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Die schützende Wirkung sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe im Blick

Optimierung von Glucosinolatabbauwegen in Gemüse der Kreuzblütler

Dr. Franziska S. Hanschen (Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ) e.V.)

Gemüse ist ein zentraler Bestandteil einer gesunden Ernährung [1], denn es enthält neben Vitaminen, Mineralstoffen und Ballaststoffen verschiedene Klassen sekundärer Pflanzenstoffe. Gemüse aus der Pflanzenfamilie der Kreuzblütler (Brassicaceae) wie z.B. Brokkoli, Kohl, Kresse, Rukola und Co. enthalten Glucosinolate, die für den charakteristischen Geschmack, insbesondere die Schärfe, und Geruch dieser Gemüse verantwortlich sind und mit positiven Effekten auf die Gesundheit in Verbindung gebracht werden.

Epidemiologische und Interventionsstudien deuten darauf hin, dass der Verzehr von Kohl und Co. das Risiko reduzieren kann, an bestimmten Krebsarten (wie z.B. Darm- oder Prostatakrebs) zu erkranken, was auf die Präsenz von Glucosinolaten und den aus ihnen resultierenden Abbauprodukten zurückgeführt wird [2].

Enzymatischer Abbau von Glucosinolaten

Abb. 1 Enzymatischer Glucosinolatabbau zu Isothiocyanat, Nitril oder Epithionitril in Abhängigkeit von der Glucosinolatstruktur, den Reaktionsbedingungen und Specifier-Proteinen wie dem Epithiospecifier-Protein (ESP). R=Rest

Nicht die Glucosinolate an sich, sondern deren Abbauprodukte, die Isothiocyanate, sind für die Schärfe von Kreuzblütlern, aber auch für die protektiven Effekte verantwortlich. Isothiocyanate wirken antimikrobiell, antiinflammatorisch und haben chemopräventive Wirkungen, wodurch sie in mehrere Phasen der Krebsentstehung eingreifen können [2-4]. Diese Substanzen entstehen vor allem durch enzymatische Hydrolyse der Glucosinolate im rohen Gemüse, wenn das Pflanzengewebe zerstört wird (z.B. beim Kauen oder Zerschneiden) [5] (Abb.1). Dabei initiiert das Enzym Myrosinase zunächst den Abbau durch Abspaltung von Glukose. Es entsteht ein sehr instabiles Zwischenprodukt, das rasch zum Isothiocyanat zerfallen kann. Allerdings können weitere Proteine, sogenannte Specifier-Proteine, und andere Faktoren den Abbau des Zwischenproduktes beeinflussen, sodass auch überwiegend Nitrile oder Epithionitrile resultieren können (Abb. 1). Epithionitrile können jedoch nur aus Glucosinolaten mit einer endständigen Doppelbindung entstehen (Alkenylglucosinolate). Ein Beispiel für solch ein Alkenylglucosinolat wäre hier das Allylglucosinolat (Sinigrin), welches unter anderem in Meerrettich oder Senf vorkommt, dort aber zum scharfen Allylisothiocyanat abgebaut wird. Gerade Brassica-Gemüse (Brokkoli, Kohl) bilden wegen der Epithiospecifier-Protein (ESP)-Aktivität häufig jedoch hauptsächlich Epithionitrile und Nitrile anstelle der erwünschten Isothiocyanate.

Einfluss der Zubereitung auf Glucosinolate und ihren Abbau und Ansätze zur Optimierung

Werden solche Gemüse gekocht, hat dies große Auswirkungen auf Glucosinolate und die Bildung von Abbauprodukten, denn während die enzymatischen Abbauprozesse gestoppt werden, können Glucosinolate und Abbbauprodukte ins Kochwasser auslaugen und thermisch abgebaut werden beziehungsweise Folgereaktionen eingehen. Die Zubereitung dieser Gemüse hat daher einen großen Einfluss darauf, welche Verbindungen letztendlich in Gemüseprodukten der Kreuzblütengewächse gebildet und konsumiert werden.

Um die Bildung von Isothiocyanaten gerade in Brassica-Gemüsen zu erhöhen, sind verschiedene Ansätze denkbar: 1) Erhöhung der Glucosinolatkonzentration der Gemüse, 2) Reduktion der Aktivität von Specifier-Proteinen wie ESP in der Pflanze durch geeignete Anbaubedingungen, 3) Reduktion der ESP-Aktivität durch geeignete Zubereitung, 4) Beeinflussung des thermischen Abbaus. Während es eine Vielzahl von Studien zur ersten Frage gibt, widmet sich unsere Arbeitsgruppe vor allem den Punkten zwei bis vier.

Beeinflussung der enzymatischen Abbauwege

Abb. 2 Einfluss der Zubereitung von Rotkohl bei der Salatherstellung (A) und beim Kochen von Rotkraut (B) und Blaukraut (C) auf das Glucosinolat Glucoraphanin [4-(Methylsulfinyl)butylglucosinolat; 4-MSOB-GLS)] und auf die Entstehung seiner Abbauprodukte Sulforaphan [4-(Methylsulfinyl)butylisothiocyanat; 4-MSOB-ITC)] und Sulforaphannitril [5-(Methylsulfinyl)pentylnitril (4-MSOB-CN)]

Im Gegensatz zur Modellpflanze der Biologie, Arabidopsis thaliana, in der nur ein ESP vorhanden ist, kommen in Brokkoli, Kohlrabi, und Weiß- und Rotkohl (Brassica oleracea) drei funktionelle ESP-Isoformen vor, die sich in ihrer organspezifischen Lokalisierung und ihrer Aktivität in Abhängigkeit vom pH-Wert unterscheiden [6]. Somit stellt sich die Frage, ob ihre Aktivität durch Umweltfaktoren wie Licht, Temperatur usw. reduziert werden könnte. Um herauszufinden, inwiefern Glucosinolate und die Bildung ihrer Abbauprodukte in kommerziellem Weiß- und Rotkohl variieren, wurden mehrere Supermärkte in regelmäßigen Abständen über einen Zeitraum von drei Monaten beprobt. Die Glucosinolatprofile und -mengen unterschieden sich innerhalb der Weiß- bzw. Rotkohlköpfe kaum über die drei Monate. Jedoch zeigte sich, dass vor allem bei dem im Spätsommer beprobten Rotkohl mehr Isothiocyanate gebildet wurden im Vergleich zum Kohl von Ende November, bei dem Epithionitrile und Nitrile dominierten. Beim Weißkohl war dieser Effekt oft nicht signifikant. Da der Kohl aus verschiedenen Regionen in Deutschland stammte und unterschiedlichen Anbau- und Lagerungsbedingungen ausgesetzt war, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Anbauzeitpunkt den Glucosinolatabbau stark beeinflussen kann und Sommergemüse ggf. zu bevorzugen wäre [7]. In Versuchen auf dem Feld und unter kontrollierten Bedingungen untersuchen wir aktuell, welche Umweltfaktoren die ESP-Aktivität und das Abbauverhalten der Glucosinolate beeinflussen.

Durch die Wahl geeigneter Zubereitungsbedingungen kann die Bildung von Isothiocyanaten ebenfalls begünstigt werden: Mittels Zusatzes von Essigsäure während der Salatherstellung konnten die Isothiocyanatgehalte von Rotkohlsalat verdoppelt werden [8] (Abb. 2A), da die Aktivität des ESP im Sauren abnimmt [6] und so weniger Nitrile und Epithionitrile gebildet werden.

Einfluss der thermischen Zubereitung auf Glucosinolate und Abbauprodukte

Gerade Brassica-Gemüse, wie Kohl oder Brokkoli, werden vor dem Verzehr jedoch oft erhitzt. Die Temperaturempfindlichkeit von ESP könnte man sich hier zu Nutze machen: So inaktiviert kurze Erhitzung der Gemüse auf ca. 60 °C das ESP, während die Myrosinase noch aktiv bleibt. Dadurch kann die enzymatische Isothiocyanatbildung ebenfalls gefördert werden [9,10]. Beim Erhitzen auf Temperaturen um 80 °C wird dann auch die Myrosinase inaktiviert und der enzymatische Abbau der Glucosinolate wird gestoppt [10]. Kocht man die Gemüse in Wasser, dann laugen Glucosinolate und ihre Abbauprodukte schnell ins Kochwasser aus. So können schon nach 10 Minuten Kochzeit 32–68 % der Glucosinolate ins Kochwasser übergehen [11]. Außerdem können Glucosinolate thermisch abgebaut werden, wodurch Nitrile frei werden. Dies ist vor allem bei Kochzeiten über 10 min von Bedeutung (Abb. 2B). Dabei waren die Glucosinolate beim Kochen von Blaukraut (mit Natronzusatz) thermisch stabiler als beim Kochen von Rotkraut (mit Zitronensaft oder Essig), welches dann auch mehr Nitrile enthielt [8] (Abb. 2B und 2C). Durch kurzes Dünsten werden die Glucosinolatgehalte daher oft am besten im Gemüse erhalten [12]. Werden diese Glucosinolate dann aufgenommen, können sie später im Dickdarm mikrobiell abgebaut werden. Allerdings ist dieser Abbauweg stark von der individuellen Zusammensetzung der Darmmikrobiota abhängig und so werden nur etwa 2–15 % dieser Glucosinolate zu Isothiocyanaten abgebaut [13].

Fazit

Der enzymatische Abbau von Glucosinolaten bei rohem Kreuzblütler-Gemüse bleibt die wichtigste Quelle für gesundheitsfördernde Isothiocyanate, deren Bildung sich durch Ansäuern bei der Salatzubereitung erhöhen lässt. Dem primären enzymatischen Abbau in der Pflanze kommt somit eine Schlüsselrolle für die Bildung von Isothiocyanaten zu. Das bessere Verständnis der Regulierung von Specifier-Proteinen wie ESP ist daher ein wichtiger Schritt, um das volle Potenzial von Glucosinolaten ausschöpfen zu können.

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Kategorie: Lebensmittelchemie | Glucosinolate

Literatur:
[1] (DGE), D.G.f.E.e.V. 5 am Tag. Available online: https://www.dge.de/ernaehrungspraxis/vollwertige-ernaehrung/5-am-tag/?L=0 (accessed on 2022, Feb. 22nd)
[2] Palliyaguru DL, Yuan JM, Kensler TW, Fahey JW. Isothiocyanates: Translating the power of plants to people. Mol. Nutr. Food Res. 2018;62:1700965. DOI:10.1002/mnfr.201700965
[3] Latronico T, Larocca M, Milella S, Fasano A, Rossano R et. al. Neuroprotective potential of isothiocyanates in an in vitro model of neuroinflammation. Inflammopharmacology 2021;29:561-571. DOI:10.1007/s10787-020-00772-w
[4] Hanschen FS, Lamy E, Schreiner M, Rohn S. Reactivity and stability of glucosinolates and their breakdown products in foods. Angew. Chem. Int. Ed. 2014;53:11430-11450. DOI:10.1002/anie.201402639
[5] Blažević I, Montaut S, Burčul F, Olsen CE, Burow M et al. Glucosinolate structural diversity, identification, chemical synthesis and metabolism in plants. Phytochemistry. 2020;169:112100. DOI:10.1016/j.phytochem.2019.112100
[6] Witzel K, Abu Risha M, Albers P, Börnke F., Hanschen FS. Identification and characterization of three epithiospecifier protein isoforms in Brassica oleracea. Front. Plant Sci. 2019;10:1552. DOI:10.3389/fpls.2019.01552
[7] Wermter NS, Rohn S, Hanschen FS. Seasonal variation of glucosinolate hydrolysis products in commercial white and red cabbages (Brassica oleracea var. capitata). Foods. 2020;9:1682. DOI:10.3390/foods9111682
[8] Hanschen FS. Domestic boiling and salad preparation habits affect glucosinolate degradation in red cabbage (Brassica oleracea var. capitata f. rubra). Food Chem. 2020;321:126694. DOI:10.1016/j.foodchem.2020.126694
[9] Matusheski NV, Juvik JA, Jeffery EH. Heating decreases epithiospecifier protein activity and increases sulforaphane formation in broccoli. Phytochemistry. 2004;65:1273-1281. DOI:10.1016/j.phytochem.2004.04.013
[10] Hanschen FS, Kühn C, Nickel M, Rohn S, Dekker M. Leaching and degradation kinetics of glucosinolates during boiling of Brassica oleracea vegetables and the formation of their breakdown products. Food Chem. 2018;263:240-250. DOI:10.1016/j.foodchem.2018.04.069

Publikationsdatum: 16.03.2022

Fakten, Hintergründe, Dossiers

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    Dr. Franziska S. Hanschen

    Franziska S. Hanschen, Jahrgang 1985, ist seit 2018 Forschungsgruppenleiterin am Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau (IGZ) in Großbeeren. Nach dem Studium der Lebensmittelchemie und der Promotion an der Technischen Universität Berlin forscht sie seit 2012 am IGZ und absolvierte ... mehr

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