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Antinutritive Substanzen in Lupinen
Hans-Ulrich Jürgens
(Schriftgröße mindestens 16, besser 1
Vortragsveranstaltung GFL, Teltow 10.01.2017 www.jki.bund.de
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Inhaltsstoffe von Leguminosen
Antinutritive Inhaltsstoffe
• sind in Futtermitteln enthaltene Substanzen, die unabhängig vom Gehalt an
verfügbaren Hauptnährstoffen, Vitaminen und Mineralstoffen negative
Wirkungen auf das Tier haben können
• Vorkommen
stammen aus dem sekundären Stoffwechsel der Pflanze
keine essentiellen Funktionen im Primärstoffwechsel
jeweils nur in bestimmten Pflanzenarten
• Funktion:
Abwehr von Schädlingen und Krankheiten
Regulation des Wachstums
Färbe- und Duftstoffe
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Inhaltsstoffe von Leguminosen
Antinutritive Inhaltsstoffe
• Negative Effekte für das Tier
verminderte Futteraufnahme
verringerte Leistung der Tiere
Veränderungen der Verdaulichkeit der Nährstoffe
Stoffwechselstörungen
Toxizität
• Mensch „positive und negative Gesundheitswirkungen“
allergene Wirkungen
entzündungshemmende Wirkungen
antikanzerogene Wirkungen
antimikrobielle Wirkungen
antioxidative Wirkungen
Blutzucker beeinflussende Wirkungen
Wirkungen auf den Lipidstoffwechsel (Senkung LDL-Cholesterin)
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Antinutritive Inhaltsstoffe
Alkaloide
•Chinolizidinalkaloide
Kohlenhydrate
•Unverdauliche Oligosaccharide (RFO‘s)
•Nicht-Stärke-Polysaccharide (NSP; Pentosane ; ß- Glucane)
Proteine
•Proteinase-Inhibitoren (Hemmung von Trypsin und Chymotrypsin)
•Lektine (Hämagglutinine) (Resorptionsstörungen; Blutverklumpung)
Glycoside
•Saponine (Glycoside von Steroiden und/oder Triterpene)
•Pyrimidinglucoside (Vicin, Convicin)
•Glucosinolate (Thioglycosid)
Phenolderivate
•Isoflavone
•Tannine (Phenolderivate, Gerbstoffe)
•Alkylresorcinole
Chelatbildner
•Phytinsäure
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Alkaloide
Chinolizidinalkaloide
•Vorkommen: Lupinus, Genista, Cytisus, Baptisia, Thermopsis, Sophora
•Wirkung: Agonisten an nikotinischen und muskarinischen Acetylcholin-Rezeptoren hemmen neuronale Na+, K+ Kanäle hemmen in höherer Konzentration die Proteinbiosynthese einige stören Membranpermeabilität schmecken bitter und wirken fraßabschreckend toxisch für Insekten, Vertebraten, Schnecken, Würmer… Hemmen Wachstum von Pflanzen, Pilzen, Bakterien und Viren Sind teratogen und führen zu foetalen Mißbildungen
Funktionen in der Pflanze: N Speicher und Remobilisierung während der Keimung Chemische Abwehr von herbivoren Tieren und Pathogenen
(Wink 1998)
Elimenierung : Auskochen, Keimung, Fermentation Selektion von Süßlupinen
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Minuten5 10 15 20
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Gaschromatographische Analyse • nach salzsaurer Extraktion • Aufkonzentrierung (Flüssig-Flüssig-Extraktion an Kieselgur)
Chinolizidinalkaloide – L. angustifolius
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Spartein
Angustifolin
Isolupanin
Lupanin
13-Hydroxy-Lupanin
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Gaschromatographische Analyse • nach salzsaurer Extraktion • Aufkonzentrierung (Flüssig-Flüssig-Extraktion an Kieselgur)
Chinolizidinalkaloide – L. albus
13OH-Lupanin
Minuten161284
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Gaschromatographische Analyse • nach salzsaurer Extraktion • Aufkonzentrierung (Flüssig-Flüssig-Extraktion an Kieselgur)
Chinolizidinalkaloide – L. luteus
Lupinin
Gramin
Spartein
Lupin
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4 8 12
Minuten
16
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Kohlenhydrate
Oligosaccharide (RFO‘s)
•Vorkommen: Soya, Linsen, Erbsen Bohnen, Lupinen •Wirkung: mikrobielle Umgesetzung Bildung von Gasen
verursachen Flatulenz und andere Störungen
Funktionen in der Pflanze Kohlenstoffquelle während der Keimung Abwehr von Samenprädatoren
(Wink 1998)
Elimenierung durch Auskochen Keimung Fermentierung
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Stachyose
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Raffinose Family Oligosaccharides (RFO‘s)
Lit.
Gorecki, R. J., et al.
Seed Science Research 7.2 (1997): 107-15
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70°C, 30 Min.
Minuten8642
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Kohlenhydrate
Unverdauliche Oligosaccharide (RFO‘s)
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RFO
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L. albus 2.7 0.5 6.3 0.4 7.1 L. luteus 1.2 0.6 7.4 3.1 11.0 L. angustifolius 3.4 1.0 4.6 1.5 7.1
L. albus 2.4 1.0 5.3 1.4 7.7 L. angustifolius 2.3 0.6 4.1 1.2 5.9
Glycine max 7.0 1.0 4.7 0.3 6.0 Pisum sativum 3.0 0.5 2.3 2.2 5.0 Vicia faba 2.7 0.4 1.6 3.4 5.4
a) (Martinez-Villaluenga, Frias et al. 2005) b) (Knudsen 1997) c) (Steenfeldt, Gonzalez et al. 2003)
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Kohlenhydrate
Unverdauliche Oligosaccharide (RFO‘s)
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L. albus 6 88 5 L. luteus 5 67 28 L. angustifolius 14 65 21 L. albus 13 69 18 L. angustifolius 10 69 20 Glycine max 17 78 5 Pisum sativum 10 46 44 Vicia faba 7 30 63
a) (Martinez-Villaluenga, Frias et al. 2005) b) (Knudsen 1997) c) (Steenfeldt, Gonzalez et al. 2003)
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Nicht-Stärke-Polysaccharide (NSP)
NSP
Nicht-Cellulose-Polysaccharide (NCP) Hemicellulosen
• ß-(1,4) Galactane • Rhamnogalactane
Arabinose Uronsäuren
löslich (S-NCP)
unlöslich (I-NCP)
Cellulose •ß-(1,4) Glucane
(Knudsen 1997)
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2.0 g
Leguminosen-Schrot
Methanol/Wasser50/50 v/v
30 min
Rückstand Überstand
RFO‘s(GC)
HydrolyseSchwefelsäure/ Na2B4O7
2 h ExtraktionWasser
30 min
Hydrolyse2N Schwefelsäure
2 h
NSP(Gesamt)
NSP(löslich)
RückstandÜberstand
Hydrolyse2N Schwefelsäure
2 h
NSP(unlöslich)
Kohlenhydrate - Analyse
(Theander, Aman et al. 1995)
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Kohlenhydrate
Nicht-Stärke-Polysaccharide (NSP)
a) (Van Barneveld 1999) b) (Gdala, Jansman et al. 1997) c) (Knudsen 1997) d) (Steenfeldt, Gonzalez et al. 2003) e) (Kluge, Hirche et al.)
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L. albus 1.4 24.4 25.8 a)
L. angustifolius 2.2 22.9 25.1
L. angustifolius 37.5 b)
L. luteus 30.7
L. albus 13.4 13.9 13.1 40.5 1.4 c)
L. angustifolius 16.4 15.9 12.7 45.0 0.0 d)
L. angustifolius 6.1 34.2 e)
L. luteus 0.9 24.2
L. albus 0.6 27.4
Glycine max 6.3 9.2 6.2 21.7 2.7 c)
Pisum sativum 5.2 7.6 5.3 18.0 45.4
Vicia faba 5.0 5.9 8.1 19.0 40.7
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Nicht-Stärke Polysaccharide(NSP)
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H2SO
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NaBH3CN
DMSO / CH3COOH
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R = H, C2H
5
1 M
100 °C / 2 hHydrolyse
2 h / 80 +
Säule: 3 µ C18 (100 x 4,6 mm) FL-Detektor:Ex 340 nm Em 420 nm •Saure Hydrolyse der getrockneten Extrakte bzw. des Schrotes •Fluoreszenz-Markierung der Monosaccharide
Minuten4 8 12 16 20
IST
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Glucoproteine
Lektine
•Binden an Rezeptoren des Intestinaltrakts und damit in Verbindung stehende Organen
Sie stimulieren die Aktivität anderer Signalstoffe
Hormone
•Bei Resorption der Lektine
Hemmung der Proteinbiosynthese Agglutination der Blutzellen
Funktionen in der Pflanze Sticksoffspeicher (Metabolisierung bei Keimung) Fraßschutz gegen Herbivore
(Wink 1998)
Hämagglutinations-Aktivität
Units/mg
L. angustifolius < 0.05
L. luteus 0.05
L. albus 0.1
Glycine max, entfettet 1600-3200
Pisum sativum 100-400
Vicia faba 25-100
(Valdebouze, Bergeron et al. 1980)
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Glucoproteine
Proteaseinhibitoren
•Sie hemmen Proteasen Trypsin, Chymotrypsin Elastase …
•Sie schwächen Energieversorgung und Stoffwechsel •Führen zur Verarmung an Schwefel •Verursachen andere Störungen
Funktionen in der Pflanze Sticksoffspeicher (Metabolisierung bei Keimung) Fraßschutz gegen Herbivore
(Wink 1998)
Trypsin Inhibitor
TUI/mg DM
L. angustifolius < 1
L. luteus < 1
L. albus < 1
Glycine max, entfettet 59.4
Pisum sativum 3.1-10.4
Vicia faba 3.3-6.2
(Valdebouze, Bergeron et al. 1980)
Elimenierung durch Hitzebehandlung Gentechnik
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Glucoside
Saponine
•Interaktion mit Biomembranen von Tieren Pilzen und Bakterien •Komplexierung von membrangebundenem Cholesterol •Störung der Fluidität von Biomembranen
Loch- oder Porenbildung •Reizung von Schleimhäuten und Epidermen •Resorption von nicht diffundierenden Stoffen
Funktionen in der Pflanze Chemische Verteidigung
Pflanzenfresser (bitterer Geschmack) Pilze, Bakterien Konkurierende Pflanzen
(Wink 1998)
Saponine
mg/kg DM
L. angustifolius 270-470 / 520-740
L. luteus 57-68
L. albus 0
Glycine max, entfett. 1410-3450 /3300
Pisum sativum 1400
Vicia faba 4300
(Muzquiz, Ridout et al. 1993; Ruiz, Price et al. 1995)
Elimenierung Auskochen
Triterpene oder Steroide mit amphiphilen Eigenschaften
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Isoflavone [mg/g TM]
Samen
L. angustifolius 0.01
L. luteus <0.01
L. albus 0.01
Glycine max 0.062
Vicia faba 0.025
Pisum sativum 0.046
Phenolderivate
Isoflavone / Flavone
•Vorkommen: •Körnerleguminosen
Soja, Kichererbse, Lupinen
•Wirkung: •östrogene Aktivität
Vertebraten Hormonstörungen
•Hemmung von Tyrosin-Proteinkinasen
Krebsprävention
Funktionen in der Pflanze: Wirksam gegen phytopathogene Pilze Abwehr von Samenprädatoren
(Wink 1998)
Elimenierung : Auskochen
Genistein O
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OHOH
Daidzein
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OH O
OH
Apigenin
(Aisyah, Vincken et al. 2016; Kaufman, Duke et al. 1997)
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Tannine
% DM
L. angustifolius 0.01/0.02
L. luteus 0.02/0.03
L. albus 0.03/0.08
Glycine gelb/schwarz 0.14/0.47
Vicia faba 1.72
Vicia faba weissbl. 0.07/0.19
Pisum sativum 1.78
Phenolderivate
Tannine
•Vorkommen: •Körnerleguminosen
Ackerbohnen, Erbsen
•Wirkung: •Bitterer Geschmack
Komplexe mit Speichelproteinen
•Beeinträchtigt die enzymatische Verdauung Protein-Bindung
Funktionen in der Pflanze: Fraßschutz
Elimenierung : Züchtung weißblühend Hellsamig
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O
O
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OH
OH
OHO
OH
OHWasserlösliche Polyphenole
hydrolysierbare T. kondensierte T.
(Jansman 1993; Gefrom, Ott et al. 2013; Xu and Chang 2007)
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Chelatbildner
Phytinsäure
•Bildung stabiler Komplexe mit Fe, Zn, Mg und Ca-Ionen
•Herabsetzung der Verdauung
Funktionen in der Pflanze Speicherung von Phosphat und Mineralsalzen wichtig für die Ernährung während der Keimung
(Wink 1998)
Phytinsäure
% DM
L. angustifolius 0.50
L. luteus 0.78
L. albus 0.31
Glycine max 0.43-0.62
Pisum sativum 0.86
Vicia faba 0.45-0.89
(Petterson 2000; Delacuadra, Muzquiz et al. 1994)
Elimenierung Zugabe von Phytasen Fermentierung Keimung (Mälzung) Rösten
Inositole mit 4, 5 oder 6 Phosphatgruppen
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Zusammenfassung
Antinutritive Inhaltsstoffe
Inhaltsstoff Lupinus G. max V. faba P. sativum
Chinolizidinalkaloide (+/-) - - -
RFO‘s (+) (≈) (≈) (≈)
NSP (+) (≈) (≈) (≈)
Lektine sehr (-) (+) (-) (-)
Proteaseinhibitoren sehr (-) (+) (-) (-)
Saponine (-) (+) (+) (+)
Phytinsäure (≈) (≈) (≈) (≈)
Tannine (-) (≈) (+) (+)
Isoflavone (-) (+) (≈) (+)
(-) niedrige, (≈) mittlere, (+) hohe Gehalte
