Einfluss der Lebensmittelmatrix auf die Bioverfügbarkeit von Mikronährstoffen

Der analytisch bestimmte Mikronährstoffgehalt eines Lebensmittels erlaubt keine unmittelbare Aussage darüber, welcher Anteil im Organismus aufgenommen und genutzt werden kann. Eine wesentliche Einflussgröße ist die Lebensmittelmatrix, das heißt die physikalisch-chemische Gesamtstruktur eines Lebensmittels und die räumliche Einbettung seiner Inhaltsstoffe. Mikronährstoffe können in Zellen, Zellorganellen, Membranen, Proteinverbänden, Stärkenetzwerken, Lipidtröpfchen oder mineralischen Strukturen eingeschlossen oder an andere Lebensmittelbestandteile gebunden sein [2-4].

Die Lebensmittelmatrix beeinflusst, in welchem Umfang und mit welcher Geschwindigkeit ein Mikronährstoff während der Verdauung freigesetzt, gelöst und in eine resorbierbare Form überführt wird. Lebensmittel mit vergleichbaren Mikronährstoffgehalten können daher eine unterschiedliche Bioverfügbarkeit aufweisen. Entscheidend sind unter anderem die Gewebestruktur, die Partikelgröße, die räumliche Verteilung von Wasser und Lipiden, die chemische Bindungsform sowie die Zugänglichkeit für Verdauungsenzyme [2-4].

Biozugänglichkeit als Voraussetzung der Bioverfügbarkeit

Die Matrixwirkung setzt bereits vor der intestinalen Resorption (Aufnahme von Nährstoffen über die Darmschleimhaut in den Körper) ein. Als Biozugänglichkeit wird der Anteil eines Mikronährstoffs bezeichnet, der während der gastrointestinalen Verdauung aus der Lebensmittelmatrix freigesetzt und in eine grundsätzlich resorbierbare Form überführt wird. Die Bioverfügbarkeit umfasst darüber hinaus die intestinale Resorption, den Transport, mögliche metabolische Umwandlungen sowie die Nutzung oder Speicherung im Organismus [1, 2].

Eine hohe Biozugänglichkeit führt nicht zwangsläufig zu einer hohen systemischen Bioverfügbarkeit. Nach der Freisetzung aus der Matrix können die Löslichkeit im Darminhalt, die Aufnahme in Mizellen, spezifische Transportmechanismen, der Versorgungsstatus und die präsystemische Metabolisierung (Umwandlung in Darmwand oder Leber vor Erreichen des Körperkreislaufs) die tatsächlich verfügbare Menge begrenzen [1, 2].

Natürliche, verarbeitete und angereicherte Lebensmittel

Für die Beurteilung von Matrixeffekten ist zu unterscheiden, ob ein Mikronährstoff natürlicherweise in der ursprünglichen Lebensmittelstruktur enthalten ist, ob diese Struktur durch Verarbeitung verändert oder ob der Mikronährstoff während der Herstellung zugesetzt wurde. Die Übergänge sind fließend, da angereicherte Lebensmittel in der Regel zugleich verarbeitete Lebensmittel sind [2-4, 10, 11].

In natürlichen pflanzlichen Lebensmitteln können Zellwände, Vakuolen (flüssigkeitsgefüllte Zellräume), Chloroplasten und Chromoplasten die Freisetzung von Mikronährstoffen begrenzen. In tierischen Lebensmitteln sind Mikronährstoffe unter anderem in Zellmembranen, Muskelgewebe, Lipidstrukturen, Proteinkomplexen oder mineralisierten Geweben eingebettet. Tierische und pflanzliche Lebensmittel unterscheiden sich zudem hinsichtlich der chemischen Vitaminformen. Belastbare direkte Vergleiche der Bioverfügbarkeit liegen jedoch nicht für alle Vitamine vor [3-5, 8, 9].

Verarbeitung verändert diese natürlichen Strukturen. Mechanische Zerkleinerung kann Zellwände aufbrechen, Erhitzen Proteine (Eiweiß) denaturieren (räumlich verändern), Stärke verkleistern und Emulsionen neu organisieren. Solche Veränderungen können die Freisetzung erleichtern, zugleich aber oxidationsempfindliche oder hitzeempfindliche Mikronährstoffe vermindern. Der verbleibende Gesamtgehalt und die veränderte Biozugänglichkeit sind daher getrennt zu bewerten [2-5].

Zelluläre Einbettung und strukturelle Freisetzung

Bei pflanzlichen Lebensmitteln stellen insbesondere Zellwände eine physikalische Barriere dar. Sie begrenzen den Kontakt intrazellulärer Mikronährstoffe mit Verdauungsenzymen, Lipiden und Gallensäuren. Entscheidend ist, in welchem Umfang diese Strukturen durch Kauen, mechanische Zerkleinerung und gastrointestinale Verdauung aufgebrochen werden [3-5].

Carotinoide sind beispielsweise in pflanzlichen Zellorganellen lokalisiert. In grünem Pflanzengewebe befinden sie sich überwiegend in Chloroplasten, in gelben, orangefarbenen oder roten Pflanzengeweben häufig in Chromoplasten. Dort können sie an Proteine und Membranen gebunden, in Lipidtröpfchen gelöst oder in kristallinen Aggregaten gespeichert sein. Diese Organisationsformen beeinflussen, wie leicht Carotinoide freigesetzt und anschließend in gemischte Mizellen aufgenommen werden [5].

Auch in Samen, Nüssen und Getreidekörnern können Lipide und Mikronährstoffe teilweise in intakten Pflanzenzellen eingeschlossen bleiben. Werden die Zellwände während des Kauens und der Verdauung nicht vollständig zerstört, ist nur ein Teil des analytisch vorhandenen Inhalts für Verdauungsenzyme zugänglich [3, 4].

Partikelgröße und Mikrostruktur

Mit zunehmender Zerkleinerung vergrößert sich die Oberfläche, die mit Magensäure, Gallensäuren und Verdauungsenzymen in Kontakt treten kann. Gleichzeitig steigt die Wahrscheinlichkeit, dass Zellwände und intrazelluläre Speicherstrukturen aufgebrochen werden [3, 4].

Die Wirkung der Zerkleinerung hängt jedoch nicht allein von der sichtbaren Partikelgröße ab. Auch Porosität, Härte, Elastizität, Wasserbindung und innere Mikrostruktur beeinflussen den Zerfall im Magen-Darm-Trakt. Lebensmittel mit vergleichbarer Partikelgröße können sich deshalb hinsichtlich ihrer Verdauung und Nährstofffreisetzung deutlich unterscheiden [3].

Dichte Pflanzengewebe, Proteinaggregate oder stabile Gelstrukturen können den Zutritt von Flüssigkeit und Verdauungsenzymen verzögern. Locker aufgebaute oder poröse Strukturen werden meist schneller desintegriert. Aus der Geschwindigkeit der Freisetzung allein lässt sich jedoch keine allgemeine Aussage über die endgültig resorbierte Mikronährstoffmenge ableiten [3, 4].

Protein-, Stärke- und Gelstrukturen

Proteine und Polysaccharide können dreidimensionale Netzwerke bilden, in denen Mikronährstoffe mechanisch eingeschlossen oder durch elektrostatische, hydrophobe oder koordinative Bindungen gebunden sind. Diese Strukturen müssen während der Verdauung durch Ansäuerung, Hydratation (Aufnahme und Bindung von Wasser, wodurch Lebensmittelbestandteile quellen können) und enzymatische Spaltung aufgelöst werden, bevor der eingeschlossene Mikronährstoff verfügbar wird [3, 4].

Proteingebundene Mikronährstoffe können durch die proteolytische Verdauung (enzymatische Spaltung von Proteinen) freigesetzt werden. Die Bindung kann zugleich vor Oxidation oder anderen chemischen Veränderungen schützen. Abhängig von Bindungsstärke, Proteinstruktur und Verdauungsbedingungen kann eine Proteinmatrix die Biozugänglichkeit daher vermindern oder begünstigen [2-4].

Stärkestrukturen können Mikronährstoffe innerhalb dichter Körner, Gele oder neu gebildeter Netzwerke einschließen. Während der Verdauung wird Stärke durch Amylasen (stärkespaltende Enzyme) abgebaut; dadurch kann sich die Matrix öffnen und eingeschlossene Mikronährstoffe freisetzen. Schwer verdauliche oder resistente Stärkestrukturen können die Freisetzung dagegen verzögern, da sie im Dünndarm nur unvollständig abgebaut werden [3, 4].

Ballaststoffe beeinflussen die Biozugänglichkeit über mehrere Mechanismen. Lösliche Ballaststoffe binden Wasser und können die Viskosität (Zähflüssigkeit) des Speisebreis erhöhen. Dadurch können die Durchmischung mit Verdauungsenzymen, die Diffusion gelöster Mikronährstoffe und deren Kontakt mit der Dünndarmschleimhaut verlangsamt werden. Unlösliche Ballaststoffe können Mikronährstoffe innerhalb pflanzlicher Zellwände einschließen oder an ihrer Oberfläche binden [2-4].

Die Wirkung ist jedoch nicht grundsätzlich resorptionshemmend. Durch die bakterielle Fermentation bestimmter Ballaststoffe im Dickdarm entstehen kurzkettige Fettsäuren, die den pH-Wert absenken und dadurch die Löslichkeit einzelner Mineralstoffe erhöhen können. Ob daraus eine relevante zusätzliche Aufnahme entsteht, hängt vom Mineralstoff, der Ballaststoffart, der fermentierbaren Menge und der Resorptionskapazität des Dickdarms ab [2].

Lipidphase, Emulsionen und Mizellenbildung

Fettlösliche Mikronährstoffe müssen nach ihrer Freisetzung zunächst in eine Lipidphase übertreten und während der Fettverdauung solubilisiert (in eine lösliche Form überführt) werden. Lipidabbauprodukte und Gallensäuren bilden anschließend gemischte Mizellen. Mizellen sind kleine Transportaggregate, die lipophile Substanzen im wässrigen Darminhalt löslich halten und zu den Enterozyten (Zellen der Dünndarmschleimhaut) transportieren [2, 5-7].

Die Biozugänglichkeit wird nicht nur durch die Fettmenge, sondern auch durch die räumliche Organisation der Lipidphase beeinflusst. Größe und Stabilität der Lipidtröpfchen, die Beschaffenheit ihrer Grenzflächen und die Zugänglichkeit für Pankreaslipasen (fettspaltende Enzyme der Bauchspeicheldrüse) bestimmen die Lipolyse (enzymatische Fettspaltung) und die anschließende Mizellenbildung [4, 5, 10].

Für Carotinoide zeigt eine systematische Übersichtsarbeit mit Metaanalyse von 27 Untersuchungen außerhalb des Organismus und 12 randomisierten kontrollierten Studien, dass gleichzeitig aufgenommenes Nahrungsfett die Biozugänglichkeit und Bioverfügbarkeit erhöht. In den randomisierten Studien nahm die Carotinoidbioverfügbarkeit mit der Fettmenge zu; Fette mit einem hohen Anteil ungesättigter Fettsäuren zeigten stärkere Effekte als überwiegend gesättigte Fette [6].

Auch bei Vitamin E hängt die Biozugänglichkeit von der Freisetzung aus der Matrix, der Lipolyse (enzymatische Spaltung von Fetten in Fettsäuren und Glycerin), der Aufnahme in gemischte Mizellen und dem anschließenden Transport durch das Darmepithel ab. Die Erkenntnisse zu einzelnen Matrixeffekten beruhen hierbei zu einem erheblichen Anteil auf In-vitro-Verdauungsmodellen (Verdauungsmodellen außerhalb des Organismus) sowie auf Ex-vivo-Untersuchungen (Untersuchungen an entnommenen Zellen oder Geweben) [7].

Mineralische Strukturen und Löslichkeit

Bei Mineralstoffen setzt die intestinale Resorption (Aufnahme über die Darmschleimhaut in den Körper) voraus, dass sie aus der Lebensmittelmatrix freigesetzt werden und im gastrointestinalen Milieu in ausreichend löslicher Form vorliegen. Die Bioverfügbarkeit wird daher nicht allein durch die Mineralstoffmenge, sondern auch durch die chemische Verbindung, die Bindung an Proteine und Phosphate sowie durch den pH-Wert während der Verdauung bestimmt [2, 8].

Für Calcium wurden zwischen verschiedenen Lebensmitteln fraktionelle Resorptionsraten von weniger als 10 % bis über 50 % beschrieben. Diese Unterschiede werden unter anderem durch die Löslichkeit der Calciumverbindung, die Matrixstruktur und die Wechselwirkungen mit weiteren Lebensmittelbestandteilen erklärt [8].

In Milch und Milchprodukten ist ein Teil des Calciums als fein verteiltes Calciumphosphat in Caseinmizellen eingebunden. Casein ist das mengenmäßig wichtigste Milcheiweiß. Durch die Ansäuerung im Magen, die Proteinverdauung und die Auflösung dieser Strukturen wird Calcium schrittweise freigesetzt. In pflanzlichen Lebensmitteln können dagegen stabile Zellstrukturen und schwer lösliche Calciumverbindungen die Biozugänglichkeit begrenzen [8].

Phytate (Speicherform des Phosphors in Samen, Hülsenfrüchten und Getreide) können Calcium, Eisen, Zink und Magnesium binden und schwer lösliche Komplexe bilden. Dadurch steht ein geringerer Anteil dieser Mineralstoffe für die Resorption zur Verfügung. Die Wirkung hängt unter anderem von der Phytatmenge, dem jeweiligen Mineralstoff und dem Mengenverhältnis zwischen Phytat und Mineralstoff ab [2].

Oxalate (Salze der Oxalsäure, beispielsweise in Spinat, Mangold und Rhabarber) binden vor allem Calcium zu schwer löslichem Calciumoxalat. Calcium aus oxalatreichen Lebensmitteln kann daher trotz eines hohen Gesamtgehalts nur eingeschränkt bioverfügbar sein [8].

Bestimmte organische Säuren können demgegenüber die Mineralstoffaufnahme fördern, indem sie Mineralstoffe im Darminhalt löslich halten. Ascorbinsäure (Vitamin C) verbessert insbesondere die Bioverfügbarkeit von Nicht-Hämeisen (Eisen aus pflanzlichen Lebensmitteln), während Citronen- und Milchsäure lösliche Komplexe mit verschiedenen Mineralstoffen bilden können. Ob ein Inhaltsstoff die Resorption fördert oder hemmt, hängt jedoch stets von seiner Konzentration, der Zusammensetzung der gesamten Mahlzeit und den jeweiligen Verdauungsbedingungen ab [2, 8].

Angereicherte Lebensmittel als Trägermatrix

Bei angereicherten Lebensmitteln ist der zugesetzte Mikronährstoff nicht zwingend in derselben Form in die Matrix eingebettet wie ein natürlicherweise enthaltener Mikronährstoff. Er kann gelöst, als Partikel verteilt, an einen Trägerstoff gebunden, verkapselt oder in eine Emulsion eingearbeitet vorliegen [2, 10, 11].

Bei zugesetzten Mineralstoffen muss häufig ein Kompromiss zwischen Bioverfügbarkeit und technologischer Stabilität gefunden werden. Gut lösliche Verbindungen können leichter freigesetzt werden, zugleich aber stärker mit dem Lebensmittel reagieren und Geschmack, Farbe, Oxidationsstabilität oder Haltbarkeit beeinträchtigen. Schwerer lösliche Verbindungen sind technologisch teilweise günstiger, können jedoch eine geringere Biozugänglichkeit aufweisen [11].

Bei fettlöslichen Vitaminen beeinflussen Fettgehalt, Zusammensetzung der Lipidphase, Größe der Lipidtröpfchen und Grenzflächeneigenschaften die Lipolyse und Mizellierung. Die bloße Zugabe einer definierten Vitaminmenge gewährleistet daher keine entsprechende Bioverfügbarkeit [10].

Verkapselungs- und Emulsionstechniken können zugesetzte Mikronährstoffe vor Oxidation und unerwünschten Reaktionen schützen. Die Verkapselung muss jedoch während der gastrointestinalen Verdauung eine ausreichende Freisetzung ermöglichen. Stabilität während Herstellung und Lagerung sowie Biozugänglichkeit nach dem Verzehr sind deshalb gemeinsam zu bewerten [10, 11].

Methodische Einordnung

Matrixeffekte werden häufig mithilfe standardisierter In-vitro-Verdauungsmodelle untersucht. Diese erfassen die Desintegration des Lebensmittels, die Freisetzung eines Mikronährstoffs und teilweise dessen Übergang in eine lösliche oder mizellare Phase. Sie liefern damit primär Informationen zur Biozugänglichkeit und nicht zur vollständigen systemischen Bioverfügbarkeit [1, 7].

Die regulierte intestinale Resorption, der präsystemische Stoffwechsel, die Gewebeaufnahme, Speicherung und Ausscheidung können durch solche Modelle nur eingeschränkt abgebildet werden. Zudem variieren Definitionen und Messverfahren zwischen den Studien. Quantitative Ergebnisse unterschiedlicher Verdauungsmodelle sind daher nur begrenzt vergleichbar [1].

Für die Beurteilung der Bioverfügbarkeit beim Menschen sind insbesondere kontrollierte Interventionsstudien, Isotopen-Tracerstudien (Untersuchungen mit markierten Nährstoffmolekülen), postprandiale Konzentrationsverläufe und geeignete längerfristige Biomarker relevant. Auch ihre Ergebnisse hängen von Dosis, Ausgangsstatus, Resorptionsregulation und individuellen gastrointestinalen Voraussetzungen ab [2].

Bedeutung für die ernährungsmedizinische Praxis

Für die ernährungsmedizinische Beurteilung einer Mikronährstoffquelle müssen analytischer Gehalt, chemische Form und Lebensmittelmatrix gemeinsam berücksichtigt werden. Nährwerttabellen bilden den Gesamtgehalt ab, erfassen jedoch weder die strukturelle Einbettung noch die tatsächlich freigesetzte und resorbierte Menge.

• Der analytische Mikronährstoffgehalt darf nicht mit der bioverfügbaren Menge gleichgesetzt werden.
• Bei natürlichen Lebensmitteln sind Zell- und Gewebestruktur sowie die intrazelluläre Lokalisation zu berücksichtigen.
• Bei verarbeiteten Lebensmitteln müssen der verbleibende Mikronährstoffgehalt und die veränderte Biozugänglichkeit getrennt bewertet werden.
• Bei angereicherten Lebensmitteln sind chemische Verbindung, Trägermatrix, Stabilität und gastrointestinale Freisetzung zu beurteilen.
• Partikelgröße, Porosität und mechanische Eigenschaften beeinflussen die gastrointestinale Desintegration.
• Protein-, Stärke- und Gelnetzwerke können Mikronährstoffe einschließen, stabilisieren oder während der Verdauung freisetzen.
• Die Organisation der Lipidphase beeinflusst die Mizellenbildung und damit die Biozugänglichkeit fettlöslicher Mikronährstoffe.
• Mineralstoffe müssen aus der Matrix freigesetzt und in eine lösliche Form überführt werden.
• In-vitro-Biozugänglichkeit und systemische Bioverfügbarkeit beim Menschen sind methodisch voneinander zu unterscheiden.
• Bei eingeschränkter Kauleistung, gestörter Fettverdauung oder gastrointestinalen Erkrankungen können Matrixeffekte klinisch besonders relevant sein.

Fazit

Die Lebensmittelmatrix ist eine wesentliche Determinante der Bioverfügbarkeit von Mikronährstoffen. Sie beeinflusst die Freisetzung aus Zellen und Geweben, die Zugänglichkeit für Verdauungsenzyme, die Löslichkeit, die Aufnahme in Mizellen und die Bereitstellung an der Dünndarmschleimhaut. Lebensmittel mit vergleichbaren Mikronährstoffgehalten können daher unterschiedliche Mengen für die intestinale Resorption bereitstellen.

Bei natürlichen Lebensmitteln wird die Bioverfügbarkeit vor allem durch die biologisch entstandene Zell- und Gewebestruktur geprägt. Bei verarbeiteten Lebensmitteln kommen technologisch erzeugte Strukturveränderungen hinzu. Bei angereicherten Lebensmitteln sind darüber hinaus die chemische Form des zugesetzten Mikronährstoffs, seine Verteilung, Stabilität und Freisetzung aus der Trägermatrix entscheidend.

Matrixeffekte sind mikronährstoff- und lebensmittelspezifisch. Für eine fachgerechte ernährungsmedizinische Bewertung sind deshalb der Mikronährstoffgehalt, die chemische Form, die strukturelle Einbettung, die Mahlzeitenzusammensetzung und die individuellen gastrointestinalen Voraussetzungen gemeinsam zu berücksichtigen.

Literatur

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