Wie resistente Stärke und Pektine die Verdauung beeinflussen: Ein tieferer Blick auf Polysaccharide und ihre Funktionen in Lebensmitteln

In vielen verarbeiteten Getreideprodukten, die roh verzehrt werden, wie etwa Müsli, bleibt ein Teil der Stärke unverdaut. Dies liegt daran, dass die Amylasen, Enzyme, die normalerweise für die Verdauung von Stärke verantwortlich sind, keinen Zugang zu bestimmten Stärkemolekülen haben. Ein solches Beispiel findet sich in rohen Kartoffeln oder unreifen Bananen, deren Stärke in einer kristallinen Form vorliegt, die besonders resistent gegenüber der Hydrolyse im Darm ist. Eine ähnliche resistente Stärke entsteht, wenn stärkehaltige Materialien unter Bedingungen erhitzt werden, bei denen wenig Wasser zur Verfügung steht, wie es etwa bei der Herstellung von Frühstückszerealien der Fall ist. Dies ist auch der Fall, wenn Bohnen oder andere Hülsenfrüchte in Dosen erhitzt werden. Auch wenn in der Dose viel Wasser vorhanden ist, dringt dieses nur schwer in die Bohnen ein. Diese langanhaltenden hohen Temperaturen führen dazu, dass die Granulatstruktur der Stärke zerstört wird, wodurch sie für die Verdauungsenzyme nahezu unzugänglich wird. In diesem Fall wird die Stärke als unlösliche Faser betrachtet, auch wenn sie in analytischen Verfahren schwer von verfügbarer Stärke zu unterscheiden ist.

Resistente Stärken (RS1, RS2 und RS3) sind nicht nur in rohem oder teilweise verarbeiteten Gemüse und Obst zu finden, sondern auch in Produkten, die speziellen Heizprozessen unterzogen werden. Im Allgemeinen unterscheiden sich die unterschiedlichen Arten resistenter Stärke vor allem in ihrer Fähigkeit, von Enzymen verdaut zu werden. Während der Anteil von RS1 und RS2 in typischen Lebensmitteln wie Weißbrot oder gekochten Kartoffeln relativ gering ist, steigt der Anteil an resistenter Stärke in Lebensmitteln wie gekochten Erbsen oder getrockneten Bohnen deutlich an.

Ein besonders interessantes Phänomen bei Pektinen ist die Bildung von sogenannten „Junction Zones“ in Gelstrukturen. Diese Zonen, die durch die Wechselwirkungen von Polysaccharidketten entstehen, sind entscheidend für die Stabilität von Gelen. Obwohl einzelne Wasserstoffbrückenbindungen nicht ausreichen, um ein stabiles Netzwerk zu schaffen, bilden sich in den Junction Zones vieler Gels, wie etwa in denen, die durch Pektin entstehen, kooperative Wechselwirkungen, die die Stabilität der Gelstruktur sichern. Diese Wechselwirkungen sind nicht nur auf einfache Bindungen zwischen benachbarten Ketten zurückzuführen, sondern erfordern ein komplexeres Netzwerk aus schwächeren Kräften, die die Struktur zusammenhalten.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die Wirkung von Polysacchariden wie resistenter Stärke und Pektin auf die Verdauung und die Lebensmittelverarbeitung weit über ihre bloße chemische Zusammensetzung hinausgeht. Sie beeinflussen nicht nur die Textur und das Mundgefühl von Lebensmitteln, sondern auch die Art und Weise, wie der Körper diese Nährstoffe verarbeitet. Resistente Stärke zum Beispiel, die nicht vollständig im Dünndarm verdaut wird, gelangt in den Dickdarm, wo sie als präbiotische Substanz wirken und das Wachstum von nützlichen Bakterien fördern kann. Pektin hingegen wirkt sich positiv auf den Cholesterinspiegel aus, indem es die Aufnahme von Cholesterin im Darm verringert und so das Risiko von Herzerkrankungen mindern kann.

Neben diesen gesundheitsfördernden Aspekten ist es ebenfalls entscheidend, dass Verbraucher die Auswirkungen der verschiedenen Verarbeitungstechniken auf den Nährwert von Lebensmitteln verstehen. Während einige Lebensmittel durch Kochen oder andere Wärmebehandlungen ihre resistente Stärke verlieren, bleibt dieser Effekt bei anderen, wie zum Beispiel bei Hülsenfrüchten oder gekochtem Reis, bestehen. Der Einfluss dieser Verarbeitungstechniken auf den Nährwert von Lebensmitteln kann nicht nur die Gesundheit der Verdauung, sondern auch das allgemeine Wohlbefinden langfristig beeinflussen.

Wie beeinflussen Polysaccharide den glykämischen Index und die Struktur von Lebensmitteln?

Die Glykämische Last (GL) wurde 1997 eingeführt, um die wahrscheinliche Erhöhung des Blutzuckerspiegels durch eine typische Portion eines Lebensmittels zu schätzen. Der GL-Wert ergibt sich aus der Multiplikation des GI-Werts mit der Menge an verfügbaren Kohlenhydraten in einer Standardportion. Ein hoher GL-Wert steht in Verbindung mit einem erhöhten Risiko für Typ-2-Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Die Klassifizierung von Lebensmitteln in hoch, mittel oder niedrig GI wird in vielen Ländern angewendet, auch wenn eine exakte Definition der Schwellenwerte in vielen Fällen noch aussteht. Typischerweise gelten Werte von 70 und höher als hoch, 56 bis 69 als mittel und unter 55 als niedrig.

Interessanterweise liefern einige Lebensmittel, wie Honig, Zucker, Schokolade und Eiscreme, Ergebnisse, die von den Erwartungen abweichen. Obwohl diese Lebensmittel Zucker enthalten, führen sie nicht zu den erwarteten glykämischen Reaktionen. Ein wichtiger Faktor dabei ist die Wirkung von Fructose, die nicht direkt den Blutzuckerspiegel beeinflusst. Zudem tragen begleitende Fette, wie sie in Schokolade und Eiscreme vorkommen, dazu bei, die Aufnahme von Zucker im Darm zu verlangsamen, was die glykämische Reaktion abmildert.

Zusätzlich zu Homogalakturonan existieren auch zwei weitere Haupttypen von Pektinstrukturen: Rhamnogalacturonan I (RGI) und Rhamnogalacturonan II (RGII). RGI enthält eine lineare Kette von Galacturonsäure- und Rhamnoseeinheiten, an die verschiedene Seitenketten angehängt sind. RGII wiederum weist eine komplexere Struktur auf, mit mehreren, sehr verzweigten Seitenketten aus verschiedenen Zuckerarten, darunter seltene Zucker wie Apiose und Fucose. Diese Variationen in der Struktur von Pektinen haben weitreichende Auswirkungen auf die Textur von Lebensmitteln und deren glykämische Reaktion.

Ein besonders relevantes Modell zur Beschreibung der Pektinstruktur ist das von Pilnik, das einen zentralen Homogalakturonan-Rückgrat beschreibt, das mit RGI- und RGII-Seitenketten verbunden ist. Es gibt auch alternative Modelle, wie das von Vincken aus dem Jahr 2003, das RGI als Rückgrat des Pektins darstellt, das von verschiedensten Seitenketten begleitet wird.

Die genaue Struktur dieser Polysaccharide ist noch immer Gegenstand intensiver Forschung, insbesondere in Bezug auf ihre Rolle in der menschlichen Ernährung und deren Auswirkungen auf die Blutzuckerregulation. Dennoch zeigt sich, dass die Vielfalt der Pektinstukturen und deren Wechselwirkungen mit anderen Nährstoffen eine Schlüsselrolle in der Bestimmung der Textur von Lebensmitteln und deren glykämischen Eigenschaften spielen.

Insgesamt verdeutlicht dies, wie komplex und vielschichtig die Wechselwirkungen zwischen Polysacchariden, der Struktur von Lebensmitteln und deren Einfluss auf den Blutzuckerspiegel sind. Auch wenn die Forschung zu den genauen Mechanismen noch weitergeht, liefert sie wertvolle Erkenntnisse darüber, wie durch die richtige Auswahl und Kombination von Lebensmitteln die glykämische Belastung minimiert und das Risiko von Stoffwechselerkrankungen verringert werden kann.

Wie wirken sich verschiedene Proteinquellen auf die menschliche Ernährung aus?

Die Ernährung von gut genährten Europäern oder Nordamerikanern enthält in der Regel mehr als ausreichend Proteine und essentielle Aminosäuren. Für viele Menschen in Afrika und Asien jedoch ist die Versorgung mit Protein in ihrer Ernährung unzureichend. Ernährungswissenschaftler haben festgestellt, dass die Zusammensetzung der Aminosäuren, die von menschlichen Säuglingen benötigt wird, stark mit der Zusammensetzung der Aminosäuren in menschlicher Muttermilch übereinstimmt. Diese Zusammensetzung dient heute als Standard, mit dem der Nährwert von Proteinen in anderen Lebensmitteln verglichen wird.

Die Tabelle 5.3 zeigt eine Übersicht über die essenziellen und dispensierbaren Aminosäuren. Im Vergleich dazu zeigt die Grafik 5.7 die Zusammensetzung der Aminosäuren einiger wichtiger Nahrungsmittelproteine im Vergleich zu menschlicher Muttermilch. Es wird deutlich, dass tierische Proteine wie Eier, Milch und Fleisch in Bezug auf die Aminosäuren sehr ähnlich zu menschlicher Muttermilch sind, während pflanzliche Proteinquellen einige Defizite aufweisen.

Ein auffälliges Beispiel ist der geringe Lysingehalt in Weizenproteinen. Dies führt dazu, dass Weizen nur etwa 50 % so effizient wie Muttermilch ist, wenn es um die Bereitstellung von Protein geht. Dies bedeutet, dass die Menge an Weizenprotein, die ausreichend Lysine liefert, gleichzeitig zu einer Überschussversorgung mit anderen Aminosäuren führt, was nicht optimal ist. Andererseits bieten Hülsenfrüchte wie Soja und Erbsen zwar eine ausreichende Menge an Lysin, sind jedoch in Methionin mangelhaft. Diese Unzulänglichkeiten verdeutlichen, dass eine Mischung aus Getreide- und Hülsenfrüchten eine viel effizientere Proteinquelle darstellt.

Trotz der geringeren Effizienz von pflanzlichen Proteinen im Vergleich zu tierischen Proteinen darf nicht außer Acht gelassen werden, dass der Anbau pflanzlicher Proteinquellen in Bezug auf Energie, Landnutzung und Wasserverbrauch deutlich effizienter ist. Diese Überlegung ist entscheidend, wenn man die zunehmende Bedeutung nachhaltiger Ernährungssysteme berücksichtigt. Besonders problematisch ist der Verlust von Aminosäuren wie Lysin und Methionin durch Reaktionen während der Lagerung und Verarbeitung von Lebensmitteln. Eine der wichtigsten Reaktionen, die diesen Verlust verursachen, ist die Maillard-Reaktion, bei der Lysin mit reduzierenden Zuckern reagiert, was zu einer Verringerung des Nährwerts führen kann.

Die Bestimmung des Proteingehalts in Lebensmitteln ist alles andere als einfach, und die Methode, die verwendet wird, hängt oft von der späteren Anwendung der erhaltenen Daten ab. Der Nährwert eines Protein in Lebensmitteln kann nur durch Fütterungsexperimente wirklich bestimmt werden. Allerdings ist heute ausreichend bekannt, wie Proteinverdauung und Verarbeitungstechniken die Nährstoffaufnahme beeinflussen, sodass genaue Vorhersagen über die Qualität von Proteinen gemacht werden können.

Insgesamt ist es wichtig zu verstehen, dass nicht nur die Menge an Protein in der Ernährung von Bedeutung ist, sondern auch die Qualität des Proteins, das heißt, wie gut es dem Körper zur Verfügung steht. Verschiedene Nahrungsproteine können aufgrund ihrer Aminosäurezusammensetzung und der Art und Weise, wie sie durch den Verdauungsprozess verarbeitet werden, unterschiedliche Wirkungen auf den menschlichen Körper haben. Die Mischung von pflanzlichen und tierischen Proteinquellen, sowie die Berücksichtigung von Verarbeitungstechniken, kann dabei helfen, eine optimale Nährstoffaufnahme zu gewährleisten.

Wie wirken intensive Süßstoffe und Bitterstoffe auf den menschlichen Geschmack?

Die Vielzahl an modernen intensiven Süßstoffen hat die Landschaft der Nahrungsmittelindustrie revolutioniert. Diese Substanzen sind in der Lage, eine Süße zu erzeugen, die um ein Vielfaches intensiver ist als der traditionelle Zucker, ohne dabei signifikante Kalorien hinzuzufügen. Ein gutes Beispiel für einen solchen Stoff ist Advantam, der als einer der jüngsten intensiven Süßstoffe gilt und mit einer Süßkraft von bis zu 20.000 mal der von Saccharose (Haushaltszucker) beschrieben wird. Die Herstellung von Advantam erfolgt unter Nutzung von Aspartam als Rohstoff, und wie Aspartam setzt auch Advantam Phenylalanin frei, wenn es im Magen-Darm-Trakt abgebaut wird. Aufgrund der extrem hohen Süßkraft ist die Menge an Advantam, die ein Konsument zu sich nimmt, jedoch so gering, dass sie keine gesundheitlichen Risiken für Menschen mit Phenylketonurie darstellt.

Ein weiterer intensiver Süßstoff, der zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist Neohesperidin Dihydrochalcon, ein Abkömmling des Bitterstoffs Naringin, das in Grapefruits vorkommt. Neohesperidin wird in der Industrie häufig genutzt, um die Süßkraft anderer Süßstoffe zu verstärken, aber es zeichnet sich auch durch seine Fähigkeit aus, die Bitterkeit anderer Substanzen zu maskieren. Dies macht es zu einem wertvollen Inhaltsstoff in bestimmten Arzneimitteln und Nahrungsergänzungsmitteln. Der hohe Preis von Neohesperidin beschränkt jedoch seine Verwendung in Lebensmitteln als eigenständigen Süßstoff.

Glycyrrhizin, der Hauptbestandteil der Süße in Lakritze, ist ein weiteres Beispiel für einen natürlichen intensiven Süßstoff. Glycyrrhizin wird in Asien und in Teilen Europas in einer Vielzahl von Lebensmitteln und Getränken verwendet, obwohl es aufgrund seiner biologischen Wirkungen, die von entzündungshemmend bis hin zu potenziell negativ auf den Blutdruck und die Nierenfunktion einwirken, nur eingeschränkt als Süßstoff zugelassen ist. Trotz dieser Nebenwirkungen findet es vor allem in der Lebensmittelindustrie Verwendung als Geschmacksverstärker und nicht als primärer Süßstoff.

Steviosid, ein Terpenoid-Glykosid aus den Blättern der Stevia-Pflanze, ist ein weiterer weit verbreiteter Süßstoff. Mit einer Süßkraft, die 150 bis 300 mal stärker ist als Zucker, ist Steviosid besonders in der westlichen Welt populär geworden. In der EU wurde es erst 2011 als sicherer Süßstoff anerkannt, während es in den USA bereits früher unter der Bezeichnung GRAS (Generally Recognized As Safe) zugelassen wurde. Stevia wird nicht nur aufgrund seiner Süße geschätzt, sondern auch aufgrund seiner natürlichen Herkunft, was es zu einer attraktiven Option für Konsumenten macht, die nach Alternativen zu synthetischen Süßstoffen suchen.

Interessanterweise ist die Wahrnehmung von Süße nicht ausschließlich kleinen Molekülen vorbehalten. Thaumatin, ein Protein mit einem Molekulargewicht von 22.000, ist ein Beispiel für einen Süßstoff, der aus der Westafrikanischen Pflanze Katemfe gewonnen wird. Thaumatin hat eine erstaunlich hohe Süßkraft, die auf molekularer Basis sogar mit Zucker verglichen wird. Da es in gekochten Produkten stabil bleibt, eignet sich Thaumatin für die Verwendung in verschiedenen Nahrungsmitteln. In erster Linie jedoch wird es nicht als eigenständiger Süßstoff, sondern als Geschmacksverstärker verwendet.

Ein weiteres bemerkenswertes Protein, das als "Wunderbeere" bekannt wurde, ist Miraculin, das in den Früchten des Synsepalum dulcificum vorkommt. Interessanterweise hat Miraculin selbst keinen besonders süßen Geschmack, doch verändert es den Geschmack von sauren Substanzen, sodass sie als süß wahrgenommen werden. Diese Wirkung kann bis zu einer Stunde anhalten. Obwohl dieses Phänomen faszinierend ist, hat es bislang nur wenig Anwendung gefunden, hauptsächlich als eine Art von Geschmackserlebnis, das eher als Neuheit gilt.

Neben der Süße ist auch die Bitterkeit ein Geschmackselement, das tief in der menschlichen Wahrnehmung verankert ist. Bittersüße Substanzen sind häufig mit der Wahrnehmung von Gefahr verbunden, da viele toxische Pflanzenstoffe bitter schmecken. Ein klassisches Beispiel für diese toxischen, bitter schmeckenden Substanzen sind Alkaloide, die sich in Pflanzen wie Nachtschattengewächsen und auch in gängigen Arzneimitteln wie Nikotin, Atropin oder Emetin finden. Alkaloide haben nicht nur eine extrem bittere Geschmacksnote, sondern auch ausgeprägte pharmakologische Wirkungen, die in vielen Fällen potenziell gefährlich sind.

Die Fähigkeit, Bitterkeit wahrzunehmen, hat sich möglicherweise als eine Schutzmaßnahme im menschlichen Evolutionstraining entwickelt, um uns vor giftigen Substanzen zu warnen. Tatsächlich liegt die Schwelle für die Wahrnehmung von Bitterkeit oft deutlich niedriger als die für Süße. Ein Beispiel hierfür ist Quinin, ein bekanntes bitteres Alkaloid, das bereits in geringen Konzentrationen von 25 µmol/dm^3 wahrgenommen wird, während die Schwelle für die Wahrnehmung von Zucker bei etwa 10.000 µmol/dm^3 liegt.

Bitterkeit kann jedoch nicht nur in Toxinen vorkommen. Sie ist auch ein charakteristisches Merkmal vieler Lebensmittel und Getränke, die auf ihre Weise ein ansprechendes Geschmackserlebnis vermitteln, etwa in Bitterlimonade oder Tonic Water. Quinin, ursprünglich als Arzneimittel gegen Malaria bekannt, wird heute weltweit verwendet, um Getränken eine dezente Bitterkeit zu verleihen, was wiederum die kulturelle Bedeutung dieses Geschmackes verstärkt.

Die Wahrnehmung von Bitterkeit und Süße ist also nicht nur eine Frage der Geschmacksknospen, sondern auch der chemischen Strukturen, die diese Geschmacksrichtungen hervorrufen. Während moderne Süßstoffe wie Advantam, Neohesperidin oder Steviosid eine zunehmend größere Rolle spielen, bleibt die Bitterkeit als natürlicher Geschmacksträger eine untrennbare Komponente der menschlichen Nahrungsaufnahme.