Einfluss des Röstprozesses auf wesentliche Inhaltsstoffe und Wirkungen von Nüssen

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Jörg Hofmann
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1 FEI-Jahrestagung 2017 Universität Hohenheim Einfluss des Röstprozesses auf wesentliche Inhaltsstoffe und Wirkungen von Nüssen Michael Glei Friedrich-Schiller-Universität Jena Institut für Ernährungswissenschaften Lehrstuhl für Ernährungstoxikologie

2 FEI-Jahresreport 2016/17 Zuordnung der FEI-Projekte zu Technologiefeldern 2

3 Hintergrund Nüsse sind eine gute Nährstoffquelle: Fett, Eiweiß, Ballaststoffe, Vitamine & Mineralstoffe (Thiamin, Niacin, Folat, Phosphor, Zink, Vitamin E, etc.). Ballaststoffe und sekundäre Pflanzenstoffen können sich möglicherweise positiv auf die Darmgesundheit auswirken (Prävention von Kolonkrebs). [Fischer & Glei 2013] Nusskonsum vermindert das Darmkrebsrisko [Wu et al. 2015] Empfohlener Tagesverzehr: g. liefern 5-12 % des empfohlenen Ballaststoffverzehrs. In Deutschland werden nur 2-4 g/d Nüsse konsumiert! 3 [Nationaler Verzehrsstudie II, MRI 2008; DEGS, RKI 2016]

Wirkungsmechanismen Ballaststoffe: Erhöhung des Stuhlvolumens, Verkürzung der Transitzeit Fermentation: Abbau zu kurzkettigen Fettsäuren (SCFA: Acetat, Propionat, Butyrat) Energiequelle für

4 Wirkungsmechanismen Ballaststoffe: Erhöhung des Stuhlvolumens, Verkürzung der Transitzeit Fermentation: Abbau zu kurzkettigen Fettsäuren (SCFA: Acetat, Propionat, Butyrat) Energiequelle für Dickdarmzellen Hemmung potentiell pathogener Bakterien Minderung des Hungergefühls Butyrat-Paradoxon Positive Effekte auf gesunde Dickdarmzellen Wachstumshemmung / Apoptoseinduktion bei Krebszellen 4

5 Zielstellung Es sollte untersucht werden, welchen Einfluss verschiedene Röstbedingungen auf die Modulation von Nussinhaltsstoffen & auf relevante biologische Effekte haben 5

Produktionsmaßstab (Stollwerck GmbH, Viba Sweets GmbH)

6 Projektablauf 5 Nüsse: Haselnuss, Mandel, Macadamia, Pistazie, Walnuss Röstungen: Labormaßstab (Probat GmbH) Produktionsmaßstab (Stollwerck GmbH, Viba Sweets GmbH) Temperaturvorgabe: 140 C/25 min 160 C/20 min 180 C/15 min 6

Vitamin E, antioxidatives Potential, Acrylamid,

7 Projektablauf Sensorische Bewertung: (Aussehen, Geruch, Geschmack, Textur) Analytik: Fettsäuren, Vitamin E, antioxidatives Potential, Acrylamid, TBARS In vitro-fermentation Fermentationsüberstände (FÜ) 7

8 In vitro Verdau 10 g/l fermentierbare Substanz in Fermentationspuffer Mundsimulation (α-amylase; 5 min) Magensimulation (Pepsin; ph 2,0; 2 h) Dünndarmsimulation mit Dialyse (intestinaler Extrakt; ph 6,5; 6 h) Fäzes Dickdarmsimulation (ph 6,5; 24 h) Untersuchungen zu funktionellen Effekten Fermentationsüberstand Pellet LT97- Adenomzellen

9 Fermentierte Nuss-Proben Analytik (FÜ): ph-werte, SCFA, Gallensäuren, Ammoniak etc. Funktionelle Effekte in LT97-Zellen (FÜ): geno-/antigenotoxische Effekte, Wachstumsinhibierung, Genexpression, Enzymaktivitäten, Apoptose, etc. 9

10 Ergebnisse Charakterisierung der Nüsse

11 Sensorik 11

12 Sensorik Sensorische Bewertung gerösteter Nüsse Rösttemperatur Sensorik [Punktzahl] a Beliebtheit [Note] b C 4,8 ± 0,1 1,8 ± 0, C 4,7 ± 0,1 2,1 ± 0, C 4,4 ± 0,4 2,8 ± 0,8 a maximal 5 Punkte (Kriterien: Aussehen, Geruch, Geschmack, Textur), b Note 1-5: 1 = gefällt sehr bis 5 = missfällt sehr Moderat geröstete Nüsse (120 C 160 C) weisen die beste sensorische Qualität auf Die Bewertung gilt für alle Nusssorten 12

13 Nuss-Inhaltsstoffe Haselnuss Mandel Macadamia Pistazie Walnuss Hauptnährstoffe Wasser [%] 4,67 5,10 1,65 3,39 3,44 Fett [%] 61,9 49,5 72,5 50,2 67,0 Protein [%] 16,6 29,0 7,86 25,9 16,4 Ballaststoffe [%] 8,70 9,20 5,50 4,20 6,80 Mineralstoffe Se [mg/kg] n. d. n. d. n. d. 0,12 0,04 Ca [g/kg] 1,64 3,55 0,90 0,93 1,02 Cu [mg/kg] 16,5 13,9 3,41 13,5 11,8 Fe [mg/kg] 38,0 48,0 19,0 37,0 26,0 K [g/kg] 6,66 6,85 4,74 10,2 4,68 Mg [g/kg] 1,92 3,21 1,27 1,23 1,87 Mn [mg/kg] 64,5 27,0 17,8 11,1 29,8 Na [g/kg] n. d. 0,01 0,05 0,01 n. d. P [g/kg] 3,59 5,19 2,28 5,04 3,81 Zn [mg/kg] 25,6 42,2 12,9 25,8 30,8 13 n. d.: nicht detektierbar

14 Fettsäuren Fettsäuren (% der Fettsäurenmethylester) Haselnuss Mandel Macadamia Pistazie Walnuss C14:0 (Myristinsäure) 0,0 0,1 0,6 0,1 0,0 C16:0 (Palmitinsäure) 5,1 5,6 8,8 10,9 6,0 C16:1 c9 (Palmitoleinsäure) 0,2 0,4 17,8 0,9 0,1 C18:0 (Strearinsäure) 2,0 1,1 3,4 1,0 2,4 C18:1 c9 (Ölsäure) 82,6 66,8 58,4 53,8 12,3 C18:2 n-6 (Linolsäure) 8,7 24,5 2,4 30,0 64,9 C18:3 n-3 (α-linolensäure) 0,1 0,0 0,1 0,5 13,4 C20:0 (Arachinsäure) 0,1 0,1 2,3 0,1 0,1 C20:1 c11 (Gondosäure) 0,1 0,1 1,8 0,3 0,2 C22:0 (Behensäure) 0,0 0,2 0,6 0,1 0,0 SFAs 7,3 7,1 16,1 12,3 8,6 MUFAs 83,9 68,4 81,4 57,2 13,1 PUFAs 8,8 24,6 2,5 30,5 78,2 PUFAs n-3 0,1 0,0 0,1 0,5 13,4 PUFAs n-6 8,7 24,5 2,4 30,0 64,9 14 Kein Einfluss der Röstbedingungen!

15 Vitamin E Haselnuss Mandel Einfluss der Röstung! Macadamia Pistazie 15 Walnuss Signifikante Unterschiede zwischen rohen und gerösteten Nüssen: ***, P 0.001; **, P 0.01; * P 0.05 und zwischen Röstbedingungen a,b,c,d P 0.05 (unterschiedliche Buchstaben=signifikante Unterschiede); Student`s t test Mittelwert + SD (n=3).

16 Lipidperoxidationsprodukte (TBARS, Thiobarbitursäure-reaktive Substanzen) Einfluss der Röstung! 16 TBARS [µg/g; Malondialdehyd-Äquivalent, MDA], Signifikante Unterschiede zwischen roh und geröstet: ***, P 0,001; **, P 0,01; * P 0,05 und zwischen Röstbedingungen a,b,c, P 0,05 (versch. Buchstaben=signifikante Unterschiede); Student`s t test Mittelwert+ SD (n=3).

17 Acrylamid Mandel Pistazie Mandel (Labor-Röstung) (Labor-Röstung) (Industrie-Röstung) Röstung Acrylamid Röstung Acrylamid Röstung Acrylamid [ C/min] [µg/kg FM] [ C/min] [µg/kg FM] [ C/min] [µg/kg FM] Roh n.d. Roh n.d. Roh n.d. 139/ / / / / / / / / / / / Einfluss der Röstung! 17 FM: Frischmasse, n.d.: nicht detektierbar

18 Ergebnisse Charakterisierung der FÜ s, FP & Funktionelle Effekte in LT97 Zellen

ph-werte, SCFA (A) ph-werte und (B) SCFA-Konzentrationen in Nuss-FÜ nach in vitro Fermentation; *** p 0,001 signifikante Unterschiede zur Leerkontrolle; a,b,c,d

19 ph-werte, SCFA (A) ph-werte und (B) SCFA-Konzentrationen in Nuss-FÜ nach in vitro Fermentation; *** p 0,001 signifikante Unterschiede zur Leerkontrolle; a,b,c,d p 0,05 signifikante Unterschiede zwischen FÜ (gleiche Buchstaben); Student`s t- Test; MW+SD, n=5-7 Kein Einfluss der Röstbedingungen! Erhöhter Butyratanteil! 19

20 SCFA 20

21 Gallensäuren in FÜ 21 Kein Einfluss der Röstbedingungen!

22 Lipidperoxidationsprodukte in FÜ (TBARS, Thiobarbitursäure-reaktive Substanzen) 22 Kein Einfluss der Röstbedingungen!

23 Bildung von CLA in FP (Walnüsse) Fettsäuren (% FAME) Haselnuss Mandel Macadamia Pistazie Walnuss C-18:1t9 (EA) 0.70 ± 0.13 a,b 0.60 ± 0.04 a,b 0.80 ± 0.18 a,b 0.39 ± ± 0.10 C-18:1t ± ± 0.04 b 0.90 ± ± 0.05 b 1.14 ± 0.30 a C-18:1t11 (tva) 0.96 ± 0.06 b 1.61 ± 0.08 b 2.11 ± 0.18 b 0.85 ± 0.07 b 32.1 ± 3.19 a C-18:1t ± 0.13 a,b 0.40 ± 0.03 b 0.45 ± 0.06 a,b 0.38 ± 0.02 b 0.21 ± 0.01 C-18:2c9,c12 (LA) 3.63 ± 1.21 b 5.42 ± 0.51 a,b 1.20 ± 0.35 b 4.85 ± 0.57 a,b 18.2 ± 1.70 a C18:2-c9,t11 (CLA c9,t11) 0.08 ± 0.02 b 0.09 ± 0.02 b 0.07 ± 0.01 b 0.04 ± 0.00 b 2.39 ± 0.74 a SFAs 66.7 ± 4.84 a,b 66.3 ± 2.64 a,b 72.4 ± 6.74 a,b 77.7 ± 2.13 b 26.1 ± 1.49 a MUFAs 29.2 ± 4.54 a,b 27.7 ± 2.14 a,b 26.0 ± 6.62 a,b 16.9 ± 1.59 b 49.8 ± 2.52 a PUFAs 4.03 ± 1.21 b 5.95 ± 0.52 a,b 1.56 ± 0.37 b 5.35 ± 0.56 b 24.1 ± 2.65 a PUFAs n ± 0.00 b 0.06 ± 0.01 b 0.10 ± 0.03 b 0.07 ± 0.04 b 1.46 ± 0.34 a PUFAs n ± 1.19 b 5.71 ± 0.51 a,b 1.36 ± 0.35 b 5.18 ± 0.57 a,b 19.4 ± 1.85 a CLAs 0.14 ± 0.03 b 0.17 ± 0.03 b 0.10 ± 0.01 b 0.10 ± 0.02 b 3.66 ± 1.19 a trans C18:1 (t4 - t16) 6.72 ± 0.91 b 6.84 ± 0.27 b 8.31 ± 1.56 b 4.58 ± 0.15 b 35.0 ± 2.98 a t9/t Kein Einfluss der Röstbedingungen!

24 Bedeutung CLA Koba and Yanagita (2014) Obesity Research and Clinical Practice 8 24 Moon (2014) Chemico-Biological Interactions 224

25 Funktionelle Effekte Genotoxische/Antigenotoxische Effekte (Comet-Assay) Wachstum (DAPI-Assay) Genexpression (qpcr) Nuss-FÜ Apoptose (Caspase- Assay, Durchlusszytometrie) Enzymaktivitäten H 2 O 2 H 2 O + 1/2 O 2 LT97-Kolon- Adenomzellen 25

26 Wachstumshemmung Antiproliferatives Potential der Nuss-FÜ (2,5 %-20 %) in LT97 Zellen nach 72 h. Signifikante Unterschiede FÜ/Leerkontrolle (FÜ1) * p 0,05, ** p 0,01, *** p 0,001 (two-way-anova/bonferroni post test); MW, SD, n=3; gestrichelte Linie: Mediumkontrolle (100%) 26 Starke Wachstumsinhibierung der LT97-Zellen durch Haselnuss-FÜ Keine Einfluss der Röstbedingungen!

27 Apoptoseinduktion Aktivierung der Caspase-3 in LT97-Zellen nach 24 h und 48 h Inkubation mit Haselnuss-FÜ bezogen auf die Mediumkontrolle (gestrichelte Linie). Statistische Unterschiede zum Blank *p 0,05, **p 0,01, ***p 0,001, zur Mediumkontrolle (MK) p 0,05, p 0,01, p 0,001, zu Butyrat # p 0,05 und zwischen Röststufen a,b,c,d p 0,05, Student s t-test, MW+SD (n=3) Haselnuss-FÜ induzieren teilweise konzentrationsabhängig die Caspase-3-Aktivität LT97-Zellen Keine Einfluss der Röstbedingungen! 27

28 Funktionelle Effekte roher Nüsse nach in-vitro Fermentation in primären Kolonozyten 28

29 Apoptose in Primärzellen 29

30 Genexpression in Primärzellen 30

31 Schlussfolgerungen Nüsse enthalten gesundheitsrelevante Inhaltsstoffe, die durch den Röstprozess partiell beeinflusst werden. moderate Röstbedingungen Nüsse entfalten verschiedene positive Effekte in Darmzellen, auf die der Röstprozess keinen signifikanten Einfluss nimmt. Nüsse roh oder geröstet regelmäßig verzehren 31

32 Mortalitätsrisiko & Nusskonsum Dosis-Wirkungsbeziehung zwischen Nusskonsum und Gesamtsterblichkeit RR Portion/d : 0,76; 95 % CI 0,69, 0,84 32 [Schwingshackl et al., Am J Clin Nutr 2017]

33 Danke! Dr. Wiebke Schlörmann Christian Saupe Sonja Fischer Diana Ludwig Julia Lamberty

34 34

35 Kontakt Michael Glei Institut für Ernährungswissenschaften Lehrstuhl für Ernährungstoxikologie Dornburger Str Jena

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Sondennahrungen im Detail 1.000 1200 1500 1800 2250 fibre fibre HP per 100 ml Energie kcal 100 120 100 120 150 100 150 150 KJ 418 500 420 500 630 420 630 630 Energiedichte kcal/ml 1,0 1,2 1,0 1,2 1,5 1,0