Sensorik: Chemische Basiskonzepte mit Nase und Zunge erfahrbar machen

3.1 Geruch

Der Geruchssinn ist ein Fernsinn, der auf chemischen Reizen basiert [6, S. 524]. Da Mundhöhle und Nasenhöhle direkt miteinander verbunden sind, können Geruchsmoleküle von der Mundschleimhaut zur Riechschleimhaut der Nase aufsteigen. Dabei können Gerüche entweder pronasal, durch direktes Riechen, oder retronasal, während des Verzehrs eines Lebensmittels, wahrgenommen werden [2, S. 16]. Der Geruchssinn ist für die Qualitätsbeurteilung eines Lebensmittels bedeutungsvoll, denn er gibt einerseits Auskunft über die Frische und Unversehrtheit von Lebensmitteln und andererseits weisen bestimmte Gerüche auf einen beginnenden oder fortschreitenden Verderb und damit auf eine gesundheitsgefährdende Veränderung hin. Das bedeutet, dass der Geruchssinn eine wichtige Schutzfunktion innehat [7, S. 16].

Geruchsempfindungen werden durch flüchtige chemische Verbindungen hervorgerufen. Dabei werden die riechbaren, gasförmigen Stoffe entweder mit eingeatmeter oder ausgeatmeter Luft an die Rezeptoren herangeführt. Beim normalen Atemvorgang erreicht die Atemluft das Riechzentrum jedoch nicht in vollem Umfang. Wird die Luft hingegen durch „Schnüffeln“ verwirbelt, wird die Luft steil und in rotierender Bewegung zum Riechzentrum gepumpt und dort festgehalten, sodass intensivere Geruchsreize empfunden werden können. Wird hingegen der Atem angehalten, ist keine Geruchsempfindung mehr möglich [7, S. 17].

Geruchsempfindlich ist die fetthaltige Riechschleimhaut (Regio olfactoris, Abb. 1) im Dach der Nasenhöhle des Menschen. Diese olfaktorische Region wird auch als Riechepithel bezeichnet. Es setzt sich aus drei verschiedenen Zelltypen zusammen: den Riechzellen, den Stützzellen und den Basalzellen. Die etwa 30 Millionen Riechzellen haben dabei nur eine durchschnittliche Lebensdauer von einem Monat, wobei neue Riechzellen aus den adulten Basalzellen gebildet werden. Die Geruchsreize werden auf einer etwa 2 ⋅ 5 cm² großen Fläche durch Rezeptoren, die auf den Haaren der Riechzellen liegen, empfangen und weitergeleitet (siehe Abbildung 1 links: rosa eingefärbter Bereich) [8, S. 782]. Um die Rezeptoren zu erreichen, müssen die Duftstoffe in der oberflächlichen Schleimschicht der Riechschleimhaut gelöst werden. Bindet ein Duftmolekül an einem spezifischen Rezeptor, so wird über ein olfaktorisches G‐Protein das Enzym Adenylatzyklase aktiviert. Mithilfe dieses Enzyms wird aus Adenosintriphosphat (ATP) cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) gebildet, welches kationenpermeable Ionenkanäle öffnet, sodass Natrium‐ und Calciumionen in die Zelle einströmen und die Zellen depolarisieren können [8, S. 784 f.]. Demnach werden die chemischen Duftsignale in elektrochemische Signale umgewandelt, sodass ein Geruch wahrgenommen werden kann [2, S. 16].

Die Wahrnehmung von Gerüchen und deren Beurteilung ist dennoch von Person zu Person unterschiedlich. Als wichtige Einflussfaktoren sind hierbei das Rauchen, das Hunger‐ und Sättigungsgefühl sowie emotionsorientierte Prägungen (Erziehung oder Situationen, in denen die Gerüche kennengelernt werden) zu nennen, die sich auf die Wahrnehmung von Gerüchen und deren Beurteilung auswirken können. Zudem nimmt mit dem Alter die Fähigkeit ab, Gerüche wahrzunehmen und zu erkennen, da sich im Alter die Riechschleimhaut der Nase verändert und langsamer regeneriert [2, S. 17]. Vom Menschen können bis zu 10.000 Gerüche wahrgenommen werden, wobei die Gerüche in acht typische Primärgeruchsklassen (ätherisch, kampferartig, moschusartig, blumig, minzig, stechend, faulig und schweißig; Tabelle 1) eingeordnet werden können [8, S. 783; 9].

Der Geruchseindruck eines Moleküls ist unter Umständen auch von der räumlichen Konfiguration abhängig: So riecht beispielsweise das Enantiomer d‐Carvon nach Kümmel, wohingegen das Enantiomer l‐Carvon nach Pfefferminze riecht (Abb. 2) 10.

Ein ähnliches Beispiel findet sich bei den Enantiomeren d‐ und l‐ Limonen, welche nach Orange oder terpentinig riechen (Abb. 3) 10.

Die Abhängigkeit des Geruches von der räumlichen Konfiguration der Moleküle kann anhand des Versuches Geruch ist „chiral“ aus der Online‐Ergänzung (Versuch 5) experimentell untersucht werden. Dafür werden Gefäße mit je einem Wattepad bestückt, auf welche zuvor die entsprechende Substanz gegeben worden ist. Die Gefäße werden nacheinander geöffnet und abgerochen, sodass erkannt werden kann, dass die Enantiomere sich in ihrem Geruch unterscheiden.

Die Geruchsempfindlichkeit wird unterschieden in die Wahrnehmungs‐ und Erkennungsschwelle 9. An der Wahrnehmungsschwelle kann ein Geruch gerade wahrgenommen, aber nicht identifiziert werden. Um einen Geruch identifizieren zu können, muss die Erkennungsschwelle erreicht werden, deren Konzentration in etwa zehnmal höher liegt als die der Wahrnehmungsschwelle. Dabei ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass die menschliche Nase für bestimmte Gerüche empfindlicher ist als für andere. Die Geruchs‐ und Erkennungsschwelle wird dabei durch die Anzahl der Moleküle pro Liter Luft bedingt, ab der eine Wahrnehmung möglich wird (Tabelle 2). Beispielsweise liegt der Erkennungsschwellenwert für Skatol, welches einen nach Fäkalien stinkenden Geruch aufweist, bei etwa 7,3 ⋅ 10⁷ Molekülen/Liter Luft, sodass nur wenige Duftmoleküle eine Sinneszelle treffen müssen, damit der Geruch erkannt werden kann [8, S. 786 f.; 11].

Eine weitere Klassifizierung von Gerüchen kann mithilfe von Kreuzadaptionen vorgenommen werden. Nach einer bestimmten Zeit ist es nicht mehr möglich, einen bestimmten Geruch wahrzunehmen (Adaption), andere Gerüche können hingegen trotzdem noch wahrgenommen werden (Kreuzadaption) [8, S. 784]. Das Phänomen der Adaption kann am Beispiel von Vanillin und Cumarin verdeutlicht werden (siehe Online‐Ergänzung Versuch 6 „Geruchsadaption – Gerüche lassen sich maskieren“). Riecht man an einer Mischung aus Vanillin und Cumarin, wird man zunächst nur das Vanillin riechen können. Adaptiert man den Geruch mit Vanillin, indem man intensiv an der Reinsubstanz riecht, wird man beim erneuten Riechen an der Mischung nicht mehr das Vanillin, sondern vielmehr das Cumarin riechen können, welches einen heuartigen Geruch aufweist. Somit kann gezeigt werden, dass Gerüche sich durch intensivere Gerüche überdecken lassen. Es ist daher bei Geruchsproben generell wichtig, die Nase zwischen einzelnen Proben zu neutralisieren. Dies kann entweder durch kurzes Riechen an einer Zitronensaftlösung (wenn keine Zitrusdüfte untersucht werden), durch Riechen an Kaffeebohnen oder durch Riechen des Eigengeruchs, beispielsweise an der Armbeuge, erfolgen 12.

3.2 Geschmack

Neben dem Geruchssinn ist auch der Geschmackssinn ein Sinn, der auf chemische Reize, jedoch nicht auf physikalische Reize reagiert. Im Gegensatz zum Geruchssinn handelt es sich beim Geschmackssinn um einen Nahsinn, bei dem die schmeckenden Substanzen direkten Kontakt mit den Rezeptoren der Zunge haben müssen. Zudem müssen die Substanzen wasserlöslich sein, damit ein Geschmack wahrgenommen werden kann [2, S. 20; 6, S. 526].

Auf der menschlichen Zunge liegen Geschmackspapillen und Geschmacksknospen. Dabei enthält die menschliche Zunge eines Erwachsenen 2.000–5.000 Geschmacksknospen, die in den Geschmackspapillen auf der Zunge und im Gaumen des Menschen verteilt sind. In den Geschmacksknospen sind wiederum die Geschmackssinneszellen mit den Geschmacksrezeptoren eingebettet. Die Geschmackspapillen lassen sich in drei verschiedene Typen unterscheiden: Pilzpapillen, Blätterpapillen und Wallpapillen. Die größte Gruppe der Geschmackspapillen stellen die Pilzpapillen (Papillae fungiformes) dar, die über die gesamte Zungenoberfläche verteilt sind, jedoch nur 3–4 Geschmacksknospen enthalten. Am hinteren Seitenrand der menschlichen Zunge sind die Blätterpapillen (Papillae foliatae) lokalisiert, die etwa 50 Geschmacksknospen besitzen. Die großen Wallpapillen (Papillae vallatae) sind an der Grenze zum Zungengrund zu finden. Diese enthalten häufig über 100 Geschmacksknospen [8, S. 774]. Neben den Pilz‐, Blätter‐ und Wallpapillen sind noch die Fadenpapillen (Papillae filiformes) als vierte Papillenart bekannt. Fadenpapillen rauen die Zungenfläche auf, enthalten jedoch keine Geschmacksknospen und sind für das Texturempfinden verantwortlich [2, S. 20 f.].

Die in der Alltagssprache als die fünf Geschmacksrichtungen bezeichneten Geschmäcker süß, sauer, salzig, bitter und umami werden wissenschaftlich als Geschmacksqualitäten bezeichnet. Die genannten Geschmacksrichtungen sind dabei die fünf primären Geschmacksqualitäten. Die auf der Zunge verteilten Rezeptorzellen sind gemeinsam für alle primären Geschmacksrichtungen zuständig, wobei sich lokal jedoch unterschiedliche Intensitäten feststellen lassen [8, S. 776].

Um die fünf verschiedenen Geschmacksqualitäten kennenzulernen, kann der Versuch 7 „Zuordnung der Geschmacksqualitäten“ aus der Online‐Ergänzung herangezogen werden. Hierfür werden fünf Lösungen mit den fünf Geschmacksqualitäten (süß, sauer, salzig, bitter und umami), beschriftet mit den Nummern eins bis fünf, bereitgestellt. Die Lösungen sollen nacheinander von den Schülerinnen und Schülern probiert werden. Ziel dieser deskriptiven Prüfung ist die qualitative Analyse der fünf Geschmacksqualitäten. Aufbauend auf den Versuch kann mit den Schülerinnen und Schüler herausgearbeitet werden, wie die einzelnen Geschmacksqualitäten zustande kommen, beziehungsweise der Versuch kann aufbauend auf die fachliche Klärung der Entstehung der fünf Geschmacksqualitäten durchgeführt werden.

Damit ein süßer Geschmack wahrgenommen werden kann, benötigt man pro Molekül mindestens zwei polare Substituenten [8, S. 778]. Die süßschmeckenden Substanzen binden am Süßrezeptor T1R2/T1R3 (Taste Receptor), wodurch über das G‐Protein Gustducin eine intrazelluläre Reaktionskaskade in Gang gesetzt wird. Durch das Enzym Phospholipase C wird der Calcium‐permeable Kanal (TRPM5‐Kanal) geöffnet, sodass die Calciumionen in das Zellinnere eindringen können. Daraus resultiert ein Anstieg der Calciumionenkonzentration innerhalb der Zelle, wodurch die Zelle depolarisiert wird und Transmitter wie beispielsweise Adenosintriphosphat (ATP) oder Serotonin freigesetzt werden, sodass eine Weiterleitung zum Gehirn erfolgt [2, S. 21 f.; 6, S. 536; 8, S. 778].

Um eine saure Substanz schmecken zu können, müssen Protonen freigesetzt oder erzeugt werden. Aufgrund der Wasserlöslichkeit entfalten saure Substanzen ihren Geschmack, indem die Moleküle in Wasser bzw. im Speichel dissoziieren [8, S. 777]. Die freigesetzten Oxoniumionen dringen in die Geschmackszellen ein und bewirken somit eine Aktivierung der Geschmacksrezeptoren, die dabei durch zwei unterschiedliche Möglichkeiten aktiviert werden können: einerseits direkt durch den Einstrom von Protonen, die die Geschmacksrezeptoren aktivieren, und andererseits durch die Öffnung oder Blockierung bestimmter Ionenkanäle durch die Protonen und damit einer veränderten Membranpolarität. Letzteres führt schließlich zur sauren Geschmackswahrnehmung [2, S. 22].

Lebensmittel, die gelöste Ionen besitzen oder bei denen sich im Mund Ionen im wässrigen Speichel lösen, werden als salzig schmeckend empfunden, wenn dabei bestimmte Ionen gelöst vorliegen. Sowohl die Anionen als auch die Kationen tragen dabei zur Geschmacksintensität der Salzigkeit bei. Kochsalz weist einen rein salzigen Geschmack auf, wohingegen alle anderen Salze zusätzlich einen süßen oder bitteren Geschmack aufweisen können. Beim Essen salzhaltiger Lebensmittel kommt es zum Einstrom von Natriumionen in die Zelle, indem die Natriumionen einen kationenpermeablen Ionenkanal passieren. Die Zellen werden depolarisiert, was eine Reizweiterleitung zum Gehirn bewirkt [2, S. 22; 8, S. 777].

Die Empfindung für einen bitteren Geschmack ist von Mensch zu Mensch unterschiedlich. Einerseits kann ein leicht bitterer Geschmack in Lebensmitteln als angenehm wahrgenommen werden, wohingegen andererseits ein stark bitterer Geschmack auf Ablehnung stoßen kann [2, S. 22 f.]. Dabei haben bittere Substanzen die niedrigste Geschmacksschwelle, wobei der bittere Geschmack nicht auf einer gemeinsamen Grundstruktur basiert. Etwa 25 verschiedene spezifische Rezeptorproteine sind für den bitteren Geschmack bekannt [8, S. 778]. Die Bitterrezeptoren werden unter der Bezeichnung TAS₂Rs (taste 2 receptors) zusammengefasst. Durch den Kontakt der bitteren Substanzen mit den Rezeptorproteinen wird über Gustducin der gleiche Signalweg aktiviert wie beim Süßgeschmack [8, S. 778].

Eine weitere Geschmacksqualität ist umami. Das Wort stammt aus dem Japanischen (die Qualität wurde von japanischen Forschern gefunden) und heißt übersetzt „köstlich“, „nach Fleisch schmeckend“ [2, S. 24, 6, S. 553]. Diese Geschmacksqualität wird von Natriumglutamat hervorgerufen, das in der Lebensmittelindustrie als Geschmacksverstärker eingesetzt wird. Die Geschmacksrichtung umami kann wahrgenommen werden, wenn Natriumglutamat an dem spezifischen Rezeptorpaar T1R1/T1R3 bindet [6, S. 537]. Durch den Kontakt von Natriumglutamat mit dem spezifischen Rezeptorpaar T1R1/T1R3 wird über das G‐Protein Gustducin der gleiche Signalweg aktiviert wie beim Süßgeschmack [8, S. 778].

Um eine der fünf primären Geschmacksqualitäten wahrnehmen und schmecken zu können, muss für die jeweilige Geschmacksqualität die Schwellenkonzentration überschritten werden. Die Referenzsubstanzen sowie die einzelnen Schwellenkonzentrationen der fünf primären Geschmacksqualitäten süß, salzig, sauer, bitter und umami können der Tabelle 3 entnommen werden (Tab. 3).

Wie auch beim Geruch kann ebenfalls nach einer bestimmten Zeit durch Adaption kein bestimmter Geschmack mehr wahrgenommen werden. Dabei kann es bis zu Stunden dauern, bis die ursprüngliche Empfindlichkeit des Geschmackes wiederhergestellt ist. Weiterhin können auch Geschmackswahrnehmungen durch den Hunger‐ und Sättigungszustand unterschiedlich wahrgenommen werden. So können im Hungerzustand süße und salzige Komponenten in einer niedrigeren Konzentration wahrgenommen werden als bei Sättigung. Die Wahrnehmung des bitteren Geschmacks ist hingegen unabhängig vom Hunger‐ bzw. Sättigungszustand [2, S. 25 f.]. Dies ist darin begründet, dass bittere Stoffe in der Regel Unreife oder Giftigkeit eines Nahrungsmittels signalisieren, die unabhängig vom Sättigungsgrad nicht gegessen werden sollten.

Geruch und Geschmack können zusammen interagieren. Ein Beispiel für diese Interaktion ist der Zucker‐Zimt‐Versuch (siehe Versuch 8 „Interaktion von Geruch und Geschmack“ in der Online‐Ergänzung). Hierbei hält man sich die Nase zu und gibt die Zucker‐Zimt‐Mischung in den Mund. Zunächst kann nur die krümelige Konsistenz der Mischung wahrgenommen werden. Erst wenn sich der Zucker im Speichel gelöst hat, kann der süße Geschmack des Zuckers erkannt werden. Öffnet man schließlich die Nase, kann diese den Geruch von Zimt wahrnehmen. Somit kann gezeigt werden, dass Stoffe, die man schmecken kann (Zucker), wasserlöslich und Stoffe, die man riechen kann (Zimt), leicht flüchtig sein müssen. Zudem kann verdeutlicht werden, dass vieles, was wir im Alltag als „Geschmack“ beschreiben, eigentlich eine Geruchswahrnehmung ist.

3.3 Trigeminale Wahrnehmung

Neben den fünf primären Geschmacksqualitäten sind noch metallisch, scharf, kühlend und adstringierend als so genannte Geschmacksempfindungen bekannt, die den trigeminalen Wahrnehmungen zugeordnet werden können. Tabelle 4 enthält die für die einzelnen Geschmacksempfindungen relevanten Referenzsubstanzen sowie deren Schwellenkonzentrationen, soweit diese bekannt sind (Tab. 4).

Die trigeminale Wahrnehmung wird über den Trigeminusnerv (Nervus trigeminus) gesteuert, welcher auf die gesamte Gesichtsregion Einfluss nimmt. Der Trigeminusnerv wird auch als Drillingsnerv bezeichnet, da dieser Nerv aus drei Ästen, Stirn‐ (N. ophthalmicus), Oberkiefer‐ (N. maxillaris) und Unterkieferast (N. mandibularis) besteht, die aus einem sensiblen Nervenknoten (Ganglion trigeminale) entspringen (Abb. 4).

Im Gegensatz zum olfaktorischen System besitzen die trigeminalen Nervenfasern keine spezifischen Rezeptorproteine. Demnach werden die entsprechenden Reize über die freien und sensiblen Endbereiche der trigeminalen Nervenfasern aufgenommen. Für die Wahrnehmung von unterschiedlichen Geruchsempfindungen sind zwei Bereiche im trigeminalen System verantwortlich: das trigeminale System der Nasenhöhle und das trigeminale System der Mundhöhle. So können durch das trigeminale System der Nasenhöhle (nasal‐trigeminal) Gerüche als stechend, brennend, kühlend oder beißend empfunden werden. Substanzen, die diese Geruchsempfindungen hervorrufen können, sind flüchtige Substanzen wie beispielsweise Menthol und Eukalyptus (kühlend), sowie Essigsäure, Ammoniak und Chlor (stechend‐beißend). Scharfe, prickelnde und brennende Empfindungen können hingegen vom trigeminalen System der Mundhöhle (oral‐trigeminal) vermittelt werden. Für eine scharfe Empfindung ist beispielsweise das in Pfeffer enthaltene Piperidin oder das in der Chilischote vorkommende Capsaicin verantwortlich [12, 16, S. 44 f.].

Die Geschmackswahrnehmung adstringierend gehört ebenfalls in die Gruppe der trigeminalen Wahrnehmungen, da adstringierende Lebensmittel eine Stimulierung des Gesichtsnervs hervorrufen. Die adstringierende Wahrnehmung beschreibt eine Empfindung, bei der es den Mund und die Zunge zusammenzieht. Diese Empfindung ist beispielsweise von Lebensmitteln wie Tee, Schokolade oder Rotwein bekannt, darf aber nicht mit der Geschmacksqualität bitter verwechselt werden. Während bei der Geschmacksqualität bitter etwa phenolische Verbindungen an den Bitterrezeptoren anlagern und so einen bitteren Geschmack auslösen, wird die Empfindung der Adstringenz durch Reizung des Trigeminusnerves ausgelöst. Zudem wird das zusammenziehende Gefühl im Mundraum durch die Wechselwirkung von Phenolen und Tanninen mit den Proteinen des Speichels hervorgerufen. Durch die dabei ausgefällten Speichelproteine wird die Reibung im Mund erhöht, wodurch ein raues/pelziges Gefühl auf der Zunge und im Mundraum verspürt werden kann. Somit ist die Adstringenz ein Zusammenspiel aus der Reizung trigeminaler Nervenenden und der Stimulierung der Zunge [17, S. 30 ff.].

Der metallische Geschmackseindruck erlangt immer mehr an Bedeutung, da ein metallischer Geschmack in einem Lebensmittel häufig mit einem Mangel des Lebensmittels assoziiert wird. Ein solcher metallischer Fehlgeschmack wird beispielsweise in Ölen, Getreideprodukten, Milchprodukten oder auch in Bier beschrieben 18. Eingetragen werden kann der metallische Geschmack in Lebensmitteln vor allem durch den Kontakt mit Lebensmittelverpackungen, die aus Metall gefertigt sind, wie beispielsweise Fruchtsäfte aus der Dose, und auch durch den Kontakt mit metallischen Verarbeitungsgeräten. Jedoch ist es auch möglich, dass physiologische Ursachen, wie eine Schwangerschaft, zu einem metallischen Geschmackseindruck führen können. Dabei kann die metallische Wahrnehmung sowohl retronasal als auch direkt auf der Zunge hervorgerufen werden [2, S. 25; 18].

Um die Geschmacksempfindungen adstringierend und metallisch kennenzulernen, kann der Versuch 9 „Zuordnung der Geschmacksempfindungen“ aus der Online‐Ergänzung herangezogen werden. Für diese deskriptive sensorische Prüfung werden zwei Lösungen mit den zwei Geschmacksempfindungen, beschriftet mit den Nummern eins und zwei, bereitgestellt. Die Lösungen sollen nacheinander von den Schülerinnen und Schülern probiert werden. Ziel ist die qualitative Analyse der zwei Geschmacksempfindungen. Aufbauend auf den Versuch kann mit den Schülerinnen und Schülern herausgearbeitet werden, wie die Geschmacksempfindungen zustande kommen, beziehungsweise der Versuch kann aufbauend auf die fachliche Klärung der Entstehung der Geschmacksempfindungen durchgeführt werden.