Die gesundheitsfördernden Wirkungen von Beereninhaltsstoffen aus der Gruppe der Flavonoide sind durch zahlreiche wissenschaftliche Studien belegt. Dagegen sind die Wirkmechanismen dieser Stoffgruppe weitgehend unbekannt. Wie die Pflanzenstoffe im menschlichen Organismus verstoffwechselt werden, welche Rolle dabei die Darmmikrobiota spielt und wo genau die einzelnen Substanzen ihre Wirkung entfalten, untersucht ein Forschungsverbund aus akademischen Arbeitsgruppen und Industriepartnern mit Unterstützung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Im Fokus steht eine bislang wenig erforschte Klasse der Flavonoide, die Procyanidine.
„Procyanidine – Vom besseren Verständnis der Wirkung zur Entwicklung funktioneller Lebensmittel" heißt das vom BMBF geförderte Forschungsvorhaben unter Leitung von Sabine Kulling, die am Max-Rubner-Institut (MRI), Bundesforschungsinstitut für Ernährung und Lebensmittel in Karlsruhe arbeitet. Der Name ist Programm: Das Projekt reicht von grundlagenorientierten bis zu anwendungsbezogenen Fragestellungen. Entsprechend unterschiedlich sind die Expertisen der Projektpartner. Peter Winterhalter, Leiter des Instituts für Lebensmittelchemie der TU Braunschweig, entwickelte Methoden, um die Naturstoffe zu charakterisieren, in Reinform zu isolieren und in ausreichender Menge bereitzustellen.
Darmbakterien als Procyanidwandler
Am Deutschen Institut für Ernährungsforschung (DIfE) in Potsdam-Rehbrücke untersucht die Mikrobiologin Annett Braune, wie ernährungsphysiologisch wichtige Procyanidine von Darmbakterien ab- und umgebaut werden. Sabine Kulling betrachtet den Metabolismus sowie die Bioverfügbarkeit einzelner Komponenten im menschlichen Organismus und untersucht deren Wirkung auf Darmkrebszellen. Esther Mayer-Miebach und Diana Behsnilian prüfen – ebenfalls am Max Rubner-Institut in Karlsruhe –, ob und wie unterschiedliche Verarbeitungstechniken den Gehalt an Procyanidinen in Lebensmitteln beeinflussen. Als Rohstoffe dienen Traubenkernextrakt und Aroniabeeren, die von zwei Industriepartnern bereitgestellt werden. Die Kelterei Walther GmbH in Arnsdorf bei Dresden, liefert die Aronia-Beeren, den daraus gewonnenen Direktsaft sowie den werthaltigen Pressrückstand (Trester); die Breko GmbH in Bremen stellt den Traubenkernextrakt.
Dass anthocyanhaltige Früchte gesundheitsfördernde Eigenschaften haben, wird seit Langem vermutet „Welche Substanzen im Einzelnen die beobachteten Effekte verursachen, ist noch unklar", sagt Sabine Kulling, „denn dazu muss man reine Verbindungen testen – und die lassen sich oft nur mit großem Aufwand in ausreichenden Mengen gewinnen." In den Beeren kommen die Procyanidine als ein komplexes Gemisch vor: Neben den beiden Einzelbausteinen – den Monomeren Catechin und Epicatechin – gibt es Oligomere aus zwei bis zehn und Polymere aus noch mehr dieser monomeren Bausteine, die zudem unterschiedlich verknüpft sein können. Peter Winterhalter ist es nun zusammen mit seinem Team gelungen, ein breites Spektrum an Procyanidinen aus Aronia- und Traubenkernextrakt zu isolieren. Durch diese Pionierarbeit konnten sie den Verbundpartnern die sechs bedeutendsten Dimere, ein Trimer sowie je eine Fraktion aus oligo- und polymeren Procyanidinen in ausreichender Menge und mit hohem Reinheitsgrad zur Verfügung stellen.
Was geschieht mit diesen Verbindungen im menschlichen Körper?
Um ihren Metabolismus aufzuklären, verfolgen die Potsdamer Wissenschaftlerinnen verschiedene Ansätze. Sabine Kulling betrachtet die Rolle der körpereigenen fremdstoffmetabolisierenden Enzyme: Mit einem geeigneten Testsystem aus Leberhomogenaten konnten sie nachweisen, dass die endogenen Enzyme vorrangig monomere Procyanidine umsetzen, kaum aber die längerkettigen. Was genau die Mikroorganismen mit ihnen anstellen, will Annett Braune vom DIfE herausfinden. Dafür untersuchte sie frische Stuhlproben gesunder Menschen aber auch Reinkulturen verbreiteter Darmbakterien, die mit Extrakten aus Aroniabeeren oder Traubenkernen versetzt wurden. Das Experiment lief bis zu sieben Tage; während der gesamten Zeit wurden Proben entnommen und analysiert. Ergebnis: „Alle Procyanidine werden umgesetzt, jedoch dauert es bei den Oligo- und Polymeren deutlich länger als bei den Di- und Trimeren", so Braune. Der Abbau erfolgt in einer Art Kaskade: Erst werden die größeren Einheiten in Monomere zerlegt; dann entstehen daraus bis zu 20 kurzlebige Zwischenprodukte, aus denen am Ende hauptsächlich eine phenolische Säure, die 3-(3-Hydroxyphenyl-)Propionsäure, gebildet wird. Allerdings kommt dieser Prozess nicht immer zum Ende. „Wenn wir den Traubenkernextrakt in höheren Konzentrationen einsetzen, ist die Umsetzung unvollständig – das weist darauf hin, dass am Abbau beteiligte Bakterien von den Inhaltsstoffen in ihrem Wachstum behindert werden", sagt Braune. Welche Bedeutung dies für den menschlichen Organismus hat, müssen weitere Versuche zeigen.
Parallel zu Braunes Studien untersuchte Sabine Kulling, wie die einzelnen Procyanidine im menschlichen Organismus verstoffwechselt werden. „Wir wollten wissen, was wirklich im Blutkreislauf ankommt", betont die Lebensmittelchemikerin. Dazu erklärten sich sieben gesunde Männer bereit, Gelatinekapseln mit verschiedenen Procyanidinen, die von den Braunschweiger Kollegen isoliert und gereinigt worden waren, einzunehmen. „Die Probanden bekamen jeweils eine einmalige Dosis Epicatechin, in der zweiten Phase ein Dimer und schließlich noch eine Oligomerfraktion. Die Mengen wurden auf ihr Körpergewicht standardisiert und entsprachen etwa dem natürlichen Procyanidin-Gehalt von zwei Äpfeln", so Achim Bub vom MRI, der als Mediziner die Studie leitete. Vor der Einnahme und während der folgenden 48 Stunden wurden die Testpersonen mehrmals um Blut-, Urin- und Stuhlproben gebeten. Aus diesem umfangreichen Datensatz konnte Stefanie Wiese am Lehrstuhl für Lebensmittelchemie der Universität Potsdam mittels gaschromatografischer und massenspektrometrischer Verfahren den Stoffwechsel der Procyanidine nachvollziehen. Das Fazit: „Wir konnten im Blut unserer Probanden die Mono- und Dimeren nachweisen, aber keine Oligomeren. Außerdem fanden wir darin die gleichen Produkte, die unsere Kollegen am DIfE als Hauptmetabolite der Darmbakterien beschrieben haben, nämlich verschiedene phenolische Säuren", so Kulling.
Die Oligomere könnten vor allem im Dickdarm ihre gesundheitsfördernde Wirkung entfalten. Darauf deutet eine weitere Versuchsserie der Potsdamer Forscherin hin, in der sie den Einfluss der Procyanidine auf humane Dickdarmepithel-Zelllinien untersucht hat: Dabei hatte eine Zelllinie ähnliche Eigenschaften wie normale, gesunde Darmepithelzellen, die andere war dagegen chemisch zur Krebszelle transformiert. Eindeutiges Ergebnis: „Die monomeren und dimeren Procyanidine bewirken bei keiner der beiden Zelllinien messbare Veränderungen. Dagegen hat die Fraktion der Oligomeren einen deutlich wachstumshemmenden Effekt auf die tumorigenen Darmkrebszellen, während sie die nicht transformierten Zellen kaum beeinflusst", sagt Kulling. Diese potenziell antikanzerogene Wirkung zeigte sich auch, wenn statt der Oligomerenfraktion ein Traubenkernextrakt der Firma Breko GmbH verwendet wurde. Die gesundheitsfördernden Beereninhaltsstoffe sind vorwiegend in den Zellwänden der Fruchtschalen und -kerne enthalten.
Was bei der Herstellung von Aroniasaft mit den Oligomeren geschieht, haben Esther Mayer-Miebach und Diana Behsnilian vom MRI in Karlsruhe untersucht. Die beiden Chemikerinnen konnten zeigen, dass ein Teil der Procyaninide und Anthocyane unversehrt in den Saft gelangt, der größte Teil aber im Pressrückstand bleibt. Deshalb wollten sie den Trester zu Pulver verarbeiten, das sich als Lebensmittelzusatz verwenden lässt. Mit verschiedenen Methoden wurde ein mehr oder weniger feinkörniges Pulver hergestellt. „Wir gehen davon aus, dass die Feinzerkleinerung der Zellwände auch das Herauslösen der Procyanidine während der Verdauung im Magen-Darm-Trakt unterstützt", erklärt Mayer-Miebach. Das Pulver soll nun als Lebensmittelzusatzstoff zum Beispiel in Backwaren einen Mehrwert entfalten. Erste Produktprototypen entwickeln die Forscher bereits.
Der Text wurde im Wesentlichen unverändert der BMBF-Broschüre "Ernährungsforschung - Gesünder Essen mit funktionellen Lebensmitteln" entnommen.
Die Broschüre kann unter dem Stichwort "Ernährungsforschung" (Bestellnummer: 30605) kostenfrei beim Bundesministerium für Bildung und Forschung bestellt werden (hier klicken).
