Risiken der veganen Ernährung

Die Analytik von Vitamin B12

  • Abb.1.: Cobalamin (A) und Pseudovitamin B12 (B) durch den oberen Liganden (R) ergeben sich Hydroxo-, Cyano-, Adenosyl- und Methylcobalamin [8], reproduced with permission from American Society for Microbiology.Abb.1.: Cobalamin (A) und Pseudovitamin B12 (B) durch den oberen Liganden (R) ergeben sich Hydroxo-, Cyano-, Adenosyl- und Methylcobalamin [8], reproduced with permission from American Society for Microbiology.

Vitamin B12 stellt einen essentiellen Bestandteil der menschlichen Ernährung dar. Es kommt vor allem in Lebensmitteln tierischen Ursprungs vor, was für Menschen mit veganer und vegetarischer Ernährung eine entsprechende Supplementierung zur Bedarfsdeckung erforderlich macht.

Die Analytik von Vitamin B12 ist heute immer noch eine große Herausforderung, da es zum einen in geringen Mengen in Lebensmitteln vorliegt, und andererseits in unterschiedlichen biologisch aktiven sowie auch inaktiven Formen vorkommen kann. Besonders bei Quellen mikrobiologischen Ursprungs hat die Wahl der analytischen Methode einen direkten Einfluss auf die Bewertung des Lebensmittels, da nicht alle gängigen Untersuchungsverfahren gleiche Selektivitäten für biologisch aktive und inaktive Formen aufweisen.

Vitamin B12

Wie alle Vitamine ist Vitamin B12 für Menschen essentiell und muss daher regelmäßig über die Nahrung aufgenommen werden. Der effektive Tagesbedarf ist relativ gering (3 µg pro Tag). Da Vitamin B12 vorwiegend in tierischen Lebensmitteln vorkommt, stellt die Deckung desselbigen bei veganer Ernährung eine große Herausforderung dar. Zur Synthese von Vitamin B12-aktiven Substanzen sind lediglich einigen Bakterien, Archaea und Algen im Stande. Mögliche Mangelerscheinungen bei Unterversorgung sind Depressionen, Blutarmut sowie Beeinträchtigung der Motorik und des Wachstums. Besonders bei Menschen mit veganer, aber auch bei vegetarischer Ernährung, wenn keine Milch und Milchprodukte konsumiert werden, müssen meistens Nahrungsergänzungsmittel herangezogen werden, um den Tagesbedarf zu decken. Chemisch gesehen ist Vitamin B12 der komplexeste Vertreter der B-Vitamine. Wegen seines Zentralatoms auch oft Cobalamin genannt, kommt es in unterschiedlichen biologischen Konfigurationen, so genannten Vitameren [1] vor, was enorme Konsequenzen für deren Aktivität als Vitamin, aber auch für die lebensmittelchemische Analytik hat.

Vitamere

Der Begriff Vitamer bezeichnet unterschiedliche, als Vitamin aktive, Formen eines B-Vitamins. Im Falle von Vitamin B12 sind unterschiedliche Konfigurationen am Cobalt-Zentralatom möglich.

Abhängig vom wechselnden Liganden (z.B. Hydroxy, Cyanid, Adenosyl und Methyl) ergeben sich hieraus Hydroxo-, Cyano-, Adenosyl- und Methylcobalamin (Abb. 1). Diese chemischen Modifikationen haben enorme Relevanz für die Biochemie des Vitamins im menschlichen Körper. Im Körper aktiv wirkende Vitamere sind lediglich Methyl- und Adenosylcobalamin, welche für unterschiedliche Enzyme als Cofaktoren dienen. Hydroxocobalamin stellt eine natürliche Form dar, die vom Körper zu aktiven Formen umgewandelt werden kann. Demgegenüber steht Cyanocobalamin, dass die stabilste, jedoch kaum natürlich vorkommende Form ist. Die biologische Verfügbarkeit und Aktivität der unterschiedlichen Vitamere wird in der Fachwelt kontroversiell diskutiert [2, 3]. Dies liegt einerseits daran, dass es aktive und passive Modi der Aufnahme gibt und andererseits, dass Methyl- und Adenosylcobalamin an unterschiedlichen Orten im menschlichen Organismus für verschiedene Abläufe benötigt werden.

Weitere beschrieben Formen sind Aquo-, Nitroso- und Nitrocobalamin. Diese sind in der wissenschaftlichen Literatur nur spärlich untersucht worden, und dürften für die Deckung des menschlichen Bedarfs an Vitamin B12 nur eine untergeordnete Rolle spielen.

Die Aufnahme

Aufnahme und Metabolismus von Vitamin B12 sind extrem komplex und immer noch nicht restlos beschrieben, sie werden daher folgend nur kurz skizziert. Der menschliche Körper verfügt über ein ausgeklügeltes System, um Vitamin B12-aktive Substanzen aufzunehmen und an den Ort des Bedarfs zu transportieren. B12-Vitamere werden über die Nahrung aufgenommen und sind meist an Proteine in der Nahrung gebunden. Im Magen werden diese Proteine abgebaut, und die Vitamere freigesetzt. Da diese jedoch sehr säureempfindlich sind, werden sie von Haptocorrin gebunden, welches im Speichel produziert wird. Durch diesen Schutz können sie mit geringen Verlusten den Dünndarm erreichen. Vom Magen wird ebenfalls der Intrinsische-Faktor (IF) abgegeben. Unter den chemischen Bedingungen des Dünndarms wird der Komplex aus B12-Vitamer und Haptocorrin gespalten, und so die Bindung an den IF ermöglicht. Dieser Vitamer-Komplex (IF-B12) kann im Dünndarm von speziellen Rezeptoren aufgenommen werden. Nach der Aufnahme wird dieser wieder gespalten, und die Vitamere gemeinsam mit Transcobalamin II in die Blutbahn abgegeben und so zu Zellen mit Bedarf transportiert. Dort wird der Transcobalamin II-Komplex wieder gelöst, und der Ligand (Hydroxy, Cyano, Adenosyl oder Methyl) entfernt. Das benötigte Methyl- bzw. Adenosylcobalamin wird dann aus einer vorliegenden Mischung mit und ohne Liganden gebildet [2, 4, 5].

Weitere Formenvon Cobalamin

Abgesehen von den biologisch aktiven B12 Vitameren OH-, CN-, Adn- und CH3-Cob, sind auch für Menschen biologisch nicht aktive Formen von Cobalamin beschrieben. Im Gegensatz zu den oben genannten vier B12-Vitameren, zeichnen sich diese Formen durch einen anderen unteren Liganden des Cobaltatoms aus (Abb. 1). So genanntes Pseudovitamin B12 verfügt über Adenin anstatt 5,6-Dimethylbenzimidazol (DMB) als unteren Liganden [6-8], was es für den Menschen biologisch inaktiviert, da der menschliche Körper nur den oberen Liganden nach Bedarf tauschen kann, jedoch nicht dazu im Stande ist, das kovalent gebundene Adenin zu substituieren. Durch den ausgeklügelten und hoch selektiven Aufnahmeprozess von aktiven B12-Vitameren erklärt sich die Anreicherung in der Nahrungskette und die Tatsache, dass Rinderleber den höchsten beschriebenen Gehalt aufweist (60 µg/100 g). Folgt man der evolutionären Leiter nach unten, so findet sich zunehmend Pseudovitamin B12, welches zwar nicht für Menschen, jedoch für die produzierenden Mikroorganismen biologisch aktiv ist. Dieser Umstand hat enorme Konsequenzen für die analytische Bestimmung von Vitamin B12.

Analytik

Aufgrund der sehr geringen vorkommenden Menge an Vitamin B12 stellt die Bestimmung dessen in Lebensmitteln bis heute eine große analytische Herausforderung dar. Erste erfolgreiche Verfahren zur Quantifizierung basierten auf mikrobiologischen Assays (MBA). Deren Prinzip beruht auf dem Wachstum von Mikroorganismen, die nicht in der Lage sind, Vitamin B12 zu synthetisieren, und daher auf die Zufuhr aus dem Nährmedium angewiesen sind. Diese Verfahren sind gut etabliert und zeichnen sich durch niedrige Nachweisgrenzen aus. Sie werden bis heute in mikrobiologischen Labors angewandt. Der Nachteil dieser Assays liegt jedoch in der Tatsache, dass die eingesetzten Mikroorganismen nicht in der Lage sind, zwischen unterschiedlichen Formen von Vitamin B12 zu unterscheiden. Dies beschränkt sich nicht nur auf die für Menschen biologisch aktiven Vitamere (OH‑, CN-, Adn-, CH3‑Cob), sondern auch auf nicht aktive Formen wie Pseudovitamin B12 [6]. Dies hat keine Konsequenzen, wenn MBAs für Lebensmittel tierischen Ursprungs angewandt werden, da sich dort zum überwiegenden Teil auch für Menschen aktive Formen angereichert haben. Wird jedoch die selbe Methodik auf Lebensmittel angewandt, die nicht tierischen Ursprungs sind (z.B. Algen wie Spirulina), ist diese nicht mehr in der Lage, zwischen den unterschiedlichen für Menschen biologisch aktiven und nicht aktiven Formen zu unterscheiden, was in weiterer Folge zu falsch-positiven Werten für den Gehalt an Vitamin B12 führt. Als Alternative zu MBAs haben sich in den letzten Jahren chromatographische Methoden zur Bestimmung von Vitamin B12 in Lebensmitteln etabliert, welche MBAs im Arbeitsaufwand und Dauer deutlich überlegen sind. Weiters konnte in Studien illustriert werden, dass chromatographische Methoden in der Lage dazu sind, B12-Vitamere von Pseudovitamin B12 zu trennen. Aus praktischen Gründen erfassen diese Methoden jedoch Vitamin B12 nur auf der Basis von CN-Cob, da vor allem Methyl- und Adenosylcobalamin sich unter Lichteinfluss schnell zersetzen, was für Cyanocobalamin nicht zutrifft. Darüber hinaus vereinfacht es die analytische Untersuchung, wenn weniger Analyten bestimmt werden müssen. Die starke Affinität des Cobalamins zu Cyanid wird daher schon seit geraumer Zeit zur gezielten Überführung aller möglichen B12-Vitamere in Cyanocobalamin angewandt.

Schlussfolgerungen

Die mangelnde Selektivität von MBAs in Bezug auf die unterschiedlichen möglichen Formen von Vitamin B12 stellt zwar bei Lebensmittel tierischen Ursprungs kaum ein Problem dar, ist jedoch bei fermentierten [6] oder aus Algen [9] gewonnenen Lebensmitteln gut beschrieben. Dies ist von großer Wichtigkeit für Menschen mit vegetarischer aber vor allem veganer Ernährung. Verzichtet man bewusst auf den Konsum aller tierischen Lebensmitteln, so muss Vitamin B12 über Nahrungsergänzungsmittel oder vitaminisierte Lebensmittel zugeführt werden. Gerade diese Produktklassen werden aber oft auf der Basis von Algen hergestellt. Diese Produkte können zum Großteil Pseudovitamin B12 enthalten, ein Umstand der in der chemischen Analytik berücksichtigt werden muss, um diese Lebensmittel hinsichtlich ihres Gehaltes an Vitamin B12 nicht zu überschätzen.

Autoren

Anatol Schmidt1 und Helmut K. Mayer1

 

Zugehörigkeiten:

1Abteilung für Lebensmittelchemie und -authentizität, Department für Lebensmittelwissenschaften und -technologie, Universität für Bodenkultur (BOKU) Wien, Wien, Österreich
 

Kontakt  
Ing. Dipl.-Ing. Dr. Anatol Schmidt
Universität für Bodenkultur (BOKU) Wien
Inst. Lebensmittelwissenschaften
AG Lebensmittelchemie
Wien, Österreich
anatol.schmidt@boku.ac.at

 

Referenzen:

[1] D. Burk, R.J. Winzler, Heat-labile, avidin-uncombinable, species-specific and other vitamers of biotin, Science, 97 (1943) 57-60. DOI:10.1126/science.97.2507.57

[2] D.S. Froese, R.A. Gravel, Genetic disorders of vitamin B 12 metabolism: Eight complementation groups - Eight genes, Expert Reviews in Molecular Medicine, 12 (2010). DOI:10.1017/S1462399410001651

[3] K. Netsomboon, A. Feßler, L. Erletz, F. Prüfert, M. Ruetz, C. Kieninger, B. Kräutler, A. Bernkop-Schnürch, Vitamin B12 and derivatives - In vitro permeation studies across Caco-2 cell monolayers and freshly excised rat intestinal mucosa, International Journal of Pharmaceutics, 497 (2016) 129-135. DOI:10.1016/j.ijpharm.2015.11.043

[4] R. Green, L.H. Allen, A.L. Bjørke-Monsen, A. Brito, J.L. Guéant, J.W. Miller, A.M. Molloy, E. Nexo, S. Stabler, B.H. Toh, P.M. Ueland, C. Yajnik, Vitamin B12 deficiency, Nature Reviews Disease Primers, 3 (2017). DOI:10.1038/nrdp.2017.40

[5] M.J. Nielsen, M.R. Rasmussen, C.B.F. Andersen, E. Nexø, S.K. Moestrup, Vitamin B 12 transport from food to the body's cells - A sophisticated, multistep pathway, Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology, 9 (2012) 345-354. DOI:10.1038/nrgastro.2012.76

[6] B. Chamlagain, M. Edelmann, S. Kariluoto, V. Ollilainen, V. Piironen, Ultra-high performance liquid chromatographic and mass spectrometric analysis of active vitamin B12 in cells of Propionibacterium and fermented cereal matrices, Food Chemistry, 166 (2015) 630-638. DOI:10.1016/j.foodchem.2014.06.068

[7] F. Watanabe, H. Katsura, S. Takenaka, T. Fujita, K. Abe, Y. Tamura, T. Nakatsuka, Y. Nakano, Pseudovitamin B12 is the predominant cobamide of an algal health food, spirulina tablets, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 47 (1999) 4736-4741. DOI:10.1021/jf990541b

[8] M.E. Taga, G.C. Walker, Pseudo-B12 joins the cofactor family, Journal of Bacteriology, 190 (2008) 1157-1159. DOI:10.1128/JB.01892-07

[9] F. Watanabe, Y. Yabuta, Y. Tanioka, T. Bito, Biologically active vitamin B12 compounds in foods for preventing deficiency among vegetarians and elderly subjects, Journal of Agricultural and Food Chemistry, 61 (2013) 6769-6775. DOI:10.1021/jf401545z

 

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