1.2 Vegetable oils and animal fats

Pflanzliche Öle und tierische Fette

Chemie der Öle und Fette

Chemisch gesehen sind Öle und Fette Ester aus drei Fettsäureeinheiten. Sie gehören zu den Lipiden und dienen als Energieträger, Energiespeicher in Pflanzen, aber auch als Lösungsmittel für fettlösliche Vitamine und als Isoliermittel im Körper von Tieren. Pflanzen speichern Öl oft in Samen und manchmal im Fruchtfleisch. Im tierischen Körper wird das Fett im Fettgewebe gespeichert. Von dort kann es extrahiert werden. 

Öle und Fette haben die gleiche allgemeine chemische Struktur, aber Öle sind unter Standardbedingungen (25°C) flüssig und Fette sind fest. Oft sind Öle pflanzlichen Ursprungs und Fette tierischen Ursprungs. 

Öle und Fette sind Stoffgemische und haben keinen genauen Schmelzpunkt, sondern einen Schmelzbereich. Sie sind in Wasser unlöslich. 

Pflanzliche Öle kommen oft als Triglyceride (oder offiziell als Triacylglycerin bezeichnet) vor, d. h. als Ester von Glycerin (oder Glycerin) mit drei Fettsäuren:

Fettsäuren sind aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff aufgebaut. Sie bestehen aus langen Kohlenwasserstoffketten mit einer angehängten Carboxylgruppe (COOH). Die Kohlenstoffkette besteht immer aus einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen (z. B. 8, 10, 12 usw.) und liegt immer zwischen 8 und 24. Die Abbildung unten zeigt ein einfaches Triglycerid. In der Natur sind Öle und Fette aus gemischten Triglyceriden aufgebaut, d. h. aus Triglyceriden, die drei verschiedene Fettsäuren mit unterschiedlicher Kettenlänge (12 bis 24 Kohlenstoffatome) enthalten. Die Fettsäuren können in gesättigt oder ungesättigt eingeteilt werden. 

Gesättigte Fettsäure bedeutet, die Kohlenstoffketten bestehen nur aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen. Beispiele für gesättigte Fettsäuren sind Palmitinsäure (CH3(CH2)14COOH) oder Stearinsäure (CH3(CH2)16COOH).

Ungesättigte Fettsäure bedeutet, die Kohlenstoffketten enthalten eine (einfach ungesättigte) oder mehrere (mehrfach ungesättigte) Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Ein Beispiel für eine ungesättigte Fettsäure mit einer Doppelbindung ist Ölsäure (CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH).

Ein Beispiel für eine ungesättigte Fettsäure mit zwei Doppelbindungen ist Linolsäure (HO2C(CH2)7CH=CHCHCH2CH=CH(CH2)3CH3).

Die Kettenlänge und die Anzahl der Doppelbindungen bestimmen die biologisch-chemischen Eigenschaften der Fettsäuren. Pflanzliche Öle enthalten einen hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren mit relativ kurzen Ketten. 

Ungesättigte Fettsäuren sind weniger lagerfähig. Je mehr Doppelbindungen innerhalb eines Moleküls, desto weniger stabil ist die Fettsäure. Dennoch sind einige der ungesättigten Fettsäuren für die menschliche Ernährung essentiell. 

Die in Pflanzenölen am häufigsten vorkommenden Fettsäuren sind Ölsäure, Linolsäure und Alpha-Linolensäure. Die wichtigsten kommerziellen Ölpflanzen, die auch für die Biokraftstoffproduktion interessant sind, sind derzeit:

• Ölpalmen und Ölpalmenkerne
• Sojabohnen
• Raps
• Sonnenblumen





Wichtige Ölpflanzen

Weltweit sind rund 314 Millionen Hektar mit Ölpflanzen bepflanzt. Die folgende Abbildung gibt einen Eindruck von den Flächenanteilen der einzelnen Kulturen.

Die gesamte Pflanzenölproduktion lag 2018 bei rund 203 Mio. Tonnen. Rund 87 % wurden aus den oben genannten Hauptkulturen produziert. Die restliche Menge an Pflanzenöl stammt aus Kulturen wie Oliven, Erdnüssen, Baumwollsamen, Sesam, Leinsamen, Kapokfrüchten oder Jojobasamen und einigen anderen.

Da die in der Abbildung oben dargestellten Nutzpflanzen unterschiedliche Ölausbeuten pro Hektar haben, ist der Anteil der verschiedenen Nutzpflanzen an der gesamten Ölproduktion anders (siehe folgende Abbildung). Der größte Teil des Pflanzenöls wurde 2018 aus den Früchten und Kernen der Ölpalme gewonnen. Aufgrund der hohen Produktivität nehmen Ölpalmen aber nur 7 % der gesamten Ölanbaufläche ein.

In den letzten 20 Jahren sind die weltweite Ölpflanzenproduktion (FAO 2020) und die Nachfrage nach Pflanzenöl kontinuierlich gestiegen (Mielke 2018).

Wichtige Ölpflanzen für die Biokraftstoffproduktion

Die weltweit wichtigsten Ölpflanzen für die Produktion von Biokraftstoffen (d. h. Biodiesel) sind Palmöl, Sojaöl und Rapsöl. Die Europäische Union (EU) ist der größte Biodieselproduzent der Welt (Flach et al. 2019), meist auf Basis von Rapsöl. Laut UFOP 2020 soll der Anteil von Altölen und -fetten in der EU steigen. In Südamerika und Südostasien wird ein Anstieg der Biodieselproduktion aus Soja- und Palmöl erwartet (UFOP 2020). Das folgende Diagramm zeigt den Anteil der verschiedenen Rohstoffe für die Biodieselproduktion weltweit im Jahr 2018.

Bezogen auf die gesamte Weltproduktion ist der Anteil der Ölpflanzen, die für die Biokraftstoffproduktion verwendet werden, gering. Laut OECD-FAO Agricultural Outlook (OECD/FAO 2020) wurden in den Jahren zwischen 2017 und 2019 nur 14 % des weltweit produzierten Pflanzenöls für die Biokraftstoffproduktion verwendet. Betrachtet man die wichtigsten Ölpflanzen, so reicht die Biomassenutzung für die Biokraftstoffproduktion von 14 bis 19% (UFOP 2020): 

•  Palmöl: 14% 
•  Sojaöl: 15% 
•  Rapsöl: 19%

Ölpalmen

Ölpalmen sind bis zu 30 Meter hohe Bäume. Ursprünglich aus Afrika stammend, werden sie in tropisch warmen und feuchten Klimazonen in Kolumbien, Afrika und Asien, insbesondere in Indonesien und Malaysia, angebaut. Diese Landflächen waren ursprünglich mit tropischem Regenwald bedeckt, was die Besorgnis über den Verlust der Artenvielfalt in den Tropen verstärkt. Ab dem 5. Jahr trägt die Ölpalme bereits Früchte und wird etwa 80 Jahre alt. Die Fruchtstände können ein Gewicht von bis zu 50 kg und mehr erreichen und brauchen normalerweise 7-8 Monate, um sich zu entwickeln. Palmöl besteht überwiegend aus gesättigten Fettsäuren (vor allem Laurinsäure).

Sojabohnen

Sojabohnen sind einjährige Pflanzen und gehören zur Familie der Hülsenfrüchte. Die Pflanze stammt aus China und benötigt ein warmes und feuchtes Klima mit Temperaturen zwischen 24 und 34 °C. Außerdem kann die Sojabohne nur dann richtig blühen, wenn die Tageslänge (d.h. die Lichteinstrahlung) unter 14 Stunden liegt, was den Anbau in nördlichen Breitengraden erschwert. Sojabohnen werden in erster Linie als Ölpflanze angebaut, sie haben aber auch einen hohen Proteingehalt, was sie zu einer wichtigen Eiweißpflanze macht. In Asien spielt die Sojabohne als Nahrungspflanze eine große Rolle. Seit den 1950er Jahren wurde die Pflanze in Nord- und Südamerika verbreitet. Heutzutage stammen über 80 % der gesamten Sojaproduktion aus den USA, Brasilien und Argentinien. Die Sojapflanze erreicht eine Höhe von bis zu 80 cm mit 3-5 cm langen Hülsen, die 2-3 Bohnen enthalten. Der Ölgehalt der Bohnen schwankt zwischen 15-21%. Sojaöl besteht hauptsächlich aus ungesättigten Fettsäuren (vor allem Ölsäure und Linolsäure).

Raps

Raps ist eine einjährige Pflanze und gehört zur Familie der Kreuzblütengewächse. Wahrscheinlich stammt er aus dem Mittelmeerraum und. Heutzutage sind die größten Anbauländer die EU, China und Kanada sowie Indien. Die Pflanzen erreichen eine Höhe von 30-150 cm und benötigen tiefgründige Böden mit einer ausreichenden Wasserversorgung. Raps wird zur Ölgewinnung genutzt, der Rest der Pflanze wird als Tierfutter (Rapskuchen, Rapsschrot) verwendet. Der größte Teil der Rapsölproduktion in Deutschland wird für technische Anwendungen, hauptsächlich für Biokraftstoffe, genutzt. Für technische Anwendungen werden Arten mit einem hohen Gehalt an kurz- und mittelkettigen Fettsäuren bevorzugt. Für die Produktion von Speiseölen ist ein hoher Anteil an ungesättigter Ölsäure und Linolsäure günstig.

Tierische Fette

Tierische Fette stammen aus Abfällen des Schlachthofes, der Fleischverarbeitung und der Gastronomie. Diese Abfälle müssen entsorgt und die enthaltenen Fette abgetrennt werden. Aus hygienischen Gründen gibt es drei Kategorien von tierischen Nebenprodukten: 

•  Kategorie 1: Material mit hohem Risiko aus Rinderhirn oder -rückenmark 
• Kategorie 2: Material mit mittlerem Risiko von toten Tieren oder Tieren, die zur Seuchenbekämpfung getötet wurden Kategorie 3: Material von geschlachteten gesunden Tieren, aus der Lebensmittelindustrie oder aus Küchen 

Große Teile der Materialien der Kategorien 1 und 2 werden für die Biodieselproduktion verwendet. Auch kleinere Anteile von Materialien der Kategorie 3 werden verwendet, da sie nicht für Futtermittel oder andere Anwendungen genutzt werden. Im Jahr 2019 lieferten tierische Fette 6 % des gesamten Ausgangsmaterials für die Biokraftstoffproduktion in der EU und 8,4 % in den USA (Toldrá-Reig 2020). Die relevantesten Fettsäuren sind Palmitin- und Stearinsäure als gesättigte Fettsäuren und Ölsäure, Linolsäure und Arachidonsäure als ungesättigte Fettsäuren (Toldrá-Reig 2020).

Ölgewinnung

Pflanzenöle werden aus den ölhaltigen Teilen der Nutzpflanzen gewonnen. Ölmühlen pressen entweder die Samen, Kerne oder Früchte oder extrahieren das Öl mit Hilfe eines Extraktionsmittels (z. B. Hexan). Vor dem Pressen oder der Extraktion muss in der Regel eine Vorbehandlung der landwirtschaftlichen Rohstoffe durchgeführt werden. Dies kann einen oder mehrere der folgenden Prozesse beinhalten: 

• Reinigen von Verunreinigungen wie Steinen, Sand oder organischen Verunreinigungen wie Tierkörpern usw. 
• Entschälen von Früchten, Kernen mit Schalen 
• Zerkleinern durch Walzenmühlen oder Backenbrecher zur Zerstörung der Zellstruktur der Kerne 
• Konditionierung mit Dampf, um den Feuchtigkeitsgehalt einzustellen und das Material für eine effizientere Ölentfernung zu erhitzen 

Tierische Fette müssen vor der Biodieselproduktion vorbehandelt werden, da sie oft freie Fettsäuren und Wasser enthalten, die die Biokraftstoffqualität mindern. Daher muss vor der Biokraftstoffproduktion eine säurekatalysierte Veresterung durchgeführt werden.