Glei, M.

Hollmann, Jürgen

Lindhauer, Meinolf Georg

Pool-Zobel, B.L.

German

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LebensmittelqualitätFORSCHUNGSREPORT 2/200610Aus heutiger Sicht verdienen Ballaststoffe ihren Namen zu Unrecht:Auch wenn sie nicht als Nährstoffe vom Organismus aufgenommenwerden, sind sie doch kein unnützer Ballast. Seit langem ist bekannt,dass sie unter anderem die Verdauung unterstützen. Regelmäßigund in ausreichenden Mengen verzehrt, können sie auch das Risikosenken, an Herzkreislauf-Erkrankungen oder Erkrankungen des Ver-dauungstraktes zu leiden. Eine ballaststoffreiche Ernährung wird da-her empfohlen.Ob bestimmte Ballaststoffe auch vor Dickdarmkrebs schützen, wirdseit geraumer Zeit kontrovers diskutiert. Einige große epidemiologi-sche Studien und neue Erkenntnisse über die biochemische Wirkungvon Getreideballaststoffen im Dickdarm, über die hier berichtet wird,sprechen aber dafür.Dickdarmkrebs ist in Deutschland bei beiden Geschlechtern diezweithäufigste Krebserkrankung und damit der wichtigste Krebs imMagen-Darmtrakt. Etwa 70% aller Darmkrebsfälle gelten als ernäh-rungsbedingt und könnten somit durch eine bewusste Gestaltungder Ernährung verhindert werden. Auch hier scheinen ballaststoff-haltige Lebensmittel eine wichtige Rolle zu spielen.Was sind Ballaststoffe?Die American Association of Cereal Chemists hat den Begriff Ballast-stoffe 2001 wie folgt definiert: „Ballaststoffe sind die essbaren Be-standteile von Pflanzen oder vergleichbare Kohlenhydrate, die immenschlichen Dünndarm nicht verdaulich und nicht resorbierbar, abervollständig oder teilweise im Dickdarm fermentierbar sind. Sie umfas-sen Substanzen wie Polysaccharide, Oligosaccharide, Lignin und asso-ziierte Substanzen. Ballaststoffe haben günstige Wirkungen einschließ-lich Laxation (= Abführen) und/oder Normalisierung der Cholesterin-und Glucosespiegel im Blut“.Ballaststoffe sind damit pflanzliche Inhaltsstoffe, die den menschlichenDünndarm passieren und durch die Peristaltik des Darms unverdaut inden Dickdarm gelangen. Dort werden sie von der mikrobiellen Darm-flora bei Abwesenheit von Sauerstoff ganz oder teilweise abgebaut. Beidiesen Vorgängen entstehen kurzkettige Fettsäuren wie Acetat, Propio-nat und Butyrat. Butyrat dient der Ernährung der Darmwandzellen undvermag, zumindest in Zellkultur, das Wachstum von Darmtumorzellenzu hemmen und solche Zellen durch Einleitung des programmiertenVollkornbrot gilt in vielerlei Hinsicht als gesund. NebenNährstoffen wie Stärke, Proteinen, ungesättigten Fettsäurenund Vitaminen enthalten Getreideprodukte – vor allem die aus Voll-korn – einen hohen Anteil an Ballaststoffen. Gerade diese Stoffe spielen für die Gesundheits-prävention eine bedeutende Rolle. So können sie unter anderem dazu beitragen, vor Dick-darmkrebs zu schützen, wie Forscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Bundes-forschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel (BfEL) jetzt in einem Gemeinschaftsprojektherausfanden.Getreideballaststoffe –Nur Ballast oder mehr?Wie Getreideballaststoffe vor Darmkrebs schützen können Jürgen Hollmann und Meinolf G. Lindhauer (Detmold), Michael Glei und Beatrice Pool-Zobel (Jena) Lebensmittelqualität2/2006 FORSCHUNGSREPORT 11Zelltodes („Apoptose“) zu eliminieren. So genannte präbiotische Bal-laststoffe wie das Inulin führen zu einem gesteigerten Wachstum vonBifidobakterien und Lactobacillen, die als „günstige“ Darmbakteriendas Überleben anderer, weniger günstiger Keime verhindern. Inwieferndiese Wirkungen im Einzelnen auch im Darm des Menschen bestehen,wird intensiv untersucht.Zu den Ballaststoffen zählen die Cellulose, die Hemicellulosen (u.a.Arabinoxylane), das Pektin, die -Glucane, Inuline und Oligofruktosensowie Guar, Pflanzenschleime und resistente Stärke.Ballaststoffe, Getreidevollkorn und KrebsSeit Beginn der 1970er Jahre gibt es zahllose Publikationen, die sichmit der Frage beschäftigen, ob eine ballaststoffreiche Ernährung dasRisiko, an Dickdarm- und anderen Krebsarten zu erkranken, senkenkann. Doch die Datenlage ist nicht eindeutig.In zwei umfangreichen Untersuchungen (EPIC-Studie „European Pro-spective Investigation into Cancer and Nutrition“ mit rund 520.000Personen aus 10 Europäischen Ländern und PLCO-Studie „Prostate,Lung, Colorectal, and Ovarian Cancer Screening Trial“ mit rund 34.000Männern aus den USA) ging ein erhöhter Verzehr von Ballaststoffenmit einer Verringerung des Darmkrebsrisikos einher. Im Gegensatz hier-zu hat eine andere führende Arbeitsgruppe mit Daten der „Nurses’ He-alth Study“ (76.950 Frauen) und der „Health Professionals Follow-upStudy“ (47.280 Männern) aus den USA einen solchen Zusammenhangnicht nachweisen können. Zudem wurde im Rahmen einer Humanstu-die kein Hinweis dafür gefunden, dass ein hoher Verzehr von Ballast-stoffen, Obst, Gemüse und Getreide das Auftreten von Krebsvorstufenin der Dickdarmwand hemmen könnte.Die Untersuchungen zu Wirkungen einzelner Ballaststoffe an isoliertenZellen und tierexperimentelle Untersuchungen deuten aber darauf hin,dass diese Substanzen in der Tat protektiv wirken. Deshalb ist es not-wendig, zunächst die Wirkmechanismen einzelner ballaststoffhaltigerLebensmittel noch näher zu erforschen, um dann auf der Grundlagedieser Erkenntnisse gezielte klinisch kontrollierte Ernährungsstudienam Menschen durchzuführen.Das Forschungsprojekt „Arabinoxylane“Eine ergiebige Quelle für Ballaststoffe ist die Weizenkleie aus denRandschichten des Weizenkorns. Rund 12–15% des Getreides ver-bleiben nach der Vermahlung zu so genannten hellen Mehlen alsKleie. Pro Jahr fallen ca. 800.000 Tonnen Weizenkleie in Deutschlandan.Bis 1998 lagen 21 abgeschlossene Studien zur Wirkung der Weizen-kleie auf die Entstehung von Dickdarmkrebs bei Tier und Mensch vor.16 Studien zeigten, dass ein Verzehr von Weizenkleie das Darm-krebsrisiko signifikant verringern kann. Leider wird die Vergleichbar-keit der Studien sowohl durch eine fehlende Standardisierung derVersuchsprotokolle als auch durch eine mangelhafte oder gänzlichfehlende Charakterisierung der verwendeten Kleiepräparate er-schwert.Warum gerade die Weizenkleie gegenüber anderen Ballaststoffträ-gern diese krebshemmende Wirkung im Dickdarm entfaltet und wel-che spezifischen Inhaltsstoffe dafür verantwortlich sind, ist nicht be-kannt. Die Weizenkleie enthält neben ca. 50% Ballaststoffen (u.a.Arabinoxylane) auch niedermolekulare Inhaltsstoffe (Antioxidantien,Vitamine, Flavonoide), die für diesen hemmenden Effekt verantwort-lich gemacht werden können.Um die Rolle der Ballaststoffe der Kleie näher zu untersuchen, wur-de in einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Bundesfor-schungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel (BfEL), Standort Det-mold, mit dem Lehrstuhl für Ernährungstoxikologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena ein Verfahren zur Gewinnung von Arabin-oxylanen aus der Weizenkleie entwickelt. Diese bilden den Hauptbal-laststoff der Weizenkleie. Es konnten zwei Produkte gewonnen wer-den: die alkalisch gewinnbaren Arabinoxylane (AEAX) als Hauptpro-dukt und die mit Wasser extrahierbaren Arabinoxylane (WEAX) alsNebenprodukt. Abbildung 1 zeigt die chemische Struktur der AEAX,wie sie am Detmolder Institut ermittelt wurde.Durch das neu entwickelte Verfahren lassen sich aus einem Kilo-gramm Weizenkleie rund 115 g Arabinoxylane gewinnen. Das Pro-dukt besitzt eine Reinheit von mindestens 80%. Das Verfahren eig-net sich auch zur Gewinnung dieser Stoffe in größerem Maßstab.Im zweiten Projektteil, durchgeführt am Lehrstuhl für Ernährungs-toxikologie der Friedrich-Schiller-Universität in Jena, wurden die iso-lierten Arabinoxylane und daraus gewonnene Fermentationsproduk-te an menschlichen Dickdarmzellen untersucht. Auch wenn direkteRückschlüsse auf die tatsächlichen Wirkmechanismen im menschli-chen Verdauungstrakt problematisch sind, liefern die Ergebnisse ausdiesen Zellkulturexperimenten wichtige Hinweise, wie die Substan-zen im Darm wirken könnten.Abbildung 2 zeigt schematisch, wie man sich die Krebsentstehungvorstellt. Zentrales Ausgangsereignis zu Beginn dieses Prozesses istAbb. 1: Chemische Struktur der Arabinoxylane aus der Weizenkleieeine Schädigung der DNA (Mutation) durch einen von außen zuge-führten Stoff (Prokanzerogen) oder einen endogenen Prozess. Kanndieser Schaden nicht repariert werden, so folgt nach Teilung der ge-schädigten Zelle die Übertragung des Schadens auf die Tochterzelle– eine „initiierte“ Zelle entsteht, aus der sich über weitere Mutati-onsereignisse und viele Zellteilungen schließlich Krebs entwickelnkann. Dieser Prozess kann von der Entstehung der initiierten Zelle biszur Ausbreitung des Krebses durch Metastasen viele Jahre dauern(10–25 Jahre).An isolierten Dickdarmzellen wurden nun die Wirkungen der Arabin-oxylane und ihrer Fermentationsprodukte untersucht. Gelangen Bal-laststoffe in den Dickdarm, so werden sie, in Abhängigkeit von derchemischen Struktur und Verweilzeit, unterschiedlich stark abgebaut(„fermentiert“). Um den mikrobiellen Abbau der Arabinoxylane imLebensmittelqualitätFORSCHUNGSREPORT 2/200612Genotoxisches Prokanzerogen(z.B. Nahrungsinhaltsstoff)metabolische Aktivierungultimales Kanzerogenendogener SchadstoffDNA-Schaden(Mutation)geschädigte Darmzelleinitiierte Darmzellenormale Darmzellepersistierender DNA-Schaden SchadensreparaturZellteilungDNA-SchadenDarmzelleEntgiftungDNAZellkernAbb. 2: Schematische Darstellung der frühen Phasen der Krebsentstehung: Durch Schädigung der DNAentsteht aus einer normalen Dickdarmzelle eine initiierte Zelle, aus der sich unter Umständendurch weitere Mutationen Krebs entwickeln kann. Lebensmittelqualität2/2006 FORSCHUNGSREPORT 13menschlichen Dickdarm zu simulieren, wurden die Isolate im Labormit menschlichen Faeces-Keimen fermentiert (Abb. 3). Es zeigte sich,dass beide Arabinoxylantypen durch die Darmkeime abgebaut wer-den, wobei kurzkettige Fettsäuren entstehen. Die bei der Fermenta-tion gebildeten Substanzen hemmten die Zellteilung humaner Dick-darmtumorzellen signifikant.Außerdem steigerten sie signifikant dieAktivität von Schadstoff-entgiftenden Enzymen und waren tenden-ziell in der Lage, vor bestimmten oxidativen DNA-Schäden zu schüt-zen. Die Fermentationsprodukte der Arabinoxylane greifen also anverschiedenen Stellen der Krebsentstehung regulierend ein: Sie kön-nen DNA-schädigende Stoffe durch eine Steigerung der Aktivität zel-lulärer Entgiftungsenzyme besser abwehren, sie können die Schädi-gung der DNA verringern und sie können die für die Ausbreitung derZellschäden erforderliche Zellteilung hemmen. Unfermentierte, in-takte Arabinoxylane sind dazu nicht in der Lage, da sie nicht in Kör-perzellen einzudringen vermögen.Allerdings besitzt die Gruppe der mit Wasser extrahierbaren Arabin-oxylane (WEAX) auch in unfermentierter Form ein hohes antioxidati-ves Potenzial und könnte so Darmzellen vor oxidativen Schäden(Brüche im DNA-Strang) schützen. Diese Schutzfunktion kann durchden so genannten Comet-Assay an einzelnen Zellen unter dem Mi-kroskop nachgewiesen werden. Dazu werden die behandelten Zel-len in ein Gel eingebettet, an das ein elektrisches Feld angelegt wird(Elektrophorese). Nur geschädigte, fragmentierte DNA kann in ein-zelnen Bruchstücken aus dem komplexen Zellkern herauswandern,so dass nach Anfärbung das typische Bild eines Kometen erscheint(Abb. 4).Wirkmechanismen geklärtDie Arbeiten haben ergeben, dass isolierte Bestandteile der Weizen-kleie eine zellschützende Wirkung besitzen. Erstmals konnte gezeigtwerden, dass Arabinoxylane von der menschlichen Darmflora fer-mentiert werden und dass diese Fermentationsprodukte das Wachs-tum von Krebszellen verringern und zelluläre Entgiftungsmechanis-men gegen Kanzerogene fördern können. Darüber hinaus habenauch unfermentierte Arabinoxylane die Fähigkeit, zellschädigendeProdukte abzufangen.Ob neben den Arabinoxylanen noch andere Inhaltsstoffe in der Wei-zenkleie vor Darmkrebs schützen können, muss in weiteren Untersu-chungen geklärt werden. Die hier vorgestellten Arbeiten haben aberwesentlich dazu beigetragen, die molekularen Wirkmechanismenvon Ballaststoffen zu verstehen. Es ist jetzt klarer, auf welche Weiseeine ballaststoffreiche Ernährung dazu beiträgt, das Risiko zu verrin-gern, an Dickdarmkrebs zu erkranken. ■Dr. Jürgen Hollmann, Dr. Meinolf G.Lindhauer, Bundesforschungsanstaltfür Ernährung und Lebensmittel (BfEL), Institut für Getrei-de-, Kartoffel- und Stärketechnologie, Schützenberg 12,32756 Detmold. E-Mail: juergen.hollmann@bfel.dePD Dr. Michael Glei, Prof. Dr. Beatrice L. Pool-Zobel, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Institut für Ernährungswissenschaften, Dornburger Str. 25, 07743 JenaDanksagungDieses Vorhaben wurde aus Mitteln der industriellen Gemeinschaftsforschung(Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit) via AiF über den Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI) gefördert. AiF-Projekt Nr. 13065 BG.Abb. 3: Versuchsaufbau zur Durchführung der Fermentation vonProben mit menschlichen Faeces-Keimen im LaborAbb. 4: Comet Assay: Zellen mit ungeschädigter (Mitte) undgeschädigter DNA (oben und unten)

Getreideballaststoffe - Nur Ballast oder mehr?

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Getreideballaststoffe - Nur Ballast oder mehr?

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