Glutenfreie Lebensmittel

Enzymatischer Abbau von Gluten in getreidebasierten Lebensmitteln

  • Abb. 1: Kleber (Gluten), der für die Auslösung von Zöliakie verantwortliche Inhaltsstoff von Weizen (Foto: Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie)Abb. 1: Kleber (Gluten), der für die Auslösung von Zöliakie verantwortliche Inhaltsstoff von Weizen (Foto: Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie)
  • Abb. 1: Kleber (Gluten), der für die Auslösung von Zöliakie verantwortliche Inhaltsstoff von Weizen (Foto: Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie)
  • Abb. 2: Ungekeimte (links) und für 96 h bei 25 °C gekeimte Weizenkörner (rechts) (Foto: Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie)
  • Abb. 3: Konventionelles glutenhaltiges Roggenbrot (links), glutenfreies Brot aus behandeltem Roggenmehl (Mitte) und glutenfreies Brot aus Mais, Reis und Buchweizen (rechts). (Foto: Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie)

Glutenhaltige Rohstoffe auf Getreidebasis können mit der Peptidase AN-PEP glutenfrei gemacht werden. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit zur Herstellung glutenfreier Lebensmittel, deren Qualitätseigenschaften mit denen der entsprechenden glutenhaltigen Produkte vergleichbar sind. Eine breite Anwendung der Peptidase in der Lebensmittelindustrie wäre daher möglich. Im Gegensatz dazu ist die Anwendung endogener, keimungsinduzierter Peptidasen nur in Einzelfällen nach sorgfältiger Optimierung sinnvoll, beispielsweise wäre ein Einsatz bei der Herstellung von glutenfreiem Bier denkbar.


Zöliakie, auch bekannt als glutensensitive Enteropathie, ist eine der häufigsten Lebensmittelunverträglichkeiten weltweit. Sie wird durch die Speicherproteine aus Weizen, Roggen, Gerste und eventuell Hafer ausgelöst, die im Zusammenhang mit Zöliakie als Gluten bezeichnet werden. Bei Weizen wird Gluten auch als Kleber bezeichnet, der als gummiartige Masse mit Wasser aus einem Teig ausgewaschen werden kann (Abb. 1). Die einzige bislang bekannte Therapie der Zöliakie ist die strikte Eliminierung von Gluten aus der Diät, d.h., Betroffene müssen sich ausschließlich von so genannten glutenfreien Lebensmitteln (mit einem Glutengehalt von unter 20 mg/kg [1]) ernähren, die meistens mit von Natur aus glutenfreien Rohstoffen wie Mais, Reis, Hirse oder Buchweizen hergestellt werden. Deren Qualität ist im Gegensatz zur Qualität konventioneller glutenhaltiger Produkte jedoch oftmals unbefriedigend, vor allem in Bezug auf Textur, Aroma und Geschmack.

Eine alternative Herstellung glutenfreier Lebensmittel beinhaltet die Verwendung glutenhaltiger Rohstoffe, die durch enzymatische Behandlung mit Peptidasen glutenfrei gemacht werden. Mögliche Quellen für glutenabbauende Peptidasen sind Bakterien, Pilze oder Kleie aus gekeimtem Getreide. Letztere enthält Enzyme, die von Natur aus Glutenproteine abbauen, damit während der Keimung genügend Nährstoffe zur Entwicklung des Keimlings zur Verfügung stehen. Ob bzw. welchen Einfluss die Getreideart und -sorte auf die Peptidasenaktivität von Kleie aus gekeimtem Getreide hat, war jedoch bislang nicht bekannt.

Eine weitere mögliche Quelle für Peptidasen mit glutenspezifischer Aktivität sind Pilze. Eine Prolylendopeptidase aus Aspergillus niger, das sogenannte AN-PEP, wurde ursprünglich zur Verhinderung einer Trübung in Bier und zur Entbitterung von Proteinhydrolysaten entwickelt [2,3]. Die Fähigkeit des Enzyms, Gluten abzubauen, wurde zunächst nicht beachtet [4].

Im ersten Teil der vorliegenden Studie lag der Fokus auf dem Vergleich von Peptidasen aus verschiedenen gekeimten Getreidearten (und -sorten) mit der Prolylendopeptidase AN-PEP hinsichtlich ihrer Aktivität gegenüber zöliakieaktiven Substraten. Die Verwendung der aktivsten Präparate zum Abbau von Gluten in getreidebasierten Lebensmitteln unter Beibehaltung ihrer positiven Qualitätsparameter war der zweite wichtige Aspekt, der im Rahmen des Projektes erforscht wurde.

Material und Methoden

Acht Getreidearten (je zwei Sorten von Weizen, Dinkel, Emmer, Einkorn, Roggen, Gerste, Hafer und Mais) wurden bei 15 und 25 °C für je 7 Tage gekeimt (Abb. 2). Gekeimte Körner wurden gefriergetrocknet und anschließend vermahlen. Dabei wurden Mehl (< 0.2 mm Partikelgröße) und Kleie (> 0.2 mm) getrennt. Da getreideeigene Peptidasen in der Kleie angereichert und diese somit eine im Vergleich zu Mehl höhere Peptidasenaktivität aufweist [5], wurden die Kleiepräparate für weitere Untersuchungen eingesetzt.

Die glutenspezifische Peptidaseaktivität wurde gegenüber einem intakten Protein (isoliertes Gliadin aus der Weizensorte Cubus) und zwei zöliakieaktiven Peptiden (PQPQLPYPQPQLPY aus α-Gliadin und SQQQFPQPQQPFPQQP aus γ-Hordein) bestimmt [6]. Peptidasen aus Kleie von gekeimtem Getreide wurden mit Natriumacetatpuffer (0,2 mol/l, pH 4,0) bei 4 °C extrahiert, und der gefriergetrocknete Kulturüberstand von A. niger (AN-PEP) wurde in dest. Wasser gelöst. Die Substrate wurden für 60 - 180 min bei 50 °C und pH-Werten zwischen 1 und 9 mit den Enzymlösungen inkubiert. Anschließend wurde die Reaktion durch 10-minütiges Erhitzen auf 90 °C abgebrochen. Die Substratlösungen wurden vor und nach der Inkubation mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (RP-HPLC) mit UV-Detektion bei 210 nm analysiert. Die Aktivität wurde als Abnahme der relevanten Peakflächen nach der Inkubation angegeben.

Zur Untersuchung des Abbaus von Gluten mit Hilfe glutenspezifischer Peptidasen wurden die folgenden Lebensmittel eingesetzt: Weizenstärke, Weizenkleie aus nativem und gekeimtem Getreide und Brottrunk. Zusätzlich wurden Roggensauerteig, eine Sauerteig-Starterkultur und Roggenmehl verwendet. Zur Behandlung von im Handel erhältlicher Weizenstärke wurden sowohl Peptidasen aus gekeimtem Getreide (Gerste, Weizen, Emmer) als auch AN-PEP eingesetzt. Alle weiteren Proben wurden ausschließlich mit wässrigen Lösungen von AN-PEP inkubiert. Zur Behandlung wurden die Proben nach Zusatz von Wasser mit verschiedenen Konzentrationen der Enzymlösungen bei definierten Bedingungen (pH 1 - 9, 4 - 90 °C, 10 min - 48 h) inkubiert, gefriergetrocknet und im Anschluss mittels eines kompetitiven ELISA mit dem R5-Antikörper [7] auf verbliebenes Gluten untersucht. Um Gehalte von weniger als 20 mg Gluten pro kg abzusichern, wurde zusätzlich eine LC-MS Analyse (nach Verdau mit Chymotrypsin) durchgeführt.

Auf diese Weise behandelte Lebensmittel wurden anschließend auf Veränderungen ihrer Zusammensetzung, sowie ihrer technologischen und sensorischen Eigenschaften, untersucht. Weizenstärke wurde auf verbliebene Peptidase- und Amylaseaktivität geprüft, die thermischen Eigenschaften mittels dynamischer Differenzkalorimetrie, die Verkleisterungseigenschaften wurden mittels Rotationsviskosimeter untersucht. Die Zusammensetzung von Weizenkleie wurde anhand der Gehalte an ernährungsphysiologisch wertvollen Ballaststoffen und Folaten analysiert, behandelter Brottrunk mit dem unbehandelten Produkt anhand des sensorischen Profils verglichen. Mit AN-PEP inkubierte Roggenprodukte wurden zur Herstellung von glutenfreiem Brot eingesetzt. Dabei wurden das Brotvolumen, die Krumenfestigkeit und die sensorischen Eigenschaften als wertgebende Parameter untersucht.

Ergebnisse und Diskussion

Sowohl die Peptidasen aus gekeimtem Getreide als auch AN-PEP wiesen Aktivität gegenüber allen Substraten auf. Die spezifische Aktivität von Extrakten aus Kleie von gekeimtem Getreide betrug ca. 60 U/kg Kleie (Substrat PQPQLPYPQPQLPY aus α-Gliadin) [5]. AN-PEP lag in wesentlich konzentrierterer Form vor. Wässrige Lösungen wiesen spezifische Aktivitäten von mehr als 7.000.000 U/kg Enzympräparat auf [6,8].

Die Messung der Glutengehalte der nativen Rohstoffe mittels Kompetitiv-ELISA lieferte stark unterschiedliche Ergebnisse. In Weizenstärke wurden zwischen 110 und 2.070 mg Gluten pro kg nachgewiesen, während Weizenkleie Gehalte von 5.335 - 107.285 mg Gluten pro kg aufwies. In Brottrunk wurden 82,5 mg Gluten pro kg gefunden, Roggensauerteig enthielt bis zu 70.953 mg Gluten pro kg. Auch in Roggenmehl (56.173 mg/kg) und der Sauerteig-Starterkultur (80.536 mg/kg) wurden sehr hohe Glutengehalte nachgewiesen.

Durch Behandlung einer im Handel erhältlichen Weizenstärke mit Peptidasen aus gekeimtem Getreide sank der vergleichsweise niedrige Gehalt von 110 mg Gluten/kg nicht unter den Grenzwert von 20 mg/kg. Gleichwohl wurde dieser Glutengehalt nach Behandlung der gleichen Weizenstärke mit AN-PEP bis unter die Nachweisgrenze des kompetitiven ELISA gesenkt. Aus diesem Grund wurde ausschließlich AN-PEP für weitere Untersuchungen eingesetzt. Das Enzym wurde in Konzentrationen bis zu 500 mg/ml zur Inkubation von Proben bis zu 48 h verwendet. Auf diese Weise konnte der Glutengehalt aller genannten Rohstoffe (bis auf eine im Handel erhältliche Weizenkleie mit einem erhöhten Gehalt an unlöslichen Proteinen) auf Konzentrationen von weniger als 20 mg/kg verringert werden.

Es zeigte sich, dass die Peptidasebehandlung keine nachteiligen Auswirkungen auf die Qualität der Produkte hatte. Davon ausgenommen waren die Verkleisterungseigenschaften der Weizenstärke [8]. Die Peptidasebehandlung hatte keinerlei negative Auswirkungen auf die Eigenschaften der Weizenkleie, da die Gehalte wertvoller Nährstoffe (Ballaststoffe, Folate) nicht beeinflusst wurden. Kleie aus gekeimtem Getreide wies im Vergleich zu herkömmlicher Kleie einen erhöhten Gehalt an Ballaststoffen (1,5-fach) und insbesondere an Folaten (20-fach) auf und kann daher als glutenfreies Lebensmittel gesehen werden, das für Zöliakiebetroffene einen zusätzlichen Gesundheitswert bietet. Auch die sensorische Analyse von Brottrunk zeigte keine negativen Auswirkungen der Behandlung [9]. Nach Optimierung der Rezeptur war es möglich, aus peptidasebehandeltem Roggenmehl und Eiklar ein glutenfreies Brot auf Roggenbasis herzustellen (Abb. 3). Die sensorischen Untersuchungen zeigten, dass die Qualität zwar hinter konventionellem Roggenbrot zurückblieb, im Vergleich zu einem glutenfreien Brot aus den zöliakieverträglichen Rohstoffen Buchweizen, Reis und Mais hinsichtlich Textur, Aroma und Geschmack jedoch deutlich besser bewertet wurde.10

Literatur
[1 ALINORM 08/31/26, Appendix III: Draft revised codex standard for foods for special dietary use for persons intolerant to gluten. Joint FAO/WHO Food Standards Programme. Codex Alimentarius Commission WHO: Rome, (2008)
[2] Edens L.; van der Hoeven, R. A. M.; de Roos, A. L.; Harvey, M. Use of proline-specific endoproteases to hydrolyse proline-rich peptides at acid pH in food processing. WO2005/027953A2, (2005)
[3] Edens L. et al.: J. Agric. Food Chem. 53, 7950-7957 (2005)
[4] Stepniak D. et al.: Am. J. Physiol. 291, G621-G629 (2006)
[5] Hartmann G. et al.: J. Cereal Sci. 44, 368-371 (2006)
[6] Schwalb T. et al.: Eur. Food Res. Technol. 235, 1161-1170 (2012)
[7] R-Biopharm, Ridascreen Gliadin competitive - Enzymimmunoassay zur quantitativen Bestimmung von Peptidfragmenten der Gliadine und verwandter Prolamine, 2007.
[8] Walter T. et al.: J. Cereal Sci. 60, 202-209 (2014)
[9] Walter T. et al.: J. Nutr. Food Sci. 4, 1000293, 1-6 (2014)
[10] Walter T. et al.: Eur. Food Res. Technol. 240, 517-524 (2015)

Autoren
Theresa Walter, Doktorandin
Dr. Herbert Wieser, wiss. Mitarbeiter
Prof. Dr. Peter Köhler, stellvertretender Direktor
Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie
Leibniz Institut
Freising, Deutschland

Informationen zur Deutschen Zöliakie Gesellschaft: www.dgz-online.de

Kontaktieren

Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie │ Leibniz Institut
Lise-Meitner-Straße 34
85354 Freising
Germany

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