Gesundheitliche Effekte von Ballaststoffen Ein Update, Teil 1: Von der Struktur zur Funktion Alexander Ströhle, Maike Wolters und Andreas Hahn | Ballaststoffe galten in der Ernährungswissenschaft lange Zeit als überflüssige, wenn nicht sogar als negativ zu wertende Nahrungsbestandteile. Seit den 1970er Jahren hat sich diese Auffassung gänzlich gewandelt. Zu dieser Entwicklung haben u. a. Ergebnisse aus Langzeitbeobachtungsstudien beigetragen. Diese stützen die These, dass Ballaststoffe eine wichtige Bedeutung für die langfristige Gesunderhaltung besitzen [3 – 4; 28; 53; 55; 61; 66; 68]. In diesem ersten Teil des Beitrags stehen die Struktur-Funktionsbezüge der Ballaststoffe im Mittelpunkt. Darauf aufbauend werden in einem zweiten Teil die systemischen und protektiven Effekte des Ballaststoffverzehrs beschrieben.
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kungen“, darunter Dickdarmerkrankungen (Obstipation, Kolondivertikel und Kolonkarzinom) und koronare Herzkrankheit die Folge einer unzureichenden Zufuhr an Ballaststoffen [10 –16; 71 – 73]. In der Folgezeit erfuhr die „Ballaststoffhypothese“ großes Interesse. Zahlreiche Studien wurden initiiert, um der Frage nachzugehen: Sind Ballaststoffe wirklich von gesundheitlichem Nutzen; und, wenn ja, welchen Mechanismen liegt dieser zugrunde?
Charakterisierung – was sind Ballaststoffe? Für Ballaststoffe existiert keine einheitliche, international verbindliche Begriffsdefinition [23]. Allgemein werden Ballaststoffe primär physiologisch – und nicht chemisch – definiert:
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Anfang des 18. Jahrhunderts schrieb der Nestor der modernen Ernährungsphysiologie, der Mediziner und Hygieniker Max Rubner (1854 –1932): Das „alte Verfahren, Korn in einer einzigen Prozedur mitsamt der Kleie zu vermahlen, sollte ganz aufgehoben werden“ [57]. Diese Auffassung war nur konsequent, galten die ballaststoffreichen Randschichten des Getreidekorns doch als überflüssiger, weil unverdaulicher Ballast [58]. Es waren schließlich die Arbeiten der englischen Tropenmediziner Denis P. Burkitt (1911 –1993) und Hugh C. Trowell (1904 –1989), die die Ballaststoffe in einem neuen Licht erscheinen ließen. Basierend auf ihren Untersuchungen an afrikanischen Ureinwohnern stellten die Forscher in den 1970er Jahren die „dietary fibre hypothesis“ auf. Nach dieser sind typische „Zivilisationserkran-
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Ballaststoffe
. Definition in den D-A-CH-Referenzwerten: „Unter dem Sammelbegriff Ballaststoffe (Nahrungsfasern) werden Bestandteile pflanzlicher Nahrung zusammengefasst, die von den körpereigenen Enzymen des menschlichen Magen-DarmTraktes nicht abgebaut werden“ [22].
keit des Polymerisationsgrades: Poly-, Oligo-, Disaccharide). . Nicht-Saccharide (Weitere Unterteilung in Abhängigkeit der Strukturcharakteristika der Monomere; siehe Tab. 1).
Quantitativ am bedeutsamsten ist die Unterklasse . Begriffsbestimmung der Lebensmittelchemischen der komplexen Polysaccharide. Diese umfasst: Gesellschaft innerhalb der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh): „Ballaststoffe werden definiert als Bestandteile der Pflanzenzellen und/oder isolierte natürliche oder durch technologische Verfahren gewonnene Kohlenhydrate, die durch das menschliche Enzymsystem im Dünndarm nicht zu resorbierbaren Komponenten abgebaut werden. Sie können aber teilweise oder vollständig von der Dickdarmflora fermentiert werden“ [52]. Abb. 1: Zweidimensionale Struktur von Zellulose, einem weit verbreiteten Ballaststoff.
. Definition des US-amerikanischen Institute of Medicine: Als Nahrungsfasern (dietary fiber) werden „unverdauliche, in Pflanzen inhärent und unversehrt vorliegende Kohlenhydrate und Lignin“ verstanden. Davon abzugrenzen sind funktionelle Faserstoffe (functional fiber). Sie werden definiert als „isolierte, nicht verdauliche Kohlenhydrate, die im menschlichen Organismus physiologisch vorteilhaft wirken“. Gesamtfaserstoffe (total fiber) bilden „die Summe aus Nahrungsfasern und funktionellen Fasern“ [33; 39]. Gemeinsames Charakteristikum von Ballaststoffen ist somit ihre Nicht-Verdaulichkeit – unabhängig von ihrer chemischen Struktur [1; 24; 42].
Ballaststoffe – eine Nährstoffklasse mit vielen Strukturkomponenten Bei Ballaststoffen handelt es sich um eine sehr heterogene Gruppe von Nahrungsbestandteilen. Sie lassen sich in Abhängigkeit von ihren chemischen, physikochemischen und physiologischen Eigenschaften klassifizieren [27; 47; 51; 70]: Einteilung nach dem Aufbau Unter chemischen Gesichtspunkten zählen Ballaststoffe zu zwei großen Stoffklassen: . Saccharide (Weitere Unterteilung in Abhängig-
. Nicht-Stärke-Polysaccharide wie Zellulose und Hemizellulose (siehe Abb. 1). . Resistente Stärken, worunter jener Anteil der Nahrungsstärke verstanden wird, welcher der enzymatischen Hydrolyse im Dünndarm entgeht und unverändert in den Dickdarm gelangt. Tabelle 1 gibt eine Übersicht zur chemischen Einordnung der Ballaststoffe in die verschiedenen Stoffklassen und deren Charakteristika. Einteilung nach dem Löslichkeitsverhalten Ballaststoffe zeigen in wässriger Lösung typische Eigenschaften, die zur Einteilung dienen können: . Löslichkeit. Seit Langem üblich ist die Unterscheidung zwischen wasserlöslichen und -unlöslichen Ballaststoffen (siehe Abb. 2). Während lösliche Ballaststoffe große Mengen an Wasser aufnehmen können (bis ca. 60 ml/g), ist diese Fähigkeit bei unlöslichen Ballaststoffen mit ca. 3 ml/g sehr gering. Mit Ausnahme von Zellulose, Lignin, resistenter Stärke und einigen Hemizellulosen sind alle übrigen, nicht-synthetischen Ballaststoffe wasserlöslich (siehe Tab. 2). . Wasserbindungsvermögen. Das Wasserbindungsvermögen beruht auf der Fähigkeit mancher Ballaststoffe, Wasser zu adsorbieren oder innerhalb der Matrix einzuschließen und festzuhalten. Es steht in einem direkten Zusammenhang zu der
Abb. 2: Einteilung der Ballaststoffe nach ihrer Löslichkeit [51].
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152. Jahrgang | Deutsche Apotheker Zeitung | 3781 | 41
Ballaststoffe
Tabelle 1: Einteilung der Ballaststoffe nach ihren chemischen Eigenschaften (zusammengestellt nach [27; 47; 70]) Klasse
Gruppe
Vertreter
chemischer Aufbau
Herkunft
Polysaccharide
Nicht-StärkePolysaccharide
Zellulose
. aus Glucosemonomeren bestehend, β-1,4-glykosidisch verknüpft . Polymerisationsgrad bis zu 10.000 Monomere . langkettige, unverzweigte Struktur
. klassicher Faserstoff der Zellwände höherer Pflanzen . verfügbar als reiner Ballaststoff (mikrokristalline Zellulose) in Pulverform
Hemizellulose (Pentosane)
. heterogene Polysaccharide, be stehend aus Hexosen (Galaktose, Glucose, Mannose) und Pentosen (Arabinose, Xylose) sowie Uronsäuren (Galacturon- und Glucuronsäure) . Molekulargewicht um 500.000 . uneinheitliche Struktur mit variierender Verzweigung der Molekül ketten
. als Begleitfaserstoff von Zellulose in Zellwänden höherer Pflanzen enthalten . mit Ausnahme von Psyllium (s. u.) nicht als Isolat im Handel erhältlich
Pektin
. unverzweigte Polysaccharide mit 85 - 100 % Galacturonsäuremonomeren und Resten von Pentosen und Hexosen . Veresterung der Carboxylgruppen zu 20 - 80 % . Molekulargewicht um 100.000
. Gerüst- und Kittsubstanz der Zellwände . als Apfel- und Citruspektinpulver im Handel
Betaglukan
. aus Glucosemonomeren bestehend, β-1,4- und β-1,3-glykosidisch verknüpft . verzweigte Struktur
. Endosperm von Hafer- und Gerstenkörnern . im Handel nicht als Reinsubstanz erhältlich
Guar
. Mannosekette mit einzelnen abzweigenden Galaktosemonomeren
. Endosperm der indischen Bohnenart Cyamopsis tetragonolobus . im Handel als Guarkernmehl erhältlich (enthält eine Beimengung von etwa 2,5% Zellulose)
Psyllium
. chemisch eine Hemizellulose (s. o.), aber nicht aus der Zellwand stammend . Polysaccharid aus einem Xylangerüst mit Seitenketten von Arabinose, Rhamnose und Galacturonsäuren
. Samenschalen von Plantagoarten, meist aus der indischen Plantago ovata (Flohsamenschalen) gewonnen . handelsübliche Präparate enthalten gemahlene Flohsamenschalen mit einer erheblichen Beimengung an Hemizellulosen
Inulin
. Polysaccharid aus Fructosemonomeren (bis zu 100 Einzelmoleküle), die β-1,2-glykosidisch verknüpft sind
. Reservekohlenhydrat in einigen Pflanzen (Artischocke und Topinambur) . als Pulver im Handel erhältlich
. physikalisch resistente Stärke . resistente Stärke granula . retrogradierte Stärke
. chemisch identisch mit der Nahrungsstärke . bestehend aus Amylose (α-1,4-glykosidisch verknüpfte Glucosemonomere; Molekulargewicht > 60.000) und Amylopektin (α-1,4- und α-1,6glykosidisch verknüpfte Glucosemonomere; Molekulargewicht > 300.000)
. physikalisch resistente Stärke: Große stärkehaltige Partikel erschweren den Zugang der Hydrolasen. Quellen: Grob geschrotetes Getreide . resistente Stärkegranula: Die kristalline Struktur der Stärkepartikel erschwert den enzymatischen Abbau. Quellen: Unreife Bananen, unerhitzte Kartoffeln und Leguminosen . retrogradierte (rekristallinisierte) Stärke entsteht nach der thermischen Behandlung von Stärken mit nachfolgender Abkühlung (Retrogradation). Quellen: Brot, gekochte und abgekühlte Kartoffeln)
Resistente Stärke
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Ballaststoffe
Tabelle 1: Einteilung der Ballaststoffe nach ihren chemischen Eigenschaften (zusammengestellt nach [27; 47; 70])
(Fortsetzung)
Klasse
Gruppe
Vertreter
chemischer Aufbau
Herkunft
OligosaccharidBallaststoffe
Oligofructose (Fructooligosaccharide)
–
. aus Fructosemonomeren aufgebaut, die β-3,10-glykosidisch verbunden sind . besteht aus bis zu 10 Fructosemolekülen
. in Form von Isolaten im Handel erhältlich . Zusatz in pre- und synbiotischen Lebensmitteln
Oligosaccharide der Raffinose familie
Raffinose, Stachyose
. Raffinose ist ein Trisaccharid, bestehend aus Glucose, Galaktose und Fructose . Stachyose resultiert aus der Verlängerung der Raffinosekette um eine Galaktoseeinheit
. in Zellwänden von Leguminosen
Disaccharide
Laktulose
. Aufbau aus einem Galaktose- und einem Fructosemonomer
. gebildet aus Laktose durch Isomerisierung (de-Bruyn-van-EkensteinUmlagerung). Quellen: Geringe Konzentrationen in ultrahocherhitzter und sterilisierter Milch
Zuckeralkohole
Laktitol
. Aufbau aus einem Galaktose- und einem Sorbitolmonomer (4-O-β-DGalaktopyranosyl-D-Glucitol)
. Synthetisch gewonnen durch katalytische Hydrierung von Laktose. . In Form von Lactit als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen.
Lignin
. Phenylpropan-Makromolekül . Molekulargewicht um 5000
. Zellwände von höheren Pflanzen . als Isolat nicht im Handel erhältlich
Cutin
. verestertes Heteropolymer
. Wachsschicht vieler Pflanzen
DisaccharidBallaststoffe und deren Derivate
Nicht-SaccharidBallaststoffe
Quellfähigkeit eines Stoffs und der daraus resultierenden Viskositätserhöhung. Die meisten Ballaststoffe (Ausnahme: Lignin) haben das Potenzial, Wasser zu binden – wenn auch in unterschiedlichem Maße. Während Zellulose nur geringe Mengen Wasser anlagert (~ 0,4 ml/g), ist das Wasserbindungsvermögen von Hemizellulose deutlich ausgeprägter (~ 4 – 25 ml/g) [67]. Besonders stark ist die Wasserbindungskapazität von Pektin und anderen wasserlöslichen Ballaststoffen wie Guar und Psyllium. Sie bilden in Wasser visköse Lösungen und werden aufgrund ihrer gelbildenden Eigenschaften unter der Sammelbezeichnung Hydrokolloide zusammengefasst (siehe Tab. 2).
Einteilung nach der elektrischen Ladung Ballaststoffe unterscheiden sich in ihrer elektrischen Ladung, so dass zwischen neutralen und negativ geladenen Substanzen unterschieden wird (siehe Tab. 2). Das Ladungsverhalten steht in direkter Beziehung zum Ionenaustauschvermögen der Ballaststoffe, d. h. zur Fähigkeit, Kationen zu binden. Verantwortlich hierfür sind meist freie Carb oxylgruppen der Galakturonsäure (Beispiel: Pektin). Einteilung nach der Fermentierbarkeit Eine unter physiologischen Gesichtspunkten bedeutsame Unterteilung ist die zwischen bakteriell fermentierbaren und nicht-fermentierbaren Ballaststoffen. Erstere werden von der Mikroflora des
Tabelle 2: Übersicht zu den physikochemischen und physiologischen Eigenschaften der Ballaststoffe [70]. -: Nicht vorhanden; Anzahl der Plus-Symbole: Stärke der Eigenschaft Ballaststoffvertreter
Wasser löslichkeit
Quellfähigkeit
Viskosität/ Gelbildung
Elektrische Ladung
Fermentierbarkeit
Zellulose
–
(+)
–
neutral
10 - 30 %
Resistente Stärke
–
+
(+)
neutral
≈ 100 %
Lignin
–
–
–
neutral
0 %
50 % –, 50 % +
++
+
negativ
50 - 70 %
Hemizellulose Pektin
+
+++
+++
negativ
≈ 100 %
Betaglukan
+
++++
+++
neutral
≈ 100 %
Guar
+
++++
+++
neutral
≈ 100 %
Psyllium
+
+
++
negativ
100 %
Inulin
+
+
++
neutral
100 %
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Ballaststoffe
Dickdarms enzymatisch abgebaut. Als Reaktions produkte entstehen neben Gasen (Kohlendioxid, Methan, Wasserstoff) die kurzkettigen Fettsäuren Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure bzw. ihre entsprechenden Salze (Azetat, Propionat, Butyrat). Sowohl die Fermentationsrate als auch das Verhältnis der gebildeten Fettsäuren variieren je nach Ballaststoffkomponente, Passagezeit und Zusammensetzung der intestinalen Mikroflora [5; 69; 70]:
Tabelle 3: Ballaststoffgehalte ausgewählter Nahrungsmittel Lebensmittel
GesamtBallaststoffgehalt (g/100 g)
Wasserlösliche Ballaststoffe (g/100 g)
Wasserunlösliche Ballaststoffe (g/100 g)
Linsen, Samen, trocken
17,0
1,6
15,4
Erbsen, Samen, trocken
16,6
5,1
11,6
Weizen, ganzes Korn
13,3
2,9
10,4
Erdnüsse, geröstet
11,4
k.A.
k.A.
Haselnüsse
8,2
0,4
7,8
Weizenmehl, Type 405
4,0
1,7
2,3
Karotten
3,6
1,7
1,9
Birnen
3,3
0,6
2,7
Brokkoli
3,0
1,3
1,7
Blumenkohl
2,9
0,5
2,4
Apfel
2,0
0,5
1,5
Kartoffeln
2,1
0,9
1,2
. Fermentationsrate: Wasserlösliche Ballaststoffe und resistente Stärken unterliegen einem nahezu vollständigen Abbau, während Hemizellulosen zu 50 bis 70 %, Zellulose bis zu 30 % und Lignin sowie Cutin überhaupt nicht fermentiert werden (siehe Tab. 2). Die Abbaurate weist lokale Unterschiede auf und nimmt vom Zaekum zum Rektum kontinuierlich ab. . Fettsäurensynthese: Im Durchschnitt entstehen pro Gramm fermentierbaren Ballaststoffs 0,5 bis 0,6 g kurzkettige Fettsäuren, wobei das molare Verhältnis von Azetat, Propionat und Butyrat etwa 60 : 20 : 15 beträgt. Durch die Bildung von kurzkettigen Fettsäuren liefern die Ballaststoffe Energie (~ 2 kcal/g Ballaststoffe). Davon sollen bis zu 70 % vom Menschen genutzt werden können.
Quellen – wo Ballaststoffe zu finden sind Ballaststoffe finden sich in Lebensmitteln pflanzlicher Herkunft, wobei die Gehalte je nach Quelle deutlich variieren (siehe Tab. 3): . Hohe Gehalte (>15 g/100 g) sind in Hülsenfrüchten enthalten. . Mittlere Gehalte (6 –15 g/100 g) weisen Vollkornprodukte, Trockenfrüchte und Nüsse auf. . Geringe Gehalte (< 6 g/100 g) finden sich in stärkearmen Gemüse (z. B. Brokkoli), Nüssen sowie in Obst.
Neben den genannten, üblicherweise verzehrten Lebensmitteln, weisen Leinsamen und spezielle Konzentrate sehr hohe Mengen an Ballaststoffen auf (siehe Tab. 4). Sie finden vorzugsweise bei der diätetischen Therapie von Erkrankungen Verwendung und sind auch für die Apothekenpraxis von Relevanz. Anzumerken ist, dass die Angaben zum Ballaststoffgehalt von Lebensmitteln methodisch bedingt variieren können. Das heute international gebräuchliche Verfahren ist enzymatischer Art (AOAC-Analysenmethode; Association of Official Analytical Chemistry). Es ermöglicht, neben dem Gesamtballaststoffgehalt die Menge an löslichen und unlöslichen Ballaststoffen zu erfassen. Ein Nachteil der Methode ist, dass der Gehalt an resistenter Stärke unberücksichtigt bleibt [52]. Neben dem Gesamtballaststoffgehalt eines Lebensmittels ist die Relation der einzelnen Ballaststoffgruppen zueinander von ernährungsphysiologischer Bedeutung. Während in Vollkornprodukten und Hülsenfrüchten wasserunlösliche Ballaststoffe (Zellulose und manche Hemizellulosen) dominieren, sind in Gemüse und Obst höhere Mengen an wasserlöslichem Pektin zu finden (siehe Tab. 3 und Tab. 4). Generell sind Zellulose und Hemizellulosen die in den meisten Lebensmitteln vorherrschenden Ballaststoffe [48].
Tab. 4: Ballaststoffgehalte ausgewählter Ballaststoffkonzentrate (Angaben in Gewichtsprozent) [70] Bezeichnung
Zellulose
Hemizellulose
Lignin
Pektin
Betaglukan
GesamtBallaststoffe
10 – 20
20 – 28
6 – 8
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