandfilter
und Octocrylen für die Photostabilität, während im La Roche-Posay Sonnengel Triaminotriazin zu
finden ist.
Die Piz Buin® Sonnencreme und die Sun Dance Sonnenmilch basieren auf Cinnamat und dem
selben Breitbandfilter, wobei im erstgenannten Produkt noch zusätzlich Benzophenon enthalten ist.
Der Versuch erlaubt nur Aussagen über das Absorptionsverhalten der Sonnenschutzmittel, über
deren spezielle Wirksamkeit kann jedoch keine Aussage getroffen werden, da es sich um Produkte
mit unterschiedlichen Sonnenschutzfaktoren handelt und die Wirkung mit der Haut nicht
berücksichtigt wurde.
Aus den Diagrammen ist ersichtlich, dass die beiden Sonnenschutzmittel mit LSF 40, nämlich die
La Vie Sonnenschutzlotion und das La Roche-Posay Sonnengel, am besten absorbieren.
31
Photometrie: La Vie (LSF 40)
00,20,40,60,8
11,21,41,6
280 320 360 400 440 480 520 560nm
E (E
xtin
ktio
n)Photometrie: Piz Buin (LSF 4)
00,20,40,60,8
11,21,41,6
280 320 360 400 440 480 520 560
nm
E (E
xtin
ktio
n)
Photometrie: Nivea (LSF 12)
00,20,40,60,8
11,21,41,6
280 320 360 400 440 480 520 560nm
E (E
xtin
ktio
n)
Photometrie: La Roche-Posay (LSF 40)
00,20,40,60,8
11,21,41,6
280 320 360 400 440 480 520 560
nm
E (E
xtin
ktio
n)
Photometrie: Sun dance (LSF 12)
00,20,40,60,8
11,21,41,6
280 320 360 400 440 480 520 560nm
E (E
xtin
ktio
n)
Photometrie: Dado Sun (LSF 20)
00,20,40,60,8
11,21,41,6
280 320 360 400 440 480 520 560nm
E (E
xtin
ktio
n)
Abb.24 - 29: Photometrische Untersuchung verschiedener Sonnenschutzmittel
4.2.5 Antioxidantien
In der Haut kommt es nach Einwirkung von UV-Strahlung zur Bildung von reaktivem Sauerstoff.
Dieser ist für den Großteil der negativen Wirkung der Strahlung verantwortlich, wie zum Beispiel
für das Auftreten von Sonnenbrand, die Hautalterung oder auch die Entstehung von Hautkrebs. Im
Körper gibt es aber Substanzen, welche diese reaktiven Sauerstoffspezies abfangen und unschädlich
machen können. Man nennt sie Antioxidantien. Sie werden manchen Sonnenschutzmitteln
beigefügt, dienen dort aber nicht zur Absorption von UV-Strahlung, sondern zur Unterbrechung der
durch diese ausgelösten Reaktionen in der Haut.
32
4.2.5.1 Die Vitamine C und E
Die freien Sauerstoffradikale, die sich nach UV-Einwirkung in der Haut bilden, greifen vor allem
die Lipidmembranen der Zellen an. Die Radikale reagieren aber bevorzugt mit Vitamin E, sofern es
vorhanden ist und oxidieren es vor den Molekülen der Lipidmembran.
Dieses Vitamin findet man in der
Nahrung vor allem in Sonnenblumen-,
Weizenkeim- und Olivenölen.
Abb.30: Vitamin E
Vitamin C regeneriert Vitamin E und wirkt noch zusätzlich als Antioxidans. Es ist vor allem in Obst
und Gemüse enthalten.
Abb.31: Vitamin C (Ascorbinsäure)
Forschungen haben gezeigt, dass Antioxidantien in hoher
Konzentration auch äußerlich aufgetragen eine Erhöhung
des Lichtschutzfaktors auf 2-3 bewirken können, doch sie
sind kein Ersatz für Sonnenschutzmittel. [1, 6]
4.2.5.2 Carotine
Carotine sind weit verbreitete Naturfarbstoffe bei Pflanzen und Tieren. Obst und Gemüse erhalten
durch sie ihre typische gelbe, orange oder rote Farbe, wie sie Karotten, Paprika oder Tomaten
besitzen. Von den zahlreichen Carotinarten ist besonders das β-Carotin für den Sonnenschutz
wichtig, es ist in Karotten enthalten, von denen es seinen Namen bekommen hat, aber auch in
dunkelgrünem Blattgemüse, wie zum Beispiel Brokkoli oder Spinat.
Abb.32: β-Carotin
33
Über die Nahrung gelangt es ins Serum, zirkuliert im Organismus und wird im Fettgewebe
abgelagert, teilweise wird es auch in Zellen eingebaut. Diese Einlagerungen führen zu einer
Färbung der Haut. Außerdem besitzt β-Carotin die Eigenschaft, Licht- und Strahlungsenergie zu
dekompensieren.
In Pflanzenzellen entsteht nach Aktivierung von Chlorophyll aktivierter Sauerstoff, der wichtige
Bausteine der Zelle durch Oxidation schädigt. β-Carotin kann diese Produkte desaktivieren und so
ein Absterben der Zellen verhindern.
Die Wirkung dieser Substanz wurde in verschiedenen Untersuchungen bei Tieren bestätigt. Auch
die Zerstörung von menschlichen Bindegewebszellen und Blutkörperchen, die durch phototoxische
Substanzen ausgelöst wird, kann das β-Carotin verhindern. Am Menschen wurde die Wirkung
dieser Substanz in einer Studie bewiesen, bei lichtkranken Personen trat eine Verbesserung des
Allgemeinzustandes ein.
Lange Zeit galt es als erwiesen, dass β-Carotin
keine Nebenwirkungen verursacht, da seine
Umwandlung in Retinol (Vitamin A) gestoppt wird,
sobald die Obergrenze des Retinolwertes erreicht
ist. In tieferen Hautschichten erfolgt der Abtransport
über das Blut, in der Oberhaut werden β-Carotin-hältige Zellen abgeschuppt. Doch neueren Studien
zufolge kann β-Carotin bei starken Rauchern das Lungenkrebsrisiko steigern. Diese Ergebnisse sind
jedoch umstritten.
Abb.33: Vitamin A1 (Retinol)
Der Wirkstoff β-Carotin kann Menschen mit lichtempfindlicher Haut helfen. Bei Personen ohne
Vorbelastung führt es allerdings nur zu einer unwesentlichen Erhöhung der Toleranzzeit. Ein
Sonnenbrand kann dadurch nicht verhindert werden. Heute wird es in Sonnenschutzmitteln
hauptsächlich wegen dem kosmetischen Effekt der Hautfärbung verwendet. [3, 6]
34
4.2.5.2.1 Extraktion von β-Carotin aus Karotten
Durchführung: Materialien:
Reagenzglas
Reibe
Karotte
Benzin
• In Reagenzglas ca. 2 cm hoch geriebene Karottenstückchen geben
• mit Benzin überschichten
• Reagenzglas verschließen und ca. 1 min lang schütteln
• das durch das Carotin gelblich gefärbte Benzin dekantieren
Photometrie: Carotin
0
0,1
0,2
0,3
0,4
280 300 320 340 360 380 400 420 440 460
nm
E (E
xtin
ktio
n)
Abb.34: Photometrie von β-Carotin
Durch photometrische Untersuchung wurde das
Absorptionsspektrum von β-Carotin überprüft.
Es absorbiert sowohl im sichtbaren als auch im
UV-Bereich.
4.2.5.2.2 UV-Absorption von β-Carotin
Durchführung:
• Ein Reagenzglas mit Benzin und eines mit β-Carotin in
Benzin zwischen die UV-Handlampe (λ = 254 nm) und den
Zinkoxid-Fluoreszenzschirm bringen
• Versuch mit Polyamid-DC UV254 wiederholen
Materialien und Geräte:
UV-Handlampe
2 Reagenzgläser aus Quarz
Zinkoxid-Fluoreszenzschirm
Polyamid-DC UV254
β-Carotin
Benzin
35
Abb.35: links Benzin, rechts
Benzin mit β-Carotin
Beobachtung:
Die Probe mit β-Carotin absorbiert UV mit 254 nm. Deshalb
erscheint hinter der Probe am Schirm ein Schatten. Das Benzin
absorbiert nicht, der Fluoreszenzschirm hinter der Probe leuchtet
etwa gleich stark wie der übrige Schirm.
Mit der DC-Folie UV254 kann das selbe Ergebnis beobachtet
werden
5 Bräunungscremen
Der wichtigste Wirkstoff in Selbstbräunungsmitteln ist
Dihydroxyaceton. Es reagiert mit freien Amino-Gruppen in der
Haut und bildet braun gefärbte Substanzen mit der Hornschicht, die
so genannten Melanoidine. Diese Reaktion ist nach einigen Stunden abgeschlossen. Die dadurch
erreichbare Bräune ist nicht abwaschbar und wird durch die normale Abschuppung der Haut
entfernt.
HO CH2
O
C CH2 OH Abb.36: Dihydroxyaceton
Je nach Hauttyp können sich bei der Selbstbräunung mit Dihydroxyaceton verschiedene Farbstufen
bilden. Manchmal entsteht auch eine unerwünschte gelbliche Färbung. Da die Haut an
unterschiedlichen Stellen stärkere Verhornung aufweist, kann sie dort besonders stark mit der
Substanz reagieren. Das muss bei der Anwendung berücksichtigt werden.
Diese neue Bräune besitzt keine Lichtschutzwirkung. Durch Dihydroxyaceton gebräunte Haut
bekommt genauso leicht wie ungebräunte Haut einen Sonnenbrand. Die Verwendung von Selbst-
bräunungsmitteln mit Dihydroxyaceton erfolgt nur aus kosmetischen Gründen. [3]
36
5.1 Photometrische Untersuchung von Dihydroxyaceton
Aus der photometrischen Untersuchung von
Dihydroxyaceton ist ersichtlich, dass dieser
Stoff im langwelligen UV-Bereich absorbiert,
während im UV-A-Bereich überhaupt keine
Absorptionswirkung gegeben ist.
5.2 Herstellung von Bräunungscreme mit Dihydroxyaceton
Durchführung:
• Dihydroxyaceton in der angegebenen Menge
kaltem Wasser lösen
• Wasserphase auf 70 °C erhitzen
• Fettphase schonend (nicht über 70 °C) schmelzen
• dabei öfters umrühren
• wenn Fett und Wasserphase eine Temperatur von
70 °C haben, wird das Wasser langsam unter
ständigem Rühren zur Fettphase hinzu gegeben
• sobald die Creme Handwärme erreicht hat,
Dihydroxyaceton einrühren.
Abb.37: Photometrie von Dihydroxyaceton
Rezeptur:
Fettphase:
3,2 g Tegomuls 90 S
1,2 g Hexadecanol
1,5 g Bienenwachs
9 mL natürliches Pflanzenöl
0,01 g Butylhydroxytoluol
Wasserphase:
29 ml Wasser
Zusatz:
2,5 g Dihydroxyaceton
in 9 ml destilliertem Wasser gelöst
5 Tropfen Konservierungsmittel
Ätherisches Öl
Photometrie: Dihydroxyaceton
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
280 300 320 340 360 380 400 420
nm
E (E
xtin
ktio
n)
37
Anmerkungen:
Auf das Konservierungsmittel und das ätherische Öl wurde verzichtet, da sie für den Versuch nicht
ausschlaggebend sind.
Die photometrische Untersuchung der
angerührten Creme zeigt eine für Di-
hydroxyaceton typische Absorptionswirkung
im langwelligen UV-Bereich.
Photometrie: eigene Creme
0
0,05
0,1
0,15
0,2
280 300 320 340 360 380 400 420
nm
E (E
xtin
ktio
n)
Abb.38: Photometrie von selbst hergestellter
Creme mit Dihydroxyaceton
5.3 Bräunung von Hähnchenhaut mit Dihydroxyaceton
Da es nicht einfach ist, Selbstbräunungsmittel zu testen, habe ich mich entschlossen, dies mit
Hühnerhaut durchzuführen.
Durchführung:
• Auf der Haut eines Hähnchens drei Felder
markieren
• diese mit verschiedenen Bräunungscremen und
Handcreme präparieren
• auf Feld 1 die selbst hergestellte Creme mit
Dihydroxyaceton, auf Feld 2 die Bräunungscreme mit Dihydroxyaceton und auf Feld 3 die
Handcreme auftragen
Materialien und Geräte:
Creme mit Dihydroxyaceton
Bräunungscreme mit Dihydroxyaceton
Handcreme
Hähnchenhaut
Trockenschrank
• Hähnchen für eine Stunde in den Trockenschrank bei 35° stellen
38
Ergebnis:
Die Hähnchenhaut hat sich an den mit Di-
hydroxyaceton behandelten Stellen gefärbt, das Feld
mit der Handcreme ist hell geblieben. Das
Dihydroxyaceton hat mit den Proteinen der Haut
reagiert und mit ihnen dunkle Melanoidine gebildet.
Abb.39: Bräunung von Hähnchenhaut mit
Dihydroxyaceton
39
Zusammenfassung und Ausblick
„Chemie am Strand“ ist heute ein sehr aktuelles Thema, auf dessen Gebiet die Wissenschaft ständig
weiterforscht. Ständig werden neue UV-Filter entwickelt, die Zahl der tatsächlich zugelassenen
Substanzen ist aber gering. Obwohl Sonnenschutzmittel, bevor sie in den Handel kommen,
umfassend getestet werden, ist immer ein gewisses Restrisiko bei ihrer Anwendung vorhanden.
In meiner Arbeit habe ich mich zuerst mit den Eigenschaften der UV-Strahlung und dem Aufbau
der Haut befasst. Dieser Abschnitt dient als Ausgangsbasis für das Verständnis der Probleme,
welche die Sonnenstrahlung mit sich bringen kann.
Die Wirkung der UV-Strahlung auf die Haut kann positiv oder negativ sein, wobei die negativen
Wechselwirkungen mit der Haut zahlenmäßig leider überwiegen. Vorteile von UV-Strahlung für
den Menschen sind die Bildung von Urocaninsäure, welche als hauteigener UV-Schutz gilt, sowie
die Synthese von Vitamin D. Zusätzlich wirkt sich Sonnenstrahlung positiv auf die Psyche aus. Zu
den negativen Wirkungen von Strahlung auf den Menschen zählen die Entstehung von Erythemen,
Hautkrebs und die Beschleunigung der Hautalterung. In Wechselwirkung mit Medikamenten sind
noch die Photosensibilisierung und die Lichtdermatosen zu nennen.
Um diesen Schädigungen vorzubeugen muss die Haut geschützt werden. Dies kann entweder durch
Kleidung oder durch Sonnenschutzmittel geschehen.
Bei der Untersuchung der Lichtschutzmittel war es mir ein Anliegen, nicht nur die verschiedenen
Inhaltsstoffe aufzulisten, sondern auch gezielt Experimente zur Wirkung der Substanzen
durchzuführen. Vor allem die Photometrie brachte aufschlussreiche Ergebnisse über die
Absorptionsmaxima der untersuchten Sonnenschutzmittel. Es zeigte sich, dass sie ihrem
Verwendungszweck gerecht werden, im UV-B-Bereich zu absorbieren.
Auch die Experimente mit UV-Reaktionspapier erwiesen sich als wirksame Möglichkeiten, die
Schutzwirkung von alltäglichen Dingen wie Kleidung oder Sonnenbrillen zu bestätigen.
Antioxidantien werden in letzter Zeit zunehmend als möglicher Schutz vor UV-Strahlung
betrachtet. Deshalb habe ich auch ihre Wirkungsweise, im Besonderen jene von β-Carotin,
untersucht. Hier zeigte sich, dass dieser Substanz eine geringe Absorptionswirkung nicht
abgesprochen werden kann, dennoch ist sie in Sonnenschutzmitteln nur begrenzt wirksam.
40
Im Abschlusskapitel meiner Fachbereichsarbeit beschäftigte ich mich mit Bräunungscremen, die als
„psychologischer Sonnenschutz“ angesehen werden können. Sie schützen zwar nicht vor Strahlung,
haben aber den Vorteil, dass Menschen sich nicht mehr in die Sonne legen müssen, um braun zu
werden. Der wichtigste Inhaltsstoff dieser Selbstbräunungsmittel ist Dihydroxyaceton. Deshalb
wurde auch zu dieser Substanz ein Experiment durchgeführt, das die Wirkung eindeutig bestätigt.
Im Laufe der Arbeit wurde mir klar, dass auch schon relativ einfache Experimente Einblick in einen
sehr wichtigen Zweig der Wissenschaft verleihen können.
41
Abbildungsnachweis
Abbildungen 1, 2, 21, 22, 23, 35, 39 wurden mit einer Digitalkamera aufgenommen und mit dem
Adobe Photoshop 7.0 am Computer nachbearbeitet.
Abb.3:
LANGHALS, Heinz; FUCHS, Kerstin: Chemie am Strand. Sonnenstrahlung, Hautreaktionen und
Sonnenschutz. In: Chemie in unserer Zeit, 2004, Jg. 38, S.101
Abbildungen 4, 10-20 wurden von mir selbst am Computer mit MDL ISIS Draw 2.5 Standalone am
Computer gezeichnet.
Abbildungen 5, 6, 30, 32, 33, 36:
FALBE, Jürgen; REGITZ, Manfred: CD Römpp Chemie Lexikon auf CD-ROM. Version 1.0.
Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 1995, 9., korr. und verb. Aufl.
Abb.7 wurde von mir selbst mit dem Adobe Photoshop 7.0 gezeichnet.
Abbildungen 8, 9, 24-29, 34, 37, 38 beruhen auf photometrischen Daten, die von mir mit Microsoft
Excel ausgewertet wurden.
Abb.31:
HELM, Hanspeter: Department Of Molecular and Optical Physics. Online im Internet: URL:
http://frhewww.physik.uni-freiburg.de/kabuff/texte/e-nummer/bilder_enu/E300.gif [Stand 9.2.2005]
42
Quellenverzeichnis
[1] UMBACH, Wilfried: Kosmetik. Entwicklung, Herstellung und Anwendung kosmetischer
Mittel. Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 1995, 2. erweiterte Aufl., 574 S.
[2] LANGHALS, Heinz; FUCHS, Kerstin: Chemie am Strand. Sonnenstrahlung, Hautreaktionen
und Sonnenschutz. In: Chemie in unserer Zeit, 2004, Jg. 38, S.98-112
[3] RAAB, Wolfgang: Lichtfibel. Sonne – Bräunung – Pigmentstörungen. Stuttgart: Gustav
Fischer Verlag, 1987, 144 S.
[4] VOLLMER, Günter; FRANZ, Manfred: Chemische Produkte im Alltag. Essen und Trinken.
Gesundheit und Körperpflege. Reinigung. Düngung und Schädlingsbekämpfung. Stuttgart:
Georg Thieme Verlag, 1985, 468 S.
[5] WÖHRLE, Dieter; TAUSCH, Michael W.; STOHRER, Wolf-Dieter: Photochemie. Konzepte,
Methoden, Experimente. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH, 1998, S.288-295
[6] STIFTUNG WARENTEST: test Spezial. Kosmetik. Berlin: Stiftung Warentest, 1998, S.76-95
[7] KARLSON, Peter: Kurzes Lehrbuch der Biochemie für Mediziner und Naturwissenschaftler.
Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 1967, 6., neubearbeitete Aufl., S.338
[8] BRAUN-FALCO, Otto; PLEWIG, Gerd; WOLFF, Helmut H.: Dermatologie und
Venerologie. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer-Verlag, 1984, 3., neubearbeitete
Aufl., S.345-359
[9] PISCHEL, Uwe: Photosensibilisierung durch Pharmaka. In: Nachrichten aus der Chemie,
2004, Nr. 52, S.1243-1246
[10] HAWK, John; MCGREGOR, Jane: Sonne & Hautschäden. Rat & Hilfe für den Alltag.
München: Dorling Kindersley Verlag GmbH, 2001, S.36-38
[11] KAUFMANN, Heinz; HÄDENER, Alfons: Grundlagen der organischen Chemie. Basel:
Birkhäuser Verlag, 1996, 10., vollst. neu überarbeitete und erweiterte Aufl., S.5-23
[12] BECK, Ernst-Georg: Chemiekurs 2002. Online im Internet: URL:
http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/chemkurs/cs11-14.htm [Stand Jänner 2005]
43
Arbeitsliteratur
BRAUN-FALCO, Otto; PLEWIG, Gerd; WOLFF, Helmut H.: Dermatologie und Venerologie.
Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer-Verlag, 1984, 3., neubearbeitete Aufl.
FALBE, Jürgen; REGITZ, Manfred: CD Römpp Chemie Lexikon auf CD-ROM. Version 1.0.
Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 1995, 9., korr. und verb. Aufl.
HAWK, John; MCGREGOR, Jane: Sonne & Hautschäden. Rat & Hilfe für den Alltag. München:
Dorling Kindersley Verlag GmbH, 2001
HELIOCARE: Heliocare® - Polypodium leucotomos Extract (PLE) & Photoimmunschutz. Wien:
Pelpharma Handels GmbH, 2004
KARLSON, Peter: Kurzes Lehrbuch der Biochemie für Mediziner und Naturwissenschaftler.
Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 1967, 6., neubearbeitete Aufl.
KAUFMANN, Heinz; HÄDENER, Alfons: Grundlagen der organischen Chemie. Basel: Birkhäuser
Verlag, 1996, 10., vollst. neu überarbeitete und erweiterte Aufl.
LANGHALS, Heinz; FUCHS, Kerstin: Chemie am Strand. Sonnenstrahlung, Hautreaktionen und
Sonnenschutz. In: Chemie in unserer Zeit, 2004, Jg. 38
PISCHEL, Uwe: Photosensibilisierung durch Pharmaka. In: Nachrichten aus der Chemie, 2004,
Nr.52
RAAB, Wolfgang: Lichtfibel. Sonne – Bräunung – Pigmentstörungen. Stuttgart: Gustav Fischer
Verlag, 1987
STIFTUNG WARENTEST: test Spezial. Kosmetik. Berlin: Stiftung Warentest, 1998
UMBACH, Wilfried: Kosmetik. Entwicklung, Herstellung und Anwendung kosmetischer Mittel.
Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 1995, 2. erweiterte Aufl.
44
VOLLMER, Günter; FRANZ, Manfred: Chemische Produkte im Alltag. Essen und Trinken.
Gesundheit und Körperpflege. Reinigung. Düngung und Schädlingsbekämpfung. Stuttgart: Georg
Thieme Verlag, 1985
WAWRA, Edgar; DOLZNIG, Helmut; MÜLLNER, Ernst: Chemie erleben. Wien: Facultas
Verlags- und Buchhandels AG, 2003
WÖHRLE, Dieter; TAUSCH, Michael W.; STOHRER, Wolf-Dieter: Photochemie. Konzepte,
Methoden, Experimente. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH, 1998
ZINK, Christoph: Pschyrembel Wörterbuch. Radioaktivität. Strahlenwirkung. Strahlenschutz.
Berlin: Verlag Walter de Gruyter & Co., 1986
Verwendete Internetadressen
BECK, Ernst-Georg: Chemiekurs 2002. Online im Internet: URL:
http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/chemkurs/cs11-14.htm [Stand Jänner 2005]
