Tierärztliche Hochschule Hannover
In-vivo - und in-vitro - Untersuchungen zur praecaecalen Stärkeverdaulichkeit in Abhängigkeit von der Stärkeart und -behandlung bei Miniaturschweinen
mit induzierter exokriner Pankreasinsuffizienz
INAUGURAL – DISSERTATION zur Erlangung des Grades einer Doktorin
der Veterinärmedizin - Doctor medicinae veterinariae -
(Dr. med. vet.)
vorgelegt von Sandra Vagt
Rostock
Hannover 2014
Wissenschaftliche Betreuung: Univ.-Prof. Dr. Josef Kamphues Institut für Tierernährung
1. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. Josef Kamphues 2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. Karl-Heinz Waldmann
Tag der mündlichen Prüfung: 21.05.2014
Meinen Freunden
Teile dieser Dissertation wurden bereits auf folgenden Tagungen vorgestellt:
67. Jahrestagung der Gesellschaft für Ernährungsphysiologie Göttingen, 19.-21.2013
VAGT, S., A. MÖSSELER, P. GREGORY, J. KAMPHUES (2013)
Effects of thermal processing (cooking) of rice starch on in vitro fermentation (gas
production) in case of exocrine pancreatic insufficiency when using ileal chyme as inoculum Proc. Soc. Nutr. Physiol. 22, S. 36
Wissenschaftliches Symposium - Exokrine Pankreasinsuffizienz (EPI) Hannover, 06.06.2013
VAGT, S. (2013)
Effekte der EPI auf die fermentative Kapazität der Mikroflora im terminalen Ileum von Schweinen (in-vitro)
Beiträge zum Symposium; ISBN 978-3-00-042301-7, S. 32-39
17th Congress of the European Society of Veterinary and Comparative Nutrition Ghent, Belgien, 19.09.-21.09.2013
VAGT, S., A. MÖSSELER, P. GREGORY, J. KAMPHUES (2013)
Comparative study on prececal digestibility of starch fed either raw or cooked to minipigs (with or without experimentally induced pancreatic insufficiency)
Proc. 17th ESVCN Congress Ghent, S. 57
68. Jahrestagung der Gesellschaft für Ernährungsphysiologie Göttingen, 18.-20.2014
VAGT, S., A. MÖSSELER, J. KAMPHUES (2014)
Effect of starch source (rice, amaranth, potato, pea) and treatment (native or cooked) on prececal digestibility of starch in minipigs (with or without experimentally induced pancreatic insufficiency)
Proc. Soc. Nutr. Physiol. 23, S. 113
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ... 1
2 Schrifttum ... 3
2.1 Struktureller Aufbau von Stärke und daraus resultierende Einflüsse auf die Verdaulichkeit ... 3
2.1.1 Struktur der Stärke (Stärkeaufbau) ... 3
2.1.1.1 Amylose und Amylopektin – Bausteine der Stärke ... 3
2.1.1.1.1 Anordnung der Amylose- und Amylopektinmoleküle im Granulum ... 5
2.1.1.2 Einfluss der botanischen Herkunft auf den Aufbau von Stärkequellen ... 8
2.1.1.2.1 Unterschiede in der Kristallinität – Stärketypen A, B und C ... 8
2.1.1.2.2 Form, Größe und Oberflächenstrukturen von Stärkegranula ... 9
2.1.1.2.3 Chemische Komposition verschiedener Stärkegranula ... 10
2.1.2 Thermische Einflüsse auf die Stärke ... 12
2.1.2.1 Gelatinisierung ... 12
2.1.2.2 Retrogradation ... 13
2.2 Stärkeverdauung ... 14
2.2.1 Enzymatische Spaltung der Stärkegranula ... 14
2.2.1.1 Einflussfaktoren auf den enzymatischen Abbau der Stärkegranula ... 15
2.2.2 Abbau der Amylose- und Amylopektinketten ... 18
2.2.2.1 Stärkeverdauung durch körpereigene Enzyme ... 19
2.2.2.2 Beteiligung der Mikroorganismen am Stärkeabbau ... 21
2.3 Exokrine Pankreasinsuffizienz (EPI) ... 25
2.3.1 Ursachen einer exokrinen Pankreasinsuffizienz ... 25
2.3.2 Einfluss der EPI auf die Verdauung ... 26
2.3.2.1 Verdaulichkeiten ... 26
2.3.2.2 Einfluss der exokrinen Pankreasinsuffizienz auf die
mikrobielle Besiedlung des Dünndarms ... 28
2.3.2.2.1 Ursachen einer bakteriellen Überbesiedlung im Dünndarm ... 29
2.3.2.2.2 Klinische Auswirkungen der bakteriellen Überbesiedlung ... 31
3 Eigene Untersuchungen ... 35
3.1 Material und Methoden ... 35
3.1.1 Versuchsziel ... 35
3.1.2 Versuchstiere ... 36
3.1.3 Haltung der Versuchstiere ... 37
3.1.4 Fütterung der Versuchstiere ... 38
3.1.4.1 Außerhalb von Versuchen ... 38
3.1.4.2 Fütterung im eigentlichen Versuch ... 39
3.1.4.2.1 Thermische Behandlung der Stärken ... 40
3.1.4.2.2 Komponenten der im Screening-Test eingesetzten Testmahlzeiten ... 41
3.1.5 Bestimmung des Anteils der praecaecal verdauten Stärke (Verschwindensrate) – Im Screening-Test-Verfahren ... 42
3.1.5.1 Versuchsablauf ... 43
3.1.5.1.1 Kollektionsintervalle ... 44
3.1.6 Bestimmung der in-vitro Gasproduktion im Gas Production System (GPS) ... 44
3.1.6.1 Bestandteile des Gas Production Systems ... 45
3.1.6.2 Vorversuche mit dem Gas-Production-System ... 46
3.1.6.2.1 Überprüfung der Pufferkapazität des Kansas State Puffers ... 46
3.1.6.2.2 Überprüfung der Säuren-Gehalte sowie der pH-Werte ... 48
3.1.6.3 Herstellung der Chymussuspension ... 51
3.1.6.3.1 Herstellung des Puffers ... 51
3.1.6.3.3 Herstellung der Chymussuspension... 52
3.1.6.3.4 Verwendete Substrate zur Bestimmung der Fermentation ... 53
3.1.6.4 Einstellungen des Systems für die Messung des Gasdruckes ... 54
3.1.6.5 Probenentnahme nach 24-stündiger Inkubationsdauer ... 55
3.1.6.6 Untersuchungen der mikrobiellen Fermentation mit dem Gas Production System ... 56
3.1.6.7 Vergleichende Untersuchungen der in-vitro Gasbildung (ermittelt anhand des kumulativen Gasdruckes) ... 56
3.1.6.8 Bestimmung der Effekte einer Enzymsupplementation auf die mikrobielle Fermentation der Stärke ... 57
3.1.6.9 Bestimmung der Effekte einer Adaptationsphase auf die mikrobielle Fermentation unterschiedlicher Stärkearten ... 57
3.1.7 Ermittlung der während der in-vitro Fermentation mikrobiell gebildeten Gasarten ... 58
3.1.8 Angewandte Untersuchungsmethoden ... 60
3.1.9 Berechnungsformeln ... 61
3.1.9.1 Berechnung der Anflutung am terminalen Ileum ... 61
3.1.9.2 Berechnung der prc. scheinbaren Verdaulichkeit bzw. Verschwindensraten ... 62
3.1.10 Statistische Auswertungen ... 62
3.2 Ergebnisse ... 64
3.2.1.1 Chymusparameter ... 65
3.2.1.1.1 Absolute Chymusmassen (g uS) ... 65
3.2.1.1.2 TS-Gehalt (%) im Chymus am terminalen Ileum ... 67
3.2.1.2 Anflutung von Trockensubstanz, Stärke und Chromoxid ... 69
3.2.1.2.1 Trockensubstanz-Anflutung am terminalen Ileum (g TS/8h) ... 69
3.2.1.2.3 Chromoxid-Wiederfindung (%/8h) ... 73
3.2.1.3 Verschwindensraten ... 75
3.2.1.3.1 Praecaecale TS-Verschwindensrate (%) ... 75
3.2.1.3.2 Praecaecale Stärke-Verschwindensrate (%) ... 77
3.2.1.3.3 Laktat-Konzentration (mmol/kg uS) im Ileumchymus ... 79
3.2.1.3.4 Konzentration (mmol/kg uS) der flüchtigen Fettsäuren (FFS) im Ileumchymus am terminalen Ileum ... 81
3.2.2 Ergebnisse der in-vitro Versuche ... 83
3.2.2.1 In-vitro Gasbildung im Ileumchymus nach Zulage von Stärke als Substrat (thermisch unbehandelt und behandelt)... 84
3.2.2.1.1 Gasproduktion (ml) nach Zulage roher Stärken ... 84
3.2.2.1.2 Gasproduktion (ml) nach Zulage gekochter Stärken ... 88
3.2.2.2 Effekte einer Enzymsubstitution bei Spender-Tieren auf die Gasbildung im inkubierten Ileumchymus ... 93
3.2.2.3 Effekte einer Adaptation der Spender-Tiere an die in den in-vitro-Versuchen als Substrat eingesetzten Stärkeart (rKS) ... 98
4 Diskussion ... 105
4.1 Kritik der Methode ... 105
4.1.1 Zahl der verwendeten Tiere und ihre Auswirkung auf die statistische Auswertung ... 105
4.1.2 Mögliche Effekte der geringeren Stärkemenge in der Testmahlzeit rAM ... 108
4.1.3 Einfluss des Alters bzw. der EPI-Dauer auf die Ergebnisse der Inkubationsversuche ... 108
4.1.4 Bedeutung des Puffer–Inokulum-Verdünnungsverhältnisses und des pH-Wertes ... 110 4.1.5 Bedeutung des TS-Gehaltes im Ileumchymus für die in-vitro Gasproduktion 111
4.1.7 Bedeutung der Fütterung der Spendertiere ... 114
4.1.8 Bedeutung des Entnahmezeitpunktes von Ileumchymus für die Gasbildung .. 115
4.1.9 Bedeutung einer „Zwischenlagerung“ des Ileumchymus vor der Inkubation .. 115
4.2 Erörterung der Ergebnisse ... 117
4.2.1 Effekte der EPI auf die Stärkeverdauung ... 117
4.2.2 Erklärungen für eine hohe prc. Verdaulichkeit von Stärke (trotz einer EPI) ... 120
4.2.3 Bedeutung der Stärke-Herkunft und -Art ... 124
4.2.4 Bedeutung der thermischen Behandlung für die prc. Stärke-VR und die Gasbildung (in-vitro) ... 130
4.2.5 Effekt einer Unterbrechung der Enzymsubstitution bei den Spendertieren ... 132
4.2.6 Effekte einer Adaptation der Spendertiere an das zu testende Substrat auf die in-vitro Gasproduktion ... 137
4.2.7 Stärke in der Diätetik von EPI Patienten ... 142
5 Zusammenfassung ... 146
6 Summary ... 149
7 Literaturverzeichnis ... 151
8 Tabellenanhang ... 168
Abkürzungsverzeichnis
® Eingetragenes Warenzeichen
ca. circa
et al. et alii
Fa Firma
FFS flüchtige Fettsäuren
gAM gekochtes Amaranth
GfE Gesellschaft für Ernährungsphysiologie
gES gekochte Erbsenstärke
gKS gekochte Kartoffelstärke
GmbH Gesellschaft mit beschränkter Haftung
gRS gekochte Reisstärke
HPLC High-performance liquid chromatography
IE Internationale Einheit
KbE koloniebildende Einheiten
KM Körpermasse
K-Tier Kontrolltier m.o.w. mehr oder weniger
MS Maisschrot
n Anzahl
nn nicht nachweisbar
NfE Stickstofffreie Extraktstoffe
o.g. oben genannt
OP Operation
pH potentia Hydrogenii
PL pankreasgangligiert
prc. praecaecal
Ra Rohasche
rAM rohes Amaranth
rES rohe Erbsenstärke
Rfa Rohfaser
Rfe Rohfett
Rp Rohprotein
rRS rohe Reisstärke
S. Seite
SIBO Small intestinal bacterial overgrowth
s.o. siehe oben
spp. Spezies
spez. spezielle
sVQ scheinbare Verdaulichkeit
TS Trockensubstanz
uS ursprüngliche Substanz
UV Ultraviolett
v.a. vor allem
VDLUFA Verband Deutscher Landwirtschaftlicher Untersuchungs- und Forschungsanstalten
Vit. Vitamin
VR Verschwindensrate
vs. versus
z.B. zum Beispiel
Einleitung
1 Einleitung
Das pankreasgangligierte (PL) Miniaturschwein ist ein etabliertes Modell für die Untersuchung von Effekten einer exokrinen Pankreasinsuffizienz (EPI) auf diverse Verdauungsprozesse (ABELLO et al. 1989, MOUGHAN 1994; GREGORY 1999). Im Rahmen des Forschungsprojektes „Studien an pankreasgangligierten Miniaturschweinen“
(TABELING 1998; FASSMANN 2001; HELDT 2001; MANDISCHER 2002; FUENTE- DEGE 2003; KAMMLOTT 2003; KARTHOFF 2004; CLASSEN 2004; BECKER 2005;
ZANTZ 2006; KALLA 2009; KRAMER 2010; LOOCK 2010; KOCH 2011) wurden schon diverse Auswirkungen einer EPI auf Verdauungsvorgänge untersucht, sowie die Überprüfung bzw. Optimierung der Wirksamkeit von Enzymprodukten bearbeitet.
Die vorliegende Studie zielte auf eine nähere Charakterisierung der Stärkeverdauung im praecaecalen (prc.) Bereich, um längerfristig Empfehlungen für die Diätetik bei Vorliegen einer EPI geben zu können. Bei Beurteilung des Stärkeabbaus im gesunden Organismus wird - stark vereinfachend - unterstellt, dass im Dünndarm (prc.) die Stärke im Wesentlichen durch körpereigene Enzyme verdaut wird, während ihr Abbau im Dickdarm ausschließlich fermentativ erfolgt (KAMPHUES 2013). Erst die Bestimmung der prc. Verdaulichkeit erlaubt somit eine Differenzierung zwischen dem Umfang des enzymatischen Nährstoffabbaus und dem Anteil fermentativer Abbauprozesse im Dickdarm. Aus zahlreichen Untersuchungen an ileo-caecal-fistulierten, pankreasgangligierten Miniaturschweinen ist bekannt, dass die prc.
Stärkeverdaulichkeit trotz einer EPI zwischen ~ 30 % und ~ 90 % variiert und damit im Vergleich zur der prc. Fett- und Eiweißverdaulichkeit weniger stark beeinträchtigt ist.
KRAMER (2010) ermittelte erhebliche Unterschiede in der prc. Stärke-Verdaulichkeit in Abhängigkeit von der Stärkeart, wobei aber einschränkend zu erwähnen ist, dass hierbei nur rohe Stärken geprüft wurden, die in der Ernährung des Menschen jedoch keine wesentliche Rolle spielen.
Insgesamt wird die Stärke je nach Herkunft, Bearbeitung und aufgenommener Menge - trotz vollständigen Verlusts der pankreatischen Enzymsekretion - schon im Magen und Dünndarmbereich bis zu > 90 % (FASSMANN 2001) verdaut. Eine mögliche Erklärung für die hohe prc. Verdaulichkeit ist ein bakterieller Abbau der Stärke bereits im Dünndarm. Da
Einleitung
Pankreassekretes, hohe Nährstoffdichte im Chymus) meist ein small intestinal bacterial- overgrowth (SIBO) vorliegt (BURES et al. 2010; RANA 2008), ist davon auszugehen, dass die Fermentation forciert ist. Der mikrobielle Abbau von Kohlenhydraten ist im Allgemeinen mit der Entstehung von Gasen als Stoffwechselprodukten verbunden. Der aus der gesteigerten intestinalen Gasproduktion resultierende Meteorismus beeinflusst das Wohlbefinden negativ, kann Schmerzen verursachen und zudem auch Völlegefühl und eine verminderte Nahrungsaufnahme (RANA 2008). Neben diversen Gasen zählen auch Milchsäure und flüchtige Fettsäuren zu den wesentlichen Metaboliten, die während eines bakteriellen Abbaus von Stärke entstehen (MACFARLANE 1988; LOUIS 2007). Wird die Resorptionskapazität für diese Metaboliten überschritten, führt dies u.a. zu osmotischen Durchfällen (CASPARY 1999) und einer verringerten Absorption aufgenommener Nährstoffe. Doch gerade bei Patienten mit einer EPI ist es ein vorrangiges Ziel der Diätetik, die Energie- und Nährstoffversorgung zu optimieren.
Vor diesem Hintergrund lag der Fokus der vorliegenden Arbeit auf Fragen zur Stärkeverdauung im praecaecalen Bereich, wobei insbesondere die Herkunft der Stärke sowie die Bedeutung ihrer thermischen Behandlung (Kochen) näher geprüft werden sollen, und zwar sowohl mittels in-vivo - (d.h. am pankreasgangligierten Miniaturschwein), als auch in- vitro (Gasbildung im Chymus in Inkubationsversuchen) – Untersuchungen. Letztlich zielten diese experimentellen Studien auf ein besseres Verständnis von Vorgängen der Stärkeverdauung bei EPI-Patienten als Voraussetzung für geeignete konkrete, diätetische Empfehlungen.
Schrifttum
2 Schrifttum
2.1 Struktureller Aufbau von Stärke und daraus resultierende Einflüsse auf die Verdaulichkeit
Stärke ist in den meisten höheren Pflanzen in Form von kompakten, wasserunlöslichen Granula zu finden (IMBERTY et al. 1991; JENKINS u. DONALD 1995). Diese Granula werden in sogenannten Reserveorganen, wie Wurzeln, Knollen, Rhizomen, Zwiebeln und Samen gebildet und gespeichert (BADENHUIZEN 1959). Aufgrund der hohen wirtschaftlichen und nutritiven Bedeutung für den Menschen sind der strukturelle Aufbau und die chemo-physikalischen Eigenschaften umfassend untersucht.
2.1.1 Struktur der Stärke (Stärkeaufbau)
Stärkegranula weisen feste Strukturen in ihrem Aufbau auf, wodurch die physiko-chemischen Eigenschaften von Stärke wesentlich beeinflusst werden. Im Folgenden wird die
„Innenarchitektur“ eines Granulums detailliert dargestellt.
2.1.1.1 Amylose und Amylopektin – Bausteine der Stärke
Stärke ist ein Makromolekül und setzt sich aus den Polysacchariden Amylose und Amylopektin zusammen. Beide Moleküle bestehen ausschließlich aus glykosidisch gebundenen Glucoseeinheiten. Amylose ist ein lineares (unverzweigtes) Molekül und setzt sich aus α-1,4-glykosidisch gebundenen Glucosemolekülen zusammen. Je nach botanischem Ursprung unterscheidet sich die Kettenlänge der Amylose; so sind in Kartoffel- und Tapiokastärke längere Glucoseketten zu finden als in Weizen- oder Maisstärke (SWINKELS 1985). Neben den α-1,4-Verbindungen liegen laut BALL et al. (1996) auch etwa 0,1°% α-1,6- Verbindungen innerhalb des Moleküls vor (VANDEPUTTE u. DELCOUR 2004). Die Amylosemoleküle liegen als Doppelhelixstrukturen vor, wobei zwei Glucoseketten über
Schrifttum
Abbildung 1: Chemischer Aufbau von Amylose
Amylopektin ist, im Gegensatz zu Amylose, ein verzweigt aufgebautes Molekül, in dem die Glucosemoleküle über α-1,4-glykosidische Bindungen miteinander zu Ketten verbunden sind und nach etwa 20-25 Glucosemolekülen eine Abzweigung einer weiteren Glucosekette erfolgt. An diesen Verzweigungspunkten werden die Glucosemoleküle über α-1,6- glykosidische Bindungen verknüpft (FRENCH 1973).
Abbildung 2: Chemischer Aufbau von Amylopektin
Schrifttum
2.1.1.1.1 Anordnung der Amylose- und Amylopektinmoleküle im Granulum Amylopektin
Die Anordnung der Amylopektinmoleküle innerhalb der Stärkegranula unterliegt einer festen Ordnung, wobei verschiedene Strukturen (Cluster, Lamellae, Blocklets, Wachstumsringe) in einem Granulum unterschieden werden. Im folgenden Abschnitt werden der Aufbau eines Amylopektinmoleküls und die damit verbundene Architektur von Stärkegranula näher erläutert.
Innerhalb eines Amylopektinmoleküls unterscheidet man drei verschiedene Arten von Glucoseketten: A-, B- und C-Ketten. A-Ketten enthalten die kürzesten Glucoseketten und sind über α-1,6-Verbindungen an B-Ketten gebunden, welche wiederum von der C-Kette abzweigen. Pro Amylopektinmolekül liegt jeweils nur eine C-Kette vor. Diese trägt das reduzierende Ende, an welches die Glucoseeinheiten gebundenen sind (HIZUKURI 1985).
Die linearen A- und B-Ketten bilden die sogenannten „Cluster“ (GALLANT et al. 1997).
Abbildung 3: Schematischer Aufbau eines Amylopektinmoleküls (Zeichnung von B. Ahlfänger;
modifiziert nach GALANT et al. (1997))
Je Amylopektinmolekül werden etwa 20 bis 60 Cluster gebildet (YAMAGUCHI et al. 1979), B-Kette
C-Kette
Cluster
A-Kette
Schrifttum
glykosidischen Bindungen vorkommen, werden als kristalline oder geordnete Bereiche des Amylopektinmoleküls bezeichnet. Die kristallinen Bereiche werden von den Verzweigungspunkten (α-1,6-Bindungen) des Amylopektinmoleküls unterbrochen, wodurch die amorphen oder ungeordneten Bereiche entstehen. Die amorphen Bereiche sind wesentlich labiler gegenüber enzymatischen Abbauprozessen (GALLANT et al. 1997). Durch die Anordnung von mehreren seitlich nebeneinander angeordneten Amylopektinmolekülen werden die perpendikular zum Zentrum des Granulums ausgerichteten „Lamellae“ gebildet.
Da nicht alle A- und B-Ketten die gleiche Länge aufweisen, entstehen weniger dichte Bereiche, in denen gleichzeitig die Verzweigungspunkte des Amylopektinmoleküls lokalisiert sind. Areale in denen ausgenommen lineare Glucoseketten zu finden sind, bilden die kristallinen Lamellae; die zuvor genannten weniger dicht gepackten Areale werden als amorphe Lamellae bezeichnet (YAMAGUCHI et al. 1979) (siehe Abbildung 4).
Abbildung 4: A: Schematische Darstellung (Seitenansicht) der molekularen Anordnung von kristallinen und amorphen Lamellae; B: Schematische Darstellung eines Stapels von kristallinen und amorphen Lamellae (gezeichnet B. Ahlfänger; modifiziert nach GALANT et al. (1997))
Kristalline und amorphe Lamellae sind die Bausteine für eine weitere organisierte bauliche Einheit, die in Granula vorkommen – Blocklets (TANG et al. 2006). Etwa 20 Lamellae (amorphe und kristalline) bilden ein kugelförmiges Blocklet, wobei die kristallinen Lamellae
von amorphen Lamellae unterbrochen werden.
variiert die Größe eines Blocklets zwischen
In rasterelektronen-mikroskopischen Untersuchungen konnten
darstellen, dass Blocklets das gesamte Granulum durchziehen. Diese Ergebnisse decken sich mit denen aus Rasterkraftmikroskopie
feststellte, dass Blocklets ausschlaggebend für die Bildung der semi Wachstumsringe sind (siehe Abbildung 5
Abbildung 5: Schematische Darstellung des Aufbaus der konzentrisch angeordneten amorphen und semi-kristallinen Wachstumsringe in Stärkegranula; A: Amylopektinmolekül; B: Blocklet; C: amorphe und semikristalline Wachstumsringe; D: Querschnitt durch ein Stärkegranulum mit Sicht auf die semi kristallinen und amorphen Wachstumsringe (Zeichnung: B. Ahlfänger; modifiziert n
al. 1997)
Wachstumsringe sind bereits mittels lichtmikroskopischer Untersuchungen von Stärkegranula zu erkennen. KASSENBECK (1978
elektronentransparente Schichten, die im
wird auch als semi-kristalline oder geordnete und die elektronentransparente Schicht als amorphe oder ungeordnete Zone bezeichnet
Schrifttum
von amorphen Lamellae unterbrochen werden. In Abhängigkeit des botanischen Ursprungs variiert die Größe eines Blocklets zwischen 20 und 500 nm (GALLANT et al. 1997
mikroskopischen Untersuchungen konnten PARKER et al. (2008) , dass Blocklets das gesamte Granulum durchziehen. Diese Ergebnisse decken sich mit denen aus Rasterkraftmikroskopie-Untersuchungen von BAKER et al. (2001
ss Blocklets ausschlaggebend für die Bildung der semi Abbildung 5).
: Schematische Darstellung des Aufbaus der konzentrisch angeordneten amorphen und hstumsringe in Stärkegranula; A: Amylopektinmolekül; B: Blocklet; C: amorphe und semikristalline Wachstumsringe; D: Querschnitt durch ein Stärkegranulum mit Sicht auf die semi kristallinen und amorphen Wachstumsringe (Zeichnung: B. Ahlfänger; modifiziert n
Wachstumsringe sind bereits mittels lichtmikroskopischer Untersuchungen von Stärkegranula KASSENBECK (1978) beschrieb diese als elektronendichte und elektronentransparente Schichten, die im Wechsel auftreten. Die elektronendichte Schicht kristalline oder geordnete und die elektronentransparente Schicht als amorphe oder ungeordnete Zone bezeichnet (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986
D
In Abhängigkeit des botanischen Ursprungs GALLANT et al. 1997).
PARKER et al. (2008) , dass Blocklets das gesamte Granulum durchziehen. Diese Ergebnisse decken sich BAKER et al. (2001) der ss Blocklets ausschlaggebend für die Bildung der semi-kristallinen
: Schematische Darstellung des Aufbaus der konzentrisch angeordneten amorphen und hstumsringe in Stärkegranula; A: Amylopektinmolekül; B: Blocklet; C: amorphe und semikristalline Wachstumsringe; D: Querschnitt durch ein Stärkegranulum mit Sicht auf die semi- kristallinen und amorphen Wachstumsringe (Zeichnung: B. Ahlfänger; modifiziert nach GALANT et
Wachstumsringe sind bereits mittels lichtmikroskopischer Untersuchungen von Stärkegranula beschrieb diese als elektronendichte und Wechsel auftreten. Die elektronendichte Schicht kristalline oder geordnete und die elektronentransparente Schicht als
ROONEY u. PFLUGFELDER 1986).
Schrifttum
Amylose
Aufgrund der schwierigen Isolierung von Amylose aus dem Granulum wurde dieses Molekül bisher nur in geringem Umfang untersucht (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986). Nach Anfertigung von Kryotomschnitten von Gelbmais-Endosperm konnte KASSENBECK (1978) belegen, dass ein Großteil der Amylose im Kornzentrum vorliegt, während JENKINS u.
DONALD (1995) Amylose in den semi-kristallinen Wachstumsringen vermuten, da mit steigendem Amylosegehalt die Größe der kristallinen Lamellae zunimmt. Amylose bildet Doppelhelixstrukturen, indem zwei Amyloseketten über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind (FRENCH 1973). Diese Anordnung ermöglicht es der Amylose, andere Moleküle und Elemente, wie Lipide und Phosphor zu binden, weshalb aus steigenden Amylosegehalten in Granula höhere Fettgehalte resultieren (TESTER et al. 2004b).
2.1.1.2 Einfluss der botanischen Herkunft auf den Aufbau von Stärkequellen
Stärke ist ein Polysaccharid, das in Pflanzen weit verbreitet vorkommt, insbesondere in den Samen diverser Pflanzenarten (z.B. Getreide) oder auch in Rüben (z.B. Steckrüben) oder Knollen (z.B. Kartoffeln). Des Weiteren findet es sich in den Stengeln bestimmter Arten (z.B.
Markstammkohl). Dabei ist es futtermittelkundlich und für den Futterwert von Interesse, in welcher Form die Stärke vorliegt, da sich hieraus Konsequenzen für die ggf. notwendige Nutzung als Futter- bzw. Lebensmittel ergeben.
2.1.1.2.1 Unterschiede in der Kristallinität – Stärketypen A, B und C
Durch die regelmäßig angeordneten Amylopektinmoleküle in Stärkegranula entstehen Bereiche mit einem hohen Grad an Kristallinität. Je nach botanischer Herkunft der Stärkearten unterscheiden sich der Grad und die Art der Kristallinität. Insgesamt werden drei verschiedene Typen der Kristallinität unterschieden: A-, B- und C-Typen. Die verschiedenen Formen der Kristallinität variieren in der Länge der A- und B-Ketten der Amylopektinmoleküle, die wiederum die Anordnung und die Dichte, in denen die parallel zueinander gelagerten Doppelhelices gepackt sind, beeinflusst. Ebenso hat die Anzahl von
Schrifttum
Abbildung 6). In Stärken, die zum Kristallinitäts-Typ A zählen, liegen im Vergleich zum B- Typ kürzere A-Ketten im Amylopektinmolekül vor, die Doppelhelices sind dichter gepackt und weniger Wassermoleküle sind eingeschlossen (IMBERTY et al. 1991). Kartoffelstärke zählt zu den A-Typen, während in Getreidestärke allgemein der Typ B vorliegt. In Leguminosen können beide Formen nachgewiesen werden. Dies wird als Kristallinität vom C-Typ bezeichnet (KATZ u. ITALIE 1930; TREVOR L. WANG et al. 1998).
Abbildung 6: Kristallinitätstyp A und B (nach TESTER 2004)
2.1.1.2.2 Form, Größe und Oberflächenstrukturen von Stärkegranula
Die Bildung und Speicherung von kompakten Stärkegranula in Pflanzen erfolgt in Amyloblasten (BADENHUIZEN 1959). Die Anzahl der in den Amyloblasten gebildeten Granula ist abhängig von der botanischen Herkunft: So enthalten Amyloblasten von Gerste lediglich ein Stärkegranulum, während in Amyloblasten von Reis und Hafer mehrere hundert Granula zu finden sind (BUTTROSE 1960). Durch die variierende Enzymausstattung der verschiedenen Pflanzenarten kommt es zu einer Diversität hinsichtlich der Stärkesynthese, wodurch sich die Morphologie, die Zusammensetzung und die innere Struktur der Stärkegranula je nach botanischer Herkunft unterscheiden (BORNET 1993; GALLANT et al.
1997). JANE et al. (1994) vermuten, dass die membranöse Struktur und Charakteristik der Amyloblasten ebenfalls verantwortlich für die unterschiedlichen Größen und Formen der Granula sind. Als einzige der Stärkearten, die in Übersicht 1 aufgeführt sind, zeigen die
Schrifttum
von unimodaler Größenverteilung gesprochen. Im Unterschied dazu, zeigen alle anderen aufgeführten Stärkearten deutliche Unterschiede der Granulagrößen, was als bimodale Größenverteilung bezeichnet wird (JANE et al. 1994). Neben Größe und Form der Granula unterscheiden sich auch die Strukturen der Oberfläche der Stärke. Zu diesen Strukturen zählen Löcher (Poren), schmale Risse (Fissuren) oder Auftreibungen bzw. Vorsprünge (Protuberantien). Je nach botanischem Ursprung der Stärkequelle gibt es neben der Art der Strukturen auch Unterschiede bezüglich des örtlichen Auftretens (äquatorial oder diffus) und der Anzahl der morphologischen Strukturen auf den Oberflächen. Stärkegranula der Kartoffel weisen lediglich einige unregelmäßig verteilte Auftreibungen auf. Im Vergleich dazu konnten in elektronenmikroskopischen Untersuchungen von Weizen-, Roggen- und Hafergranula Poren in der äquatorialen Region gefunden werden. In Verbänden vorliegende Stärkegranula (Reis und Hafer) lassen wiederum keine Hinweise auf Poren erkennen. Ausschließlich Mais-, Sorghum- und Hirsegranula zeigen auf der gesamten Oberfläche verteilte Poren (BUTTROSE 1960; FANNON et al. 1992; JANE et al. 1994; KIENZLE et al. 1998).
Übersicht 1: Formen und Größen der Stärkegranula in Abhängigkeit vom botanischen Ursprung
Stärke Typ Form Größe (µm) Autor
Amaranth Pseudo-Getreide polygonal 0,8-1 BHOSALE u. SINGHAL (2006) Reis Getreide polygonal 3-8 JANE et al. (1994);
TESTER et al. (2004b) Mais Getreide polygonal 5–20 JANE et al. (1994);
TESTER et al. (2004b) Erbse Leguminose oval 10-45 JANE et al. (1994);
TESTER et al. (2004b)
Banane Frucht oval 15-45 JANE et al. (1994);
Weizen Getreide oval 22-36 JANE et al. (1994);
Kartoffel Knolle rund 15-75 JANE et al. (1994);
TESTER et al. (2004b)
2.1.1.2.3 Chemische Komposition verschiedener Stärkegranula Hauptbestandteile – Amylose und Amylopektin
Amylose und Amylopektin bilden zusammen 98 – 99 % der Trockenmasse eines Stärkegranulums. Dabei variiert das Verhältnis der beiden Polysaccharide je nach Stärkeart;
Schrifttum
(ROONEY u. PFLUGFELDER 1986; BORNET 1993). Durch entsprechende Züchtung bestimmter Reis-, Mais- und Erbsenarten ist das Amylose-Amylopektin-Verhältnis zu beeinflussen. Der sogenannte „Amylomais“ weist beispielsweise besonders hohe Gehalte an Amylose (50 bis 80 %) auf, während die Stärke der sogenannten „wachsartigen Züchtungen“
zu 100 % aus Amylopektin besteht (FRENCH 1973). Nicht nur der botanische Ursprung der Stärke, sondern auch der Reifegrad der Stärkequelle beeinflusst die Zusammensetzung. Mit zunehmendem Alter der Pflanze nimmt die Größe der Stärkegranula zu und der Amylosegehalt steigt (GEDDES et al. 1965).
Nebenbestandteile – Nichtpolysaccharide
Zu den weiteren Bestandteilen der Stärkegranula zählen Fett, Eiweiß und Mineralstoffe (SCHOCH 1942; TESTER et al. 2004b). Diese werden aufgrund ihres geringen Vorkommens innerhalb der Granula auch als Minorkomponenten oder als Nicht-Polysaccharid-Bestandteile bezeichnet. Der Gehalt an Minorkomponenten ist abhängig von der Stärkequelle (siehe Übersicht 2). Lipide werden in Form von freien Fettsäuren und Phosphoglyceriden in bzw.
auf Stärkegranula vorgefunden. Ein Teil der Fette geht komplexe Verbindungen mit den Amylosemolekülen ein (SWINKELS 1985), während der andere Teil auf der Granulaoberfläche wiederzufinden ist. Die Zusammensetzung der Lipide, die auf der Oberfläche von Stärke detektiert wurden, ist dabei abhängig vom botanischen Ursprung und hat Effekte auf die Eigenschaften der verschiedenen Stärkearten (BALDWIN et al. 1994). Mit steigenden Fettgehalten sinkt die Wasserbindungskapazität, das Quellvermögen und die Löslichkeit von Stärke (SWINKELS 1985). Zu den Stickstoff-Verbindungen innerhalb von Granula zählen Aminosäuren, Peptide, Nukleinsäuren, Enzyme, Amide und Proteine (SWINKELS 1985). Der Gehalt an Proteinen in Getreidestärken liegt zwischen 0,25 bis 0,5
%, während in Kartoffel- und Tapiokastärke die Proteingehalte weniger als 0,1 % betragen.
Unter den Mineralstoffen bildet Phosphor den größten Anteil; weiterhin können Calcium, Natrium, Magnesium und Kalium in Stärkegranula vorkommen (SWINKELS 1985).
Phosphor ist das einzige Mengenelement, das die Eigenschaften von Stärke beeinflusst (NIGAM u. SINGH 1995) und tritt in Form von Monophosphorestern und Phospholipiden innerhalb der Granula auf. Etwa 68 bis 92 % des Phosphors sind in den amorphen Regionen
Schrifttum
(BLENNOW et al. 2000). Zusätzlich konnte in diesem Versuchsaufbau gezeigt werden, dass ein steigender Phosphorgehalt mit einem Anstieg der Kettenlänge der Amylopektinmoleküle - und somit einem zunehmenden Grad an Kristallinität der Granula - verbunden ist.
Übersicht 2: Inhaltsstoffe verschiedener Stärkearten (%)
Stärke Amylose Fett Eiweiß Phosphor Autor
Weizen 28 0,7 0,4 0,06 DEBET u. GIDLEY (2006)
Amaranth 7,2b 1,1b 0,49b 0,13 bis 0,49a
a DEBET u. GIDLEY (2006)
b PEREZ et al. (1993)
Mais 28c 0,7d 0,35d 0,02d
c GUILBOT u. MERCIER (1985)
d SWINKELS (1985) Kartoffel 23c 0,05d 0,06d 0,08d c GUILBOT u. MERCIER (1985)
d SWINKELS (1985) Erbse 33,2 bis 35c 0,1c 0,23c 0,043e c GUILBOT u. MERCIER (1985)
e HILBERT (1946)
2.1.2 Thermische Einflüsse auf die Stärke
2.1.2.1 Gelatinisierung
Kochen ist ein Verfahren, durch das rohe Stärke in eine verdauliche, schmackhafte und verarbeitungsfähige Form überführt wird (TURHAN u. GUNASEKARAN 2001).
Das Erhitzen von Stärke in Wasser führt zu einem Verlust der „inneren Ordnung“ der Stärkegranula; dieser Vorgang wird als Gelatinisierung bezeichnet (JENKINS u. DONALD 1998). Der Prozess der Gelatinisierung beginnt immer in den amorphen (ungeordneten) Bereichen der Stärkegranula, in die das Wasser ungehindert eintreten kann. Die Penetration von Wasser in die kristallinen Bereiche der Stärke erfolgt erst im späteren Verlauf der Gelatinisierung. Durch Eindringen von Wasser in das Granulum werden die Wasserstoffbrücken zwischen Amylose und Amylopektin aufgebrochen. An die so frei werdenden Hydroxylgruppen wird Wasser gebunden, wodurch es zum irreversiblen Anschwellen der Granula kommt, dem dann ein Austritt von Amylose folgt (ROONEY u.
PFLUGFELDER 1986; BORNET 1993). Wenn die Amylosemoleküle frei werden, bilden sie ein dreidimensionales Netzwerk, das sich in elektronen-mikroskopischen Aufnahmen als
Schrifttum
Gelatinisierung wird die Stärke wasserlöslich, wodurch sich die Viskosität des Stärke- Wasser-Gemischs erhöht (BORNET 1993). Der Zeitpunkt des Einsetzens der Gelatinisierung unterliegt zahlreichen Einflüssen. Hierzu zählen die Temperatur, die vorhandene Wassermenge, der Gehalt an Amylose, Fett und Phosphor und die Reife der jeweiligen Stärkequelle (WONGSRIKASEM 1980). Sofern der Wassergehalt oder die Temperatur nicht hoch genug sind, erfolgt lediglich eine unvollständige Gelatinisierung der Granula (TESTER et al. 2004b). Die Temperatur, bei der ein vollständiger Verlust, der für native Stärken typischen Doppelbrechung , verzeichnet wird, ist die Gelatinisierungs-Temperatur (SCHOCH 1942). In Abhängigkeit von der botanischen Herkunft der Stärken unterscheiden sich die Gelatinisierungs-Temperaturen, die zwischen 56 °C (Kartoffelstärke) und 90 °C (Amaranthstärke) variieren. Die Gelatinisierungs-Temperaturen anderer Stärkearten sind im Bereich dazwischen anzusiedeln (BILIADERIS et al. 1980). Durch den Verlust der inneren Granulaanordnung (kristalline Bereiche) werden Granula anfälliger gegenüber enzymatischen Abbauvorgängen (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986). Dabei kann die Gelatinisierung in unterschiedlichem Umfang stattfinden: Häufig liegt die Stärke lediglich in teilweise gelatinisiertem Zustand vor. Dies ist insbesondere in Getreideflocken (Cornflakes, Müsli) sowie Gebäck (Kuchen und Kekse) der Fall, da die Temperaturen und die bei der Herstellung zugeführte Wassermenge solcher Produkte nicht ausreichen, um die Gelatinisierung in vollem Umfang herbeizuführen (WONGSRIKASEM 1980). HOLMES u. LOBLEY (1989) führten Untersuchungen zum enzymatischen Abbau von Weizenstärke mit einem unterschiedlichen Gelatinisierungsgrad durch, um zu überprüfen, wann die vollständige Hydrolyse der Stärke erreicht wird. Bereits ein Gelatinisierungsgrad von 37 % reicht aus, um die Weizenstärke vollständig enzymatisch zu hydrolysieren (WONGSRIKASEM 1980).
2.1.2.2 Retrogradation
Die Veränderungen, die bei Abkühlung der erhitzen Stärke einsetzen, werden als Retrogradation bezeichnet. Mit abnehmenden Temperaturen bildet sich aus dem „Stärke- Kleister“ (starchpaste) ein Gel, das mit steigendem Amylosegehalt eine zunehmend festere Konsistenz aufweist. Das Gel enthält die nun mit Amylopektin angereicherten Granula, die
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es zu einer Neuordnung der amorphen Strukturen in eine kristalline Ordnung (GUDMUNDSSON 1994). Zur Neuordnung kommt es durch die erneute Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen den Amylose- und Amylopektinmolekülen, so dass eine kristalline Ordnung entsteht (BORNET 1993). Die Wiederherstellung von kristallinen Strukturen erfolgt nicht nach den gleichen Ordnungsprinzipien, wie sie in der nativen Stärke zu finden ist. Dies äußert sich darin, dass alle Stärketypen nach einer thermischen Bearbeitung - unabhängig von deren botanischen Ursprung - eine B-Typ-Kristallinität aufweisen (KATZ u. ITALIE 1930).Verursacht durch die Retrogradation wird ein Teil der hydrothermisch behandelten Stärke resistent gegenüber amylolytischen Enzymen. Ursächlich hierfür ist die Ausbildung eines hitze-, säure- und α-Amylase-resistenten Amylose- Netzwerks, welches die Stärkegranula umgibt (ENGLYST u. CUMMINGS 1985; BORNET 1993). Unverdauliche Stärke, die durch den Prozess der Retrogradation entsteht, wird als resistente Stärke Typ III bezeichnet (ENGLYST u. CUMMINGS 1985). Wie hoch der gebildete Anteil resistenter Stärke ist, hängt vom Gehalt an Amylose, Amylopektin, Fett und der Kettenlänge der Glucosemoleküle ab (EERLINGEN u. DELCOUR 1995).
2.2 Stärkeverdauung
2.2.1 Enzymatische Spaltung der Stärkegranula
Bevor eine Spaltung der Glucoseketten erfolgen kann, müssen die Stärkegranula durchdrungen werden, so dass die Amylose- und Amylopektinketten für die stärkespaltenden Enzyme zugänglich sind. In Abhängigkeit von den äußeren Schichten und Strukturen (Löcher; Fissuren) wird Stärke entweder nach dem Prinzip der Endokorrosion oder der Exokorrosion abgebaut (KIENZLE et al. 1997). Von Endokorrosion wird gesprochen, wenn die Enzyme an der Granulaoberfläche bereits bestehende Löcher vergrößern und mit fortschreitender Enzymwirkung Kanäle in das Innere der Granula bilden. Hierdurch werden die Granula von innen heraus “ausgehöhlt“, wodurch die kristalline Struktur aufgelöst wird (BADENHUIZEN 1959; AGGARWAL u. DOLLIMORE 2000). Die Exokorrosion zeichnet sich dadurch aus, dass durch fehlende Löcher kein direkter Zugang in das Innere der Granula möglich ist, wodurch der enzymatische Abbau der Granulaschichten von außen stattfindet
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beginnt an der Oberfläche von Stärkegranula an Fissuren oder an Strukturen, die einen Fehler im kristallinen Aufbau (amorphe Strukturen) aufweisen. Die strukturellen Schwachstellen sind anfälliger für enzymatische Angriffe. Mit Fortschreiten der enzymatischen Wirkung kommt es zu einer Auflösung der Granula (FRENCH 1973; GALLANT et al. 1997).
Rasterelektronen-mikroskopische Untersuchungen zeigen, dass der enzymatische Abbau von Weizen, Reis, Gerste, Mais, Roggen und Kassava über eine Endokorrosion erfolgt (GALLANT et al. 1997; KIENZLE et al. 1998), Kartoffel-, Erbsen- und Tapiokagranula hingegen einer Exokorrosion unterliegen (KIENZLE et al. 1997). KIMURA u. ROBYT (1995) untersuchten den Abbau von Stärkegranula unterschiedlicher botanischer Herkunft (Wachsmais, Gerste, Kartoffel, amylosereicher Mais) und stellten dabei fest, dass die Granulaanzahl nach Zusatz von Glucoamylase (Maltase) in den ersten Stunden zunimmt. Es stellten sich aber deutliche Unterschiede in Abhängigkeit von der Stärkeart dar. Ein Anstieg der Granulaanzahl um 50 % konnte bei Gerste und Wachsmais (reich an Amylopektin) gemessen werden, während Kartoffelstärke nur einen geringen Anstieg (< 10 %) und der amylosereiche Mais keine Veränderung der Granulaanzahl zeigte. Da die enzymatische Spaltung der Granula eine Oberflächenvergrößerung zur Folge hat, wird demnach die enzymatische Hydrolyse mit zunehmender Zeit beschleunigt. Die Abspaltung einzelner Glucosemoleküle von den Amylose und Amylopektinmolekülen erfolgt im Inneren der Granula. Mit zunehmender enzymatischer Einwirkung steigt die Durchlässigkeit der Granula und die Glucosemoleküle diffundieren in das umgebende Medium. Eine Ausnahme von diesem Prinzip stellen Kartoffelgranula dar. Da diese nur in geringem Umfang durchlässig für Enzyme sind, ist gleichzeitig auch die Diffusion der Glucose aus den Granula eingeschränkt (KIMURA u. ROBYT 1995).
2.2.1.1 Einflussfaktoren auf den enzymatischen Abbau der Stärkegranula
Bei Betrachtung der Einflussfaktoren auf die Stärkeverdaulichkeit muss klar unterschieden werden, ob die Stärke bereits extrahiert wurde oder ob die Stärkegranula noch im Endosperm vorliegen. In welchem Umfang und in welchem Zeitraum Stärkegranula enzymatisch hydrolysiert werden können, ist nach TESTER et al. (2004b) von folgenden Faktoren abhängig:
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- botanischer Ursprung der Stärke (Granulagröße, Zusammenlagerung der Granula innerhalb der Pflanzenzelle, Kristallinitäts-Typ (A-, B- oder C-Typ), Oberflächenstrukturen)
- Zusammensetzung der Granula (Amylose:Amylopektin-Verhältnis, Anteile von Fett, Eiweiß und Phosphor)
- Grad der Bearbeitung der Stärkequelle (mechanische Einwirkungen, Gelatinisierungsgrad)
- Quelle der Enzyme und das Verhältnis von Enzym zu Substratmenge - Temperatur und Dauer der Enzymeinwirkung
Thermisch und mechanisch unbehandelte Stärke ist im Vergleich zu bereits bearbeiteter Stärke gegenüber enzymatischen Abbauvorgängen resistenter (BORNET 1993). Dies ist der Anordnung der Stärkegranula innerhalb der Pflanze, bzw. des jeweiligen Speicherorgans der Pflanze geschuldet. Die kompakten Granula sind im Endosperm eng aneinander gelagert und werden von einer Proteinmatrix umgeben, wodurch die Granula originär zunächst vor einem enzymatischen Angriff gewissermaßen geschützt sind (ROONEY u. PFLUGFELDER 1986;
BORNET 1993). Um eine möglichst vollständige energetische Verwertung von stärkereichen Futter- und Lebensmitteln zu erzielen, muss eine Vorbehandlung erfolgen. Erst diese Vorbehandlung ermöglicht den stärkeabbauenden Enzymen den Zugang in das Innere der Stärkegranula (BORNET 1993; TESTER et al. 2004b). Eine derartige Bearbeitung kann sowohl durch mechanische als auch durch hydrothermische Verfahren erreicht werden. Die in der Lebensmittelproduktion oft angewandten Methoden zur thermischen und mechanischen Bearbeitung der Stärken stellen Kochen, Dämpfen, Walzen, Toasten, Backen und Poppen dar.
Durch all diese Verfahren werden Getreidekörner bzw. Stärkegranula in unterschiedlichem Umfang beschädigt und/oder eine Gelatinisierung der Stärke erreicht. Durch den Verlust der kristallinen Ordnung, Auflösung der Helixstrukturen der Amylopektinmoleküle sowie der Komplexbildungen zwischen Lipiden und Amylose werden die Stärkegranula für die stärkeabbauenden Enzyme leichter zugänglich (TESTER et al. 2004b). Als weiterer Einflussfaktor auf die enzymatische Abbaubarkeit kann die Morphologie der Granula gesehen werden, wobei die Größe, die Oberflächenbeschaffenheit und die Art der Kristallinität der Granula eine Rolle spielen. Die Granulagröße beeinflusst die Verdaulichkeit durch das
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Substrat zunimmt, sofern die Größe der Granula abnimmt (TESTER et al. 2004b). Den Einfluss der Granulagröße auf die enzymatische Abbaubarkeit konnten auch (FRANCO et al.
1992) nachweisen. In Versuchen mit Kassava- und Maisstärke wurden die Granula beider Stärkearten der Größe nach separiert und jeweils für 36 Stunden mit stärkeabbauenden Enzymen (α-Amylase und Amylo-Glucosidasen) inkubiert. Es stellte sich heraus, dass die Hydrolyse mit steigender Größe der Granula abnimmt. Ein weiteres morphologisches Merkmal, das Einfluss auf die enzymatische Abbaubarkeit zeigt, ist die Oberflächenstruktur.
Die Poren, die auf einigen Stärkearten vorhanden sind, weisen eine Größe auf, die es ermöglicht, dass Enzyme in das Innere der Granula gelangen können und der enzymatische Abbau der Granula über diesen Weg erleichtert wird (FANNON et al. 1992). Auch die Anordnung der inneren Strukturen eines Granulums hat einen Einfluss auf eine gewisse Resistenz gegenüber enzymatischen Einwirkungen. Besonders die Verteilung und die Größe der semi-kristallinen und amorphen Bereiche sowie die Dichte der aneinander gelagerten Blocklets beeinflussen den Abbau der Stärkegranula (ANDRIEUX et al. 1992). In Versuchen konnten PLANCHOT et al. (1995) nachweisen, dass Stärkearten, die nach ihrer Art der Kristallinität zum Typ A und C gehören (Erbsen- und Getreidestärke), enzymatisch besser hydrolysiert werden können, als B-Typen (Kartoffelstärke). Die chemische Zusammensetzung bedingt ebenfalls Unterschiede in der Verdaulichkeit von Stärke. Hierbei spielt besonders das Verhältnis von Amylose und Amylopektin eine Rolle. Mit steigenden Amylosegehalten erhöht sich die Resistenz gegenüber enzymatischen Abbauvorgängen. WOLTERS (1990) und GALLANT et al. (1997) sehen die Ursache hierfür in einer verminderten Reaktionsfläche für die stärkespaltenden Enzyme, da Amylosemoleküle, bedingt durch ihre Doppelhelixstruktur, häufig komplexe Verbindungen mit Phosphor, Eiweiß und Lipiden eingehen (FRENCH 1973). Verbunden mit der Komplexbildung (hauptsächlich mit den Minorkomponenten) ist die Quellfähigkeit von Stärkegranula während der hydrothermischen Behandlung herabgesetzt (GEDDES et al. 1965) und somit ebenfalls die Anfälligkeit der Granula gegenüber Enzymen (BORNET 1993). Nicht nur die Stärkeart und die damit verbundenen strukturellen Unterschiede und Eigenschaften bestimmen die enzymatische Verdaulichkeit, sondern auch die Herkunft der stärkespaltenden Enzyme BULEON et al. (1998).
PLANCHOT et al. (1995) führten Versuche zur Hydrolisierbarkeit unterschiedlicher
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Unterschiede in der Wirksamkeit von α-Amylasen porciner Herkunft und der von Aspergillus fumigatus produzierten α-Amylasen nachzuweisen sind. Alle Stärkearten wurden durch die α- Amylasen von Aspergillus fumigatus effizienter abgebaut, obwohl die gleiche Konzentration und Einwirkungszeit der Enzyme vorlag. Dieser Befund konnte auch von AO et al. (2007) bestätigt werden. In in-vitro Stärke-Verdaulichkeitsuntersuchungen wurde Maltase- Glucoamylase sowohl humaner als auch fungaler Herkunft eingesetzt und nachgewiesen, dass das Enzym von Rhizopus spp. etwa 10-fach wirksamer ist, was den Abbau nativer Stärke betrifft. Die Enzymkonzentration ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Höhere Konzentrationen von stärkespaltenden Enzymen haben nachweislich eine dosisabhängige Steigerung des Stärkeabbaus zur Folge, wobei dieser Prozess dazu nicht direkt proportional ist. Auch bei Zugabe der 10-fachen Menge an α-Amylase steigt die Abbaurate der Granula nur um das 2- bis 3-fache an (BERTOFT 1991).
2.2.2 Abbau der Amylose- und Amylopektinketten
Die Stärkeverdauung kann auf zwei Wegen erfolgen: Enzymatisch und fermentativ (ROWE et al. 1999). Da besonders bei Patienten mit einer exokrinen Pankreasinsuffizienz (EPI) die mikrobielle Fermentation als Kompensationsmechanismus für die eingeschränkte enzymatische Stärkeverdaulichkeit angenommen wird, wird im Folgenden auf beide Arten der Stärkeverdauung eingegangen.
Schrifttum
2.2.2.1 Stärkeverdauung durch körpereigene Enzyme
Die verschiedenen am Stärkeabbau beteiligten Enzyme (TESTER et al. 2004b) sind in Übersicht 3 aufgeführt.
Übersicht 3: Wirkungsweise, Vorkommen, Enzyme Commission Numbers (EC-Nr.)* und Spaltprodukte körpereigner Enzyme
Enzym Spezifischer
Angriffspunkt Herkunft/Lokalisation EC-Nr. Spaltprodukte α-Amylase α-1,4-glykosidische
Bindungen Speichel, Pankreas 3.2.1.1. Lineare und verzweigte Oligosaccharide Maltasea α-1,4-glykosidische
Bindungen
Bürstensaum-
membran 3.2.1.48 Glucose
Sucrase- Isomaltaseb
α-1,4- und α-1,6- glykosidische
Bindungen
Bürstensaum-
membran 3.2.1.20 Glucose, Fructose Laktase β-1,4-glykosidische
Bindungen
Bürstensaum-
membran 3.2.1.108 Glucose, Galaktose Trehalase
α- und β- 1,4- glykosidische Bindungen
Bürstensaum-
membran 3.2.1.28 β- und α-Glucose
a Synonym: Glucose-Isomaltase, Glucoamylase, α-Glucosidase, Amyloglucosidase
b Synonym: Sucrase
Die Enzyme Comission Number ist eine numerische Klassifikation der Enzyme nach der jeweiligen Reaktion, die sie katalysieren
Ein wichtiges stärkespaltendes Enzym ist die α-Amylase, die sowohl in den Speicheldrüsen als auch im exokrinen Pankreas gebildet wird und jeweils chemisch identisch ist. Die α- Amylasen gehören zur Gruppe der α-1,4-Endo-Glucosidasen, die α-1,4-Verbindungen der Amylose und Amylopektinketten an beliebiger Stelle innerhalb der Glucosestränge spalten (FRENCH 1973). Als Abbauprodukte entstehen Maltose, Maltotriose und Maltotetraose (ROBYT u. FRENCH 1967), während Monosaccharide/Einfachzucker selten als Spaltprodukt hervorgehen. Die kurzkettigen Glucosestränge werden durch Disaccharidasen und Oligosaccharidasen der Bürstensaummembran des Dünndarms weiter zu Glucose abgebaut (AO et al. 2007).
Die Bürstensaummembran des Dünndarms dient neben der Absorption von Zuckern und Peptiden auch der Aufspaltung von Oligosacchariden und Dextrinen in Glucose (HOLMES 1971). Bereits 1967 führte EICHHOLZ Untersuchungen zur Enzymausstattung in der dünndarmständigen Bürstensaummembran von Hamstern durch. In seinen Untersuchungen
Schrifttum
Laktase nachweisen. Diese Ergebnisse wurden von MAESTRACCI et al. (1975) durch Untersuchungen der humanen Bürstensaummembran bestätigt. Die bürstensaummembran- ständigen Enzyme sind nicht ausschließlich an der Hydrolyse von Oligosacchariden beteiligt.
In-vitro-Versuche zur Verdaulichkeit verschiedener Stärketräger (Reis, Wachsmais, Amylomais, Mais, Weizen, Banane, Kartoffel, Erbse, Tapioka) belegen, dass die bürstensaummembran-ständigen Enzyme auch ohne Vorbehandlung durch α-Amylasen in der Lage sind, native Stärken zu Glucose abzubauen. Dennoch muss erwähnt werden, dass die höchste Wirksamkeit von Maltase-Gluco-Amylase erreicht wird, wenn eine Vorbehandlung mit α-Amylase stattfindet und deutliche Unterschiede in Abhängigkeit vom botanischen Ursprung der Stärketräger bestehen (AO et al. 2007).
Maltose, Maltotriosen und α-Dextrine (verzweigte Oligosaccharide mit mindestens einer α- 1,6-glykosidischen Bindung) werden durch die Enzyme der Bürstensaummembran abgebaut.
Glucoamylase (Maltase) und Saccharase spalten die α-1,4-glykosidischen Bindungen während die α-Dextrinase die α-1,6-glykosidischen Bindungen aufspaltet, so dass die Oligosaccharide zu Glucosemolekülen hydrolysiert werden. Lactose, bestehend aus β-1,4- glykosidischen Bindungen wird durch die Laktase in Glucose und Galaktose gespalten und die α-1,2-glykosidische Bindung der Saccharose wird ebenfalls durch die Saccharase zu Glucose und Fructose abgebaut. Die freigewordenen Monosaccharide werden in die Epithelzellen des Dünndarms aufgenommen und gelangen dann in die Blutbahn (BREVES u.
LEONHARD-MAREK 2009). In Abbildung 7 sind die stärkespaltenden Enzyme (auch mikrobielle) und die entstehenden Abbauprodukte dargestellt.
Schrifttum
Abbildung 7: Darstellung der am Stärkeabbau beteiligten Enzyme (sowohl körpereigene als auch bakteriell gebildete; modifiziert nach (HORVATHOVA 2000)
2.2.2.2 Beteiligung der Mikroorganismen am Stärkeabbau
Schätzungsweise 400-500 verschiedene Bakterienspezies bilden im Magendarmtrakt des Menschen ein komplexes Ökosystem (SIMON u. GORBACH 1986; SHUJUN WANG et al.
2008). Unter physiologischen Bedingungen ist die bakterielle Besiedlung des proximalen Dünndarms nur sehr spärlich (10³ bis 104 KbE/ml Dünndarmaspirat) und entspricht in ihrer Zusammensetzung der oropharyngealen, hauptsächlich aeroben Bakterienflora (Lactobacillen, Streptococcen, Enterococcen). In aboraler Richtung nehmen die aeroben Keimarten zugunsten einer anaeroben, colonähnlichen Flora ab, wobei die Bakterienzahl ansteigt (DRASAR u.
SHINER 1969; QUIGLEY u. QUERA 2006).
Schrifttum
Abbildung 8: Darstellung der Zusammensetzung und der Anzahl der humanen Bakterienflora im Magen-Darm-Trakt (modifiziert nach HOLZAPFEL (1998) und QUIGLEY u. QUERA (2006)) In den letzten Jahrzehnten sind zahlreiche neue Erkenntnisse über die Bedeutung und den Einfluss der Darmbakterien auf die Verdauung bekannt geworden (PAI u. KANG 2008).
Bakterien sind demnach nicht nur an der Aufspaltung komplexer Polysaccharide beteiligt, sondern tragen auch zur Deckung des täglichen Energiebedarfs bei (OWIRA u. WINTER 2008). Neben den komplexen Polysacchariden (durch körpereigene Enzyme nicht abbaubar), fermentieren Bakterien auch Kohlenhydrate, die im Dünndarm nicht resorbiert wurden (Überschreiten der Resorptionskapazitäten) zu flüchtigen Fettsäuren (CUMMINGS et al.
1987). Diese Abbauprozesse können durch die umfangreiche Ausstattung der Bakterien mit amylolytischen Enzymen bewerkstelligt werden (SIMON u. GORBACH 1986).
Bakteriengattungen wie Bacteroides spp., Fusobacterium spp., Bifidobacterium spp., Eubacterium spp., Streptococcus spp., Clostridium spp., Propionibacterium spp. Butyriovibrio (physiologische Colonflora) weisen eine deutlich amylolytische Aktivität auf. Einige Bakterienarten sind durch ihre vielfältige Enzymausstattung sogar in der Lage, schwer abbaubare Kohlenhydrate oder rohe Stärke zu hydrolysieren. Clostridium butyricum und Bifidobacterium spp. sind sogar in der Lage, den schwer verdaulichen Amylomais (ausschließlich aus Amylose bestehend) abzubauen. Es ist bemerkenswert, dass in den
Magen und Duodenum (101-103 KbE/ml):
Lactobacillen, Streptococcus spp., Hefen
Jejunum und Ileum (104-108 KbE/ml):
Enterobacter, Lactobacillus, Streptococcus spp., Bacteroides, Fusobacterium, Bifidobacterium
Eubacterium, Bacteroides, Peptostreptococcus, Proteus, Bifidobacterium, Ruminococcus, Lactobacillus, Fusobacterium, Clostridium, Enterococcus, Enterobacteriaceae, Bacillus, Staphylococcus, Pseudomonas, Hefen, Veillonella, Protozoen, Clostridium, Streptococcus spp.
Colon (1010-1012 KbE/ml):
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Effektivität der Enzyme bestehen. So exprimiert Bacteroides vulgatus lediglich Maltase als stärkespaltendes Enzym, während Bacteroides ovatus Maltase, Pullulanase und α-Amylase bilden kann (SHUJUN WANG et al. 2008). In der Übersicht 4 sind einige bakteriell gebildete Enzyme aufgelistet, die am Stärkeabbau beteiligt sind. Hierbei handelt es sich lediglich um eine Auswahl häufig vorkommender und physiologisch relevanter Enzyme und keinesfalls um eine vollständige Auflistung aller stärkespaltenden Enzyme bakterieller Herkunft. Die Zusammenstellung beruht auf dem Enzyminformationssystem – Braunschweig Enzyme Database (BRENDA), in dem biochemische und molekularbiologische Daten zahlreicher Enzyme hinterlegt sind.
Übersicht 4: Mikrobiell gebildete Enzyme, deren spezifische Wirkungsweise, entstehende Spaltprodukte, Bakterienarten und die Enzym Commission Numbers der gebildeten Enzyme (EC- Nr.); Quelle: (Braunschweig Enzyme Database (BRENDA))
Enzym Spezifischer
Angriffspunkt Abbauprodukte Bakterien EC-
Nummer
α-Amylase α-1,4-glykosidische Bindungen
Lineare und verzweigte Oligosaccharide
Bacillus, E.coli, Lactobacillus, Ruminobacter, Bacteroides, Clostridium,
Pseudomonas
3.2.1.1.
β-Amylase α-1,4-glykosidische Bindungen
Lineare und verzweigte Oligosaccharide
Bacillus 3.2.1.2
Isoamylase
α-1,6- glykosidische Bindungen von
Amylopektin Dextrinen
Lineare Oligosaccharide
E. coli, Bacillus,
Pseudomonas 3.2.1.68
Pullulanase I
α-1,6- glykosidische
Bindungen
Lineare Oligosaccharide
Bacillus spp., Klebsiella spp., Bacteroides spp.,
Streptococcus spp., Lactococcus spp.
3.2.1.41
Pullulanase II
α-1,4- und α-1,6- glykosidische
Bindungen
Lineare und verzweigte Oligosaccharide,
Maltose
Bacteroides thetaiotaomicron, Bacillus
cereus
3.2.1.41
Isopullulanase
α-1,4- glykosidische Bindungen von
Panose
Isomaltose, Glucose Bacillus ssp.,
Aspergillus ssp. 3.2.1.57
Neopullulanase
α-1,6- glykosidische Bindungen von
Maltotriose, Panose
Bifidobacterium, Klebsiella, Bacillus,
Lactobacillus
3.2.1.135
Schrifttum
Neben der Fähigkeit zur Aufspaltung der Stärke sind Bakterien sehr gut an den Abbau von Monosacchariden angepasst. Durch eine vielfältige Enzymausstattung sind nahezu alle Bakteriengattungen in der Lage, unter anaeroben Bedingungen, über den Embden Meyerhof Zyklus Glucose zu kurzkettigen Fettsäuren und Gasen zu fermentieren (GOTTSCHALK et al.
1978).
Abbildung 9: Embden Meyerhof Zyklus: bakterielle Fermentation von Glucose (modifiziert nach REILLY u. ROMBEAU (1993))
Die FFS können über passive Diffusion und unabhängig vom luminalen pH-Wert des Dünn- bzw. Dickdarms resorbiert werden, wobei keine Sättigungsgrenze ermittelt werden konnte. In Spezies, die einen gering ausgebildeten Dickdarm (“Fermentationskammer“) aufweisen (Mensch, Fleischfresser, Ratte), trägt die gebildete Menge der FFS (ohne Vorliegen einer bakteriellen Überbesiedlung des Dünndarms) etwa 7 % der täglichen Energiedeckung bei, während in Spezies mit besonders ausgebildeten Fermentationskammern (Wiederkäuer, Pferd) sogar bis zu 80 % des Energiebedarfes über FFS gedeckt werden kann (RECHKEMMER et al. 1988). Die Höhe der FFS-Konzentration im Chymus nimmt beim Menschen nach Passage des Ileums signifikant zu (10 mmol/kg), so dass im Colon die höchste Konzentration an FFS (131 mmol/kg) erreicht wird. Unter den FFS macht Acetat den größten Anteil an den gebildeten FFS aus, gefolgt von Propionat und Butytrat, wodurch ein Verhältnis von 3:1:1 im Colonchymus besteht. Nach Aufnahme der FFS in die Blutbahn werden diese zur Leber transportiert, wo deren weitere Verstoffwechselung erfolgt (CUMMINGS et al. 1987).
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2.3 Exokrine Pankreasinsuffizienz
2.3.1 Ursachen einer exokrinen Pankreasinsuffizienz
Eine exokrine Pankreasinsuffizienz (EPI) liegt vor, wenn - unabhängig von der Genese - ein Verlust oder eine Reduzierung der Pankreassekretion besteht (WITT et al. 2001).
Die häufigste Ursache einer EPI ist die chronische Pankreatitis. Charakteristisch für dieses Krankheitsbild ist eine rezidivierende oder anhaltende Entzündung des Pankreas, in deren Folge es zu einer Verminderung oder einem vollständigen Verlust der endokrinen und/oder exokrinen Funktion des Organs kommt (MAYERLE et al. 2004).
Entzündliche Veränderung des Pankreas können durch vielfältige Ursachen ausgelöst werden, hierzu zählen:
- mechanischen Störungen bzw. Strukturanomalien (Traumata, Pancreas anulare) - metabolische und toxische Stoffe (Alkohol, Medikamente, Calcium)
- Autoimmunerkrankungen - Genetische Defekte
Durch autoimmune Prozesse ausgelöste Pankreatitiden werden als Sonderform der chronischen Pankreatitis bezeichnet. Bei dieser Form der Entzündung führt eine entzündliche Infiltration der mittleren und kleinen Pankreasgänge und Blutgefäße im Pankreas durch Lymphozyten und Plasmazellen zu einer Zerstörung dieser Strukturen mit anschließender Fibrosierung (KLÖPPEL et al. 2006). In der Tiermedizin ist diese Ätiologie für eine EPI besonders bei deutschen Schäferhunden und Rough-coated Collies bekannt (WESTERMARCK u. WIBERG 2012) und eine hereditäre Prädisposition belegt (MÖSSELER 2013).
Ein weiterer Ursachenkomplex sind Mutationen verschiedener Gene. Hierdurch kann es zu einem Fehlen von bestimmten Proteinen kommen, die eine frühzeitige Aktivierung von Pankreasenzymen bereits im Organ verhindern (WITT et al. 2000; WHITCOMB 1996).
Ebenso kann die Mutation des CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance
Schrifttum
Vorliegen einer Mutation im CFTR-Gen und der pathophysiologischen Entstehung einer chronischen Pankreatitis noch nicht geklärt sind (WITT et al. 2001). Eine Mutation des CFTR-Gens ist nicht zwangsweise mit dem Vorliegen einer zystischen Fibrose (Mukoviszidose) verbunden, denn das Krankheitsbild der zystischen Fibrose wird erst durch zwei schwere Mutationen dieses Gens verursacht. Das CFTR-Gen codiert für einen Chloridkanal; je nach Art und Lokalisation des Gendefekts kann es zu unterschiedlichen Schweregraden der zystischen Fibrose kommen. Die fehlerhafte Funktion der Chloridkanäle bedingt eine Eindickung der Sekrete in den exokrinen Drüsen, wodurch die abführenden Gänge verlegt werden (HIRCHE et al. 2006). Aus der Verlegung der abführenden Pankreasgänge resultiert ein Rückstau der Pankreassekrete und bedingt schlussendlich eine Selbstverdauung des Pankreas (WITT et al. 2001). Bei ca. 85- 90 % der Patienten mit zystischer Fibrose kann eine EPI festgestellt werden (HOFFMEISTER et al. 2012).
Eine EPI muss nicht in allen Fällen durch eine chronische Pankreatitis ausgelöst werden. In seltenen Fällen sind auch angeborene Dysfunktionen des exokrinen Pankreas ursächlich für eine Insuffizienz (WITT et al. 2001). Zu den Dysfunktionen zählen das Shwachman- Diamond-Syndrom (AGGETT et al. 1980) und das Johanson-Blizzard-Syndrom (JONES et al. 1994).
In etwa einem Drittel aller chronischen Pankreatiden kann keine ätiologische Ursache der Pankreatitis festgestellt werden, weshalb diese Fälle als idiopathische Pankreatitiden bezeichnet werden (WITT et al. 2000).
2.3.2 Einfluss der EPI auf die Verdauung
2.3.2.1 Verdaulichkeiten
Das Pankreas hat eine ausgeprägte kompensatorische Fähigkeit hinsichtlich der Sekretionsleistung, so dass erst bei einem Ausfall von 90 % des exokrinen Gewebes typische Symptome einer Malnutrition auftreten (WESTERMARCK u. WIBERG 2012).
Mit Ausfall bzw. Beeinträchtigung der Pankreasfunktion ist eine verringerte Sekretion von Lipasen, Proteasen und Amylasen verbunden, wodurch die Nährstoffe im Dünndarm nur unvollständig enzymatisch abgebaut werden. In der Humanmedizin ist es nur möglich eine
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sind die herabgesetzten Verdaulichkeiten von Fett und Eiweiß gut nachzuweisen. Bei Beurteilung des Stärkeabbaus im Organismus wird stark vereinfacht unterstellt, dass im Dünndarm (prc.) die Stärke im Wesentlichen durch körpereigene Enzyme verdaut wird, während der Abbau im Dickdarm ausschließlich fermentativ erfolgt (KAMPHUES 2013).
Erst die Bestimmung der praecaecalen Verdaulichkeiten erlaubt somit eine Differenzierung zwischen dem Umfang des enzymatischen Nährstoffabbaus und dem Anteil fermentativer Abbauprozesse im Dickdarm. In zahlreichen Untersuchungen an ileo-caecal-fistulierten, pankreasgangligierten (PL) Miniaturschweinen (etabliertes Modelltier für Studien zur EPI des Menschen) wurde nachgewiesen, dass die prc. Stärkeverdaulichkeit zwischen 33,4 % und 92,5 % variiert und damit im Vergleich zu der prc. Fett- und Eiweißverdaulichkeit (siehe Tabelle 1) weniger stark eingeschränkt ist. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die prc.
Stärkeverdaulichkeit durch diverse Faktoren, wie dem Stärkegehalt der Diät bzw. der Stärkemenge je Mahlzeit (TABELING 1998) und der Stärkequelle (KRAMER 2010) beeinflusst werden. In Verdaulichkeitsstudien mit gesunden, ileo-caecal-fistulierten Miniaturschweinen (Kontrolltiere) konnte, mit Ausnahme von roher Kartoffelstärke (74,3 %), eine prc. Stärkeverdaulichkeit von mindestens 96 % ermittelt werden. Bei pankreasinsuffizienten Tieren variierte die prc. Stärkeverdaulichkeit hingegen zwischen 33,1 % (Reisstärke) und 61,2 % (Weizenstärke); (KRAMER 2010).
Tabelle 1: Mittlere praecaecale (prc.) Verdaulichkeit (%) und Verdaulichkeit über den gesamten Verdauungstrakt (%) von Fett, Protein und Stärke bei Kontroll- und PL-Tieren
Kontrolltiere PL-Tiere Autoren
prc. gesamt prc. gesamt TABELING (1998); HELDT
(2001); MANDISCHER (2002);
KAMMLOTT (2003);
FUENTE-DEGE (2003);
KARTHOFF (2004); KOCH (2011); KRAMER (2010) Fett 96,3 – 98,3 81,3 – 97, 4 16,2 – 43,0 8,43 – 31,5
Protein 79,1 – 82,3 87,5 – 91,9 26,1 – 40,9 47,9 – 67,5 Stärke 74,4* – 99,0 98,0 – 100 33,4 – 92,5 98,0 – 100
* rohe Kartoffelstärke
TABELING (1998) ermittelte in Untersuchungen an pankreasgangligierten ileo-caecal- fistulierten Miniaturschweinen eine Anflutung von 128 g Stärke pro Tag am terminalen Ileum, wobei jedoch keine Stärke im Kot nachgewiesen werden konnte. Demnach wurde die prc. unverdaute Stärke im Dickdarm vollständig bakteriell abgebaut. Durch erhöhten
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Wachstum und damit verbunden zu einem erhöhten Abbau unverdauter Nährstoffe (insbesondere Stärke). Während der mikrobiellen Fermentation entstehen Stoffwechselprodukte wie flüchtige Fettsäuren (FFS), Laktat und Gase. Diese Abbauprodukte sind ursächlich für Symptome wie Durchfall (osmotische Wirkung von FFS und Laktat), Abdominalschmerzen, Völlegefühl und Blähungen (erhöhte Gasbildung im Darm);
(CASPARY 1999). Diese Symptome beeinflussen das Wohlbefinden der Patienten negativ, wodurch die angestrebte vermehrte Nahrungsaufnahme (Vorbeugung eines Energie- und Nährstoffmangels) nachteilig beeinflusst wird. Im Hinblick auf diätetische Ansätze erfährt die Art (enzymatisch oder mikrobiell) der Stärkeverdaulichkeit einen besonderen Stellenwert.
Demzufolge ist es erstrebenswert, eine möglichst hohe prc. Verdaulichkeit von Stärke zu erreichen (idealerweise durch enzymatischen Abbau), damit Nebeneffekte der mikrobiellen Fermentationsprodukte verringert werden.
2.3.2.2 Einfluss der exokrinen Pankreasinsuffizienz auf die mikrobielle Besiedlung des Dünndarms
Die Anzahl der Bakterien im Dünndarm von Menschen ohne Vorliegen gastrointestinaler Erkrankungen betragen zwischen 100 bis 10³ koloniebildende Einheiten (KbE) pro Milliliter Dünndarm-Aspirat (GORBACH u. TABAQCHALI 1969).
Bestimmte Umstände führen im Dünn- und/oder Dickdarm zu einer bakteriellen Überbesiedlung - auch als small intestinal bacterial-overgrowth (SIBO) bezeichnet.
Überschreiten die Keimzahlen 105KbE/ml Dünndarminhalt wird von einem SIBO gesprochen. (KING u. TOSKES 1979; PARODI et al. 2009). TRESPI u. FERRIERIT (1999) untersuchten das Vorkommen eines bacterial-overgrowths im Dünndarm bei Patienten mit einer chronischen Pankreatitis und stellten fest, dass 34 % der Probanden eine bakterielle Überbesiedlung aufwiesen. Der zahlenmäßige Anstieg der Intestinalflora konnte auch bei Schweinen mit einer experimentell ausgelösten EPI ermittelt werden (TABELING 1998;
MANDISCHER 2002; KAMMLOTT 2003). Auch WESTERMARCK u. WIBERG (2012) beschrieben diesen pathologischen Zustand bei Schäferhunden. Im Ileumchymus von pankreasinsuffizienten Miniaturschweinen wurden Laktat-, Lipopolysaccharid-Gehalte und pH-Werte als indirekte Marker für die mikrobielle Aktivität untersucht und mit Werten von
