Maria Marquardt Ernährungsphysiologie der Lebensmittel Gesunde und toxische Nahrungsbestandteile im Fokus
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Meinem Mann und unseren beiden Söhnen gewidmet.
Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Ernährungssituation Ernährungsformen 2 Ernährungsphysiologie 9 12 2.1 Citratcyclus, Atmungskette, Harnstoffcyclus 2.2 Säure-Base-Haushalt, Puffersysteme des Körpers 2.3 Energiebedarf, Feststellung, Berechnung, Untersuchungsmethoden 2.4 Verdauung, Absorption, Resorption 2.5 Hunger- und Fastenstoffwechsel; Regulation des Hungergefühls 2.6 Allergie, Lebensmittelintoleranz, angeborene Stoffwechselerkrankungen, Zöliakie, Lactose-Intoleranz, Biogene Amine, Alkohol-Unverträglichkeit 2.7 Wirkstoffe und Toxikokinetik; Biotransformation I und II 2.8 Intoxikationen 13 18 21 28 30 35 44 54 3 Differenzierung der Nahrungsbestandteile: Stoffwechsel, lebensmittelchemische- und lebensmittel-technologische Aspekte; Lebensmittel im Vergleich 55 3.1 Grundnahrungsbestandteile unmittelbare Energielieferanten 3.1.1 Kohlenhydrate 3.1.2 Fette; Fettsäuren 3.1.3 Proteine 3.1.4 Flüssigkeiten, Alkohol und nicht alkoholische Getränke 3.2 Grundnahrungsbestandteile mittelbare/keine Energielieferanten 3.2.1 Ballaststoffe 3.2.2 Vitamine: Bedarf, Hyper- und Hypovitaminosen 3.2.3 Mineralien und Spurenelemente 3.2.4 Wasser 4 Lebensmittelbestandteile mit positiven Effekten 4.1 Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe 4.2 Nahrungsergänzungsmittel Funktionelle Lebensmittel 4.3 Probiotika 4.4 Präbiotika 5 Lebensmittelbestandteile mit kritischen Effekten 5.1 Bestandteile natürlicher Herkunft 5.2 Wirkungen von Zusatzstoffen 5.3 Lebensmittelherstellung und -zubereitung, Reaktionsprodukte und Rückstände 5.4 Einfluss technologischer, biologischer und biochemischer Verfahren der Lebensmittelherstellung 55 55 69 86 101 106 106 108 139 155 157 157 186 188 193 195 195 222 252 272 5
Inhaltsverzeichnis 6. Ernährung und Erkrankung Momentaufnahme Ernährungsrelevante Gene 6.1 Diäten und Ernährungsformen im Überblick 6.2 Erkrankungen und Ernährungsstrategien 6.2.1 Über- und Untergewicht, Essstörungen und Diäten bei Adipositas; Anorexia nervosa, Bulimia nervosa 6.2.2 Diabetes mellitus 6.2.3 Nierenerkrankungen; Hyperurikämie, Gicht 6.2.4 Herz-Kreislauf-Erkrankungen; Fettstoffwechselstörung, Hyperlipoproteinämie, Hypertonie, Arteriosklerose; Herzinsuffizienz, metabolisches Syndrom 6.2.5 Gastrointestinaltrakt-Erkrankungen; Refluxösophagitis, Gallenerkrankungen, Pankreatitis, Magen-Darmtrakt-Erkrankungen 6.2.6 Lebererkrankungen 6.2.7 Nahrungsmittelunverträglichkeiten, Lactose-Intoleranz, Zöliakie-Glutenintoleranz, Phenylketonurie, Galaktosämie 6.2.8 Skeletterkrankungen 6.2.9 Lungenerkrankungen 6.2.10 Maligne Erkrankungen 7 Ernährungsempfehlungen Grundnährstoffverteilung; Überblick essentieller Nährstoffe 8 Anhang 7.1 Die 10 Ernährungsempfehlungen der DGE 7.2 Die 10 Ernährungsempfehlungen des World Cancer Research Fund 7.3 Ernährungspyramide unter Berücksichtigung unerwünschter Nahrungsbestandteile Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis 283 288 294 294 299 304 307 313 316 317 321 323 325 328 329 329 332 336 336 338 342 6
Vorwort Vermutlich spiegelt sich die gesellschaftspolitische Änderung des Zusammenlebens und -arbeitens in den Essgewohnheiten wider. Aufgrund der zunehmenden Globalisierung insbesondere im Lebensmittelhandel stößt die Sicherstellung der vorgegebenen hohen Qualitätsansprüche bei den Einfuhrkontrollen an ihre Grenzen. Von gravierenden Ausnahmen abgesehen, dürfen Lebensmittel die aufgrund der Rechtslage in einem zugehörigen EU-Mitgliedsstaat, oder einem Vertragsstaat des Abkommens über den Europäischen Wirtschaftsraum, rechtmäßig im Verkehr sind, hierzu zählen auch die von diesen Staaten importierten Lebensmittel aus Drittländern, entgegen den national geltenden Vorschriften (LFGB) in die Bundesrepublik Deutschland, eingeführt und in den Verkehr gebracht werden. Bis das im neuen Lebensmittelgesetz LFGB verankerte Prinzip der Rückverfolgbarkeit realisiert ist und die behördlichen Schritte auf internationaler Ebene in die Wege geleitet sind, ist insbesondere bei pestizidbelasteten und gentechnisch veränderten Organismen davon auszugehen, dass das nach hiesigem Recht nicht taugliche Lebensmittel bereits eingeführt ist. Gentechnisch veränderte exotische Früchte wie Papaya oder Mango sowie Soja und Sojaprodukte für den Lebensmittel- und Futtermittelbereich müssten entsprechend deklariert werden. Der analytische Nachweis einer gentechnischen Veränderung ist derzeit allerdings nur möglich, wenn seitens des Herstellers die veränderte DNA-Sequenz mitgeteilt wird und das Referenzmaterial, der entsprechende Marker, zur Verfügung steht. Deklarierte gentechnisch modifizierte Lebensmittel sind im Einzelhandel nicht zu finden, es wird eher mit der Selbstverständlichkeit gentechnikfreier Herstellung geworben durch die Deklarierung: frei von Gentechnik. Die in Deutschland ausschließlich auf Kräuter und Gewürze reduzierte Bestrahlungsmöglichkeit wird weltweit wesentlich umfangreicher angewandt; auch hier ist die entsprechende Deklarierung verpflichtend. Ein entsprechender Hinweis ist bislang auf Lebensmittelverpackungen nicht zu finden. Die zunehmende Anzahl der Beanstandungen, Zurückweisungen und Aktionen, um bereits im Handel befindliche Lebensmittel zurückzuziehen, die fortlaufend im Europäischen Schnellwarnsystem für Lebensmittel und Futtermittel (RASFF) veröffentlicht werden, spiegelt diesen Sachverhalt in Ansätzen wider. Welchen Stellenwert hat die Ernährung, die Qualität der Lebensmittel, im Hinblick auf die anhaltende Tendenz der steigenden Lebenserwartung? In diesem Buch werden die gesundheitsrelevanten positiven sowie negativen Ernährungseinflüsse dargelegt. 7
Ernährungssituation 1 Einleitung Ernährungssituation Es ist in den letzten Jahrzehnten eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen körperlicher Tätigkeit und adäquater Nährstoffzufuhr zu beobachten. Bewegungsmangel und Nahrungsüberfluss haben in Deutschland zu einer auffallenden Verbreitung von Übergewicht, mit einem BMI 25, in allen Altersgruppen geführt. Das Lebensmittelangebot, insbesondere die Verfügbarkeit von Obst und Gemüse ist angestiegen und hat zu einer verbesserten Ernährungssituation bezüglich Mineralstoff-, Vitamin- und Ballaststoffzufuhr geführt. Bei der Auswahl der Lebensmittel sind folgende Veränderungen über ein zehnjähriges Zeitintervall festzustellen: Eine Abnahme des Verbrauchs an Kartoffeln Eine Zunahme an Kartoffelerzeugnissen, inklusive frittierten Erzeugnissen Eine erhöhte Zufuhr unerwünschter trans- und gesättigter Fettsäuren Ein Anstieg an Mono- und Disacchariden in Form von Gummibonbons, Erfrischungsgetränken etc. Ein Anstieg an Ready-to-eat-Getreideprodukten mit Anstieg des Getreideverbrauchs Ein leichter Anstieg des Obst- und Gemüseverbrauchs Abnahme des Frischmilchverzehrs bei gleichzeitiger Zunahme des Verzehrs von Milchprodukten und Käse Unverändert hoher Fleischverbrauch Fettreiche Zubereitungen führen zu einer deutlich erhöhten Fettzufuhr Verlagerung des Fettverbrauchs reduzierte Zufuhr tierischer Fette zugunsten des Verbrauchs pflanzlicher Öle Insgesamt eine Abnahme des Pflanzenölverbrauchs Erhöhte Mineralwasserzunahme Verringerter Bierkonsum Insgesamt ist der Verzehr von Obst und Gemüse gestiegen, erreicht aber noch nicht die Empfehlungen der DGE 5 am Tag. Die Sicherheit der Lebensmittel wird auf Basis des Lebensmittel- und Futtermittelgesetzbuches in Form von Monotoringplänen, amtlich festgelegten Lebensmittelüberwachungen und deren Datenauswertung kontrolliert. Schnellwarnsysteme ermöglichen eine rasche Aktualisierung und Abrufbarkeit. Übergeordnete Institute wie das BfR (Bundesinstitut für Risikobewertung) und, auf europäischer Ebene, die EFSA (European Food Safety Authority) üben eine weitere Kontrollfunktion im Hinblick auf die Lebensmittelsicherheit aus. Das im neuen LFBG verankerte Prinzip der Rückverfolgbarkeit gewährleistet einerseits den lückenlosen Nachweis eines Lebensmittelprodukts analog from farm to fork andererseits stößt die Realisierung diese Konzeptes, aufgrund des damit verbundenen behördlichen Aufwandes, derzeit an seine Grenzen; siehe Kapitel 5.3 und 5.4. 9
1 Einleitung - Ernährungssituation Insgesamt gibt es ein vielfältiges Nahrungsangebot; viele Lebensmittelhersteller kalkulieren hierzulande bereits mit einem 20 %igen Produktionsüberschuss, es obliegt nun dem Verbraucher, das individuelle Lebensmittel-, Nährstoff- und Brennwertoptimum auszuwählen. Nährwert- und Brennstoffangaben, Ampelbezeichnungen, gesundheitsbezogene Aussagen und Zutatenlisten sollen die Auswahl erleichtern. Demgegenüber steht die Zeit und Aufwandrelation für Einkauf, Zubereitung etc. Der zunehmende Verkauf von Convenience-Produkten, auf die auch in Restaurants, Großküchen und Kantinen zurückgegriffen wird, deutet auf die sich wandelnde Ernährungstendenz hin. Ernährungsformen Aufgrund unterschiedlicher Aspekte (sozialer Hintergrund, Ethik etc.) ist die Ernährungsform des Menschen individuell. Es lassen sich, analog den Hauptnahrungsbestandteilen, einige dieser Ernährungsformen wie folgt klassifizieren: Vollwertkost: Trennkost: Vegetarische Kost: Sie entspricht den Empfehlungen der DGE; Verzehr von möglichst frischen und unbehandelten Nahrungsmitteln mit hochwertigen Vollkornproduktanteilen; eine Mischkost mit ernährungsmedizinischer Zielsetzung; 50-60 % Kohlenhydrate, 30 % Fett; 20 % Eiweiß. Protein- und Kohlenhydrathaltige Lebensmittel sollen nicht gleichzeitig bei einer Mahlzeit verzehrt, und Hülsenfrüchte gemieden werden. (Im Gegensatz hierzu siehe Atkins-Diät in Kapitel 6.1). Hauptbasis ist die Ernährung mittels pflanzlicher Lebensmittel. Es werden vier vegetarische Ernährungsformen unterschieden: ovo-lactovegetarisch: lacto-vegetarisch: ovo-vegetarisch: streng vegetarisch: inklusive Eier und Milchprodukte inklusive Milch und Milchprodukte inklusive Eier Verzehr aller Lebensmittel, außer jenen tierischen Ursprungs Veganismus: Verzicht auf jegliche Lebensmittel tierischen Ursprungs, d. h. kein Fleisch, Fisch, Milch, Butter, Eier, Fischöl, Honig etc. 10
Ernährungsformen Laut aktuellem Ernährungsbericht der DGE von 2008 liefert die Nationale Verzehrsstudie II folgenden Überblick zu den Ernährungsweisen in der Gesamtbevölkerung. Demzufolge richten sich 4,9 % der befragten Frauen und 2,9 % der befragten Männer nach einer besonderen Ernährungsweise. Die anschließende detaillierte Befragung dieser Personengruppen ergab folgenden Sachverhalt: Ernährungsweise Frauen (%) Männer (%) besondere Ernährungsweise 4,9 2,9 davon: Vegetarier gesamt 2,2 1,0 davon Ovolactovegetarier 0,9 0,5 davon Ovolactovegetarier + Fisch 1,0 0,4 vegane Ernährung 0,1 < 0,1 Halal (islamische Speisevorschrift) 0,6 0,7 Vollwert-Ernährung 0,7 0,5 Trennkost 0,3 0,1 Low-carb-Diät 0,1 0,1 Sonstige 0,9 0,5 Es gibt eine Vielfalt von weiteren Varianten wie beispielsweise pescetarische Kost, bei der kein Fleisch, dafür aber Fisch verzehrt wird, ayurvedische Ernährung und weitere Formen, die in der Tabelle unter Sonstige aufgeführt und seitens der Verzehrsstudie nicht näher differenziert wurden. Individuelle ernährungsmedizinische Aspekte werden in der Genotyp-Ernährung in den Vordergrund gestellt; siehe hierzu und zu ausgewählten Diäten Kapitel 6. 11
2 Ernährungsphysiologie 2 Ernährungsphysiologie Zur Aufrechterhaltung der Körperfunktionen verbraucht ein ruhender Mensch ca. 40 kg ATP (Adenosintriphosphat), das Energiemolekül des Köpers, in 24 Stunden! Dies gelingt aufgrund effizienter Energiegewinnung aus der Nahrung. Die Hauptenergiequellen sind Kohlenhydrate, Fette und Proteine; ebenso elementar wichtig sind für das Ineinandergreifen der Stoffwechselwege die Bestandteile Wasser, Vitamine, und Mineralstoffe/Spurenelemente, auch wenn sie keinen eigenen Brennwert liefern. Ein gravierender Mangel dieser Bestandteile führt zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen unterschiedlicher Ausprägungen. Die primären Stoffwechselwege der Hauptenergiequellen lassen sich wie folgt unterteilen: a) Spaltung komplexer Nahrungsbestandteile Kohlenhydrate Fette Proteine Einfachzucker Fettsäuren und Aminosäuren Gylcerin b) Bildung aktiver Intermediärprodukte wie AcetylCo-EnzymA, die je nach Bedarf des vorrangig ausgewählten Stoffwechselweges, zum Aufbau spezifischer körpereigener Substanzen benötigt werden AcetylCoenzymA c) Energiegewinn für den intermediären Stoffwechsel einschließlich der Muskelarbeit; Citronensäurecyclus gekoppelt mit der Atmungskette, dem Ort der oxidativen Phosphorylierung 12
2.1 Citratcyclus, Atmungskette, Harnstoffcyclus 2.1 Citratcyclus, Atmungskette, Harnstoffcyclus Der Citratcyclus findet in den Mitochondrien statt und ist strikt aerob. Das Acetyl- CoA tritt durch eine Kondensationsreaktion mit Oxalacetat in den Cyclus ein und bildet Citrat, eine Tricarbonsäure, den Transportmetaboliten für Acetyl-CoA. Es folgen zwei Decorboxylierungsreaktionen, gesteuert durch die Enzyme Isocitratdehydrogenase und α-ketoglutaratdehydrogenase. Bei insgesamt vier Oxidationsreaktionen verlassen Wasserstoffatome in Form von NADH+H+ und FADH 2 den Cyclus und gelangen in die Atmungskette. Da 1 Molekül NADPH energetisch äquivalent ist mit 3 ATP-Molekülen, und 1 Molekül FAD energetisch äquivalent mit 2 ATP-Molekülen ist, entstehen bei diesen Oxidationsreaktionen 11 ATP. Ein weiteres ATP wird gebildet durch die energiereiche Phosphatbindung GTP bei der Bildung des Succinats aus Succinat-CoA. Folglich werden insgesamt 12 Moleküle ATP pro Molekül Acetyl-CoA gebildet. Der Stoffwechselweg benötigt 2 Moleküle Wasser, zum einen zur Hydratisierung von Citryl-CoA und zum andern zur Hydratisierung von Fumarat zu Malat. Stoffwechselregulatorisch wirken sich folgende Kontrollstellen aus: Citratsynthetase; dieses allosterisch wirkende Enzym hemmt, analog einer feedback-hemmung, bei einem Überschuss der Modulatoren ATP und NADPH, den Citratcyclus Isocitratdehydrogenase; das ebenfalls allosterisch wirkende Enzym, hemmt bei ATP und NADPH-Überschuss die Umsetzung zu α-ketoglutarat; hingegen wirken ADP und NAD+ stimulierend α-ketoglutaratdehydrogenase, ein Multienzymkomplex, wirkt in Form der Produkthemmung, d. h. dieser Reaktionsschritt ist irreversibel Zusammenfassend gilt: wenn die Zelle einen hohen ATP-Spiegel hat, dann wird die Einschleusung des Acetyl-CoA s in den Citratcyclus und die Umsatzrate der Zyklen reduziert. Das verbleibende Acetyl-CoA kann unter Verbrauch eines ATP-Moleküls zur Synthese von Fettsäuren verwendet werden. 13
2 Ernährungsphysiologie Abb.: Schematisches Prinzip Citratcyclus Beteiligte Enzyme: 1 Citrat-Synthase 2 Aconitase 3 Isocitrat-Dehydrogenase 4 α-ketoglutarat- Dehydrogenase-Komplex 5 Succinyl-CoA-Synthetase 6 Succinat-Dehydrogenase 7 Fumarase 8 Malat-Dehydrogenase 14 Aminosäuren-Abbau: I Ala, Cys, Gly, Ser, Thr II Ile, Leu, Trp III Phe, Tyr, Leu, Lys, Trp IV Glu, Pro, Arg, His, Gln V Ile, Met, Val, Ser VI Tyr, Phe VII Asp, Asn Redox-Co-Enzyme/ Hydrid-Ionen-Transport: a NAD + NADH + H + b NAD + NADH + H + c FAD FADH2 d NAD + NADH + H +
2.1 Citratcyclus, Atmungskette, Harnstoffcyclus Die Vitamine fördern in ihrer aktiven Form als Co-Enzyme die biochemischen Reaktionen; siehe Kapitel 3.2.2 Vitamine und ihre biochemischen Funktionen. Die beim Citratcyclus freiwerdenden Wasserstoffatome werden auf die Atmungskette übertragen. Ein energetisch hintereinandergeschaltetes Redoxsystem, das in der Mitochondrienmembran lokalisiert ist, vermag verbrauchtes ADP zu ATP zu regenerieren, indem im Prinzip eine Knallgasreaktion, d. h. Bildung von Wasser durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, schonend durchgeführt wird. Atmungskette Abb.: Schematisches Prinzip Atmungskette NAD NADH FMN FMNH 2 Q QH 2 Häm Fe 3+ /Cytb Häm Fe 2+ /Cytc 1 Cytc/Fe 3+ Cytc/Fe 2+ Häm Fe 3+ /Cyta Häm Fe 2+ /Cyta 3 15
2 Ernährungsphysiologie Ort der Atmungskette ist die innere Mitochondrienmembran; aufgrund der räumlichen Struktur der Redoxsysteme können die Wasserstoffatome nur in den Cytosolraum der Mitochondrien abgegeben werden, so dass dies dort zu einer Anhäufung der Wasserstoffatome H+ führt; im Gegenschritt häufen sich die Hydroxylionen OHim Matrixraum an. Daraus folgernd baut sich sowohl ein elektrisches Feld als auch ein ph-gradient auf. Beide Systeme liefern Energie. Pro Mol Wasser entstehen 3 ATP-Moleküle. Rechnerisch könnten bei dieser Reaktion allerdings ca. 7 ATP-Moleküle pro Umsatz gebildet werden, analog nachfolgender Berechnung: G Knallgasreaktion 238 kj/mol G ATP-Spaltung 35 kj/mol 7 Der Körper führt diesen nur 40 %igen Wirkungsgrad zu Gunsten der Wärmefreisetzung zur Erhaltung der Körpertemperatur durch. Die Oxidation von NADH ergibt 3 ATP, die Oxidation von FADH 2 ergibt 2 ATP. Oxidation und Phosphorylierung sind miteinander gekoppelt. Die Elektronenübertragung bewirkt, dass Protonen aus der Matrix gepumpt werden; es wird eine protonenmotorische Kraft erzeugt. Insgesamt beträgt die Potenzialdifferenz bei dieser Reaktionskaskade 1,14 Volt, dies entspricht einer freien Energie G von 220 kj/mol. Harnstoffcyclus Es wird nur ein Teil des NH 4 +, das aus dem Aminosäuren-Abbau stammt, für die Biosynthese stickstoffhaltiger Verbindungen, wie für die Grundgerüste der DNA- und RNA-Moleküle benötigt; überschüssiges NH 4 + wird beim Menschen in Form von Harnstoff ausgeschieden. Ebenso wird das bei der Desaminierung von Aminosäuren anfallende NH 3 als Harnstoff renal ausgeschieden. Der Harnstoffcyclus umfasst folgende Funktionen: Ausscheidung der nicht benötigten NH 2 -Gruppen in Form von Harnstoff Produktion von Kohlenstoffgerüsten, die im Citratcyclus Verwendung finden und letztendlich in Glucose und Fettsäuren umgewandelt werden können Entgiftung des stark zelltoxisch wirkenden Ammoniaks 16