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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.