Ballaststoffreiche Getreideprodukte - Gewinnung, Verwendung und Analytik

E. Gebhardt1, G. Dongowski², M. Huth², E. Mersiowsky1 und U. Herrmann1
1 IGV Institut für Getreideverarbeitung GmbH, Bergholz-Rehbrücke
2 Deutsches Institut für Ernährungsforschung e.V., Bergholz-Rehbrücke 


Die Nahrung besteht aus den essentiellen Nährstoffen, das sind die Hauptnährstoffe sowie die Vitamine, Mineralstoffe und Spurenelemente, die für die Funktion des Stoffwechsels unabdingbar sind. Demgegenüber fungieren die Begleitstoffe als Präventoren oder Protektoren hinsichtlich Stoffwechselstörungen. Die Ballaststoffe regulieren die Energiedichte, die aus dem Anteil der Hauptnährstoffe resultiert, und den Verdauungsvorgang in Hinsicht auf die Transitzeit, die Resorption im Dünndarm und die Fermentation im Dickdarm. Die Sekundärmetaboliten gehören wie die Vitamine zu den Minorkomponenten in der Nahrung und wirken antioxidativ, anticancerogen und auf vielerlei andere Art schützend oder vorbeugend vor Erkrankungen (Watzl/Leitzmann).

Die Ballaststoffe und weitere nicht resorbierte Begleitstoffe gelangen in den Dickdarm und bilden dort die Substrate für die Mikroorganismen der Darmflora. Beispielsweise werden Lignane der Getreidearten, besonders des Roggens, in humanbiologisch aktive Formen umgewandelt (Adlercreutz). Die Ballaststoffe werden depolymerisiert und die gebildeten Monomeren oder Abbauprodukte zu Zersetzungs- oder Umsetzungsprodukten transformiert, das sind Gase (Wasserstoff, Kohlendioxid, Methan), kurzkettige Fettsäuren (Acetat, Propionat, Butyrat) u.a.m., von denen sich das Butyrat als wichtiger Faktor für die korrekte Funktion der Darmschleimhaut erwiesen hat. Butyrat wird besonders aus Ballaststoffen gebildet, die aus Fructose- oder Glucose-Monomeren aufgebaut sind., d.h. aus Glucanen (Alpha-Glucane: resistente Stärke; Beta-Glucane) und Fructanen (u.a. Inulin) (Jacobasch).

Butyratogene Ballaststoffe können als Zusatzstoffe (z.B. Inulin) oder als originäre Komponenten (Betaglucan) bzw. deren Folgeprodukte aus der Lebensmittelzubereitung (resistente Stärke) in der Nahrung enthalten sein. Die Maximierung des Gehaltes an butyratogenen Ballaststoffen gelingt mit neuen Gersteformen mit hohen Gehalten an Amylose und an 1,3-1,4-Beta-Glucan. Amylose wird nach der hydrothermischen Behandlung - durch Autoklavieren oder durch Extrudieren - bei ausreichend hohen Temperaturen über 120 °C, besser über 130 °C, im Verlauf der Abkühlung in resistente Stärke transformiert (Asp). 1,3-1,4-Beta-Glucane (Bhatty) sind stark viskositätsgebende Nicht-Stärke-Polysaccharide, die beim Autoklavieren und bei der Extrusion partiell abgebaut werden. Durch die hohe Viskositätswirkung im Speisebrei verzögern sie die Nährstoffresorption, glätten damit den postprandialen Blutglucosespiegel und sind nützlich für ernährungsabhängige Diabetiker. Mit den vorliegenden Gerstentypen ist daher die Einführung von bifunktionellen Ballaststoff-Lebensmitteln möglich. Dazu müssen die butyratogene und die viskogene Wirkung gewährleistet sein. Bei einer scherungsarmen Geometrie von Düsen und Schnecken gelingt die optimale Führung des Extrusionsprozesses auf Basis variabler Feuchte und Temperatur. Bei 150 °C und 20 % Feuchte wurde ein Maximum in der Bildung der resistenten Stärke und in der Konsistenz (Viskogramm) als Maß für den Polymerisationsgrad der Makromoleküle in den Extrudaten ermittelt. Eine zusätzliche Erhöhung der gebildeten resistenten Stärke wird durch zeitweilige Tiefkühllagerung (7 Tage) erreicht, ist aber für hohe Gehalte nicht zwingend erforderlich.

Haupteinflußfaktor auf den Gehalt an resistenter Stärke ist der Ausgangsgehalt an Amylose. Ein weiterer Einflußfaktor sind die Gehalte an Stärke bzw. Nicht-Stärke-Polysacchariden oder der Schälgrad. Amylopektin trägt auch zur Bildung von resistenter Stärke bei, zumindest wird der Gehalt an Stärkekomponenten erhöht und der von Nicht-Stärke-Polysacchariden verringert (Tab.1). Handelsübliche resistente Stärke wird als Zusatzstoff in das Gerste-Extrudat integriert und im vollen Umfang wiedergefunden. Die handelsübliche resistente Stärke ist allerdings nicht fermentierbar und damit nicht butyratogen. Dagegen ist die resistente Stärke aus der polymerprotektiven Extrusion butyratogen. Beim wiederholten Autoklavieren und Abkühlen erhöht sich der Gehalt an resistenter Stärke mit jedem Zyklus. Durch Reextrusion (Extrusionskaskade) wurde ermittelt, daß die unter polymerprotektiven Bedingungen generierte resistente Stärke nicht stabil ist und der Kumulationseffekt nicht eintritt.

Die polymerprotektive Wirkung der Extrusionsbedingungen auf die Beta-Glucane wird durch die Viskosität der sauren Extrakte (Tab. 2), durch die aus der Grenzviskosität berechnete Molmasse und durch den Verlauf der Fließkurven bestätigt. Das ausgewählte Extrusionsregime bewirkt zwar partiellen Abbau bezogen auf das Ausgangsmaterial, die Viskositäten weisen aber die höchsten Werte im Vergleich mit den anderen Extrusionsbedingungen und einer autoklavierten Vergleichsprobe auf. Die technofunktionellen Eigenschaften (Wasserbindung, Viskosität) entsprechen dem Grad der Depolymerisation.

Untersuchungen über die Bindung von Gallensäuren nach Dongowski ergaben stärkste bindende Eigenschaften für die autoklavierte Vergleichsprobe und mittlere Bindung für das Extrudat im Vergleich zum Ausgangsmaterial. Die Bindung von Gallensäuren verhält sich damit umgekehrt zum Polymerisationsgrad (Tab. 3). Das Extrusionsprodukt erweist sich vorteilhaft hinsichtlich der Bildung kurzkettiger Fettsäuren (SCFA) bzw. Butyrat. Beim Ausgangsmaterial und bei der autoklavierten Vergleichsprobe wird nach 6 Stunden Fermentation bereits ein Maximum erreicht, während die Bildung von SCFA bei dem Extrudat stetig zunimmt und nach 8 Stunden auch die höchste Butyratmenge aufweist (Abb. 1). Damit wirkt das bifunktionelle Ballaststoff-Lebensmittel auch in distalen Darmabschnitten.

Extrudate mit hohem Anteil an resistenter Stärke und gleichzeitiger viskoser Wirkung, d.h. Verzögerung der Nährstoffresorption können nach dem vorgestellten Prinzip auch aus anderen stärkereichen Erntegütern hergestellt werden. Dafür sind rohstoff- und betriebsspezifische Optimierungen erforderlich. Die Gerstenextrudate sind frei von dem typischen Gerstengeschmack, der von vielen Verbrauchern abgelehnt wird.

Für die weitere Vermarktung sind die Definition der resistenten Stärke als Ballaststoff, die lebensmittelrechtliche Einordnung, die Bestimmung von resistenter Stärke und die Forderung der Butyratogenität zu regeln.

Inulin ist ein Beispiel für einen butyratogenen Ballaststoff, der als Zusatz aus Zichorie oder in Form von Produkten aus Topinambur in der üblichen Nahrung enthalten sein kann. Inulin weist nur geringe viskositäsgebende Wirkung auf und kann in dieser Hinsicht in verhältnismäßig großen Mengen zugesetzt werden. Diese hohe Reduzierung der Energiedichte kann auch mit anderen niedermolekularen bzw. niedrigviskosen Ballaststoffen erzielt werden, z.B. mit Partialhydrolysaten von Pentosanen in Getreideprodukten oder von Dickungsmitteln wie Guaran, Carubin, Pektin. Partialhydrolysate werden aber oftmals nicht durch die bisher übliche Ballaststoffbestimmung erfaßt und könnten daher nicht deklariert werden.

Ein Beispiel für eine solche Analysenimbalanz ist das Wasserlösliche von Roggen. Zwischen der Bestimmung der gesamten Ballaststoffe nach AOAC (enzymatisch-gravimetrische Methode) und der Bestimmung der einzelnen Ballaststoffkomponenten (Pentosane, Beta-Glucane und Fructane) besteht eine Differenz von fast 30 %. Die nicht erfaßten Ballaststoff-Komponenten sind ethanollöslich (ethanollösliche Ballaststoffe - ethanol-soluble dietary fibre, ESDF) und verbleiben nach der ethanolischen Fällung im ethanolischen Überstand der Ballaststoffanalyse. Aus chromatographischen Untersuchungen über das Wasserlösliche des Roggens sind (scheinbare) Molmassen bis 20 kDalton ermittelt worden. Die Ethanollöslichkeit ist bereits von Arabanen aus Zuckerrüben und von Inulin aus Zichorie oder aus Topinambur bekannt. Abgeleitet von Oligofructanen als Zusatzstoff ist der Begriff "nicht verdauliche Oligosaccharide (non digestive oligosaccharids)" eingeführt worden. Im Falle des an sich ethanollöslichen Inulins ist die enzymatisch-gravimetrische Ballaststoffbestimmung durch eine separate enzymatische Bestimmung des Inulins als Fructose ergänzt worden (AOAC-Methoden, Cho). Für die anderen, vor allem für die originären ESDF oder NDO fehlen jedoch Bestimmungsmethoden. Bei der Vielzahl der möglichen Substanzklassen ist eine einheitliche Methode wünschenswert.

Als potentielle Lösungsvarianten sind untersucht worden: Fällung aus dem ethanolischen Überstand, Vorextraktion aus der Probe, Totalhydrolyse der Trockensubstanz aus dem ethanolischen Überstand, chromatographische Bestimmung aus dem ethanolischen Überstand, Bestimmung der gesamten löslichen Ballaststoffe (total soluble dietary fibre TSDF) direkt aus dem Probenmaterial oder aus dem Überstand der unlöslichen Ballaststoffe (vor der ethanolischen Fällung). Fällung, Vorextraktion und Totalhydrolyse haben sich als nicht gangbare Varianten erwiesen. Deshalb wurde die Entwicklung auf ESDF bzw. TSDF auf der Basis HPLC-RI fokussiert.

Bei der HPLC erfolgt die Bestimmung an Hand einer Eichkurve von reinen Substanzen der Klassen Inulin, Guaran-Partialhydrolysat, Carubin-Partialhydrolysat, Pektin und ESDF aus dem Wasserlöslichen von Roggen. Die Eichung liefert zufriedenstellend übereinstimmende Werte. In die Eichung fließen die Peakflächen der Substanzen ab trimeren Komponenten ein. Partiell oder nicht resorbierbare Mono- und Disaccharide (Pentosen, Lactose) müssen vernachlässigt werden, weil die Überlagerung mit dem Glucosepeak aus der ubiquitären Stärke eine separate Bestimmung nicht ermöglicht.

Verfälschungen durch die Detektion von Salzen und Peptiden aus der Proteolyse ist durch die Entsalzung bzw Deionisierung begegnet worden, für die ein Mischbettaustauscher als Lösungsvariante ermittelt wurde. Auf Grund dessen können ionische ESDF oder NDO (z.B. aus Pektin, Psyllium, Ispaghula, Agar-Agar, Carragenan, Alginat) vorläufig noch nicht erfaßt werden.

Analysen von Testsubstanzen, darunter Guaran-Partialhydrolysat, Sunfiber HG (enzymatisches Guaran-Grenzhydrolysat), Weizenpentosankonzentrat und Oligofructan ergaben gute Übereinstimmung zwischen den Varianten ESDF und TSDF. Dabei wurden zum Teil erheblich höhere Werte für die neuen Bestimmungen im Vergleich zur AOAC-Methode ermittelt (Tab. 4).

Die Hauptschritte in der neuen Ballaststoff-Analyse sind:

Eine weitere Alternative bietet die chromatographische Aufnahme der Peaks aus den Blindwert-Analysen und Subtraktion von den Chromatogrammen der Untersuchungsproben vor Ermittlung der Peakflächen und Vergleich mit der Eichkurve. Störungen durch Salze und Peptide aus der Probe müssen dabei vernachlässigt werden. Je nach Konfiguration der HPLC-Anlage kann die Eliminierung von Störungen aus Peptiden durch Korrektur mittels UV-Detektion einbezogen werden. Diese Varianten sind noch nicht detailliert untersucht.

In Applikationen sind ausgewählte Beispiel-Lebensmittel (Mais-Extrudat, Roggen-Knäckebrot, Weizenbrot, Joghurtpulver, Leberwurst) mit löslichen Ballaststoffen bzw. mit ESDF angereichert und analysiert worden. Dabei konnten zufriedenstellende Wiederfindungsraten festgestellt werden (Tab. 5). Auch die statistische Bewertung ergab ausreichende Genauigkeit (Tab. 6).

Die Vorteile der neuen Methode sind:

Die ESDF können bestimmt werden. Die aufwendige separate Inulinbestimmung ist nicht mehr erforderlich. Die Zuverlässigkeit der Lebensmittelanalyse ist erhöht. Die Analysendauer, speziell für die Variante TSDF, wird wesentlich verkürzt. Filtrierprobleme bei der Bestimmung der löslichen Ballaststoffe (z.B. bei Analysen von Apfel, Kakao, Psyllium) werden umgangen. An Hand der Retentionszeiten sind Abschätzungen der Molmasse der chromatographierten löslichen Ballaststoffe (ESDF, TSDF) möglich und erlauben Rückschlüsse auf korrekte Verarbeitungsprozesse. In der Vergangenheit wurde die Bildung ethanollöslicher Ballaststoffe bei der Untersuchung von Verarbeitungsprozessen vernachlässigt. Prozeßbedingte Veränderungen von Ballaststoffen können jetzt korrekt erfaßt werden. Damit ist die Grundlage für aktuelle Erzeugnis- und Verfahrensentwicklungen und für die Nutzung des diesbezüglichen Potentials der NDO (ESDF) gegeben.

Als weiterführende Aufgaben müssen in die Forschungsprogramme eingeordnet werden:

 Ausführliche Darstellungen werden in einer Reihe von Artikeln gegeben.

 Literatur

Watzl, B., Leitzmann, C.
Bioaktive Substanzen in Lebensmitteln, Hippokrates, Stuttgart 1995

Nilsson, M., Aman, P, Härkönen, H., Hallmans,G., Bach Knudsen,K.E., Mazur,W., Adlercreutz,H
Content of nutrient and lignans in roller milled fractions of rye
J. Food Agric. 73(1997) 143-148

Jacobasch, G., Schmiedl, D. und Schmehl, K.
Darmkrebsprävention durch resistente Stärke? Teil II: Stoffwechselprodukte der intestinalen Mikroflora, deren Beeinflussung durch resistente Stärke (RS) sowie deren Wirkung auf die Darmschleimhaut und die kolorektale Kanzerogenese
Ernährungs-Umschau 44 (1997) 369-373

Bhatty, R.S., MacGregor, A.W. (eds.)
Barley: Chemistry and Technology
AACC, St. Paul, MN, 1993

Asp, N.-G., J.M.M. van Amelsfort und J.G.A.J. Hautvast (Eds.)
Proceedings of the Concluding Plenary Meeting of EURESTA - Including the Final Reports of the Working Groups

Official Methods of Analysis 15th Ed., 1990, 1992
AOAC International, Gaithersburg, MD
985.29 - Total Dietary Fiber TDF
991.42 - Soluble Dietary Fiber SDF
993.16 - Insoluble Dietary Fiber IDF
991.43 - MES-TRIS-Buffer methods (TDF,SDF, IDF)

Cho, S., Devries, J.W., and Prosky L.
Dietary Fiber Analysis and Applications
AOAC International Gaithersburg, MD, 1997


Tab. 1 Einfluß von Schälgrad sowie den Gehalten an Stärke, Amylose, Amylopektin und NSP

Schälgrad %

Stärke % i.T.

NSP % i.T.

RS % i.T.

94

57

29

5,3

82

60

25

7,8

77

61

25

7,6

Prämix

Stärke % i.T.

Amylose % i.T.

RS i.T.

Vergleich

69

17

6

20 % Amylose

75

34

12

Ae-Mais

57

28

11

Amylopektin % i.T.

20 % Amylopektin

75

62

7

Prowashonupana

30

29

6

Tab. 2 Viskositäten der sauren Extrakte der Extrudate und des Mehles (Schrot) (AEV)
Feuchte % Vergleich 22,5 17,5 15
Temperatur °C Mehl 130 150 170 130 150 170 130 150 170
Viskosität mg/dl 2,4 1,1 1,7 1,1 1,25 1,45 0,8 0,9 1,55 0,9

Tab. 3 Bindung von Gallensäuren
Probe Menge Anteil der nicht gebundenen Gallensäuren

GC pH 5

GC pH 6,5

GDC pH 5

GDCpH6,5

G

250

28,6

58,9

17,7

25,0

E

250

23,2

43,4

10,2

17,8

A

250

8,2

20,9

9,0

14,2

G

500

19,0

44,6

12,8

20,0

E

500

13,3

23,9

6,9

14,4

A

500

5,8

10,5

4,2

11,0

G - Gerste, E - Extrudat, A - autoklaviert; GC - Glycocholsäure, GDC - Glycochendesoxychol.

Tab. 4 Lösliche Ballaststoffe, ESDF und TSDF von Ballaststoffen
Probe AOAC ESDF AOAC + ESDF TSDF
g lösliche Ballaststoffe in 100 g Trockenmasse
PH/Guar 55 27 82 75

55

27

82

75

Sunfiber HG 65 14 79 84

65

14

79

84

W-Pentosan 30 23 53 52

30

23

53

52

Oligofructan 1 66 67 67

1

66

67

67

PH - Partialhydrolysat

Tab. 5 Wiederfindung in Lebensmitteln

Probe

Methode

Analyse

Kalkulation

+

g lösliche Ballaststoffe in 100 g Trockenmasse
M-Ex C-PH

ESDF

9,0

8,2

+

TSDF

17,0

17,5

-

In-Raf

ESDF

16,9

15,5

+

TSDF

17,8

16,2

+

J-P C-PH

ESDF

9,0

9,8

-

TSDF

17,7

18,3

-

In-Raf

ESDF

17,1

17,1

TSDF

16,3

17,0

-

LW C-PH

ESDF

7,0

7,5

-

TSDF

15,8

16,6

-

In-Raf

ESDF

13,4

14,8

-

TSDF

14,1

15,3

-

RKB C-PH

ESDF

10,1

11,5

-

TSDF

23,3

23,9

-

In-Raf

ESDF

19,8

18,8

+

TSDF

21,9

22,6

-

WB C-PH

ESDF

8,9

8,4

+

TSDF

19,2

19,2

In-Raf

ESDF

15,5

15,7

-

TSDF

18,0

18,0

M-Ex - Maisextrudat, J-P - Joghurtpulver, LW - Leberwurst, RKB - Roggenknäckebrot, WB - Weißbrot; C-PH - Partialhydrolysat von Johannisbrotkernmehl, In-Raf - Inulin Raftilose(Orafti)

Tab. 6 Reproduzierbarkeit
xM

16,2   g/100 g TM

n = 8
sx

0,64 g/100 g TM

4,0 %
r

1,82 g/100 g TM



Abb. 1 Bildung kurzkettiger Fettsäuren (SCFA) bei der Fermentation von Gerstenprodukten


Die Forschung über bifunktionelle Getreide-Extrudate wurde aus Mitteln der industriellen Gemeinschaftsforschung (Bundesministerium für Wirtschaft/AiF) über den Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI) gefördert, Kennzeichen AiF-FV 10751 B

Die Forschungen zur Bestimmung der niedermolekularen Ballaststoffe wurden vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten gefördert, Kennzeichen HS 009/95


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