Ballaststoffe aus Pflanzenzellwänden

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Ballaststoffe aus Pflanzenzellwänden

Definition, Bestimmung

und ernährungsphysiologische

Bedeutung

Definition

Ballaststoffe stellen eine sehr heterogene

Gruppe von Lebensmittelinhaltsstoffen

dar und können, je nach

Quelle, sehr unterschiedliche chemische

Strukturen aufweisen.

Schwierigkeiten treten bereits bei

der Definition auf. Diese wurde in der

Vergangenheit kontrovers diskutiert,

und auch weiterhin gibt es Anlass für

Diskussionen. Der Begriff Ballaststoffe,

für den im englischen Sprachgebrauch

synonym „dietary fibre“ und

im Schweizer Raum der Begriff „Nahrungsfasern“

verwendet wird, fand

in der Literatur zum ersten Mal 1953

Erwähnung: „Dietary fibre“ wurde

als Kurzbezeichnung verwendet, um

Pflanzenzellwände in der menschlichen

Nahrung zu beschreiben [1]. In

den siebziger Jahren stellten TROWELL,

BURKITT, WALKER und PAINTER der Begriff

„dietary fibre“ in Bezug zu gesundheitsbezogenen

Hypothesen und

definierten „dietary fibre“ als „Überreste

der pflanzlichen Zellwand, die

gegenüber der Hydrolyse durch

menschliche Verdauungsenzyme resistent

sind“ [2]. Im Jahr 2001 präsentierte

die American Association of

Cereal Chemists (AACC) eine überarbeitete

Definition, die ein Komitee unter

Einbeziehung zahlreicher Exper-

tenmeinungen erstellt hatte. In dieser

werden die Ballaststoffkomponenten,

gleichzeitig aber auch besonders gut

untersuchte ernährungsphysiologische

Eigenschaften von Ballaststoffen

genannt:

Ballaststoffe bestehen aus essbaren

Pflanzenteilen oder analogen Kohlenhydraten,

die gegenüber der Verdauung

und Absorption im menschlichen

Dünndarm resistent sind und im

Dickdarm teilweise oder vollständig

fermentiert werden. Ballaststoffe beinhalten

Polysaccharide, Oligosaccharide,

Lignin und assoziierte Pflanzensubstanzen.

Ballaststoffe unterstützen

gesundheitsfördernde Prozesse wie

die Senkung des Cholesterinspiegels

und/oder die Regulierung des Blutzuckerspiegels

und/oder sie besitzen

abführende Eigenschaften“ [3].

Methoden

Werden Lebensmittel auf Ballaststoffe

untersucht, beschränkt man sich i. A.

auf die Bestimmung der Gehalte an

löslichen, unlöslichen und Gesamtballaststoffen.

Obgleich die Menge bei

weitem nicht das einzige Kriterium ist,

um die Bedeutung der in den Lebensmitteln

enthaltenen Ballaststoffe zu

beurteilen, stellt die Gehaltsbestimmung

die Analytik bereits vor schwierige,

teilweise noch ungelöste Aufgaben.

In Deutschland erfolgt die Bestimmung

der Ballaststoffe i. A. nach

der Methode L 00.00-18 der Amtlichen

Übersicht

Ballaststoffe aus Pflanzenzellwänden

Chemische und strukturelle Merkmale

Mirko Bunzel und Hans Steinhart, Institut für Biochemie und Lebensmittelchemie,

Abteilung Lebensmittelchemie, Universität Hamburg

Ballaststoffe – eine Bezeichnung, die in die Irre führt, belegen doch

Forschungsergebnisse der letzten dreißig Jahre, dass Ballaststoffe

wertvolle Lebensmittelbestandteile mit positiven ernährungsphysiologischen

Eigenschaften sind. Die Vielfalt an Komponenten mit

unterschiedlichsten strukturellen und chemischen Eigenschaften, die

hinter dem Begriff Ballaststoffe steht, wird jedoch häufig unterschätzt.

Da aber die physiologischen Eigenschaften von Ballaststoffen

in ihren strukturellen und physiko-chemischen Eigenschaften

begründet sind, sind detaillierte Kenntnisse auf diesem Gebiet unerlässlich.

Sammlung von Untersuchungsverfahren

nach § 35 LMBG [4]. Es handelt

sich um ein enzymatisch-gravimetrisches

Verfahren, das den enzymatischen

Stärke- und Proteinabbau vorsieht

sowie die Fällung der löslichen

Ballaststoffe in 80 %igem Ethanol.

Exemplarisch seien nur zwei Probleme

genannt, die verdeutlichen, dass

bereits die Bestimmung des Gehaltes

an Gesamtballaststoffen kritisch ist,

wenn man nicht zumindest grundlegende

Informationen über die chemische

Zusammensetzung der Ballaststoffe

des betreffenden Lebensmittels

besitzt. Laut Definition zählen zu den

Ballaststoffen neben den Polysacchariden,

die in ca. 80 %igem Ethanol

unlöslich sind, auch die unverdaulichen

Oligosaccharide. Je nach Oligomerisationsgrad

und Zusammensetzung

sind Oligosaccharide jedoch in

80 %igem Ethanol löslich und werden

mit der genannten Methode nicht erfasst.

Sind in Ballaststoffen z. B. Oligofruktane

oder Oligosaccharide der

„Raffinose-Familie“ enthalten, müssen

diese mit zusätzlichen Methoden

untersucht werden. Ein zweites Problem

ist die experimentelle Unterscheidung

in lösliche und unlösliche

Ballaststoffe. Ein wichtiger Schritt in

der enzymatisch-gravimetrischen Methodik

ist der enzymatische Stärkeabbau.

Die Lösung wird zur Verkleisterung

der Stärke stark erhitzt (95–

100 °C, 30 min), wobei Pektine (s. u.)

mit speziellen Strukturmerkmalen

durch -Eliminierungsreaktionen gespalten

werden. Hierdurch werden

große Mengen an wasserlöslichen

Fragmenten gebildet, die entweder

als lösliche anstatt unlösliche Ballaststoffe

erfasst werden oder sich auf

Grund ihrer teilweisen Löslichkeit in

80 %igem Ethanol der Bestimmung

entziehen. Der Fehler sollte bei der

Bestimmung von Ballaststoffgehalten

in Obst und Gemüse weitaus größer

sein als bei der in Getreide. Denn Ballaststoffe

aus Obst und Gemüse enthalten

große Mengen an Pektinen, die

Ernährungs-Umschau 50 (2003) Heft 12 469


Übersicht

in Getreideballaststoffen jedoch nur

eine sehr geringe Rolle spielen.

Ernährungsphysiologische

Bedeutung

Bereits die Definition der AACC greift

experimentell gesicherte ernährungsphysiologische

Eigenschaften von Ballaststoffen

auf. Auf Grund der Heterogenität

dieser Substanzen können

ernährungsphysiologische Eigenschaften

jedoch nicht „den Ballaststoffen“

per se zugesprochen werden,

sondern nur bestimmten Ballaststoffkomponenten

oder Mischungen aus

diesen Komponenten. Vielfach wird

nur zwischen löslichen und unlöslichen

Ballaststoffen unterschieden,

was vermutlich jedoch in vielen Fällen

eine unzulässige Vereinfachung darstellt.

Da die meisten Studien aber mit

chemisch nicht eindeutig charakterisierten

Ballaststoffen durchgeführt

wurden, kann im Folgenden nicht

weiter differenziert werden.

Eng verbunden mit dem in der Definition

erwähnten blutcholesterinsenkenden

Effekt der Ballaststoffe ist die

Beobachtung, dass ein erhöhter Verzehr

an Ballaststoffen das Risiko, an

koronaren Herzleiden zu erkranken,

herabsetzt. Ballaststoffe sollen über

die Bindung von Cholesterin und Gallensäuren

deren Rückresorption vermindern,

was zu einer gesteigerten

Gallensäurensynthese und folglich

zur Absenkung des Cholesterinspiegels

im Blut führt. Ein weiterer möglicher

Mechanismus besteht in der

Inhibition der hepatischen Cholesterinsynthese

durch kurzkettige Fettsäuren,

die bei der mikrobiellen Fer-

Zur Nomenklatur von Zuckern

Kohlenhydrate weisen die allgemeine

Summenformel C n(H 2O) n auf. Davon abweichend

werden jedoch z. B. die Desoxyzucker

(eine Hydroxygruppe durch

Wasserstoff ersetzt, z. B. Rhamnose) und

auch oxidierte Zucker (z. B. Uronsäuren,

bei denen die primäre Hydroxylgruppe

in eine Carboxylgruppe umgewandelt

wurde, z. B. Glukuronsäure) zu den

Kohlenhydraten gerechnet und bilden

Monomereinheiten in Polysacchariden.

Monosaccharide mit 5 bzw. 6 C-Atomen

werden als Pentosen bzw. Hexosen bezeichnet.

Die Unterscheidung in D- und

L-Zucker beschreibt die Konfiguration eines

Zuckers, in dem die Konfiguration

mit der der beiden Enantiomere des Glyzerinaldehyds

in Beziehung gesetzt wird.

mentation von Ballaststoffen im Dickdarm

entstehen [5].

Vor allem lösliche, viskose Ballaststoffkomponenten

sollen bei der Regulierung

des Blutzuckers und der

Verminderung des Diabetesrisikos

eine Rolle spielen. So wird u. a. durch

die Erhöhung der Viskosität der aufgenommenen

Nahrung die Magenentleerung

verlangsamt und die intestinale

Absorption durch die Beeinflussung

der Diffusion über die „unstirred

water layer“ verzögert [6].

Ballaststoffe werden im Dünndarm

nicht abgebaut, können jedoch im

Dickdarm durch Mikroorganismen

teilweise oder vollständig fermentiert

werden. Das Ausmaß der mikrobiellen

Fermentation wird von der chemischen

Struktur, der Löslichkeit sowie

dem Lignifizierungsgrad der Ballaststoffkomponenten

bestimmt. Handelt

es sich bei den Ballaststoffen um Bestandteile

der pflanzlichen Zellwand,

so haben auch der Zelltyp sowie die

Anordnung der Polymere in der Pflanzenzellwand

Einfluss auf die Fermentation.

Bezüglich der am Fermentationsprozess

beteiligten Mikroorganismen

und des Fermentationsprozesses

selbst besteht jedoch weiterhin

Forschungsbedarf.

Die Mikroorganismenflora kann

durch die Fermentation von Ballaststoffen

beeinflusst werden. Eine „positiv“

veränderte Mikroorganismenflora

kann z. B. zu einer verminderten Bildung

von genotoxischen und tumorfördernden

Substanzen führen. Kurzkettige

Fettsäuren, die bei der Fermentation

entstehen können, scheinen

eine wesentliche Rolle in der Gesunderhaltung

des Dickdarms zu spie-

Monosaccharide, bei denen das am weitesten

von der Aldehydgruppe entfernte

Chiralitätszentrum dieselbe absolute Konfiguration

wie D-Glycerinaldehyd hat, bezeichnet

man als D-, diejenige mit der umgekehrten

Konfiguration als L-Zucker.

Durch intramolekulare Halbacetalbildung

können Pentosen und Hexosen 5- und

6-gliedrige Ringe bilden. Liegt ein Monosaccharid

als 5-gliedriger Ring vor, so bezeichnet

man diese Form als Furanoseform,

liegt es in 6-gliedriger Form vor,

spricht man von der Pyranoseform. Soll

bei der Darstellung des Monosaccharids

die Ringform mit einfließen, so wird der

Stammname entsprechend ergänzt, z. B.

Glukose in der 6-gliedrigen Form wird als

Glukopyranose bezeichnet.

len. Die Bildung kurzkettiger Fettsäuren

(v. a. Acetat, Propionat und Butyrat)

führt zur Absenkung des pH-Wertes

im Dickdarm. Ein erniedrigter pH-

Wert führt u. a. zu einer verminderten

Transformation von primären in sekundäre

Gallensäuren sowie zu einer

Reduktion der Löslichkeit der sekundären

Gallensäuren, die im gelösten

Zustand wahrscheinlich karzinogene

Eigenschaften aufweisen [5].

Immer wieder wird diskutiert, ob

eine erhöhte Ballaststoffaufnahme das

Risiko, an Darmkrebs zu erkranken,

herabsetzt. Abhängig von der Quelle

und der Zusammensetzung können

diese die Entstehung von Dickdarmkrebs

reduzieren. So zeigen zwei kürzlich

erschienene Studien, dass Ballaststoffe

vor Dickdarmadenomen/-krebs

schützen [7, 8]. Einige Ballaststoffe

scheinen jedoch auch das Gegenteil

zu bewirken [9]. Dies zeigt, dass Ballaststoffe

nicht verallgemeinernd als

homogene Gruppe aufgefasst werden

dürfen. Es werden direkte und indirekte

Mechanismen zur Reduzierung des

Krebsrisikos diskutiert [10]. So soll die

Bindung von Kanzerogenen an Ballaststoffkomponenten

zu einem reduzierten

Kontakt der Kanzerogene mit

der Mukosa und zu einer verkürzten

Transitzeit führen. Es wird angenommen,

dass v. a. Lignin und andere hydrophobe

Ballaststoffkomponenten

entsprechende Bindungsmöglichkeiten

aufweisen. Ein möglicher indirekter

Mechanismus beruht auf der bereits

erwähnten Bildung kurzkettiger

Fettsäuren und der damit verbundenen

pH-Absenkung im Dickdarm. Des

Weiteren werden speziell Butyrat antikanzerogene

Eigenschaften zuge-

Die Cyclisierung (Bildung eines 5- oder 6gliedrigen

Ringes) hat zur Folge, dass ein

neues asymmetrisches Zentrum entsteht.

Hierbei entsteht ein neues asymmetrisches

C-Atom (das anomere C-Atom) und

eine halbacetalische Hydroxylgruppe

(die Lactolgruppe). Je nach Stellung der

Lactolgruppe am anomeren C-Atom wird

die entsprechende Form mit a oder b bezeichnet

(Konfiguration am anomeren

Zentrum). Die Beschreibung der Bindungsverhältnisse

eines Polysaccharids

bestehend aus z. B. Glukopyranose durch

die Darstellung b-(1’4) bedeutet, dass die

Bindung in der b-Konfiguration einer

Glukose über ihren anomeren Kohlenstoff

(C1) zu der O-4-Position (am C4) der

nächsten Glukose verläuft.

470 Ernährungs-Umschau 50 (2003) Heft 12


schrieben: Butyrat vermindert bei Tumorzellen

in vitro das Zellwachstum

und induziert die Apoptose [5]. Ob

Ballaststoffe tatsächlich Schutzfunktionen

ausüben, lässt sich nur mittels

künftiger Studien abschätzen, in denen

besser definierte, einheitliche Ballaststoffe

bzw. Ballaststoffkomponenten

verwendet werden.

Schließlich führt eine gesteigerte

Ballaststoffaufnahme zu einer Erhöhung

des Stuhlgewichtes. Die

Darmperistaltik wird positiv beeinflusst

und die gastrointestinale Transitzeit

verkürzt. So wird u. a. einer

Obstipation vorgebeugt. Ballaststoffquellen

mit hohen Anteilen an unlöslichen,

nur teilweise fermentierbaren

Ballaststoffkomponenten erhöhen

Stuhlgewicht/-volumen vorwiegend

auf Grund ihres Wasserbindungsvermögens.

Die weniger ausgeprägte Zunahme

des Stuhlgewichts durch vollständig

fermentierbare Ballaststoffe

ist hingegen eine Folge der erhöhten

ausgeschiedenen Bakterienmasse.

Strukturelle Merkmale von

Ballaststoffkomponenten

der Pflanzenzellwand

Obgleich auch als Lebensmittelzusätze

verwendete Polysaccharide, z. B.

modifizierte Zellulosen, definitionsgemäß

zu den Ballaststoffen gerechnet

werden, ist ihr Anteil an der Gesamtaufnahme

vergleichsweise gering.

Der Großteil der Ballaststoffe

stammt aus Pflanzenzellwänden, deren

Zusammensetzung im Folgenden

näher dargestellt wird.

Mit der Nahrung aufgenommene

Pflanzenzellwände stammen aus den

verschiedenen Pflanzenorganen (z. B.

Blätter, Stengel, Knollen, Wurzeln,

Samen, Früchte, Blüten[stände]) und

dort wiederum aus verschiedenen Geweben.

Entsprechend ihrer Herkunft

weisen die Pflanzenzellwände unterschiedliche

Zusammensetzungen auf,

die sich außerdem im Verlauf der Entwicklung

der Pflanze weiter verändern.

Typisch für Ballaststoffe aus Obst

und Gemüse sind parenchymatische

Zellwände. Als Parenchym wird das

Grundgewebe bezeichnet, in das andere

Gewebe eingebettet sind. Parenchymatische

Zellen zeichnen sich

durch dünne Zellwände aus, sind stark

vakuolisiert und bedingen die Saftigkeit

von Obst und Gemüse. Das Endosperm

stellt das Nährgewebe von

Pflanzensamen dar und ist das Hauptgewebe

von Getreidekörnern.

Zur Systematisierung wird im Folgenden

verallgemeinernd unterschieden

zwischen Pflanzenzellwänden,

die dikotylem (zweikeimblättrigem)

Obst und Gemüse entstammen, und

solchen, die monokotyle (einkeimblättrige)

Getreide als Ursprung haben.

Pflanzenzellwände aus monokotylem

Gemüse entsprechen weitgehend

denen aus dikotylem Gemüse.

Übersicht

Abb. 1: Monosaccharide als Bestandteile der Polysaccharide der pflanzlichen Zellwand.

Die in Zellwandpolysacchariden normalerweise dominierende Konfiguration der

Monosaccharideinheiten ist dargestellt. Die -/-Anomerie ist am Beispiel der Glukose

erläutert (s. a. Zuckernomenklatur).

Abb. 2: Schematische Darstellung der

dominierenden Struktureinheiten von

Pektinen (in Anlehnung an [11])

Pektine

Pektine sind Polysaccharide, die

überwiegend aus D-Galakturonsäure

(Abb. 1) bestehen. -(1→4)-gebundene

Galaktopyranuronsäure-Einheiten

bilden dabei lineare Ketten aus, die

Säuregruppen können als Methylester

vorliegen. In diese Hauptkette sind

teilweise L-Rhamnopyranose-Einheiten

über -(1→2)-Bindungen integriert.

Neutrale Polysaccharide wie

Arabinane und Galaktane können

über die Rhamnose-Einheiten an die

Hauptkette gebunden sein (Abb. 2).

Zwei Strukturelemente dominieren

gewöhnlich die Pektine: die Homogalakturonane

(Abb. 2) und die Rhamnogalakturonane

Typ I (Abb. 2). Die Homogalakturonane

bestehen nur aus

den bereits erwähnten linearen Galakturonsäureketten.

Abhängig vom Ursprung

der Pektine können die Galakturonsäureeinheiten

außer in Form

der Methylester auch in acetylierter

Form vorliegen. Die Homogalakturonan-Regionen

in Pektinen werden auch

als „smooth regions“ bezeichnet.

Rhamnogalakturonane Typ I bestehen

aus einer Hauptkette alternierend angeordneter

Rhamnose- und Galakturonsäureeinheiten.

Die Seitenketten

aus oligomeren und polymeren Arabinanen,

Galaktanen und Arabinogalaktanen

sind v. a. in O-4-Stellung der

Ernährungs-Umschau 50 (2003) Heft 12 471

I


Übersicht

Abb. 3: Neutrale Arabinoxylane: Xylanhauptkette und schematische Darstellung der

möglichen Substitution der Xyloseeinheiten mit Arabinoseseitenketten (Xyl – Xylose,

Ara – Arabinose).

Rhamnose-Einheiten gebunden. Die

Bereiche, in denen Rhamnogalakturonane

Typ I vertreten sind, werden als

„hairy regions“ bezeichnet. Weitere

Strukturelemente der Pektine sind die

Xylogalakturonane, Apiogalakturonane

sowie die Rhamnogalakturonane

Typ II [11].

Pektine können, ähnlich wie die

Xylane, in geringem Maße durch Diferulasäuren,

die an den Seitenketten

der Rhamnogalakturonane Typ I verankert

sind, miteinander verbunden

werden [12]. Auf Diferulasäure-Crosslinks

wird bei den Xylanen näher eingegangen.

Pektine sind in den Zellwänden der

meisten dikotylen Pflanzen in relativ

großen Mengen enthalten. Sie sind in

der Mittellamelle und in der Primärwand

lokalisiert, in der sie die Matrix

bilden, in die u. a. die Zellulose eingebettet

ist. Parenchymatische Zellwände

können aus bis zu 55 % Pektinen

bestehen. In Getreideballaststoffen

spielen Pektine hingegen nur eine untergeordnete

Rolle. Eine Ausnahme

bilden die Zellwände des Reis-Endosperms,

die parenchymatischen Zellwänden

dikotyler Pflanzen stark

ähneln. Pektine können i. A. mit heißem

Wasser oder chelatbildenden Lösungen

aus Zellwänden extrahiert

werden. Je nach Struktur haben Pektine

gelbildende Eigenschaften und

wirken als Kationenaustauscher, was

wiederum Einfluss auf ihre physiologischen

Wirkungen hat.

Hemizellulosen

Hemizellulosen sind Polysaccharide,

die mit verdünnten Alkalilaugen aus

der Zellwand extrahiert werden können.

Polysaccharide mit ähnlichen

Strukturen, die bereits mit Wasser extrahierbar

sind, werden ebenfalls zu

den Hemizellulosen gerechnet. In der

Zellwand liegen die Hemizellulosen

eng an Zellulose gebunden vor und

bilden die Matrix, in die die Zellulosemikrofibrillen

(s. u.) eingebettet sind.

Die wichtigsten Hemizellulosen in

den Zellwänden von Getreide sind

Arabinoxylane und mixed-linked -

Glukane, wohingegen in den parenchymatischen

Zellwänden dikotyler

Pflanzen normalerweise Xyloglukane

dominieren.

Arabinoxylane

Arabinoxylane sind die wichtigsten

Hemizellulosen in den Endospermzellwänden

von z. B. Weizen-, Maisund

Roggen. In denen aus Gerste und

Hafer dominieren hingegen die mixed-linked

-Glukane.

Neutrale Arabinoxylane als Bestandteile

der Endospermzellwände

bestehen aus einer Hauptkette

-(1→4)-gebundener D-Xyloseeinheiten

in ihrer Pyranoseform. Die Xyloseeinheiten

sind in 2- bzw. in 3-Stellung

mit -L-Arabinoseeinheiten monosubstituiert

oder in 2- und in 3-Stellung

mit -L-Arabinoseeinheiten disubstituiert.

Sie liegen aber auch unsubstituiert

vor (Abb. 3). Des Weiteren

sind in geringem Ausmaß auch

kurze, oligomere, aus Arabinoseeinheiten

bestehende Seitenketten

an die Hauptkette

gebunden. Der

Substitutionsgrad

(ausgedrückt im

Arabinose-/Xylose-

Verhältnis) ist abhängig

von der

betrachteten Getreideart,

ebenso

das Substitutionsmuster

(vorrangig

mono- oder disubstituiert).

Für Zellwände

aus Weizen

wurden z. B. Arabinose/Xylose-Verhältnisse

von 0,50–

0,71 beschrieben,

wohingegen die

aus Roggen einen

geringeren Substitutionsgradaufweisen

(0,48–0,55)

[13]. Mit zunehmendemSubstitutionsgrad

steigt die

Löslichkeit der Arabinoxylane. Weitere,

die Löslichkeit beeinflussende Parameter

sind z. B. der Polymerisationsgrad,

das Ausmaß der Cross-link-

Bildung, z. B. über Diferulasäuren,

und die Bindung an unlösliche Polymere,

z. B. Lignin. Die Substitution der

Xylanhauptkette beeinflusst nicht nur

die Löslichkeit, sondern auch die enzymatische

Abbaubarkeit des Xylans

und somit die Abbaubarkeit durch Mikroorganismen

im Dickdarm.

Die Arabinoxylane in den äußeren

Schichten des Getreidekorns liegen

i. A. als saure Arabinoxylane vor. In

diesen sind neben Arabinoseseitenketten

auch Seitenketten aus D-Glukuronsäure

und 4-O-Methyl-D-Glukuronsäure

an die Hauptkette gebunden.

Das Arabinose-/Xylose-Verhältnis

ist in den äußeren Schichten

des Getreidekorns häufig höher als

im Endospermgewebe (Weizenkleie

1,02–1,07, Roggenkleie 0,78 ).

Phenolcarbonsäuren (Abb. 4) können

Bestandteile der pflanzlichen

Zellwand darstellen. An Polysaccharide

aus Getreidezellwänden sind vor

allem Ferulasäure sowie in geringerem

Maße Sinapinsäure und p-Cumarsäure

esterartig gebunden. Die Bindung

der Ferulasäure erfolgt in Getreiden

vor allem an Arabinoxylane, bei einigen

dikotylen Pflanzen an Pektine

[14]. Ferulasäureester können radikalisch

dimerisieren und somit Arabinoxylane

bzw. Pektine miteinander

verbinden (Abb. 5). Bei der radikalischen

Dimerisierung entstehen ver-

Abb. 4: Phenolische Komponenten in Ballaststoffen: Die oben

dargestellten Phenolcarbonsäuren sind u. a. über Esterbindungen

mit Zellwandpolysacchariden assoziiert. Die als Monolignole

bezeichneten Coniferyl-, Sinapyl- und p-Cumarylalkohol

(unten) stellen die Monomereinheiten der polymeren Lignine

dar.

472 Ernährungs-Umschau 50 (2003) Heft 12


Abb. 5: Schematische Darstellung der Kopplung von Arabinoxylansträngen

über radikalisch gebildetete Diferulasäuren.

Die hier dargestellte Diferulasäure (8-O-4´-Diferulasäure) ist nur

eine von mehreren möglichen Diferulasäureisomeren, die bei

der radikalischen Kopplung in der Zellwand unter Ausnutzung

zellwandgebundener Peroxidase und von Wasserstoffperoxid

entstehen können [13, 14].

schiedene Diferulasäureisomere [15],

die u. a. auch in Getreideballaststoffen

nachgewiesen wurden [16]. Unlösliche

Getreideballaststoffe (Roggen,

Weizen, Dinkel, Gerste, Hafer, Mais,

Reis, Wildreis) enthalten zwischen 2,4

und 12,6 mg Diferulasäuren/g Ballaststoffe,

lösliche Getreideballaststoffe

hingegen nur 40 bis 230 µg Diferulasäuren/g

Ballaststoffe. Die Arabinoxylane

der unlöslichen Ballaststoffe

sind je nach Getreideart 8- bis

39-mal häufiger über Diferulasäuren

miteinander verknüpft als diejenigen

Zusammenfassung

der löslichen Ballaststoffe. Arabinoxylane

in Getreideballastoffen können

des Weiteren über radikalisch gebildete

Ferulasäuretrimere [17] und

über radikalisch gebildete Sinapinsäuredimere

miteinander verknüpft sein

[18].

Die Verknüpfung der Arabinoxylane

über Di- oder Triferulasäuren scheint

die Löslichkeit und das Gelbildungsvermögen

der Arabinoxylane zu beeinflussen.

Dies ist leicht nachvollziehbar,

wenn man berücksichtigt,

dass das (scheinbare) Molekularge-

Ballaststoffe aus Pflanzenzellwänden: Chemische und strukturelle Merkmale

M. Bunzel, H. Steinhart, Hamburg

Ballaststoffe bestehen aus unverdaulichen Poly- und Oligosacchariden, Lignin

und assoziierten Pflanzensubstanzen wie z. B. Cutin. Pflanzliche Zellwände nehmen

den Hauptanteil an Ballaststoffen in der Nahrung ein. Diese stellen sehr

komplexe Gebilde dar, deren Zusammensetzungen nicht nur von der betrachteten

Pflanze abhängen, sondern auch von dem betrachteten Gewebe und von

dem Entwicklungsstatus der Pflanze. Detaillierte Kenntnisse über die strukturellen

und chemischen Eigenschaften der Zellwandkomponenten sind jedoch unerlässlich,

sollen die physiologischen Effekte der Ballaststoffe verstanden werden.

Pflanzenzellwände bestehen aus Polysacchariden, Strukturproteinen, phenolischen

Substanzen, z. B. Lignin, und assoziierten Substanzen, z. B. Cutin. Strukturelle

und chemische Aspekte von Pektinen, Hemizellulosen (Arabinoxylane, mixed-linked

-Glukane, Xyloglukane), Zellulose und Lignin werden präsentiert

und Wechselwirkungen dieser Komponenten in der Zellwand dargestellt. Darüber

hinaus wird die Bedeutung chemischer und struktureller Merkmale der Ballaststoffkomponenten

mit Hinblick auf deren physiologischen Effekte diskutiert.

Ernährungs-Umschau 50 (2003), S. 469–475

Zellulose

Übersicht

Abb. 6: Strukturmerkmale von mixed-linked -Glukanen, Xyloglukanen

und Zellulose (Glc – Glukose, p – Pyranoseform, s. a.

Zuckernomenklatur).

wicht durch die Verknüpfung über nur

wenige Diferulasäuren stark ansteigt.

Dass Diferulasäure-Cross-Links einen

negativen Einfluss auf die enzymatische

Abbaubarkeit der Arabinoxylane

haben, wurde bereits gezeigt [19].

Möglicherweise wird durch die erhöhte

Vernetzung der Arabinoxylane die

Anlagerung der Xylanasen an ihr Substrat

erschwert und begrenzte Abschnitte

des Polysaccharids quellen

für einen enzymatischen Abbau nicht

aureichend. Entsprechende Auswirkungen

sind auch für die mikrobielle

Abbaubarkeit der Arabinoxylane

durch Darmbakterien zu erwarten.

Über die an Polysaccharide gebundenen

Ferulasäuren und Diferulasäuren

kann ebenfalls Lignin (s. u.) an Arabinoxylane

gekoppelt werden, was wiederum

die enzymatische Abbaubarkeit

der Polysaccharide reduziert. Aus

ernäh-rungsphysiologischer Sicht erscheint

weiterhin interessant, dass Ferulasäure

und Diferulasäuren über ein

erhebliches antioxidatives Potenzial

verfügen [20].

Mixed-linked -Glukane

Die Endospermzellwände von Gerste

und Hafer enthalten, anders als die

der übrigen Getreide, bis zu 70 %

mixed-linked -Glukane. Das Vorkommen

dieser Polysaccharide ist nach

heutigem Kenntnisstand auf Gräser

begrenzt.

Mixed-linked -Glukane bestehen

aus -(1→4)- und -(1→3)-gebunde-

Ernährungs-Umschau 50 (2003) Heft 12 473


Übersicht

nen D-Glukoseeinheiten in ihrer Pyranoseform

in einem Verhältnis von

7 : 3. Hierbei sind die -(1→4)-gebundenen

Glukoseeinheiten hauptsächlich

in Zellotriosyl- und Zellotetraosyleinheiten

angeordnet (Abb. 6). Die

Unterbrechung dieser Einheiten

durch -(1→3)-gebundene Glukoseeinheiten

führt zu einer unregelmäßigen

Form der Kette. Dadurch unterscheiden

sich die mixed-linked -Glukane

deutlich in ihren Eigenschaften

von der Zellulose (s. u.). So sind viele,

jedoch nicht alle -Glukane wasserlöslich

und können sehr viskose Lösungen

ausbilden, worauf einige physiologische

Wirkungen der Haferballaststoffe

beruhen sollen.

Xyloglukane

Xyloglukane stellen die dominierenden

Hemizellulosen in den Zellwänden

parenchymatischer Gewebe aus

Obst und Gemüse dar. Ihr Anteil an

der Zellwand beträgt 7–10 % bezogen

auf das Trockengewicht, kann in Einzelfällen

aber auch deutlich darüber

liegen. In den Zellwänden der monokotylen

Getreide liegen hingegen nur

geringe Mengen an Xyloglukanen vor

(Ausnahme: Reis).

Xyloglukane bestehen aus einer

linearen Kette -(1→4)-gebundener

D-Glukoseeinheiten in ihrer Pyranoseform.

Die Glukose-Einheiten sind

regelmäßig in O-6-Position mit -Xylose-Einheiten

(Pyranoseform) substituiert

(Abb. 6). Des Weiteren können

Seitenketten mit bis zu drei Zuckerresten

vorhanden sein, die neben der obligatorischen

Xylose zusätzlich Arabinose,

Galaktose oder Fukose enthalten

können [21]. Zudem kommen sowohl

Galaktoseeinheiten der Seitenketten

als auch Glukoseeinheiten der Hauptkette

in acetylierter Form vor.

Die Xyloglukane aus den monokotylen

Getreidearten unterscheiden

sich von denen aus dikotylen Pflanzen

u. a. im Substitutionsgrad der Hauptkette

mit Xyloseeinheiten.

Zellulose

Zellwände des Getreideendosperms

enthalten durchschnittlich 10–15 %

Zellulose, höhere Anteile werden in

den Zellwänden der äußeren Schichten

des Getreidekorns gefunden. In

parenchymatischen Zellwänden aus

Obst und Gemüse findet man 20–30 %

Zellulose.

Zellulose besteht aus linearen Ketten

-(1→4)-gebundener Glukoseeinheiten

(Pyranoseform) (Abb. 6). Diese

können sich durch zwischenmoleku-

lare Wasserstoffbrücken zu kristallinen

Bereichen zusammenlagern. Die

entstehenden Mikrofibrillen sind in

andere Zellwandbestandteile, z. B. Hemizellulosen,

eingebettet. Zellulose ist

auf Grund der starken Wasserstoffbrückenbindungen

und der daraus resultierenden

Ausbildung kristalliner

Bereiche in Wasser unlöslich, eine Tatsache,

die für ihre ernährungsphysiologischen

Wirkungen von Bedeutung

ist.

Lignin

Anders als bei den zuvor dargestellten

Ballaststoffkomponenten handelt es

sich bei den Ligninen nicht um Polysaccharide,

sondern um hydrophobe

Polymere aus phenolischen Monomereinheiten.

Eine mögliche Definition

bezeichnet Lignin als „polymeres

Naturprodukt, das durch enzymatisch

initiierte Dehydrogenierungs-Polymerisation

dreier primärer Vorstufen, Coniferyl-,

Sinapyl- und p-Cumarylalkohol

(Abb. 4), entsteht“ [22]. Jedoch

können auch weitere phenolische Monomere

in geringem Maße in dem Polymer

integriert sein. Werden Mechanismen

für die ernährungsphysiologischen

Eigenschaften von Ballaststoffen

diskutiert, wird Lignin häufig in

die Betrachtung einbezogen. So sollen

Lignine u. a. Kanzerogene binden,

aber auch für die schlechte Fermentierbarkeit

einiger Ballaststoffe im

Dickdarm verantwortlich sein. In diesem

Zusammenhang werden Getreidekleien

häufig als „stark lignifiziert“

beschrieben. Solche Aussagen und

Angaben über „Lignin“-Gehalte in

Ballaststoffen sind jedoch immer kritisch

zu bewerten, da der Nachweis

von Lignin und die Bestimmung von

Ligningehalten äußerst schwierig

sind. Daher sollte immer hinterfragt

werden, ob tatsächlich Lignin vorhanden

ist, und wenn ja, ob der ermittelte

Wert tatsächlich den Ligningehalt

beschreibt [23]. Der gängige Nachweis

bzw. die Bestimmung von Lignin

als Klason-Lignin – so bezeichnet man

den säureunlöslichen Rückstand

nach Behandlung mit konzentrierter

Schwefelsäure – besitzt nämlich analytische

Schwächen. Denn in dem

Rückstand können z. B. auch Strukturproteine

und Wachse vorhanden sein.

Daher ermöglicht die Bestimmung

des Klason-Lignins weder Aussagen

darüber, ob Lignin tatsächlich vorhanden,

noch darüber, wie viel tatsächlich

vorhanden ist. Der Nachweis und die

Charakterisierung von Ligninen (z. B.

Bestimmung der Monomerenzusam-

mensetzung) erfolgt am besten und

sichersten mit den Methoden der

„Analytical Thioacidolysis“ und der

„Derivatization Followed by Reductive

Cleavage (DFRC)“. Mit Hilfe der

DFRC-Methode [24] konnte u. a. gezeigt

werden, dass Getreideballaststoffe

tatsächlich Lignin gemäß der Definition

enthalten und die Zusammensetzung

der Monomere in den einzelnen

Getreidearten unterschiedlich ist.

Fazit

Der Begriff Ballaststoffe steht für eine

sehr heterogene Gruppe von Lebensmittelinhaltstoffen

mit unterschiedlichen

Strukturen sowie physiko-chemischen

und ernährungsphysiologischen

Eigenschaften. So findet man

unter dem Begriff Ballaststoffe u. a. die

Bestandteile der pflanzlichen Zellwand,

also Polysaccharide wie Zellulose,

Hemizellulosen und Pektine, und

phenolische Polymere wie Lignin. Die

als Ballaststoffe aufgenommenen

Pflanzenzellwände variieren nicht nur

von Pflanze zu Pflanze, sondern es bestehen

auch abhängig von dem betrachteten

Pflanzenteil und Gewebe

Unterschiede hinsichtlich Zusammensetzung,

Struktur und Eigenschaften.

Bei der Beurteilung der ernährungsphysiologischen

Eigenschaften

von Ballaststoffen sollte dies stets

berücksichtigt werden. Folglich sollten

nur sehr gut charakterisierte Ballaststoffe

bzw. Ballaststoffkomponenten

für entsprechende Experimente

eingesetzt werden.

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Korrespondenzadresse:

Dr. Mirko Bunzel

Universität Hamburg

Institut für Biochemie und Lebensmittelchemie,

Abteilung Lebensmittelchemie

Grindelallee 117

20146 Hamburg

E-Mail: Mirko.Bunzel@uni-hamburg.de

Ernährungs-Umschau 50 (2003) Heft 12 475

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