Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Wissenschaft und Forschung: Ausgabe 03/2013, 11.03.2013

Modifizierung von Lebensmittelinhaltsstoffen

Kleine Veränderungen in der chemischen Struktur von Inhaltsstoffen können grosse Veränderungen des Lebensmittels bezüglich der gesundheitlichen und technologischen Eigenschaften verursachen. Das Labor für Lebensmittelbiochemie der ETHZ beschäftigt sich mit Modifizierungen, die zu einer Verbesserung des gesundheitlichen und technologischen Nutzens von bestimmten Lebensmittelinhaltsstoffen führen.

Prof. Dr. Laura Nyström
ETH Zürich, Leiterin Labor für Lebensmittelbiochemie, www.foodbiochem.ethz.ch, laura.nystroem@hest.ethz.ch


Ein Schwerpunkt der Forschung des Labors für Lebensmittelbiochemie der ETH Zürich ist es, ein vertieftes Verständnis für die Reaktionen zu erlangen, welche zu einer Modifizierung von Lebensmittelinhaltsstoffen führen. Auch die Effekte, welche solche Veränderungen auf ernährungsphysiologische und technologische Eigenschaften haben, stehen im Fokus der Wissenschaftler. Das längerfristige Ziel der Forschung ist die Untersuchung und Anwendung von Reaktionen, mit denen sich die Funktionalität von einzelnen Lebensmittelinhaltsstoffen verändern lässt. Damit sollen ein Mehrwert und eine bessere Qualität von Lebensmitteln gewonnen werden. Die Strategie besteht darin, auf molekularer Ebene die Ursachen für gewisse Eigenschaften und Reaktivitäten zu verstehen, um dann durch Massschneidern des Lebensmittels Wege zur Optimierung der technologischen und/oder ernährungsphysiologischen Eigenschaften zu finden. Zurzeit liegt der Schwerpunkt der Forschung auf Getreide-Beta-Glucan und pflanzlichen Sterolen.

Getreide-Beta-Glucan ist ein zu den Nahrungsfasern gehörender Inhaltsstoff, der neben seinem gesundheitlichen Nutzen auch mannigfaltige technologische Funktionen ausübt. Die Gruppe Lebensmittelbiochemie untersucht die verschiedenen nichtenzymatischen Reaktionen, welche bei Lebensmittelverarbeitungsprozessen zu Modifizierungen des Beta-Glucans führen. Diese können potenziell auch die gesundheitsfördernden Eigenschaften des Beta-Glucans verändern. Auf der anderen Seite lässt sich mit gezielt durchgeführten Modifizierungen eine Verbesserung der technologischen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften bewirken. Es ist wissenschaftlich erwiesen, dass Beta-Glucan die Cholesterinaufnahme vermindern und den Glucosemetabolismus regulieren kann. Daher erlauben die EFSA wie auch das BAG eine Auslobung der Produkte, die reich an Beta-Glucan sind. Aufgrund der Fähigkeit zur Erhöhung der Viskosität von Lösungen und zur Bildung gelartiger Strukturen ist Beta-Glucan auch als Verdickungsmittel einsetzbar. Weitere Anwendungsbereiche von Beta-Glucan umfassen den Einsatz als Salz- oder Fett-Ersatzstoff und bedeuten eine Erweiterung der gesundheitsunterstützenden Eigenschaften dieses Stoffes.
Häufig tritt bei Lebensmittelverarbeitungsprozessen ein Abbau der Beta-Glucan-Polymere ein, was zu einer Abnahme der Viskosität führt. Andererseits wird bei verschiedenen Verarbeitungsmethoden das Beta-Glucan-Molekül modifiziert, indem neue funktionelle Gruppen in das Polymergerüst eingebaut werden. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich mit diesen Veränderungen die intermolekularen Wechselwirkungen des Beta-Glucans mit seiner Umgebung (andere Makromoleküle, Metalle, kleinere Moleküle) erheblich beeinflussen lassen. Die Forschung bezweckt daher die Charakterisierung der qualitativen und quantitativen Veränderungen (hauptsächlich durch Oxidation) in Beta-Glucan-Molekülen bei verschiedenen Verarbeitungsprozessen. Nach anfänglicher Identifizierung und Charakterisierung der bedeutsamen Reaktionsparameter, welche die Beta-Glucan-Oxidation beeinflussen, hat die Gruppe die Forschung kürzlich auf die Untersuchung der potenziellen Konsequenzen der Oxidation auf die gesundheitsfördernden Eigenschaften erweitert. Wenn einmal das Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen zwischen den Beta-Glucan-Oxidationsprodukten und ihren gesundheitsfördernden Eigenschaften vorhanden ist, können die Forscher die Prozesse so modifizieren, dass sich die Anzahl erwünschter Veränderungen (Oxidation an bestimmten Stellen des Beta-Glucan-Moleküls) erhöhen lässt und dass sich unerwünschte Veränderungen verhindern lassen. Die Experten gehen davon aus, dass das Beta-Glucan beim Verarbeitungsprozess ohnehin oxidiert wird. Daher können sie auch versuchen, das Beste daraus zu machen. Das Ziel dabei ist, die Viskositätseigenschaften weitgehend zu erhalten, gleichzeitig jedoch gezielte Modifizierungen am Molekül zu erzielen, welche neue Chancen für die Verwendung von Beta-Glucan auch als technologisches Hilfsmittel eröffnen. Zum Studium der Reaktionsgeschwindigkeiten der Beta-Glucan-Oxidation unter verschiedenen Reaktionsbedingungen und zur physiochemischen Charakterisierung der Reaktionsprodukte haben die Wissenschaftler eine Toolbox von sich gegenseitig ergänzenden analytischen Methoden entwickelt (dazu gehören hochauflösende MS, ESR, FT-IR, NMR, rheometrische Methoden). Mit der hochauflösenden Massenspektrometrie hoffen sie, bald in der Lage zu sein, auch kleinste oxidative Veränderungen des Beta-Glucans in Lebensmitteln feststellen und diese Kenntnisse zur Steigerung des gesundheitlichen Nutzens dieser Nahrungsfaser einsetzen zu können.

Pflanzensterole sind eine weitere Gruppe von Lebensmittelinhaltsstoffen, welche den Konsumenten nicht nur einen gesundheitlichen Mehrwert erbringen, sondern auch gewisse technologische Funktionlitäten besitzen können. Wie Beta-Glucan haben Pflanzensterole ebenfalls einen anerkannten Status als effizienten Lebensmittelinhaltsstoff zur Senkung des Cholesterols. Die Forschung konzentriert sich auf Sterylferulate und Sterylglycoside, die polarer sind als die Sterole, die zurzeit funktionellen Lebensmitteln zugesetzt werden. Diese polaren Sterylkonjugate scheinen zusätzlich zum cholesterinsenkenden Effekt weitere gesundheitsfördernde Eigenschaften zu besitzen und lassen sich auch Lebensmitteln zusetzen, die einen höheren Wassergehalt aufweisen. Überdies besitzen diese Konjugate eine potenzielle Rolle als oberflächenaktive Substanzen beziehungsweise Emulgatoren und sind als Antioxidantien einsetzbar. Damit stellen Sterylkonjugate eine interessante Gruppe multifunktioneller Substanzen dar, die zusätzlich zum gesundheitlichen Effekt auch einen technologischen Mehrwert liefern können. Das Sterolprofil – das Profil verschiedener molekularer Spezies von Sterolen – variiert signifikant zwischen verschiedenen Pflanzen, und es scheint, dass die Sterolzusammensetzung einen Einfluss auf die biologischen Eigenschaften hat. So ist zum Beispiel die Sterolzusammensetzung von Sterylferulaten (Ferulasäureester von Sterolen) in Reis und Weizen sehr unterschiedlich. Dies hat nicht nur einen Effekt auf den Metabolismus dieser Substanzen im menschlichen Körper zur Folge, sondern zum Beispiel auch auf die antioxidative Wirksamkeit von Sterylferulaten im Lebensmittel selbst, wie auch beim Menschen nach dem Verzehr. Das Ziel der Forscher ist es, die ideale Zusammensetzung von Pflanzensterolkonjugaten herauszufinden, um das Maximum an gesundheitlichem Nutzen oder anderen Eigenschaften zu erhalten. Dazu gehört auch die Erforschung von Wegen, um Sterolkonjugat-Gemische mit optimierter Zusammensetzung zu erhalten, sei dies enzymatisch oder durch Extraktion aus pflanzlichem Material. ¡

Weitere Informationen:
Dieser Beitrag ist der erste einer Serie, welche die Forschungsgruppen am Institut für Lebensmittel, Ernährung und Gesundheit der ETH Zürich vorstellt.