Wie wirken kohlenhydrathaltige Lebensmittel auf nützliche Darmbakterien?

Einfluss von Kohlenhydraten auf die Mikrobiota

Einfache Kohlenhydrate werden im Dünndarm vollständig aufgenommen. Da sie der enzymatischen Aktivität menschlicher Verdauungsenzyme widerstehen, werden hingegen komplexe Kohlenhydrateim oberen Magen-Darm-Trakt nicht vollständig verdaut.

Die Aufnahme komplex aufgebauter, als Ballaststoffe bezeichneter Kohlenhydrate steht bei Nagetieren und Menschen, unter anderem bei Adipositas, entzündlichen Darmerkrankungen und Asthma, über die Mikrobiota mit verschiedenen günstigen Wirkungen in Zusammenhang.

Was sind Zucker beziehungsweise Kohlenhydrate?

Kohlenhydrate, also Zuckerverbindungen, zählen neben Fetten und Proteinen zu den wichtigsten organischen Nährstoffen für Menschen und Tiere. Zucker dient vor allem der Energieversorgung. Diese in unserer Nahrung besonders häufigen organischen Verbindungen bestehen aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Je nach Anzahl und Anordnung dieser Elemente und ihrer Verwertbarkeit unterscheiden sich Aufbau und Bezeichnung der Zucker.

Die Abbildung oben zeigt die Bausteine der Kohlenhydrate. Ihre kleinsten Einheiten sind Monosaccharide: Glukose, Fruktose und Galaktose. Durch deren Verknüpfung entstehen Disaccharide wie Saccharose, Maltose und Laktose sowie Polysaccharide wie Stärke, Glykogen, Zellulose und Chitin.

Zucker:

1. Monosaccharide (Glukose, Fruktose, Galaktose)
2. Disaccharide (Saccharose, Maltose, Laktose)
3. Polysaccharide (Stärke, Nichtstärkepolysaccharide)
4. Zuckeralkohole (Sorbit, Maltitol, Laktitol) und weitere Gruppen

Stärkefindet sich besonders in Hülsenfrüchten, Brot, Kartoffeln und Nudeln und ist die wichtigste Energiequelle unserer Nahrung.

Komplexe Kohlenhydrate – etwa verdauliche Stärke, verdauungs- resistente Stärke und Zellulose – passieren den Dünndarm und dienen der Dickdarmmikrobiota (nützlichen Darmbakterien) als Substrat, also biologischer Rohstoff. Mehrere Darmbakterienarten setzen sie um und bilden Metaboliten wie kurzkettige Fettsäuren (KZYA), CO2 und H2, die das Darmmilieu prägen. Sie werden dabei fermentiert und so umgesetzt.

Was ist resistente Stärke?

Stärke ist ein verdauliches Polysaccharid, doch es gibt auch verdauungsresistente Formen. Resistente Stärke wird bei gesunden Menschen nicht im Dünndarm aufgenommen. Sie kann natürlich vorkommen, etwa in Hülsenfrüchten, nachträglich zugesetzt oder durch geeignete Verarbeitung vermehrt werden. Manche täglich verzehrten verarbeiteten Lebensmittel wie Brot, Nudeln und Frühstücksflocken enthalten nur wenig davon. Lebensmitteltechnologen und Produktentwickler arbeiten daran, den Gehalt zu erhöhen.

Verdauungsresistente Stärke gelangt in den Dickdarm, wird dort von der Mikrobiota fermentiert und liefert verschiedene Produkte einschließlich kurzkettiger Fettsäuren (KZYA) mit möglichen physiologischen Vorteilen. Verschiedene Faktoren beeinflussen ihren Gehalt, darunter die Morphologie der Stärkekörnchen, das Verhältnis von Amylose zu Amylopektin und deren Wechselwirkung mit anderen Lebensmittelbestandteilen. Ein aktuelles Forschungsinteresse ist ihre Verwendung als unverdaulicher Nahrungsbestandteil, der durch die Förderung einzelner oder weniger nützlicher Dickdarmbakterien dem Wirt nutzt, also als Präbiotikum . Dafür muss resistente Stärke drei Kriterien erfüllen: Widerstand gegen das obere Magen-Darm-Milieu, Fermentation durch die Darmmikrobiota und selektive Förderung von Wachstum und/oder Aktivität nützlicher Bakterien.

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Eine ballaststoffreiche pflanzenbasierte Ernährung steht mit mehr Roseburia-, Lachnospira- und Prevotella-Bakterien sowie erhöhter KZYA-Produktion in Zusammenhang.

Die ballaststoffabhängige Häufigkeit von Darmmikrobiota und Metaboliten kann Krankheitsverläufe unabhängig beeinflussen. Ballaststoffe haben zugleich Wirkungen wie eine Erhöhung des Stuhlvolumens, die von der Darmbewegung unabhängig sind.

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Nicht alle Ballaststoffe beeinflussen die Mikrobiota gleich

Bestimmte Ballaststoffe dienen bestimmten Darmbakterien als Substrat. Manche dabei biotransformierten Produkte können anderen Bakterien der Gemeinschaft als Rohstoff dienen.

Da die meisten Mitglieder der Darmmikrobiota eher Mono- und Oligosaccharide, also einfache Zucker, verstoffwechseln und ihre Fähigkeiten zum Kohlenhydratabbau variieren, ist gegenseitige Nährstoffversorgung für eine optimale Verdauung komplexer Polysaccharide notwendig.

Diese gegenseitige Versorgung führt je nach aufgenommenem Ballaststofftyp zur Entwicklung unterschiedlicher Bakteriengemeinschaften. Deshalb kann eine veränderte Ballaststoffauswahl komplexe Veränderungen ihrer gesamten Struktur und Funktion auslösen.

Die Zahl polysaccharidspaltender Enzyme unterscheidet sich stark zwischen Darmbakterien. Einige gelten als Generalisten und können viele verschiedene Kohlenhydrate verstoffwechseln, andere sind hoch spezialisiert. Bacteroides thetaiotaomicron und Bacteroides intestinalis einschließlich dieser Arten sind zahlreiche Mitglieder des Bacteroidetes-Stammes vermutliche Generalisten.

Andere Mitglieder der Darmmikrobiota, beispielsweise Prevotella copri und Rosaburia intestinalis gelten als vermutliche Spezialisten.

Eine Studie untersuchte Ballaststoffaufnahme und bakterielle Vielfalt. Menschlicher Stuhl wurde mit 15 unverdaulichen Kohlenhydraten inkubiert. Nicht nur der Substrattyp, sondern auch die Wechselwirkung zwischen Bakterien beeinflusste die gebildeten KZYA-Typen. Die wichtigsten, Acetat, Propionat und Butyrat, wirken wesentlich auf Mikrobiota und Gesundheit (siehe: Die wichtige Rolle der Darmmikrobiota für Ernährung und Gesundheit).

Fehlen Schlüsselbakterien, entstehen Lücken im Verdauungsprozess

Nach Einschätzung der Forscher könnte das Fehlen bestimmter Schlüsselbakterien die Fermentation unverdaulicher Kohlenhydrate vermindern. Zudem könne der anfängliche pH-Wert die Butyratproduktion steuern, indem er die Aktivität beteiligter Transferasen beeinflusst.

Dies verdeutlicht, wie komplex die Rolle unterschiedlicher Ballaststoffe für die Zusammensetzung der Mikrobiota und die KZYA-Produktion ist.

In einer Studie erhielten 19 gesunde, adipöse männliche Freiwillige eine kohlenhydrat- und ballaststoffarme Ernährung. Die Untersuchung ihrer mikrobio­tahaltigen Stuhlproben zeigte weniger Roseburia spp, Eubacterium rectale und Bifidobacteria sowie gleichzeitig niedrigere KZYA- und Butyratwerte.

Änderungen der Ballaststoffaufnahme können die Zusammensetzung der Mikrobiota über Generationen prägen. Beispielsweise korrelierte bei übergewichtigen Schwangeren die Aufnahme positiv mit Vielfalt und Artenreichtum. Bei Mäusen verringerte eine geringe Aufnahme unverdaulicher Kohlenhydrate die mikrobielle Vielfalt. Dieser Zustand hielt über 4 Generationen an und war selbst nach erneuter Erhöhung der Aufnahme unverdaulicher Kohlenhydrate nicht umkehrbar.

Fazit

Unter Berücksichtigung der Umwelteinflüsse auf Nachkommen wird verständlicher, warum die typische ballaststoffarme westliche Ernährung langfristig die Häufigkeit nichtübertragbarer Erkrankungen erhöht.

Die Schlussfolgerung lautet, dass Ballaststoffe für Entwicklung und Erhalt der Darmmikrobiota notwendig sind. Sie dienen als Substrat für das Fortbestehen und die Vermehrung der Bakterien. So nehmen nützliche Bakterien an Zahl und Vielfalt zu.

Außerdem haben wir die Bedeutung des Verzehrs verdaulicher, etwa Stärke, und unverdaulicher, etwa Ballaststoffe, komplexer Kohlenhydrate kennengelernt. Ballaststoffe sollten aus unterschiedlichen Quellen statt nur einem Lebensmittel stammen. So können verschiedene Bakterien fortbestehen und durch ihre Wechselwirkungen gesundheitsfördernde Stoffe bilden.