Bildung und Stabilität von Glucosinolatabbauprodukten und Isothiocyanat‐Proteinkonjugaten in erhitzten Lebensmitteln am Beispiel Gemüse‐angereicherter Brote
Authors: Krell Mareike , Rohn Sascha 
Published: June 2023

Um die Aufnahme an Gemüse und Obst mit ihren potenziell gesundheitsfördernden sekundären Pflanzenstoffen (SPS) zu erhöhen, werden vermehrt traditionelle Lebensmittel angereichert. Brassica‐ Gemüse ist besonders reich an Glucosinolaten (GLS), die, während der Prozessierung, zu einer Reihe von Folgeprodukten, wie Nitrile und Isothiocyanate (ITC) abgebaut werden. Die ITC sind mit einer Reihe von positiven Eigenschaften assoziiert und können den gesundheitlichen Nutzen eines Lebensmittels erhöhen. Aufgrund der hohen Elektrophilie können ITC allerdings auch mit den nukleophilen Seitenketten von anderen Lebensmittelinhaltsstoffen wie Proteinen und Peptiden Konjugate bilden, die unter anderem die biologische Wertigkeit der Proteine vermindern können. Trotz der Reaktivität wäre es für die menschliche Gesundheit dennoch interessant, durch eine Anreicherung eines Lebensmittels mit Brassica‐Gemüse, ein Produkt herzustellen, dass reich an ITC ist.

Einige Studien beschäftigten sich bereits entweder mit der Bildung von ITC‐Proteinkonjugaten oder dem generellen Gehalt von freiem ITC in einem Lebensmittel. Bisher gibt es allerdings wenig bis keine Untersuchungen über den Zusammenhang zwischen den freiwerdenden ITC‐Gehalt und der Bildung von ITC‐Proteinkonjugaten. Dazu zählt zusätzlich der mögliche Einfluss der Prozessierung, sowie unterschiedliche pH‐Werte auf das Abbauverhalten der GLS und die ITC‐Konjugation. Darüber hinaus gibt es keine Daten zu dem Migrationsverhalten der GLS und ihrer Abbauprodukte, sowie Untersuchungen der gebildeten Abbauprodukte im Lebensmittel vor der Prozessierung und im Endprodukt.

In der vorliegenden Arbeit wurden daher unterschiedliche Faktoren der ITC‐Bildung und eine mögliche Einflussnahme der Lebensmittelmatrix und ‐herstellung auf den ITC‐Gehalt untersucht. Als Grundmatrix diente Brot, das für eine Anreicherung geeignet ist, da es vor allem in westlichen Ländern viel verzehrt wird. Als Pflanzenmaterial wurde Kresse (Lepidium sativum L., Tropaeolum majus L.) in unterschiedlichen Homogenisierungsgraden zugesetzt. Kresse wird bereits als würzende Zutat, beispielsweise auf Brot mit Käse, verwendet und daher wird eine gute Verbraucherakzeptanz von einem Kresse‐angereicherten Brot erwartet. Das dominierende Glucosinolat der Kresse ist Benzylglucosinolat (BG), das im Laufe des Herstellungsprozesses in Benzylisothiocyanat (BITC) und Benzylcyanid (BC) abgebaut wird. Zur Identifizierung und Quantifizierung der BITC‐Proteinkonjugate diente eine LC‐ESI‐MS/MS‐Methodik. Mit Hilfe einer GC‐MS‐Methode konnte der Gehalt an den Abbauprodukten BITC und BC bestimmt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass in erhitzten Lebensmitteln eine Konjugation zwischen ITC und Aminosäuregruppen erfolgte und zu einer Verringerung des „freien” ITC‐Gehaltes beitrug. Zusätzlich führte der Hitzeprozess beim Backen zu der vermehrten Bildung von hitzestabilen Nitrilen, wodurch die ITC‐Konzentration im Endprodukt niedriger war als in nicht erhitzten Lebensmitteln. Die Abbaurate der Glucosinolate im Pflanzenmaterial wurde darüber hinaus durch dessen Zustand, in stückiger oder pulverisierter Form, beeinflusst. Die Rate des Abbaus der GLS im intakten Pflanzenmaterial war geringer, trotzdem konnten insgesamt mehr Abbauprodukte in den Broten mit stückigem Pflanzenmaterial nachgewiesen werden. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass im pulverisierten Material bereits vor Beginn des Backprozesses ein Abbau durch Myrosinase und während des Backvorgangs eine Zersetzung von BITC und BC erfolgen könnte, was insgesamt zu einem geringeren Gehalt an Abbauprodukten in den Broten mit homogenisierten Pflanzenmaterial führte.

Anhand weiterer Experimente ließ sich feststellen, dass die Glucosinolatabbauprodukte nicht örtlich in der Nähe der Gemüsekomponente gebunden waren, sondern eine Migration in die umgebende Lebensmittelmatrix erfolgte und dort ebenfalls ITC‐Konjugate gebildet wurden. Dementsprechend lassen sich Abbauprodukte und Konjugate nicht örtlich begrenzen, was mögliche negative Auswirkungen auf die Lebensmittelmatrix erhöhen könnte.

Zusätzlich ließen die Untersuchungen von unterschiedlichen Brotmatrices und Broten mit spezifischen pH‐Werten keine signifikanten pH‐Einflüsse auf die Bildung an ITC und Folgeprodukte erkennen. Es konnte allerdings festgestellt werden, dass ein höherer pH‐Wert des Teigs die Reaktivität zwischen ITC und Lysin förderte, wohingegen bei sehr niedrigen pH‐Werten die Bildung von ITC stark unterbunden wurde. Lebensmittel mit sehr sauren oder neutralen bis basischen pH‐Werten scheinen demnach keine geeignete Anreicherungsbasis für ein ITC‐reiches Lebensmittel zu sein. Stattdessen sollte ein Produkt mit einem pH‐Wert von 5‐6 gewählt werden, da in diesem Bereich die Myrosinase aktiv ist, die die Bildung von ITC fördert.

Die Untersuchungen zur Stabilität der Abbauprodukte und der ITC‐Konjugate über mehrere Tage in unterschiedlichen Brotmatrices zeigten, dass die ITC‐Lysinkonjugate sowie die Abbauprodukte BITC und BC weitgehend stabil waren. Eine Lagerung des hergestellten Probenmaterials der gebackenen und gefriergetrockneten Brote und der Probelösungen für die LC‐ESI‐MS/MS‐Messung sollte allerdings vermieden werden, da die Lysin‐Addukte eine geringe Stabilität aufwiesen.

Zusammengefasst kann gesagt werden, dass Brot als Anreicherungsmatrix für ein ITC‐reiches Lebensmittel aufgrund des Hitzeprozesses ungeeignet ist, da der ITC‐Gehalt beim Backen stark reduziert wurde. Die vorliegenden Ergebnisse lassen annehmen, dass die pH‐Wert abhängige Bildung von ITC im Brot nicht signifikant ist, da die Temperatur einen größeren Einfluss auf die Gesamt‐ITC‐ Konzentration im Endprodukt hat. Nicht erhitzte Lebensmittel, wie Quark, eignen sich demnach besser für eine Anreicherung mit glucosinolathaltigem Gemüse, um eine möglichst hohe Konzentration an ITC zu erreichen. Der Abbau der GLS bei Raumtemperatur erfolgt hauptsächlich über das Enzym Myrosinase, wodurch mehr ITC anstelle von hitzestabilen Nitrilen gebildet werden. Hohe Gehalte an ITC können allerdings auch in einer erhöhten Bildung von ITC‐Konjugaten resultieren.