Physiologische Untersuchungen mit ballaststoffhaltigen Gerstenprodukten

G. Dongowski1, M. Huth1, E. Gebhardt2, E. und W. Flamme3
1 Deutsches Institut für Ernährungsforschung, Arthur-Scheunert-Allee 114-116, 14556 Bergholz-Rehbrücke
2 IGV Institut für Getreideverarbeitung GmbH, Arthur-Scheunert-Allee 40-41, 14558 Bergholz-Rehbrücke
3 Bundesanstalt für Züchtungsforschung an Kulturpflanzen, Institut für Streßphysiologie und Rohstoffqualität, Rudolf-Schick-Platz 3, 18190 Groß Lüsewitz


Zusammenfassung

Unter optimierten Bedingungen können mittels Extrusion verzehrsfähige, ballaststoffhaltige Produkte aus Gerste mit interessanten funktionellen und guten sensorischen Eigenschaften hergestellt werden. Diese zeigten am Menschen und am Versuchstier erwünschte physiologische und präventiv-medizinische Effekte, die besonders mit den viskositätserhöhenden Wirkungen der b -Glucane im Dünndarm und der guten Fermentierbarkeit der resistenten Stärke und der b -Glucane in Zusammenhang stehen. Positive Wirkungen der Gerstenprodukte bestehen besonders in der erhöhten Bildung kurzkettiger Fettsäuren und in der Ausscheidung von Gallensäuren sowie neutralen Sterolen.

Einleitung

Verschiedene Zivilisationskrankheiten in westlichen Industrieländern werden auch mit einem zu geringen Konsum an Ballaststoffen in Beziehung gebracht. In den letzten Jahren wurden wesentliche Erkenntnisse über die funktionellen Eigenschaften und die physiologischen Wirkungen der Ballaststoffe gewonnen.

Es zeigte sich, daß Ballaststoffe in Abhängigkeit von ihrer Struktur eine Reihe präventiv-medizinischer Wirkungen hervorrufen können. Somit sind Lebensmittel, die unterschiedlich strukturierte Ballaststoffe enthalten, vorteilhaft.

Cerealien sind eine wichtige Quelle für Ballaststoffe. In der Humanernährung wird Gerste derzeit nur zu einem relativ geringen Anteil in Mitteleuropa eingesetzt. Von den Ballaststoffen der Gerste sind die (1® 3),(1® 4)-b -Glucane wegen ihrer hohen Viskosität besonders wichtig. Während der Gehalt an Gesamt-Ballaststoffen in Gerste um 20 % liegt, sind normalerweise weniger als 6 % b -Glucan anwesend. Andererseits beträgt in der amerikanischen Gerstensorte Prowashonupana der b -Glucangehalt mehr als 16 %.

Durch verschiedene technologische Behandlungen kann ein Teil der Amylose in die sogenannte resistente Stärke umgewandelt werden [1], die bei der Fermentierung relativ hohe Konzentrationen an kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) ergibt.

In dieser Studie werden Ergebnisse über die Generierung von resistenter Stärke aus Amylose in Gerste bei weitgehendem Erhalt der makromolekularen Eigenschaften der b -Glucane und über die funktionellen Eigenschaften der bereiteten Extrudate mitgeteilt. Im Mittelpunkt stehen die Ergebnisse von Untersuchungen der physiologische Effekte dieser ballaststoffhaltigen Gerstenextrudate am Menschen und bei konventionellen Ratten.

Material und Methoden

Herstellung der Extrudate

Zur Optimierung der technischen Parameter wurde ein Einschnecken-Laborextruder DN 20 der Fa. Brabender (Duisburg) eingesetzt. Es galt, eine erhöhte Ausbeute an resistenter Stärke bei möglichst geringer Depolymerisation der b -Glucane zu erzielen. Für die meisten Untersuchungen wurden die Sommergerste Krona (Spreewaldmühle Uwe Krümmel, Burg) und die Gerstenform HiAmi ´ Cheri (Saatzucht Dr. h.c. Carsten, Bad Schwartau) eingesetzt. Als optimale Bedingungen zur Generierung von resistenter Stärke wurden eine Temperatur von 150 °C, eine Gutfeuchte von 20 %, eine Drehzahl von 200 U/min und eine relativ weite Düse ermittelt. Nach der Extrusion wurden die Produkte mindestens 3 d bei -18 °C gelagert [2]. Von den bereiteten Extrudaten bzw. von hieraus bereiteten Extrakten und Suspensionen wurden verschiedene funktionelle Parameter bestimmt.

Für die physiologischen Untersuchungen erfolgte die Extrusion in einem Doppelschneckenextruder. Es wurde hierbei mit einer Drehzahl von 350 U/min unter Einsatz einer Düse 2 ´ 3,5 mm gearbeitet.

Bestimmung der Zusammensetzung und von funktionellen Eigenschaften der Extrudate

Die Gehalte an b -Glucan, Stärke und resistenter Stärke wurden enzymatisch bestimmt.

Die Säure-Extrakt-Viskosität wurde im automatischen Viskosimeter Eta-5000 (Dr. Bures GmbH, Dallgow) gemessen. Die Wasserbindung wurde nach der Zentrifugenmethode ermittelt. Das Molekulargewicht wurde viskosimetrisch über die Grenzviskosität [h ] bestimmt. Das Fließverhalten wurde in einem Rotationsviskosimeter mit Doppelspalt-Meßeinrichtung (Physica, Stuttgart) bei 25 °C gemessen.

Durchführung der physiologischen Untersuchungen

Im Versuch am Menschen erhielten 11 gesunde Probanden 4 Wochen lang täglich je 100 g Extrudat A zusätzlich zu ihrer habituellen Kost.

Die Tierversuche wurden 6 Wochen lang mit Gruppen von je 10 wachsenden konventionellen Ratten durchgeführt. Das Futter der Kontrollgruppe K besaß folgende Zusammensetzung: 63 % Weizenstärke, 20 % Casein, 5 % Sonnenblumenöl, 5 % Cellulose, sowie 5 % Mineralstoff- und 2 % Vitaminmischung. Das Futter der Versuchsgruppen A bis D bestand zu 50 % aus den Gerstenproben A bis D (Austausch der Stärke).

Bestimmt wurden u.a. im Plasma die Lipide sowie in den Faeces die SCFA gaschromatographisch, die Gallensäuren mittels HPLC [3] und die neutralen Sterole mittels HPTLC. Weiterhin wurden die Keimzahlen ermittelt. Am Versuchsende wurden auch die Darminhalte der Ratten analysiert.

Ergebnisse und Diskussion

Extrusion

In einigen Studien wurde die Bildung von resistenter Stärke durch Extrusion untersucht [z.B. 4-5]. Allerdings wurden meist keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt.

Es gelang in den eigenen Untersuchungen, die technischen Parameter während der Extrusion in der Weise so zu optimieren, daß aus einheimischen Gerstensorten bis zu ca. 7 % resistente Stärke generiert wurden, ohne daß die makromolekularen Eigenschaften der b -Glucane durch die hydrothermische Behandlung verloren gehen. Die unter optimierten Bedingungen bereiteten Extrudate zeigten gute sensorische Eigenschaften. Sie waren nicht verfärbt und ohne Off-Flavor. Die Produkte konnten ohne Veränderung ihrer sensorischen Qualität mindestens 6 Monate gelagert werden. Es zeigte sich, daß die Extrudate problemlos in Frühstücks-Cerealien eingearbeitet werden können.

Funktionelle Eigenschaften der Extrudate

Extrakte und Suspensionen aus den extrudierten Produkten, die unter optimierten Bedingungen bereitet wurden, besaßen im wäßrigen Milieu hohe Viskositäten und ein pseudoplastisches Fließverhalten. Die Extrusionsparameter wirken sich deutlich auf die Wasserbindungseigenschaften und die Säure-Extrakt-Viskosität oder das Molekulargewicht der isolierten b -Glucane aus.

Beispielsweise wurde in Abhängigkeit von der Temperatur bei der Extrusion (Gutfeuchte 22,5 %) das Molekulargewicht der b -Glucane folgendermaßen verändert: ca. 110000 bei 130 °C, ca. 125000 bei 150 °C und ca. 80000 bei 170 °C. Dagegen besaßen die aus Gerstenmehl extrahierten b -Glucane ein Molekulargewicht von ca. 160000 [6].

Zusammensetzung der Gerstenproben und der Futterproben

Um den Gehalt an b -Glucan und resistenter Stärke zu variieren, wurden für die physiologischen Untersuchungen Extrudate aus der Gerstenform HiAmi (Probe A) bzw. aus Mischungen der b -glucanreichen Gerstensorte Prowashonupana (ConAgra, Omaha/USA) mit HiAmi (Probe B) oder Amylose (Probe D) bzw. ein Gemisch aus Prowoshonupana mit dem handelsüblichen Resistente-Stärke-Präparat Novelose (National Starch, Hamburg) (Probe C) bereitet.

Die (extrudierten) Gerstenproben enthielten 7,2 bis 12,0 % b -Glucan und 6,6 bis 24,3 % resistente Stärke (Tab. 1).

Tabelle 1. Zusammensetzung der Gerstenproben
 

Probe A

Probe B

Probe C

Probe D

Zusammensetzung

(in %)

HiAmi

Prowashonu-

pana/HiAmi

Prowashonu-

pana/Novelose

Prowoshonu-

pana/Amylose

 

100

50 : 50

50 : 50

60 : 40

 

 

b -Glucan

 

7,24 ± 0,02

 

11,95 ± 0,12

 

7,89 ± 0,14

 

10,57 ± 0,13

 

Resistente Stärke

 

6,56 ± 0,97

 

6,74 ± 0,67

 

24,25 ± 0,68

 

18,35 ± 0,45

Die Extrudate zeigten eine signifikant höhere Wasserbindung und Löslichkeit sowie eine geringere Säure-Extrakt-Viskosität als das Gemisch C (Abb. 1).

Effekte im Ernährungsversuch am Menschen

Das Gerstenextrudat A wurde von den Probanden gut akzeptiert. Nach 4 Wochen Anwendung wurden als Folge der Fermentation der Ballaststoffe durch die gastrointestinale Mikroflora u.a. eine Abnahme der pH-Werte und eine Zunahme des molaren Anteils an Butyrat in den Faeces gemessen. Im Trend erfolgte weiterhin eine Abnahme der coliformen Keime und eine Zunahme der Lactobacillen und Bifidobacterien.

Die Exkretion von Gallensäuren und der molare Anteil der sekundären Gallensäuren waren geringer, während sich die Konzentration an neutralen Sterolen erhöhte. Die Konzentrationen an Serumlipiden waren gering vermindert. Die Effekte waren bei Probanden mit einem Body Mass Index (BMI) von > 25 deutlicher ausgeprägt (Abb. 2). 

Abb.1 Wasserbindung (in g H2O/g) und Löslichkeit (in %) der Gerstenprodukte sowie Säure-Extrakt-Viskosität (AEV) von Suspensionen (in dl/g) aus den Gerstenprodukten


Abb.2 Einfluß des Body Mass Index (BMI) der Probanden auf die Ausscheidung an Gesamt-Gallensäuren bei täglicher Aufnahme von 100 g Gerstenextrudat A


Effekte im Fütterungsversuch an Ratten

In den Versuchsgruppen wurden die Ratten 6 Wochen lang mit Diäten gefüttert, die 50 % der (extrudierten) Gerstenproben enthielten.

Die Konzentration einiger Serumlipide (Phospholipide, Triglyceride, freie Fettsäuren) verminderte sich im Versuchszeitraum, während sich die Konzentrationen an Gesamt-Cholesterol sowie an HDL- und LDL-Cholesterol nicht signifikant veränderten (Abb. 3). 

 
Abb.3 Veränderungen im Gesamtcholesterol und im HDL-Cholesterol des Plasmas (in %) nach 6 Versuchswochen gegenüber der 0. Woche bei Ratten, die mit der Kontrolldiät sowie den gerstenhaltigen Diäten A bis D gefüttert wurden


In Abhängigkeit von der Menge an b -Glucan im Futter erhöhte sich die Ausscheidung saurer und neutraler Sterole. Somit steht die Exkretion an Steroiden auch in Beziehung zur Viskosität im Dünndarm.

Andererseits wurde die Zusammensetzung der Gallensäuren und neutralen Sterole in den Faeces vor allem von der fermentierten Menge an Kohlenhydratpolymeren im Caecum und Colon beeinflußt, wie Abb. 4 am Beispiel der Konzentrationen der individuellen primären und sekundären sauren Steroide bei Gabe der Kontrolldiät bzw. der gerstenhaltigen Diäten A und B aufzeigt. Ähnliche Effekte wurden auch bezüglich der Bildung der mikrobiellen Umwandlungsprodukte des Cholesterols, nämlich von Coprostanol, Coprostanon und Cholestanon, gefunden.

Die Menge an resistenter Stärke (Fermentierbarkeit) beeinflußte besonders die Bildung und Resorption an kurzkettigen Fettsäuren sowie die molare Zunahme an Butyrat. Bemerkenswert waren tiefere pH-Werte und relativ hohe Konzentrationen an b -Glucan und (resistenter) Stärke im Caecum und Colon. Die Gerstendiäten A bis D verursachten auch höhere Darmgewichte und eine veränderte Zusammensetzung der gastrointestinalen Mikroflora.

Abb.4 Primäre und sekundäre Gallensäuren in Faeces der Ratten nach 6 Wochen Versuchsdauer (** P < 0,005; *** P < 0,001)


Schlußfolgerungen

Insgesamt zeigen die mit Ballaststoffen angereicherten Gerstenprodukte, die mittels Extrusion bereitet wurden, erwünschte physiologische Effekte am Menschen und am Versuchstier.

Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln der industriellen Gemeinschaftsforschung (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie/AiF) über den Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI) gefördert. Projekt-Nr.: 10751 B.

Literatur

[1] Asp, N.-G., van Amelsvoort, J.M.M., Hautvast, J.G.A.J. Nutritional implications of resistant starch. Nutr. Res. Rev. 9 (1996) 1-31.

[2] Gebhardt, E., Webers, V., Dongowski, G., Huth, M. Generierung resistenter Stärke in Gerste durch Extrusion unter Protektion hoher Viskosität. Getreide Mehl Brot 52 (1998) 241-247.

[3] Wang, G., Stacey, N.H., Earl, J. Determination of individual bile acids in serum by high performance liquid chromatography. Biomed. Chromatogr. 4 (1990) 136-140.

[4] Unlu, E., Faller, J.F. Formation of resistant starch by a twin-screw extruder. Cereal Chem. 75 (1998) 346-350.

[5] Berghofer, E., Horn, T. Bildung resistenter Stärke bei der Heißextrusion stärkereicher Rohstoffe. Ernährung/Nutrition 18 (1994) 341-348.

[6] Huth, M., Dongowski, G., Gebhardt, E., Flamme, W. Functional properties of dietary fibre enriched extrudates from barley. (eingereicht). Jim Carrey movies list and roles - #1 Movies Website

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