Arbeiten an der Sterilbank

Forschung

Arbeiten an der Sterilbank
Foto: Peter Scheere

Forschungsziel

Darmgesundheit - toxikologische Bewertung ernährungsrelevanter Risiken und protektiver Faktoren

Die Forschung der Arbeitsgruppe Glei konzentriert sich insbesondere auf die Mechanismen der Kolonkarzinogenese, die Abschätzung von möglichen Risiken sowie die Beurteilung des protektiven Potenzials von sekundären Pflanzenstoffen und pflanzlichen (Nüsse, Hafer, Gerste…) sowie funktionellen Lebensmitteln. Spezifische Schwerpunkte bilden dabei Untersuchungen zur Beeinflussung von Zellvitalität, DNA-Integrität sowie der Expression von Genen des Fremdstoffmetabolismus. Letzteres mit dem Ziel der Verminderung individueller Empfindlichkeiten im Sinne der Chemoprävention. Die Nutzung sensitiver Biomarker dient der Identifizierung von möglichen Risiken. Dazu zählen gegenwärtig u. a. ernährungsrelevante Nanopartikel wie Zink, Gold, Titandioxid oder Magnesiumoxid, deren toxikologische Relevanz hinsichtlich der Darmgesundheit untersucht wird.

Aktuelle Publikationen

Chemopreventive effects of α-tocopherol and its long-chain metabolites α-13'-hydroxy- and α-13'-carboxychromanol in LT97 colon adenoma cells. 
Schlörmann W, Liao S, Dinc T, Lorkowski S, Wallert M, Glei M.
Food Funct. 2024 Jan 2;15(1):183-195

Composition of pork and German meat products with a focus on iron, selenium and iodine.
Schöne F, Ibel A, Lorkowski S, Ihling M, Ramminger S, Kirmse R, Spörl K, Kießling G, Glei M.
Journal of Food Composition and Analysis 119 (2023) 105246

Effect of a regular consumption of traditional and roasted oat and barley flakes on blood lipids and glucose metabolism - A randomized crossover trial. 
Reiners S, Hebestreit S, Wedekind L, Kiehntopf M, Klink A, Rummler S, Glei M, Lorkowski S, Schlörmann W, Dawczynski C.
Front Nutr. 2023 Feb 2;10:1095245.

Potential Role of ROS in Butyrate and Dietary Fiber-Mediated Growth Inhibition and Modulation of Cell Cycle-, Apoptosis- and Antioxidant-Relevant Proteins in LT97 Colon Adenoma and HT29 Colon Carcinoma Cells.
Schlörmann W, Horlebein C, Hübner SM, Wittwer E, Glei M.
Cancers 2023, 15, 440

Impact of in vitro digested zinc oxide nanoparticles on intestinal model systems.
Mittag A, Singer A, Hoera C, Westermann M, Kämpfe A, Glei M.
Part Fibre Toxicol. 2022 May 30;19(1):39.

Use of the ß-Glucan-Producing Lactic Acid Bacteria Strains Levilactobacillus brevis and Pediococcus claussenii for Sourdough Fermentation—Chemical Characterization and Chemopreventive Potential of In Situ-Enriched Wheat and Rye Sourdoughs and Breads.
Schlörmann W, Bockwoldt JA, Hübner SM, Wittwer E, Reiners S, Lorkowski S, Dawczynski C, Ehrmann MA, Glei M.
Nutrients 2022, 14, 1510.

Artificial Digestion of Polydisperse Copper Oxide Nanoparticles: Investigation of Effects on the Human In Vitro Intestinal Co-Culture Model Caco-2/HT29-MTX .
Büttner J, Schneider T, Westermann M, Glei M.
Toxics 2022, 10, 130.

Effects of Zinc Oxide Nanoparticles on Model Systems of the Intestinal Barrier.
Mittag A, Owesny P, Hoera C, Kämpfe A, Glei M.
Toxics 2022, 10, 49.

Fermentation profile, cholesterol-reducing properties and chemopreventive potential of β-glucans from Levilactobacillus brevis and Pediococcus claussenii - a comparative study with β-glucans from different sources.
Schlörmann W, Bockwoldt JA, Mayr MF, Lorkowski S, Dawczynski C, Rohn S, Ehrmann MA, Glei M.
Food Funct. 2021 Nov 1;12(21):10615-10631.

Cellular Uptake and Toxicological Effects of Differently Sized Zinc Oxide Nanoparticles in Intestinal Cells.
Mittag A, Hoera C, Kämpfe A, Westermann M, Kuckelkorn J, Schneider T, Glei M.
Toxics 2021, 9, 96.

Impact of pH changes on metal oxide nanoparticle behaviour during artificial digestion.
Schneider T, Mittag A, Westermann M, Glei M.
Food Funct. 2021 Mar 1; 12(4): 1452-1457.

Chemopreventive effects of raw and roasted oat flakes after in vitro fermentation with human fecal microbiota.
Glei M, Zetzmann S, Lorkowski S, Dawczynski C, Schlörmann W.
International Journal of Food Sciences and Nutrition, 2021, 72 (1);57-69.

Impact of processing degree on fermentation profile and chemopreventive effects of oat and waxy barley in LT97 colon adenoma cells.
Schlörmann W, Keller F, Zetzmann S, Lorkowski S, Dawczynski C, Glei M.
European Food Research and Technology, 2021, 247:569-578

Pflanzenöle und -fette: Inhaltsstoffe und gesundheitliche Wirkungen.
Glei M.
ERNÄHRUNGS UMSCHAU Heft 12, 2020, M728-M738.

Thermal Processing has no Impact on Chemopreventive Effects of Oat and Barley Kernels in LT97 Colon Adenoma Cells.
Schlörmann W, Atanasow J, Lorkowski S, Dawczynski C, Glei M.
Nutrition and Cancer 2020, Dec 11, 1-12.

Impact of ultrasonication on the delivered dose of metal oxide particle dispersions in vitro.
Schneider T, Westermann M, Glei M.
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2020 Sept 20; 601: 125026.

 Einfluss von ß-Glucanen auf die Darmgesundheit.
Atanasov J, Schlörmann W, Trauvetter U, Glei M.
ERNÄHRUNGS UMSCHAU Heft 3, 2020, M140-M147.

Study on chemopreventive effects of raw and roasted β-glucan-rich waxy winter barley using an in vitro human colon digestion model.
Schlörmann W, Atanasov J, Lorkowski S, Dawczynski C, Glei M.
Food Funct. 2020 Mar 26;11(3):2626-2638.

Impact of different roasting conditions on sensory properties and health-related compounds of oat products.
Schlörmann W, Zetzmann S, Wiege B, Haase NU, Greiling A, Lorkowski S, Dawczynski C, Glei M.
Food Chem. 2020 Mar 1;307:125548.

Aktuelle Projekte

"Nutzbarmachung bakterieller β-Glukane für die Strukturverbesserung und die Erhöhung des nutritiven Wertes von Backwaren"


Projektlaufzeit: 01.12.2018 - 31.05.2022

Projektförderung: Forschungskreis der Ernährungsindustrie e. V.

Projektpartner (Forschungsstelle 1): Technische Universität München, Lehrstuhl für Technische Mikrobiologie

Pflanzliche β-Glukane aus Hafer und Gerste sind wertvolle lösliche Ballaststoffe, für die eine cholesterinsenkende sowie blutzuckerregulierende Wirkung beschrieben ist. Darüber hinaus können sie in ihrer Funktion als Ballaststoff präbiotische Wirkungen entfalten und so zur Gesunderhaltung des Darms beitragen. Besonders in Bezug auf die Darmgesundheit kommt den Ballaststoffen eine besondere Rolle zu. So konnte gezeigt werden, dass diese das Darmkrebsrisiko reduzieren. Daher empfiehlt die Deutsche Gesellschaft für Ernährung eine tägliche Ballaststoffaufnahme von 30 g. 

Derzeit ist eine gezielte Nutzung gesundheitsfördernder pflanzlicher β-Glukane in Backwaren dadurch limitiert, dass von Natur aus β-Glukan-reiche Getreide wie Hafer oder Gerste aufgrund ihrer technologischen und sensorischen Eigenschaften nur bedingt für Backanwendungen geeignet sind. Reinere (angereicherte) β-Glukan-Präparationen pflanzlichen Ursprungs wiederum sind gegenwärtig relativ teuer und zur Herstellung von Backwaren aus wirtschaftlicher Sicht wenig geeignet. Allerdings haben frühere Studien darauf hingewiesen, dass pflanzliche β-Glukane intensiv mit frei verfügbarem Wasser reagieren, wodurch es im gewählten Ansatz mit direkten Teigführungen zu negativen strukturellen Beeinflussungen von Weizen-/Roggengebäcken kam. 

Hingegen wurden in jüngerer Zeit Stämme mehrerer Spezies von Milchsäurebakterien (MSB) (Lactobacillus spp., Pediococcus spp.) identifiziert, die traditionell Bestandteil von Weizen-/Roggensauerteigen und dazu in der Lage sind, β-Glukane zu bilden. Derzeit gibt es keine Studien dazu, in wie weit sich β-Glukane aus MSB, die sich in ihrer Makromolekülstruktur von pflanzlichen β-Glukanen unterscheiden, auch hinsichtlich ihres nutritiven Werts, wie z. B. cholesterinsenkender und chemopräventiver Eigenschaften unterscheiden. Zudem wurde bislang nicht untersucht, ob Weizen- oder Roggenbrote, welche von Natur aus einen geringen β-Glukan Gehalt aufweisen, durch den Zusatz β-Glukan-haltiger Sauerteige hinsichtlich ihrer strukturellen und sensorischen Eigenschaften verbessert werden können.

Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung der anwendungsbezogenen Grundlagen für den wissensbasierten Einsatz von β-Glukan-bildenden Milchsäurebakterienstämmen zur Verbesserung der Struktur und der ernährungsphysiologischen Wertigkeit von Backwaren. Die zentrale Arbeitshypothese ist dabei, dass von Natur aus β-Glukan-arme Teige aus Roggen und Weizen über regulierbare Sauerteigfermentationen unter Vermeidung von Restsüße mit β-Glukan aus MSB angereichert werden können, welches neben strukturverbessernden Eigenschaften eine Ballaststofffunktion sowie eine cholesterinsenkende und chemopräventive Wirkung hat.

Am Lehrstuhl für Technische Mikrobiologie (Technische Universität München, Freising) werden dazu Stämme hinsichtlich ihrer Durchsetzungsfähigkeit in Sauerteigen identifiziert, die β-Glukan-Bildung in Sauerteigen optimiert und die Dynamik der β-Glukan-Bildung durch die selektierten MSB untersucht. In Zusammenarbeit mit Mitgliedern des Projektbegleitenden Ausschusses erfolgt dann die Herstellung von Pilotsauerteigen, welche in industriellen Backversuchen eingesetzt werden, und die Herstellung der β-Glukan-haltigen Proben (Sauerteigbrote, β-Glukan-Zellverbände) für Untersuchungen an der Professur für Ernährungstoxikologie.

Die Professur für Ernährungstoxikologie bestimmt die chemische Zusammensetzung der β-Glukan-haltigen Proben und führt Versuche zur Bewertung deren Verdaulichkeit (in vitro-Verdau und -Fermentation), cholesterinsenkenden Wirkung sowie deren Potenzial zur Chemoprävention an LT97 Kolonadenomzellen durch.

Der Mehrwert aus der Zusammenarbeit der beiden Forschungsstellen ergibt sich daraus, dass über den Vergleich mit kommerziell erhältlichen β-Glukanen mikrobiellen und pflanzlichen Ursprungs Beziehungen zwischen Molekülstrukturen der β-Glukane (einschließlich Bakteriennetzwerk) und einem strukturverbessernden sowie potenziellen gesundheitlichen Zusatznutzen erarbeitet werden können.

 

Projektpartner:

Ernst Böcker GmbH und Co. KG
Carl Künkele zur Schapfenmühle GmbH & Co. KG
Purvegan GmbH
biotask AG
Wback GmbH
Berief Food GmbH
Kuchenmeister GmbH
Der Backzutatenverband e. V.
Weihenstephaner Institut für Getreideforschung

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Foto: www.fei-bonn.de

 

"Analyse von synthetischen Nanopartikeln in Lebensmitteln mittels Einzelpartikel-ICP-MS"

Projektlaufzeit: 01.01.2018 - 31.12.2020

Projektförderung: EFRE-Mittel der Europäischen Union (EU)

Verbundpartner: Analytik Jena AG und Lehrstuhl für Ernährungstoxikologie, Friedrich-Schiller-Universität Jena

Die Nanotechnologie hat aufgrund der besonderen Eigenschaften nanoskaliger Materialien längst Einzug in die verschiedensten Bereiche der Lebensmittelindustrie (Landwirtschaft, Lebensmittelverarbeitung, Lebensmittelzusatzstoffe, Lebensmittelverpackung, Lebensmittelsicherheit) gehalten. Nanopartikel können daher sowohl auf direktem Weg über die Nahrung als auch indirekt durch Kontaminationen von Lebensmitteln vom Verbraucher oral aufgenommen werden. Einmal im Verdauungstrakt angekommen, verteilen sich die Nanopartikel im ganzen Körper, da sie von den zellulären Barrieren wenig bis gar nicht zurückgehalten werden können. Eine toxikologische Bewertung des Gefährdungspotenzials von oral aufgenommenen Nanomaterialien ist daher unabdingbar. Die derzeitige Studienlage über mögliche gesundheitsschädliche Effekte ist jedoch sehr widersprüchlich, was oft durch unzureichende Testmethoden oder fehlende Möglichkeiten zum Nachweis und zur Charakterisierung der Partikel bedingt ist. Ein immer häufiger genutztes analytisches Werkzeug ist die Massenspektrometrie mit induktiv-gekoppeltem Plasma im zeitaufgelösten Messmodus (Einzelpartikel-ICP-MS) zur einfachen und sicheren Bestimmung partikelspezifischer Parameter (Größe, Größenverteilung, chemische Zusammensetzung, Konzentration, Aggregation).

Ziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung einer Analyseplattform für den Nachweis potenziell gesundheitsschädlicher Nanomaterialien in Lebensmitteln. Unter Verwendung der Einzelpartikel-ICP-MS soll die Detektion anorganischer Nanopartikel ermöglicht werden. Dafür wird der Verbund-partner Analytik Jena AG ein universelles Probenzufuhrsystem sowie eine Software zur Datenanalyse entwickeln. Für die Etablierung und zur Evaluierung der praktischen Anwendbarkeit der Methodik werden am Lehrstuhl für Ernährungstoxikologie ernährungsrelevante Nanopartikel (Gold, Titandioxid, Magnesiumoxid) synthetisiert, funktionalisiert und charakterisiert. Die Nanopartikel werden Matrizes mit steigender Komplexität zugesetzt und mit Hilfe des vom Verbundpartner neu zu entwickelnden Verfahrens analysiert. Darüber hinaus erfolgt eine toxikologische Bewertung der Partikel.

Das Verbundvorhaben schafft die Voraussetzung für den Nachweis von Nanomaterialien in Lebensmitteln und die Beurteilung eines möglichen Gefährdungspotenzials.

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Foto: www.efre-thueringen.de

 

"Einfluss einer Röstung auf gesundheitsrelevante Inhaltsstoffe und Wirkungen von β-glucanreichen Getreidesorten (Gerste, Hafer)"

Projektlaufzeit: 01.03.2017 – 30.11.2019

Projektörderung: Forschungskreis der Ernährungsindustrie e. V.

Beteiligte Forschungsstellen:
I.  Lehrstuhl Ernährungstoxikologie
II. Lehrstuhl Biochemie & Physiologie der Ernährung

In zahlreichen Studien konnte bereits nachgewiesen werden, dass sich ein Verzehr von Ballaststoffen positiv auf die Prävention nicht ansteckender, chronisch verlaufender Erkrankungen wie z. B. kardiovaskuläre Erkrankungen, Diabetes oder Darmkrebs auswirken kann. Voraussetzung dafür ist aber, dass ausreichend protektive Stoffe aufgenommen werden. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung empfiehlt daher einen täglichen Ballaststoffverzehr von 30 g. Laut Nationaler Verzehrstudie II liegt die Ballaststoffaufnahme aktuell jedoch nur bei durchschnittlich 18 g/d und insbesondere bei jüngeren Menschen und Senioren noch niedriger. Ziel muss daher sein, den Verzehr insbesondere von Getreideballaststoffen zu steigern. Dies könnte z. B. durch sensorisch attraktivere Produkte (z. B. geröstet) erreicht werden. Positive gesundheitliche Effekte wie die Reduktion der postprandialen Blutglukose und der Insulinantwort sowie eine cholesterolsenkende Wirkung wurden im Besonderen für lösliche Ballaststoffe aus Hafer und Gerste nachgewiesen. Verantwortlich für diese Effekte wird das in diesen Getreidesorten reichlich enthaltene β-Glucan gemacht. β-Glucan zählt zu den Nicht-Stärke-Polysacchariden und besteht aus 70 % (1-4)- und 30 % (1-3)-verknüpften β-D-Glucopyranosyl-Untereinheiten. Um eine Reduktion der postprandialen glykämischen Antwort zu erreichen, sollten 4 g β-Glucan aus jeweils 30 g verfügbaren Kohlenhydraten pro Mahlzeit aus Hafer oder Gerste aufgenommen werden. Eine Reduktion der Cholesterolkonzentration und eine damit verbundene Verminderung des Risikos für kardiovaskuläre Erkrankungen wird bei hypercholesterämischen Patienten durch 3 g β-Glucan pro Tag erzielt. β-Glucan wird von intestinalen Bakterien fermentiert, wobei potentiell chemopräventiv wirksame kurzkettige Fettsäuren (SCFA: Acetat, Propionat und Butyrat) im Darm gebildet werden. Neben dem Gehalt an β-Glucan beeinflussen auch dessen Struktur (z. B. molekulare Masse) und die Stärkezusammensetzung sowie die Verarbeitung der Getreideprodukte und die daraus resultierende Bildung von resistenter Stärke die gesundheitlichen Effekte. Da es bisher keine Untersuchungen zum Einfluss des Röstens auf gesundheitsrelevante Parameter gibt, soll dies im Rahmen des Projektes untersucht werden.

Ziel des Vorhabens ist es daher, Röstbedingungen zu etablieren, die zu sensorisch hochwertigen Produkten führen, wobei die wertgebenden Inhaltsstoffe und physiologischen Wirkungen erhalten bleiben sollten.

In dem Projekt werden Gersten- und Haferkerne sowie unterschiedlich geröstete Gersten- und Haferkerne, Gersten- und Haferflocken sowie unterschiedlich geröstete Gersten- und Haferflocken (jeweils kernig und zart) untersucht. Dafür werden handelsüblicher Hafer (Peter Kölln GmbH & Co. KGaAExterner Link) und eine spezielle Gerstenzüchtung mit besonders hohem Anteil an β-Glucan (beta®Gerste, Dieckmann Seeds GmbH & Co. KGExterner Link / Dieckmann Cereals GmbHExterner Link) verwendet. Eine sensorische Bewertung wird die Auswahl verzehrsfähiger Produkte ermöglichen. Mittels Molekulargewichtsbestimmung des β-Glucans und einer Viskositätsmessung der Produkte vor und nach in vitro-Verdau sowie der Bestimmung von SCFA nach in vitro-Fermentation kann eine Abschätzung des metabolischen Effekts im Menschen erfolgen. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die Auswahl von je einem gerösteten Hafer- und Gerstenprodukt, deren physiologischen Wirkungen im Rahmen einer Humaninterventionsstudie im Vergleich zur nicht gerösteten Variante und einer Kontrolle untersucht werden.

Da im Darm gebildete SCFA auch chemopräventive Effekte entfalten können, sollen die erzeugten Proben der in vitro-Fermentation zusätzlich genutzt werden, um den Einfluss des Röstens auf chemopräventive Eigenschaften der Gersten- und Haferproben im in vitro Zellsystem (LT97-Kolonadenomzellen) zu untersuchen.

Projektpartner:

Brandt Zwieback GmbH & Co. KG
Dieckmann Cereals GmbH/Dieckmann Seeds GmbH & Co. KG
Gutena Nahrungsmittel GmbH
Food GmbH
H. & J. Brüggen KG
Hipp-Werk Georg Hipp OHG
Max-Rubner-Institut, Detmold
Peter Kölln GmbH & Co. KGaA
Probat-Werke, von Gimborn Maschinenfabrik GmbH
Rubin Mühle GmbH
Schapfenmühle GmbH & Co. KG
Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft
Verband deutscher Mühlen e. V.
Verband der deutschen Getreideverarbeiter und Stärkehersteller (VDGS) e.V.

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Foto: www.fei-bonn.de