Ein scharfes Messer, eine Küche, eine halbierte Zwiebel, und schon nach wenigen Schnitten brennen die Augen und die ersten Tränen laufen. Fast jeder kennt das Brennen beim Zwiebelschneiden, und trotzdem geht der verbreitete Verdacht am Kern vorbei: Die Zwiebel enthält den reizenden Stoff nicht einfach fertig in sich. Er entsteht erst in dem Moment, in dem die Klinge die Zellen zerstört, und zwar in einer blitzschnellen Kette chemischer Reaktionen. Am Ende steht ein flüchtiger Reizstoff, der gezielt die Augen angreift. Warum eine Pflanze so etwas überhaupt herstellt, ist die eigentlich erstaunliche Frage hinter den Tränen.
Zwiebeln gehören zu den ältesten Kulturpflanzen der Welt und liegen in fast jeder Küche. Dass sie beim Zwiebelschneiden zu Tränen reizen, gilt als lästige Selbstverständlichkeit, über die kaum jemand nachdenkt. Dabei steckt in diesem Alltagsvorgang eine erstaunlich raffinierte Chemie. Solange eine Zwiebel unversehrt ist, riecht sie kaum und reizt überhaupt nicht. Ihre reizenden Eigenschaften entfaltet sie erst, wenn ihre Zellen verletzt werden, beim Schneiden, Hacken oder Zerdrücken. Genau dann werden Stoffe freigesetzt, die zuvor getrennt voneinander in verschiedenen Zellräumen lagerten. Sie treffen aufeinander, reagieren und bilden in Sekundenbruchteilen einen flüchtigen Stoff, der aufsteigt und die Augen erreicht. Wer versteht, warum man beim Zwiebelschneiden weinen muss, blickt in ein kleines, präzise gebautes chemisches Verteidigungssystem.
Der Ablauf beginnt mit dem Schwefel, den die Zwiebel während des Wachstums aus dem Boden aufnimmt und in besondere Vorstufen einbaut. Diese schwefelhaltigen Verbindungen sind für sich genommen geruchlos und harmlos. In den intakten Zellen liegen sie streng getrennt von den Enzymen, die sie umsetzen könnten, so wie zwei Komponenten eines Klebers, die erst beim Vermischen wirken. Die Klinge durchtrennt diese Trennung. Enzyme und Vorstufen vermischen sich, und eine Reaktionskette startet, an deren Ende der eigentliche Reizstoff steht. Dieser Stoff ist leicht flüchtig, verteilt sich sofort in der Luft über dem Schneidebrett und erreicht binnen Sekunden die Augen. Dort löst er den Reflex aus, der die Tränen beim Zwiebelschneiden in Gang setzt und den viele fälschlich für eine bloße Reizung durch den Geruch halten.
Beim Zwiebelschneiden zerstört das Messer die Zellwände und bringt zwei zuvor getrennte Bestandteile zusammen: ein Enzym namens Alliinase und schwefelhaltige Vorstufen. Innerhalb von Sekunden entsteht daraus ein flüchtiger Reizstoff, das sogenannte Propanthial-S-oxide. Dieser Stoff steigt auf, erreicht die Augen und löst dort den Tränenfluss aus. Nicht der Geruch reizt, sondern diese frisch gebildete Substanz.
Die Reaktion läuft in mehreren Stufen ab. Zuerst spaltet die Alliinase aus der Vorstufe eine instabile Zwischenverbindung ab, eine sogenannte Sulfensäure. Diese würde für sich genommen vor allem zu Aroma- und Geschmacksstoffen weiterreagieren, wie man sie von Knoblauch und Zwiebeln kennt. Ein Teil davon wird jedoch in den reizenden, tränenden Stoff umgewandelt. Das geschieht so schnell, dass schon der erste Schnitt genügt, um die Augen zu reizen. Je feiner und schneller man schneidet, desto mehr Zellen werden gleichzeitig zerstört und desto intensiver ist die Wirkung. Auch die Menge der Vorstufen entscheidet mit, weshalb manche Zwiebelsorten deutlich schärfer und tränenreicher sind als milde Gemüse- oder Salatzwiebeln.
Lange galt die Bildung des Reizstoffs als bloßer Nebeneffekt der Alliinase, die also nicht nur das Aroma freisetzt, sondern nebenbei auch den Tränenstoff erzeugt. Diese Annahme hielt sich über Jahrzehnte. Erst 2002 zeigte ein japanisches Forschungsteam, dass ein zweites, bis dahin unbekanntes Enzym im Spiel ist. Es erhielt den Namen Lachrymatory-Faktor-Synthase, sinngemäß die Tränenfaktor-Synthase, und wandelt die Zwischenverbindung gezielt in den reizenden Stoff um. Die Entdeckung erschien im Fachjournal Nature und stellte die alte Lehrmeinung auf den Kopf. Die Zwiebel bildet ihren Tränenstoff also nicht zufällig, sondern verfügt über ein eigenes, spezialisiertes Werkzeug allein für diesen Zweck.
Der frisch gebildete Stoff ist leicht flüchtig, das heißt, er verdampft schon bei Zimmertemperatur und verteilt sich rasch in der Luft. So gelangen die reizenden Moleküle nach oben und erreichen die empfindliche Oberfläche der Augen. Dort treffen sie auf den feuchten Tränenfilm und reagieren mit ihm, wobei in kleinen Mengen eine schwache Säure entsteht. Die Nervenenden der Hornhaut registrieren diese Reizung und melden sie ans Gehirn, das reflexartig die Tränendrüsen anweist, den Reizstoff wegzuspülen. Ähnlich wie bei der Frage, wie flüchtige Moleküle einen Geruch erzeugen, entscheidet auch hier die Flüchtigkeit des Stoffes darüber, wie schnell und stark er wirkt. Das Brennen und die Tränen sind daher kein Zeichen von Schaden, sondern eine wirksame Schutzreaktion des Auges.
Die eigentliche Pointe liegt in der Frage nach dem Sinn. Die Zwiebel betreibt diesen Aufwand nicht, um Köche zu ärgern, sondern zur Verteidigung. Schwefelverbindungen dieser Art wirken gegen Fraßfeinde, Pilze und Bakterien, die die unterirdische Knolle bedrohen. Wird das Gewebe verletzt, etwa durch ein fressendes Tier, entsteht schlagartig ein reizender, übel schmeckender Stoff, der Angreifer abschrecken kann. Der Tränenreiz beim Menschen ist damit gewissermaßen ein Kollateraltreffer eines chemischen Abwehrsystems, das sich über Jahrmillionen entwickelt hat. Dass eine Pflanze eigens ein Enzym besitzt, dessen einzige bekannte Aufgabe die Herstellung dieses flüchtigen Reizstoffs ist, macht deutlich, wie gezielt diese Verteidigung arbeitet. Verwandte Pflanzen wie Knoblauch nutzen eine ähnliche Schwefelchemie, bilden aber andere Stoffe und reizen die Augen deshalb kaum.
Nicht jede Zwiebel treibt gleich stark die Tränen in die Augen, und das hat handfeste Gründe. Wie viel Reizstoff entsteht, hängt vor allem davon ab, wie viele der schwefelhaltigen Vorstufen die Pflanze eingelagert hat. Diese Menge schwankt mit Sorte, Boden und Düngung: Zwiebeln, die auf schwefelreichen Böden wachsen, schmecken schärfer und reizen stärker. Milde Gemüse- und Salatzwiebeln enthalten weniger dieser Vorstufen und reizen die Augen entsprechend seltener. Auch Lagerung und Reife spielen eine Rolle, weil sich der Gehalt an Vorstufen über die Zeit verändert. Wer beim Kochen empfindlich reagiert, kann daher schon durch die Wahl der Sorte viel gewinnen. Dass sich Schärfe im Mund und Tränenreiz im Auge oft gemeinsam verändern, ist kein Zufall, denn beide stammen aus derselben Schwefelchemie der Zwiebel.
Weil der Reizstoff erst beim Zerstören der Zellen entsteht und flüchtig ist, setzen die wirksamsten Tricks genau dort an. Ein sehr scharfes Messer zerreißt weniger Zellen als ein stumpfes und setzt dadurch weniger Reizstoff frei. Eine gekühlte Zwiebel gibt den flüchtigen Stoff langsamer ab, weil Kälte die Verdampfung bremst. Gute Belüftung, ein Ventilator oder das Schneiden neben der laufenden Dunstabzugshaube tragen die Moleküle weg, bevor sie die Augen erreichen. Da die Konzentration der Vorstufen zur Wurzel hin am höchsten ist, hilft es, den Wurzelansatz zuletzt zu schneiden. Sogar tränenfreie Zwiebeln sind möglich: Forschende beschrieben in Scientific Reports Sorten mit stark verringerter Aktivität des verantwortlichen Enzyms. Wer die Chemie hinter den Tränen kennt, sieht in der weinenden Küche also kein Missgeschick, sondern ein uraltes Abwehrsystem bei der Arbeit.
Nature, An onion enzyme that makes the eyes water; doi:10.1038/419685a