Tierärztliche Hochschule Hannover

Transkript

1 Tierärztliche Hochschule Hnnover In-vivo - und in-vitro - Untersuchungen zur prececlen Stärkeverdulichkeit in Abhängigkeit von der Stärkert und -behndlung bei Miniturschweinen mit induzierter exokriner Pnkresinsuffizienz INAUGURAL DISSERTATION zur Erlngung des Grdes einer Doktorin der Veterinärmedizin - Doctor medicine veterinrie - (Dr. med. vet.) vorgelegt von Sndr Vgt Rostock Hnnover 2014

2 Wissenschftliche Betreuung: Univ.-Prof. Dr. Josef Kmphues Institut für Tierernährung 1. Gutchter: Univ.-Prof. Dr. Josef Kmphues 2. Gutchter: Univ.-Prof. Dr. Krl-Heinz Wldmnn Tg der mündlichen Prüfung:

3

4 Meinen Freunden

5 Teile dieser Disserttion wurden bereits uf folgenden Tgungen vorgestellt: 67. Jhrestgung der Gesellschft für Ernährungsphysiologie Göttingen, VAGT, S., A. MÖSSELER, P. GREGORY, J. KAMPHUES (2013) Effects of therml processing (cooking) of rice strch on in vitro fermenttion (gs production) in cse of exocrine pncretic insufficiency when using ilel chyme s inoculum Proc. Soc. Nutr. Physiol. 22, S. 36 Wissenschftliches Symposium - Exokrine Pnkresinsuffizienz (EPI) Hnnover, VAGT, S. (2013) Effekte der EPI uf die fermenttive Kpzität der Mikroflor im terminlen Ileum von Schweinen (in-vitro) Beiträge zum Symposium; ISBN , S th Congress of the Europen Society of Veterinry nd Comprtive Nutrition Ghent, Belgien, VAGT, S., A. MÖSSELER, P. GREGORY, J. KAMPHUES (2013) Comprtive study on prececl digestibility of strch fed either rw or cooked to minipigs (with or without experimentlly induced pncretic insufficiency) Proc. 17 th ESVCN Congress Ghent, S Jhrestgung der Gesellschft für Ernährungsphysiologie Göttingen, VAGT, S., A. MÖSSELER, J. KAMPHUES (2014) Effect of strch source (rice, mrnth, potto, pe) nd tretment (ntive or cooked) on prececl digestibility of strch in minipigs (with or without experimentlly induced pncretic insufficiency) Proc. Soc. Nutr. Physiol. 23, S. 113

6 Inhltsverzeichnis 1 Einleitung Schrifttum Struktureller Aufbu von Stärke und drus resultierende Einflüsse uf die Verdulichkeit Struktur der Stärke (Stärkeufbu) Amylose und Amylopektin Busteine der Stärke Anordnung der Amylose- und Amylopektinmoleküle im Grnulum Einfluss der botnischen Herkunft uf den Aufbu von Stärkequellen Unterschiede in der Kristllinität Stärketypen A, B und C Form, Größe und Oberflächenstrukturen von Stärkegrnul Chemische Komposition verschiedener Stärkegrnul Thermische Einflüsse uf die Stärke Geltinisierung Retrogrdtion Stärkeverduung Enzymtische Spltung der Stärkegrnul Einflussfktoren uf den enzymtischen Abbu der Stärkegrnul Abbu der Amylose- und Amylopektinketten Stärkeverduung durch körpereigene Enzyme Beteiligung der Mikroorgnismen m Stärkebbu Exokrine Pnkresinsuffizienz (EPI) Urschen einer exokrinen Pnkresinsuffizienz Einfluss der EPI uf die Verduung Verdulichkeiten... 26

7 Einfluss der exokrinen Pnkresinsuffizienz uf die mikrobielle Besiedlung des Dünndrms Urschen einer bkteriellen Überbesiedlung im Dünndrm Klinische Auswirkungen der bkteriellen Überbesiedlung Eigene Untersuchungen Mteril und Methoden Versuchsziel Versuchstiere Hltung der Versuchstiere Fütterung der Versuchstiere Außerhlb von Versuchen Fütterung im eigentlichen Versuch Thermische Behndlung der Stärken Komponenten der im Screening-Test eingesetzten Testmhlzeiten Bestimmung des Anteils der prececl verduten Stärke (Verschwindensrte) Im Screening-Test-Verfhren Versuchsbluf Kollektionsintervlle Bestimmung der in-vitro Gsproduktion im Gs Production System (GPS) Bestndteile des Gs Production Systems Vorversuche mit dem Gs-Production-System Überprüfung der Pufferkpzität des Knss Stte Puffers Überprüfung der Säuren-Gehlte sowie der ph-werte Herstellung der Chymussuspension Herstellung des Puffers Kollektion und Aufbewhrung des Ileumchymus... 52

8 Herstellung der Chymussuspension Verwendete Substrte zur Bestimmung der Fermenttion Einstellungen des Systems für die Messung des Gsdruckes Probenentnhme nch 24-stündiger Inkubtionsduer Untersuchungen der mikrobiellen Fermenttion mit dem Gs Production System Vergleichende Untersuchungen der in-vitro Gsbildung (ermittelt nhnd des kumultiven Gsdruckes) Bestimmung der Effekte einer Enzymsupplementtion uf die mikrobielle Fermenttion der Stärke Bestimmung der Effekte einer Adpttionsphse uf die mikrobielle Fermenttion unterschiedlicher Stärkerten Ermittlung der während der in-vitro Fermenttion mikrobiell gebildeten Gsrten Angewndte Untersuchungsmethoden Berechnungsformeln Berechnung der Anflutung m terminlen Ileum Berechnung der prc. scheinbren Verdulichkeit bzw. Verschwindensrten Sttistische Auswertungen Ergebnisse Chymusprmeter Absolute Chymusmssen (g us) TS-Gehlt (%) im Chymus m terminlen Ileum Anflutung von Trockensubstnz, Stärke und Chromoxid Trockensubstnz-Anflutung m terminlen Ileum (g TS/8h) Stärke-Anflutung m terminlen Ileum (g us/8h)... 71

9 Chromoxid-Wiederfindung (%/8h) Verschwindensrten Prececle TS-Verschwindensrte (%) Prececle Stärke-Verschwindensrte (%) Lktt-Konzentrtion (mmol/kg us) im Ileumchymus Konzentrtion (mmol/kg us) der flüchtigen Fettsäuren (FFS) im Ileumchymus m terminlen Ileum Ergebnisse der in-vitro Versuche In-vitro Gsbildung im Ileumchymus nch Zulge von Stärke ls Substrt (thermisch unbehndelt und behndelt) Gsproduktion (ml) nch Zulge roher Stärken Gsproduktion (ml) nch Zulge gekochter Stärken Effekte einer Enzymsubstitution bei Spender-Tieren uf die Gsbildung im inkubierten Ileumchymus Effekte einer Adpttion der Spender-Tiere n die in den in-vitro-versuchen ls Substrt eingesetzten Stärkert (rks) Diskussion Kritik der Methode Zhl der verwendeten Tiere und ihre Auswirkung uf die sttistische Auswertung Mögliche Effekte der geringeren Stärkemenge in der Testmhlzeit ram Einfluss des Alters bzw. der EPI-Duer uf die Ergebnisse der Inkubtionsversuche Bedeutung des Puffer Inokulum-Verdünnungsverhältnisses und des ph-wertes Bedeutung des TS-Gehltes im Ileumchymus für die in-vitro Gsproduktion Bedeutung der Substrtmenge

10 4.1.7 Bedeutung der Fütterung der Spendertiere Bedeutung des Entnhmezeitpunktes von Ileumchymus für die Gsbildung Bedeutung einer Zwischenlgerung des Ileumchymus vor der Inkubtion Erörterung der Ergebnisse Effekte der EPI uf die Stärkeverduung Erklärungen für eine hohe prc. Verdulichkeit von Stärke (trotz einer EPI) Bedeutung der Stärke-Herkunft und -Art Bedeutung der thermischen Behndlung für die prc. Stärke-VR und die Gsbildung (in-vitro) Effekt einer Unterbrechung der Enzymsubstitution bei den Spendertieren Effekte einer Adpttion der Spendertiere n ds zu testende Substrt uf die in-vitro Gsproduktion Stärke in der Diätetik von EPI Ptienten Zusmmenfssung Summry Literturverzeichnis Tbellennhng

11 Abkürzungsverzeichnis Eingetrgenes Wrenzeichen c. circ et l. et lii F Firm FFS flüchtige Fettsäuren gam gekochtes Amrnth GfE Gesellschft für Ernährungsphysiologie ges gekochte Erbsenstärke gks gekochte Krtoffelstärke GmbH Gesellschft mit beschränkter Hftung grs gekochte Reisstärke HPLC High-performnce liquid chromtogrphy IE Interntionle Einheit KbE koloniebildende Einheiten KM Körpermsse K-Tier Kontrolltier m.o.w. mehr oder weniger MS Misschrot n Anzhl nn nicht nchweisbr NfE Stickstofffreie Extrktstoffe o.g. oben gennnt OP Opertion ph potenti Hydrogenii PL pnkresgngligiert prc. prececl R Rohsche ram rohes Amrnth res rohe Erbsenstärke Rf Rohfser Rfe Rohfett Rp Rohprotein rrs rohe Reisstärke S. Seite SIBO Smll intestinl bcteril overgrowth s.o. siehe oben spp. Spezies spez. spezielle svq scheinbre Verdulichkeit Syn Synonym tägl. täglich

12 TS us UV v.. VDLUFA Vit. VR vs. z.b. Trockensubstnz ursprüngliche Substnz Ultrviolett vor llem Verbnd Deutscher Lndwirtschftlicher Untersuchungs- und Forschungsnstlten Vitmin Verschwindensrte versus zum Beispiel

13 Einleitung 1 Einleitung Ds pnkresgngligierte (PL) Miniturschwein ist ein etbliertes Modell für die Untersuchung von Effekten einer exokrinen Pnkresinsuffizienz (EPI) uf diverse Verduungsprozesse (ABELLO et l. 1989, MOUGHAN 1994; GREGORY 1999). Im Rhmen des Forschungsprojektes Studien n pnkresgngligierten Miniturschweinen (TABELING 1998; FASSMANN 2001; HELDT 2001; MANDISCHER 2002; FUENTE- DEGE 2003; KAMMLOTT 2003; KARTHOFF 2004; CLASSEN 2004; BECKER 2005; ZANTZ 2006; KALLA 2009; KRAMER 2010; LOOCK 2010; KOCH 2011) wurden schon diverse Auswirkungen einer EPI uf Verduungsvorgänge untersucht, sowie die Überprüfung bzw. Optimierung der Wirksmkeit von Enzymprodukten berbeitet. Die vorliegende Studie zielte uf eine nähere Chrkterisierung der Stärkeverduung im prececlen (prc.) Bereich, um längerfristig Empfehlungen für die Diätetik bei Vorliegen einer EPI geben zu können. Bei Beurteilung des Stärkebbus im gesunden Orgnismus wird - strk vereinfchend - unterstellt, dss im Dünndrm (prc.) die Stärke im Wesentlichen durch körpereigene Enzyme verdut wird, während ihr Abbu im Dickdrm usschließlich fermenttiv erfolgt (KAMPHUES 2013). Erst die Bestimmung der prc. Verdulichkeit erlubt somit eine Differenzierung zwischen dem Umfng des enzymtischen Nährstoffbbus und dem Anteil fermenttiver Abbuprozesse im Dickdrm. Aus zhlreichen Untersuchungen n ileo-cecl-fistulierten, pnkresgngligierten Miniturschweinen ist beknnt, dss die prc. Stärkeverdulichkeit trotz einer EPI zwischen ~ 30 % und ~ 90 % vriiert und dmit im Vergleich zur der prc. Fett- und Eiweißverdulichkeit weniger strk beeinträchtigt ist. KRAMER (2010) ermittelte erhebliche Unterschiede in der prc. Stärke-Verdulichkeit in Abhängigkeit von der Stärkert, wobei ber einschränkend zu erwähnen ist, dss hierbei nur rohe Stärken geprüft wurden, die in der Ernährung des Menschen jedoch keine wesentliche Rolle spielen. Insgesmt wird die Stärke je nch Herkunft, Berbeitung und ufgenommener Menge - trotz vollständigen Verlusts der pnkretischen Enzymsekretion - schon im Mgen und Dünndrmbereich bis zu > 90 % (FASSMANN 2001) verdut. Eine mögliche Erklärung für die hohe prc. Verdulichkeit ist ein bkterieller Abbu der Stärke bereits im Dünndrm. D bei Ptienten mit einer EPI durch viele begünstigende Fktoren (Fehlen des ntimikrobiellen

14 Einleitung Pnkressekretes, hohe Nährstoffdichte im Chymus) meist ein smll intestinl bcterilovergrowth (SIBO) vorliegt (BURES et l. 2010; RANA 2008), ist dvon uszugehen, dss die Fermenttion forciert ist. Der mikrobielle Abbu von Kohlenhydrten ist im Allgemeinen mit der Entstehung von Gsen ls Stoffwechselprodukten verbunden. Der us der gesteigerten intestinlen Gsproduktion resultierende Meteorismus beeinflusst ds Wohlbefinden negtiv, knn Schmerzen verurschen und zudem uch Völlegefühl und eine verminderte Nhrungsufnhme (RANA 2008). Neben diversen Gsen zählen uch Milchsäure und flüchtige Fettsäuren zu den wesentlichen Metboliten, die während eines bkteriellen Abbus von Stärke entstehen (MACFARLANE 1988; LOUIS 2007). Wird die Resorptionskpzität für diese Metboliten überschritten, führt dies u.. zu osmotischen Durchfällen (CASPARY 1999) und einer verringerten Absorption ufgenommener Nährstoffe. Doch gerde bei Ptienten mit einer EPI ist es ein vorrngiges Ziel der Diätetik, die Energie- und Nährstoffversorgung zu optimieren. Vor diesem Hintergrund lg der Fokus der vorliegenden Arbeit uf Frgen zur Stärkeverduung im prececlen Bereich, wobei insbesondere die Herkunft der Stärke sowie die Bedeutung ihrer thermischen Behndlung (Kochen) näher geprüft werden sollen, und zwr sowohl mittels in-vivo - (d.h. m pnkresgngligierten Miniturschwein), ls uch invitro (Gsbildung im Chymus in Inkubtionsversuchen) Untersuchungen. Letztlich zielten diese experimentellen Studien uf ein besseres Verständnis von Vorgängen der Stärkeverduung bei EPI-Ptienten ls Vorussetzung für geeignete konkrete, diätetische Empfehlungen.

15 Schrifttum 2 Schrifttum 2.1 Struktureller Aufbu von Stärke und drus resultierende Einflüsse uf die Verdulichkeit Stärke ist in den meisten höheren Pflnzen in Form von kompkten, wsserunlöslichen Grnul zu finden (IMBERTY et l. 1991; JENKINS u. DONALD 1995). Diese Grnul werden in sogennnten Reserveorgnen, wie Wurzeln, Knollen, Rhizomen, Zwiebeln und Smen gebildet und gespeichert (BADENHUIZEN 1959). Aufgrund der hohen wirtschftlichen und nutritiven Bedeutung für den Menschen sind der strukturelle Aufbu und die chemo-physiklischen Eigenschften umfssend untersucht Struktur der Stärke (Stärkeufbu) Stärkegrnul weisen feste Strukturen in ihrem Aufbu uf, wodurch die physiko-chemischen Eigenschften von Stärke wesentlich beeinflusst werden. Im Folgenden wird die Innenrchitektur eines Grnulums detilliert drgestellt Amylose und Amylopektin Busteine der Stärke Stärke ist ein Mkromolekül und setzt sich us den Polyscchriden Amylose und Amylopektin zusmmen. Beide Moleküle bestehen usschließlich us glykosidisch gebundenen Glucoseeinheiten. Amylose ist ein lineres (unverzweigtes) Molekül und setzt sich us α-1,4-glykosidisch gebundenen Glucosemolekülen zusmmen. Je nch botnischem Ursprung unterscheidet sich die Kettenlänge der Amylose; so sind in Krtoffel- und Tpiokstärke längere Glucoseketten zu finden ls in Weizen- oder Misstärke (SWINKELS 1985). Neben den α-1,4-verbindungen liegen lut BALL et l. (1996) uch etw 0,1 % α-1,6- Verbindungen innerhlb des Moleküls vor (VANDEPUTTE u. DELCOUR 2004). Die Amylosemoleküle liegen ls Doppelhelixstrukturen vor, wobei zwei Glucoseketten über Wsserstoffbrücken miteinnder verbunden sind (FRENCH 1973). 3

16 Schrifttum Abbildung 1: Chemischer Aufbu von Amylose Amylopektin ist, im Gegenstz zu Amylose, ein verzweigt ufgebutes Molekül, in dem die Glucosemoleküle über α-1,4-glykosidische Bindungen miteinnder zu Ketten verbunden sind und nch etw Glucosemolekülen eine Abzweigung einer weiteren Glucosekette erfolgt. An diesen Verzweigungspunkten werden die Glucosemoleküle über α-1,6- glykosidische Bindungen verknüpft (FRENCH 1973). Abbildung 2: Chemischer Aufbu von Amylopektin 4

17 Schrifttum Anordnung der Amylose- und Amylopektinmoleküle im Grnulum Amylopektin Die Anordnung der Amylopektinmoleküle innerhlb der Stärkegrnul unterliegt einer festen Ordnung, wobei verschiedene Strukturen (Cluster, Lmelle, Blocklets, Wchstumsringe) in einem Grnulum unterschieden werden. Im folgenden Abschnitt werden der Aufbu eines Amylopektinmoleküls und die dmit verbundene Architektur von Stärkegrnul näher erläutert. Innerhlb eines Amylopektinmoleküls unterscheidet mn drei verschiedene Arten von Glucoseketten: A-, B- und C-Ketten. A-Ketten enthlten die kürzesten Glucoseketten und sind über α-1,6-verbindungen n B-Ketten gebunden, welche wiederum von der C-Kette bzweigen. Pro Amylopektinmolekül liegt jeweils nur eine C-Kette vor. Diese trägt ds reduzierende Ende, n welches die Glucoseeinheiten gebundenen sind (HIZUKURI 1985). Die lineren A- und B-Ketten bilden die sogennnten Cluster (GALLANT et l. 1997). C-Kette B-Kette A-Kette Cluster Abbildung 3: Schemtischer Aufbu eines Amylopektinmoleküls (Zeichnung von B. Ahlfänger; modifiziert nch GALANT et l. (1997)) Je Amylopektinmolekül werden etw 20 bis 60 Cluster gebildet (YAMAGUCHI et l. 1979), welche strhlenförmig vom Zentrum eines Grnulums (Hilum) synthetisiert werden (JENKINS u. DONALD 1998). Arele in denen usschließlich Glucoseketten mit α-1,4-5

18 Schrifttum glykosidischen Bindungen vorkommen, werden ls kristlline oder geordnete Bereiche des Amylopektinmoleküls bezeichnet. Die kristllinen Bereiche werden von den Verzweigungspunkten (α-1,6-bindungen) des Amylopektinmoleküls unterbrochen, wodurch die morphen oder ungeordneten Bereiche entstehen. Die morphen Bereiche sind wesentlich lbiler gegenüber enzymtischen Abbuprozessen (GALLANT et l. 1997). Durch die Anordnung von mehreren seitlich nebeneinnder ngeordneten Amylopektinmolekülen werden die perpendikulr zum Zentrum des Grnulums usgerichteten Lmelle gebildet. D nicht lle A- und B-Ketten die gleiche Länge ufweisen, entstehen weniger dichte Bereiche, in denen gleichzeitig die Verzweigungspunkte des Amylopektinmoleküls loklisiert sind. Arele in denen usgenommen linere Glucoseketten zu finden sind, bilden die kristllinen Lmelle; die zuvor gennnten weniger dicht gepckten Arele werden ls morphe Lmelle bezeichnet (YAMAGUCHI et l. 1979) (siehe Abbildung 4). Abbildung 4: A: Schemtische Drstellung (Seitennsicht) der molekulren Anordnung von kristllinen und morphen Lmelle; B: Schemtische Drstellung eines Stpels von kristllinen und morphen Lmelle (gezeichnet B. Ahlfänger; modifiziert nch GALANT et l. (1997)) Kristlline und morphe Lmelle sind die Busteine für eine weitere orgnisierte buliche Einheit, die in Grnul vorkommen Blocklets (TANG et l. 2006). Etw 20 Lmelle (morphe und kristlline) bilden ein kugelförmiges Blocklet, wobei die kristllinen Lmelle 6

19 Schrifttum von morphen Lmelle unterbrochen werden. In Abhängigkeit des botnischen Ursprungs vriiert die Größe eines Blocklets zwischen 20 und 500 nm (GALLANT et l. 1997). In rsterelektronen-mikroskopischen Untersuchungen konnten PARKER et l. (2008) drstellen, dss Blocklets ds gesmte Grnulum durchziehen. Diese Ergebnisse decken sich mit denen us Rsterkrftmikroskopie-Untersuchungen von BAKER et l. (2001) der feststellte, dss Blocklets usschlggebend für die Bildung der semi-kristllinen Wchstumsringe sind (siehe Abbildung 5). D Abbildung 5: Schemtische Drstellung des Aufbus der konzentrisch ngeordneten morphen und semi-kristllinen Wchstumsringe in Stärkegrnul; A: Amylopektinmolekül; B: Blocklet; C: morphe und semikristlline Wchstumsringe; D: Querschnitt durch ein Stärkegrnulum mit Sicht uf die semikristllinen und morphen Wchstumsringe (Zeichnung: B. Ahlfänger; modifiziert nch GALANT et l. 1997) Wchstumsringe sind bereits mittels lichtmikroskopischer Untersuchungen von Stärkegrnul zu erkennen. KASSENBECK (1978) beschrieb diese ls elektronendichte und elektronentrnsprente Schichten, die im Wechsel uftreten. Die elektronendichte Schicht wird uch ls semi-kristlline oder geordnete und die elektronentrnsprente Schicht ls morphe oder ungeordnete Zone bezeichnet (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986). 7

20 Schrifttum Amylose Aufgrund der schwierigen Isolierung von Amylose us dem Grnulum wurde dieses Molekül bisher nur in geringem Umfng untersucht (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986). Nch Anfertigung von Kryotomschnitten von Gelbmis-Endosperm konnte KASSENBECK (1978) belegen, dss ein Großteil der Amylose im Kornzentrum vorliegt, während JENKINS u. DONALD (1995) Amylose in den semi-kristllinen Wchstumsringen vermuten, d mit steigendem Amylosegehlt die Größe der kristllinen Lmelle zunimmt. Amylose bildet Doppelhelixstrukturen, indem zwei Amyloseketten über Wsserstoffbrücken miteinnder verbunden sind (FRENCH 1973). Diese Anordnung ermöglicht es der Amylose, ndere Moleküle und Elemente, wie Lipide und Phosphor zu binden, weshlb us steigenden Amylosegehlten in Grnul höhere Fettgehlte resultieren (TESTER et l. 2004b) Einfluss der botnischen Herkunft uf den Aufbu von Stärkequellen Stärke ist ein Polyscchrid, ds in Pflnzen weit verbreitet vorkommt, insbesondere in den Smen diverser Pflnzenrten (z.b. Getreide) oder uch in Rüben (z.b. Steckrüben) oder Knollen (z.b. Krtoffeln). Des Weiteren findet es sich in den Stengeln bestimmter Arten (z.b. Mrkstmmkohl). Dbei ist es futtermittelkundlich und für den Futterwert von Interesse, in welcher Form die Stärke vorliegt, d sich hierus Konsequenzen für die ggf. notwendige Nutzung ls Futter- bzw. Lebensmittel ergeben Unterschiede in der Kristllinität Stärketypen A, B und C Durch die regelmäßig ngeordneten Amylopektinmoleküle in Stärkegrnul entstehen Bereiche mit einem hohen Grd n Kristllinität. Je nch botnischer Herkunft der Stärkerten unterscheiden sich der Grd und die Art der Kristllinität. Insgesmt werden drei verschiedene Typen der Kristllinität unterschieden: A-, B- und C-Typen. Die verschiedenen Formen der Kristllinität vriieren in der Länge der A- und B-Ketten der Amylopektinmoleküle, die wiederum die Anordnung und die Dichte, in denen die prllel zueinnder gelgerten Doppelhelices gepckt sind, beeinflusst. Ebenso ht die Anzhl von Wssermolekülen zwischen den Doppelhelices einen Einfluss uf den Kristllinitätstyp (siehe 8

21 Schrifttum Abbildung 6). In Stärken, die zum Kristllinitäts-Typ A zählen, liegen im Vergleich zum B- Typ kürzere A-Ketten im Amylopektinmolekül vor, die Doppelhelices sind dichter gepckt und weniger Wssermoleküle sind eingeschlossen (IMBERTY et l. 1991). Krtoffelstärke zählt zu den A-Typen, während in Getreidestärke llgemein der Typ B vorliegt. In Leguminosen können beide Formen nchgewiesen werden. Dies wird ls Kristllinität vom C-Typ bezeichnet (KATZ u. ITALIE 1930; TREVOR L. WANG et l. 1998). Abbildung 6: Kristllinitätstyp A und B (nch TESTER 2004) Form, Größe und Oberflächenstrukturen von Stärkegrnul Die Bildung und Speicherung von kompkten Stärkegrnul in Pflnzen erfolgt in Amyloblsten (BADENHUIZEN 1959). Die Anzhl der in den Amyloblsten gebildeten Grnul ist bhängig von der botnischen Herkunft: So enthlten Amyloblsten von Gerste lediglich ein Stärkegrnulum, während in Amyloblsten von Reis und Hfer mehrere hundert Grnul zu finden sind (BUTTROSE 1960). Durch die vriierende Enzymusstttung der verschiedenen Pflnzenrten kommt es zu einer Diversität hinsichtlich der Stärkesynthese, wodurch sich die Morphologie, die Zusmmensetzung und die innere Struktur der Stärkegrnul je nch botnischer Herkunft unterscheiden (BORNET 1993; GALLANT et l. 1997). JANE et l. (1994) vermuten, dss die membrnöse Struktur und Chrkteristik der Amyloblsten ebenflls verntwortlich für die unterschiedlichen Größen und Formen der Grnul sind. Als einzige der Stärkerten, die in Übersicht 1 ufgeführt sind, zeigen die Grnul von Amrnth eine einheitliche Größenverteilung (0,8 bis 1 µm); in diesem Fll wird 9

22 Schrifttum von unimodler Größenverteilung gesprochen. Im Unterschied dzu, zeigen lle nderen ufgeführten Stärkerten deutliche Unterschiede der Grnulgrößen, ws ls bimodle Größenverteilung bezeichnet wird (JANE et l. 1994). Neben Größe und Form der Grnul unterscheiden sich uch die Strukturen der Oberfläche der Stärke. Zu diesen Strukturen zählen Löcher (Poren), schmle Risse (Fissuren) oder Auftreibungen bzw. Vorsprünge (Protuberntien). Je nch botnischem Ursprung der Stärkequelle gibt es neben der Art der Strukturen uch Unterschiede bezüglich des örtlichen Auftretens (äqutoril oder diffus) und der Anzhl der morphologischen Strukturen uf den Oberflächen. Stärkegrnul der Krtoffel weisen lediglich einige unregelmäßig verteilte Auftreibungen uf. Im Vergleich dzu konnten in elektronenmikroskopischen Untersuchungen von Weizen-, Roggen- und Hfergrnul Poren in der äqutorilen Region gefunden werden. In Verbänden vorliegende Stärkegrnul (Reis und Hfer) lssen wiederum keine Hinweise uf Poren erkennen. Ausschließlich Mis-, Sorghum- und Hirsegrnul zeigen uf der gesmten Oberfläche verteilte Poren (BUTTROSE 1960; FANNON et l. 1992; JANE et l. 1994; KIENZLE et l. 1998). Übersicht 1: Formen und Größen der Stärkegrnul in Abhängigkeit vom botnischen Ursprung Stärke Typ Form Größe (µm) Autor Amrnth Pseudo-Getreide polygonl 0,8-1 BHOSALE u. SINGHAL (2006) Reis Getreide polygonl 3-8 Mis Getreide polygonl 5 20 Erbse Leguminose ovl JANE et l. (1994); TESTER et l. (2004b) JANE et l. (1994); TESTER et l. (2004b) JANE et l. (1994); TESTER et l. (2004b) Bnne Frucht ovl JANE et l. (1994); Weizen Getreide ovl JANE et l. (1994); Krtoffel Knolle rund JANE et l. (1994); TESTER et l. (2004b) Chemische Komposition verschiedener Stärkegrnul Huptbestndteile Amylose und Amylopektin Amylose und Amylopektin bilden zusmmen % der Trockenmsse eines Stärkegrnulums. Dbei vriiert ds Verhältnis der beiden Polyscchride je nch Stärkert; durchschnittlich setzt sich Stärke us 80 % Amylopektin und 20 % Amylose zusmmen 10

23 Schrifttum (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986; BORNET 1993). Durch entsprechende Züchtung bestimmter Reis-, Mis- und Erbsenrten ist ds Amylose-Amylopektin-Verhältnis zu beeinflussen. Der sogennnte Amylomis weist beispielsweise besonders hohe Gehlte n Amylose (50 bis 80 %) uf, während die Stärke der sogennnten wchsrtigen Züchtungen zu 100 % us Amylopektin besteht (FRENCH 1973). Nicht nur der botnische Ursprung der Stärke, sondern uch der Reifegrd der Stärkequelle beeinflusst die Zusmmensetzung. Mit zunehmendem Alter der Pflnze nimmt die Größe der Stärkegrnul zu und der Amylosegehlt steigt (GEDDES et l. 1965). Nebenbestndteile Nichtpolyscchride Zu den weiteren Bestndteilen der Stärkegrnul zählen Fett, Eiweiß und Minerlstoffe (SCHOCH 1942; TESTER et l. 2004b). Diese werden ufgrund ihres geringen Vorkommens innerhlb der Grnul uch ls Minorkomponenten oder ls Nicht-Polyscchrid-Bestndteile bezeichnet. Der Gehlt n Minorkomponenten ist bhängig von der Stärkequelle (siehe Übersicht 2). Lipide werden in Form von freien Fettsäuren und Phosphoglyceriden in bzw. uf Stärkegrnul vorgefunden. Ein Teil der Fette geht komplexe Verbindungen mit den Amylosemolekülen ein (SWINKELS 1985), während der ndere Teil uf der Grnuloberfläche wiederzufinden ist. Die Zusmmensetzung der Lipide, die uf der Oberfläche von Stärke detektiert wurden, ist dbei bhängig vom botnischen Ursprung und ht Effekte uf die Eigenschften der verschiedenen Stärkerten (BALDWIN et l. 1994). Mit steigenden Fettgehlten sinkt die Wsserbindungskpzität, ds Quellvermögen und die Löslichkeit von Stärke (SWINKELS 1985). Zu den Stickstoff-Verbindungen innerhlb von Grnul zählen Aminosäuren, Peptide, Nukleinsäuren, Enzyme, Amide und Proteine (SWINKELS 1985). Der Gehlt n Proteinen in Getreidestärken liegt zwischen 0,25 bis 0,5 %, während in Krtoffel- und Tpiokstärke die Proteingehlte weniger ls 0,1 % betrgen. Unter den Minerlstoffen bildet Phosphor den größten Anteil; weiterhin können Clcium, Ntrium, Mgnesium und Klium in Stärkegrnul vorkommen (SWINKELS 1985). Phosphor ist ds einzige Mengenelement, ds die Eigenschften von Stärke beeinflusst (NIGAM u. SINGH 1995) und tritt in Form von Monophosphorestern und Phospholipiden innerhlb der Grnul uf. Etw 68 bis 92 % des Phosphors sind in den morphen Regionen der Stärkegrnul loklisiert und sind dort n Glucosemoleküle des Amylopektins gebunden 11

24 Schrifttum (BLENNOW et l. 2000). Zusätzlich konnte in diesem Versuchsufbu gezeigt werden, dss ein steigender Phosphorgehlt mit einem Anstieg der Kettenlänge der Amylopektinmoleküle - und somit einem zunehmenden Grd n Kristllinität der Grnul - verbunden ist. Übersicht 2: Inhltsstoffe verschiedener Stärkerten (%) Stärke Amylose Fett Eiweiß Phosphor Autor Weizen 28 0,7 0,4 0,06 DEBET u. GIDLEY (2006) Amrnth 7,2 b 1,1 b 0,49 b 0,13 bis 0,49 DEBET u. GIDLEY (2006) b PEREZ et l. (1993) Mis 28 c 0,7 d 0,35 d 0,02 d c GUILBOT u. MERCIER (1985) d SWINKELS (1985) Krtoffel 23 c 0,05 d 0,06 d 0,08 d c GUILBOT u. MERCIER (1985) d SWINKELS (1985) Erbse 33,2 bis 35 c 0,1 c 0,23 c 0,043 e c GUILBOT u. MERCIER (1985) e HILBERT (1946) Thermische Einflüsse uf die Stärke Geltinisierung Kochen ist ein Verfhren, durch ds rohe Stärke in eine verduliche, schmckhfte und verrbeitungsfähige Form überführt wird (TURHAN u. GUNASEKARAN 2001). Ds Erhitzen von Stärke in Wsser führt zu einem Verlust der inneren Ordnung der Stärkegrnul; dieser Vorgng wird ls Geltinisierung bezeichnet (JENKINS u. DONALD 1998). Der Prozess der Geltinisierung beginnt immer in den morphen (ungeordneten) Bereichen der Stärkegrnul, in die ds Wsser ungehindert eintreten knn. Die Penetrtion von Wsser in die kristllinen Bereiche der Stärke erfolgt erst im späteren Verluf der Geltinisierung. Durch Eindringen von Wsser in ds Grnulum werden die Wsserstoffbrücken zwischen Amylose und Amylopektin ufgebrochen. An die so frei werdenden Hydroxylgruppen wird Wsser gebunden, wodurch es zum irreversiblen Anschwellen der Grnul kommt, dem dnn ein Austritt von Amylose folgt (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986; BORNET 1993). Wenn die Amylosemoleküle frei werden, bilden sie ein dreidimensionles Netzwerk, ds sich in elektronen-mikroskopischen Aufnhmen ls Netzwerk von Filmenten drstellt (LELOUP et l. 1992). Mit fortschreitender 12

25 Schrifttum Geltinisierung wird die Stärke wsserlöslich, wodurch sich die Viskosität des Stärke- Wsser-Gemischs erhöht (BORNET 1993). Der Zeitpunkt des Einsetzens der Geltinisierung unterliegt zhlreichen Einflüssen. Hierzu zählen die Tempertur, die vorhndene Wssermenge, der Gehlt n Amylose, Fett und Phosphor und die Reife der jeweiligen Stärkequelle (WONGSRIKASEM 1980). Sofern der Wssergehlt oder die Tempertur nicht hoch genug sind, erfolgt lediglich eine unvollständige Geltinisierung der Grnul (TESTER et l. 2004b). Die Tempertur, bei der ein vollständiger Verlust, der für ntive Stärken typischen Doppelbrechung, verzeichnet wird, ist die Geltinisierungs-Tempertur (SCHOCH 1942). In Abhängigkeit von der botnischen Herkunft der Stärken unterscheiden sich die Geltinisierungs-Temperturen, die zwischen 56 C (Krtoffelstärke) und 90 C (Amrnthstärke) vriieren. Die Geltinisierungs-Temperturen nderer Stärkerten sind im Bereich dzwischen nzusiedeln (BILIADERIS et l. 1980). Durch den Verlust der inneren Grnulnordnung (kristlline Bereiche) werden Grnul nfälliger gegenüber enzymtischen Abbuvorgängen (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986). Dbei knn die Geltinisierung in unterschiedlichem Umfng stttfinden: Häufig liegt die Stärke lediglich in teilweise geltinisiertem Zustnd vor. Dies ist insbesondere in Getreideflocken (Cornflkes, Müsli) sowie Gebäck (Kuchen und Kekse) der Fll, d die Temperturen und die bei der Herstellung zugeführte Wssermenge solcher Produkte nicht usreichen, um die Geltinisierung in vollem Umfng herbeizuführen (WONGSRIKASEM 1980). HOLMES u. LOBLEY (1989) führten Untersuchungen zum enzymtischen Abbu von Weizenstärke mit einem unterschiedlichen Geltinisierungsgrd durch, um zu überprüfen, wnn die vollständige Hydrolyse der Stärke erreicht wird. Bereits ein Geltinisierungsgrd von 37 % reicht us, um die Weizenstärke vollständig enzymtisch zu hydrolysieren (WONGSRIKASEM 1980) Retrogrdtion Die Veränderungen, die bei Abkühlung der erhitzen Stärke einsetzen, werden ls Retrogrdtion bezeichnet. Mit bnehmenden Temperturen bildet sich us dem Stärke- Kleister (strchpste) ein Gel, ds mit steigendem Amylosegehlt eine zunehmend festere Konsistenz ufweist. Ds Gel enthält die nun mit Amylopektin ngereicherten Grnul, die von einem Netzwerk us Amylosefäden umgeben sind. Während der Retrogrdtion kommt 13

26 Schrifttum es zu einer Neuordnung der morphen Strukturen in eine kristlline Ordnung (GUDMUNDSSON 1994). Zur Neuordnung kommt es durch die erneute Ausbildung von Wsserstoffbrücken zwischen den Amylose- und Amylopektinmolekülen, so dss eine kristlline Ordnung entsteht (BORNET 1993). Die Wiederherstellung von kristllinen Strukturen erfolgt nicht nch den gleichen Ordnungsprinzipien, wie sie in der ntiven Stärke zu finden ist. Dies äußert sich drin, dss lle Stärketypen nch einer thermischen Berbeitung - unbhängig von deren botnischen Ursprung - eine B-Typ-Kristllinität ufweisen (KATZ u. ITALIE 1930).Verurscht durch die Retrogrdtion wird ein Teil der hydrothermisch behndelten Stärke resistent gegenüber mylolytischen Enzymen. Ursächlich hierfür ist die Ausbildung eines hitze-, säure- und α-amylse-resistenten Amylose- Netzwerks, welches die Stärkegrnul umgibt (ENGLYST u. CUMMINGS 1985; BORNET 1993). Unverduliche Stärke, die durch den Prozess der Retrogrdtion entsteht, wird ls resistente Stärke Typ III bezeichnet (ENGLYST u. CUMMINGS 1985). Wie hoch der gebildete Anteil resistenter Stärke ist, hängt vom Gehlt n Amylose, Amylopektin, Fett und der Kettenlänge der Glucosemoleküle b (EERLINGEN u. DELCOUR 1995). 2.2 Stärkeverduung Enzymtische Spltung der Stärkegrnul Bevor eine Spltung der Glucoseketten erfolgen knn, müssen die Stärkegrnul durchdrungen werden, so dss die Amylose- und Amylopektinketten für die stärkespltenden Enzyme zugänglich sind. In Abhängigkeit von den äußeren Schichten und Strukturen (Löcher; Fissuren) wird Stärke entweder nch dem Prinzip der Endokorrosion oder der Exokorrosion bgebut (KIENZLE et l. 1997). Von Endokorrosion wird gesprochen, wenn die Enzyme n der Grnuloberfläche bereits bestehende Löcher vergrößern und mit fortschreitender Enzymwirkung Knäle in ds Innere der Grnul bilden. Hierdurch werden die Grnul von innen herus usgehöhlt, wodurch die kristlline Struktur ufgelöst wird (BADENHUIZEN 1959; AGGARWAL u. DOLLIMORE 2000). Die Exokorrosion zeichnet sich ddurch us, dss durch fehlende Löcher kein direkter Zugng in ds Innere der Grnul möglich ist, wodurch der enzymtische Abbu der Grnulschichten von ußen stttfindet (GALLANT et l. 1997; AGGARWAL u. DOLLIMORE 2000). Die Wirkung der Enzyme 14

27 Schrifttum beginnt n der Oberfläche von Stärkegrnul n Fissuren oder n Strukturen, die einen Fehler im kristllinen Aufbu (morphe Strukturen) ufweisen. Die strukturellen Schwchstellen sind nfälliger für enzymtische Angriffe. Mit Fortschreiten der enzymtischen Wirkung kommt es zu einer Auflösung der Grnul (FRENCH 1973; GALLANT et l. 1997). Rsterelektronen-mikroskopische Untersuchungen zeigen, dss der enzymtische Abbu von Weizen, Reis, Gerste, Mis, Roggen und Kssv über eine Endokorrosion erfolgt (GALLANT et l. 1997; KIENZLE et l. 1998), Krtoffel-, Erbsen- und Tpiokgrnul hingegen einer Exokorrosion unterliegen (KIENZLE et l. 1997). KIMURA u. ROBYT (1995) untersuchten den Abbu von Stärkegrnul unterschiedlicher botnischer Herkunft (Wchsmis, Gerste, Krtoffel, mylosereicher Mis) und stellten dbei fest, dss die Grnulnzhl nch Zustz von Glucomylse (Mltse) in den ersten Stunden zunimmt. Es stellten sich ber deutliche Unterschiede in Abhängigkeit von der Stärkert dr. Ein Anstieg der Grnulnzhl um 50 % konnte bei Gerste und Wchsmis (reich n Amylopektin) gemessen werden, während Krtoffelstärke nur einen geringen Anstieg (< 10 %) und der mylosereiche Mis keine Veränderung der Grnulnzhl zeigte. D die enzymtische Spltung der Grnul eine Oberflächenvergrößerung zur Folge ht, wird demnch die enzymtische Hydrolyse mit zunehmender Zeit beschleunigt. Die Abspltung einzelner Glucosemoleküle von den Amylose und Amylopektinmolekülen erfolgt im Inneren der Grnul. Mit zunehmender enzymtischer Einwirkung steigt die Durchlässigkeit der Grnul und die Glucosemoleküle diffundieren in ds umgebende Medium. Eine Ausnhme von diesem Prinzip stellen Krtoffelgrnul dr. D diese nur in geringem Umfng durchlässig für Enzyme sind, ist gleichzeitig uch die Diffusion der Glucose us den Grnul eingeschränkt (KIMURA u. ROBYT 1995) Einflussfktoren uf den enzymtischen Abbu der Stärkegrnul Bei Betrchtung der Einflussfktoren uf die Stärkeverdulichkeit muss klr unterschieden werden, ob die Stärke bereits extrhiert wurde oder ob die Stärkegrnul noch im Endosperm vorliegen. In welchem Umfng und in welchem Zeitrum Stärkegrnul enzymtisch hydrolysiert werden können, ist nch TESTER et l. (2004b) von folgenden Fktoren bhängig: 15

28 Schrifttum - botnischer Ursprung der Stärke (Grnulgröße, Zusmmenlgerung der Grnul innerhlb der Pflnzenzelle, Kristllinitäts-Typ (A-, B- oder C-Typ), Oberflächenstrukturen) - Zusmmensetzung der Grnul (Amylose:Amylopektin-Verhältnis, Anteile von Fett, Eiweiß und Phosphor) - Grd der Berbeitung der Stärkequelle (mechnische Einwirkungen, Geltinisierungsgrd) - Quelle der Enzyme und ds Verhältnis von Enzym zu Substrtmenge - Tempertur und Duer der Enzymeinwirkung Thermisch und mechnisch unbehndelte Stärke ist im Vergleich zu bereits berbeiteter Stärke gegenüber enzymtischen Abbuvorgängen resistenter (BORNET 1993). Dies ist der Anordnung der Stärkegrnul innerhlb der Pflnze, bzw. des jeweiligen Speicherorgns der Pflnze geschuldet. Die kompkten Grnul sind im Endosperm eng neinnder gelgert und werden von einer Proteinmtrix umgeben, wodurch die Grnul originär zunächst vor einem enzymtischen Angriff gewissermßen geschützt sind (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986; BORNET 1993). Um eine möglichst vollständige energetische Verwertung von stärkereichen Futter- und Lebensmitteln zu erzielen, muss eine Vorbehndlung erfolgen. Erst diese Vorbehndlung ermöglicht den stärkebbuenden Enzymen den Zugng in ds Innere der Stärkegrnul (BORNET 1993; TESTER et l. 2004b). Eine derrtige Berbeitung knn sowohl durch mechnische ls uch durch hydrothermische Verfhren erreicht werden. Die in der Lebensmittelproduktion oft ngewndten Methoden zur thermischen und mechnischen Berbeitung der Stärken stellen Kochen, Dämpfen, Wlzen, Tosten, Bcken und Poppen dr. Durch ll diese Verfhren werden Getreidekörner bzw. Stärkegrnul in unterschiedlichem Umfng beschädigt und/oder eine Geltinisierung der Stärke erreicht. Durch den Verlust der kristllinen Ordnung, Auflösung der Helixstrukturen der Amylopektinmoleküle sowie der Komplexbildungen zwischen Lipiden und Amylose werden die Stärkegrnul für die stärkebbuenden Enzyme leichter zugänglich (TESTER et l. 2004b). Als weiterer Einflussfktor uf die enzymtische Abbubrkeit knn die Morphologie der Grnul gesehen werden, wobei die Größe, die Oberflächenbeschffenheit und die Art der Kristllinität der Grnul eine Rolle spielen. Die Grnulgröße beeinflusst die Verdulichkeit durch ds Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Drus folgt, dss die Kontktfläche zwischen Enzym und 16

29 Schrifttum Substrt zunimmt, sofern die Größe der Grnul bnimmt (TESTER et l. 2004b). Den Einfluss der Grnulgröße uf die enzymtische Abbubrkeit konnten uch (FRANCO et l. 1992) nchweisen. In Versuchen mit Kssv- und Misstärke wurden die Grnul beider Stärkerten der Größe nch sepriert und jeweils für 36 Stunden mit stärkebbuenden Enzymen (α-amylse und Amylo-Glucosidsen) inkubiert. Es stellte sich herus, dss die Hydrolyse mit steigender Größe der Grnul bnimmt. Ein weiteres morphologisches Merkml, ds Einfluss uf die enzymtische Abbubrkeit zeigt, ist die Oberflächenstruktur. Die Poren, die uf einigen Stärkerten vorhnden sind, weisen eine Größe uf, die es ermöglicht, dss Enzyme in ds Innere der Grnul gelngen können und der enzymtische Abbu der Grnul über diesen Weg erleichtert wird (FANNON et l. 1992). Auch die Anordnung der inneren Strukturen eines Grnulums ht einen Einfluss uf eine gewisse Resistenz gegenüber enzymtischen Einwirkungen. Besonders die Verteilung und die Größe der semi-kristllinen und morphen Bereiche sowie die Dichte der neinnder gelgerten Blocklets beeinflussen den Abbu der Stärkegrnul (ANDRIEUX et l. 1992). In Versuchen konnten PLANCHOT et l. (1995) nchweisen, dss Stärkerten, die nch ihrer Art der Kristllinität zum Typ A und C gehören (Erbsen- und Getreidestärke), enzymtisch besser hydrolysiert werden können, ls B-Typen (Krtoffelstärke). Die chemische Zusmmensetzung bedingt ebenflls Unterschiede in der Verdulichkeit von Stärke. Hierbei spielt besonders ds Verhältnis von Amylose und Amylopektin eine Rolle. Mit steigenden Amylosegehlten erhöht sich die Resistenz gegenüber enzymtischen Abbuvorgängen. WOLTERS (1990) und GALLANT et l. (1997) sehen die Ursche hierfür in einer verminderten Rektionsfläche für die stärkespltenden Enzyme, d Amylosemoleküle, bedingt durch ihre Doppelhelixstruktur, häufig komplexe Verbindungen mit Phosphor, Eiweiß und Lipiden eingehen (FRENCH 1973). Verbunden mit der Komplexbildung (huptsächlich mit den Minorkomponenten) ist die Quellfähigkeit von Stärkegrnul während der hydrothermischen Behndlung herbgesetzt (GEDDES et l. 1965) und somit ebenflls die Anfälligkeit der Grnul gegenüber Enzymen (BORNET 1993). Nicht nur die Stärkert und die dmit verbundenen strukturellen Unterschiede und Eigenschften bestimmen die enzymtische Verdulichkeit, sondern uch die Herkunft der stärkespltenden Enzyme BULEON et l. (1998). PLANCHOT et l. (1995) führten Versuche zur Hydrolisierbrkeit unterschiedlicher Stärkequellen mit α-amylsen verschiedener Herkunft durch. Hierbei stellten sie fest, dss 17

30 Schrifttum Unterschiede in der Wirksmkeit von α-amylsen porciner Herkunft und der von Aspergillus fumigtus produzierten α-amylsen nchzuweisen sind. Alle Stärkerten wurden durch die α- Amylsen von Aspergillus fumigtus effizienter bgebut, obwohl die gleiche Konzentrtion und Einwirkungszeit der Enzyme vorlg. Dieser Befund konnte uch von AO et l. (2007) bestätigt werden. In in-vitro Stärke-Verdulichkeitsuntersuchungen wurde Mltse- Glucomylse sowohl humner ls uch fungler Herkunft eingesetzt und nchgewiesen, dss ds Enzym von Rhizopus spp. etw 10-fch wirksmer ist, ws den Abbu ntiver Stärke betrifft. Die Enzymkonzentrtion ist ebenflls von entscheidender Bedeutung. Höhere Konzentrtionen von stärkespltenden Enzymen hben nchweislich eine dosisbhängige Steigerung des Stärkebbus zur Folge, wobei dieser Prozess dzu nicht direkt proportionl ist. Auch bei Zugbe der 10-fchen Menge n α-amylse steigt die Abburte der Grnul nur um ds 2- bis 3-fche n (BERTOFT 1991) Abbu der Amylose- und Amylopektinketten Die Stärkeverduung knn uf zwei Wegen erfolgen: Enzymtisch und fermenttiv (ROWE et l. 1999). D besonders bei Ptienten mit einer exokrinen Pnkresinsuffizienz (EPI) die mikrobielle Fermenttion ls Kompenstionsmechnismus für die eingeschränkte enzymtische Stärkeverdulichkeit ngenommen wird, wird im Folgenden uf beide Arten der Stärkeverduung eingegngen. 18

31 Schrifttum Stärkeverduung durch körpereigene Enzyme Die verschiedenen m Stärkebbu beteiligten Enzyme (TESTER et l. 2004b) sind in Übersicht 3 ufgeführt. Übersicht 3: Wirkungsweise, Vorkommen, Enzyme Commission Numbers (EC-Nr.)* und Spltprodukte körpereigner Enzyme Enzym Spezifischer Angriffspunkt Herkunft/Loklistion EC-Nr. Spltprodukte α-amylse α-1,4-glykosidische Linere und verzweigte Speichel, Pnkres Bindungen Oligoscchride Mltse α-1,4-glykosidische Bürstensummembrn Bindungen Glucose α-1,4- und α-1,6- Sucrse- Bürstensummembrn Isomltse b glykosidische Bindungen Glucose, Fructose Lktse Trehlse β-1,4-glykosidische Bindungen α- und β- 1,4- glykosidische Bindungen Bürstensummembrn Bürstensummembrn Glucose, Glktose β- und α-glucose Synonym: Glucose-Isomltse, Glucomylse, α-glucosidse, Amyloglucosidse b Synonym: Sucrse Die Enzyme Comission Number ist eine numerische Klssifiktion der Enzyme nch der jeweiligen Rektion, die sie ktlysieren Ein wichtiges stärkespltendes Enzym ist die α-amylse, die sowohl in den Speicheldrüsen ls uch im exokrinen Pnkres gebildet wird und jeweils chemisch identisch ist. Die α- Amylsen gehören zur Gruppe der α-1,4-endo-glucosidsen, die α-1,4-verbindungen der Amylose und Amylopektinketten n beliebiger Stelle innerhlb der Glucosestränge splten (FRENCH 1973). Als Abbuprodukte entstehen Mltose, Mltotriose und Mltotetrose (ROBYT u. FRENCH 1967), während Monoscchride/Einfchzucker selten ls Spltprodukt hervorgehen. Die kurzkettigen Glucosestränge werden durch Discchridsen und Oligoscchridsen der Bürstensummembrn des Dünndrms weiter zu Glucose bgebut (AO et l. 2007). Die Bürstensummembrn des Dünndrms dient neben der Absorption von Zuckern und Peptiden uch der Aufspltung von Oligoscchriden und Dextrinen in Glucose (HOLMES 1971). Bereits 1967 führte EICHHOLZ Untersuchungen zur Enzymusstttung in der dünndrmständigen Bürstensummembrn von Hmstern durch. In seinen Untersuchungen konnte er die Oligo- und Discchridsen Mltse, Sucrse, Trehlse, Isomltse und 19

32 Schrifttum Lktse nchweisen. Diese Ergebnisse wurden von MAESTRACCI et l. (1975) durch Untersuchungen der humnen Bürstensummembrn bestätigt. Die bürstensummembrnständigen Enzyme sind nicht usschließlich n der Hydrolyse von Oligoscchriden beteiligt. In-vitro-Versuche zur Verdulichkeit verschiedener Stärketräger (Reis, Wchsmis, Amylomis, Mis, Weizen, Bnne, Krtoffel, Erbse, Tpiok) belegen, dss die bürstensummembrn-ständigen Enzyme uch ohne Vorbehndlung durch α-amylsen in der Lge sind, ntive Stärken zu Glucose bzubuen. Dennoch muss erwähnt werden, dss die höchste Wirksmkeit von Mltse-Gluco-Amylse erreicht wird, wenn eine Vorbehndlung mit α-amylse stttfindet und deutliche Unterschiede in Abhängigkeit vom botnischen Ursprung der Stärketräger bestehen (AO et l. 2007). Mltose, Mltotriosen und α-dextrine (verzweigte Oligoscchride mit mindestens einer α- 1,6-glykosidischen Bindung) werden durch die Enzyme der Bürstensummembrn bgebut. Glucomylse (Mltse) und Scchrse splten die α-1,4-glykosidischen Bindungen während die α-dextrinse die α-1,6-glykosidischen Bindungen ufspltet, so dss die Oligoscchride zu Glucosemolekülen hydrolysiert werden. Lctose, bestehend us β-1,4- glykosidischen Bindungen wird durch die Lktse in Glucose und Glktose gesplten und die α-1,2-glykosidische Bindung der Scchrose wird ebenflls durch die Scchrse zu Glucose und Fructose bgebut. Die freigewordenen Monoscchride werden in die Epithelzellen des Dünndrms ufgenommen und gelngen dnn in die Blutbhn (BREVES u. LEONHARD-MAREK 2009). In Abbildung 7 sind die stärkespltenden Enzyme (uch mikrobielle) und die entstehenden Abbuprodukte drgestellt. 20

33 Schrifttum Abbildung 7: Drstellung der m Stärkebbu beteiligten Enzyme (sowohl körpereigene ls uch bkteriell gebildete; modifiziert nch (HORVATHOVA 2000) Beteiligung der Mikroorgnismen m Stärkebbu Schätzungsweise verschiedene Bkterienspezies bilden im Mgendrmtrkt des Menschen ein komplexes Ökosystem (SIMON u. GORBACH 1986; SHUJUN WANG et l. 2008). Unter physiologischen Bedingungen ist die bkterielle Besiedlung des proximlen Dünndrms nur sehr spärlich (10³ bis 10 4 KbE/ml Dünndrmspirt) und entspricht in ihrer Zusmmensetzung der orophryngelen, huptsächlich eroben Bkterienflor (Lctobcillen, Streptococcen, Enterococcen). In borler Richtung nehmen die eroben Keimrten zugunsten einer neroben, colonähnlichen Flor b, wobei die Bkterienzhl nsteigt (DRASAR u. SHINER 1969; QUIGLEY u. QUERA 2006). 21

34 Schrifttum Mgen und Duodenum ( KbE/ml): Lctobcillen, Streptococcus spp., Hefen Jejunum und Ileum ( KbE/ml): Enterobcter, Lctobcillus, Streptococcus spp., Bcteroides, Fusobcterium, Bifidobcterium Colon ( KbE/ml): Eubcterium, Bcteroides, Peptostreptococcus, Proteus, Bifidobcterium, Ruminococcus, Lctobcillus, Fusobcterium, Clostridium, Enterococcus, Enterobctericee, Bcillus, Stphylococcus, Pseudomons, Hefen, Veillonell, Protozoen, Clostridium, Streptococcus spp. Abbildung 8: Drstellung der Zusmmensetzung und der Anzhl der humnen Bkterienflor im Mgen-Drm-Trkt (modifiziert nch HOLZAPFEL (1998) und QUIGLEY u. QUERA (2006)) In den letzten Jhrzehnten sind zhlreiche neue Erkenntnisse über die Bedeutung und den Einfluss der Drmbkterien uf die Verduung beknnt geworden (PAI u. KANG 2008). Bkterien sind demnch nicht nur n der Aufspltung komplexer Polyscchride beteiligt, sondern trgen uch zur Deckung des täglichen Energiebedrfs bei (OWIRA u. WINTER 2008). Neben den komplexen Polyscchriden (durch körpereigene Enzyme nicht bbubr), fermentieren Bkterien uch Kohlenhydrte, die im Dünndrm nicht resorbiert wurden (Überschreiten der Resorptionskpzitäten) zu flüchtigen Fettsäuren (CUMMINGS et l. 1987). Diese Abbuprozesse können durch die umfngreiche Ausstttung der Bkterien mit mylolytischen Enzymen bewerkstelligt werden (SIMON u. GORBACH 1986). Bkteriengttungen wie Bcteroides spp., Fusobcterium spp., Bifidobcterium spp., Eubcterium spp., Streptococcus spp., Clostridium spp., Propionibcterium spp. Butyriovibrio (physiologische Colonflor) weisen eine deutlich mylolytische Aktivität uf. Einige Bkterienrten sind durch ihre vielfältige Enzymusstttung sogr in der Lge, schwer bbubre Kohlenhydrte oder rohe Stärke zu hydrolysieren. Clostridium butyricum und Bifidobcterium spp. sind sogr in der Lge, den schwer verdulichen Amylomis (usschließlich us Amylose bestehend) bzubuen. Es ist bemerkenswert, dss in den einzelnen Bkteriengttungen Unterschiede hinsichtlich der Enzymusstttung und 22

35 Schrifttum Effektivität der Enzyme bestehen. So exprimiert Bcteroides vulgtus lediglich Mltse ls stärkespltendes Enzym, während Bcteroides ovtus Mltse, Pullulnse und α-amylse bilden knn (SHUJUN WANG et l. 2008). In der Übersicht 4 sind einige bkteriell gebildete Enzyme ufgelistet, die m Stärkebbu beteiligt sind. Hierbei hndelt es sich lediglich um eine Auswhl häufig vorkommender und physiologisch relevnter Enzyme und keinesflls um eine vollständige Auflistung ller stärkespltenden Enzyme bkterieller Herkunft. Die Zusmmenstellung beruht uf dem Enzyminformtionssystem Brunschweig Enzyme Dtbse (BRENDA), in dem biochemische und molekulrbiologische Dten zhlreicher Enzyme hinterlegt sind. Enzym α-amylse β-amylse Isomylse Pullulnse I Pullulnse II Isopullulnse Neopullulnse Spezifischer Angriffspunkt α-1,4-glykosidische Bindungen α-1,4-glykosidische Bindungen α-1,6- glykosidische Bindungen von Amylopektin Dextrinen α-1,6- glykosidische Bindungen α-1,4- und α-1,6- glykosidische Bindungen α-1,4- glykosidische Bindungen von Pnose α-1,6- glykosidische Bindungen von Pulluln Abbuprodukte Linere und verzweigte Oligoscchride Linere und verzweigte Oligoscchride Linere Oligoscchride Linere Oligoscchride Linere und verzweigte Oligoscchride, Mltose Isomltose, Glucose Mltotriose, Pnose Bkterien Bcillus, E.coli, Lctobcillus, Ruminobcter, Bcteroides, Clostridium, Pseudomons Übersicht 4: Mikrobiell gebildete Enzyme, deren spezifische Wirkungsweise, entstehende Spltprodukte, Bkterienrten und die Enzym Commission Numbers der gebildeten Enzyme (EC- Nr.); Quelle: (Brunschweig Enzyme Dtbse (BRENDA)) EC- Nummer Bcillus E. coli, Bcillus, Pseudomons Bcillus spp., Klebsiell spp., Bcteroides spp., Streptococcus spp., Lctococcus spp. Bcteroides thetiotomicron, Bcillus cereus Bcillus ssp., Aspergillus ssp. Bifidobcterium, Klebsiell, Bcillus, Lctobcillus