Starch modification by tea polyphenols under ultrasonic power control: Digestive behavior and physicochemical characteristics

Jeden Tag verlassen sich Milliarden von Menschen auf Stärke als Energiequelle. Sie ist der primäre Kohlenhydratbestandteil in der menschlichen Ernährung und findet sich in allem, von Kartoffeln und Reis bis hin zu Yams und Weizen. Wenn wir Stärke essen, baut unser Körper sie zu Glukose ab, die unsere Zellen antreibt. Doch nicht alle Stärken werden mit der gleichen Geschwindigkeit abgebaut. Einige Arten lösen sich schnell auf, was nach einer Mahlzeit zu einem rasanten Anstieg des Blutzuckerspiegels führt, während andere langsam oder gar nicht abgebaut werden und so eine stetige Energiefreisetzung ermöglichen. Für viele Menschen, insbesondere für diejenigen, die Erkrankungen wie Typ-2-Diabetes managen, ist die Geschwindigkeit, mit der sich Stärke in Zucker verwandelt, ein entscheidender Faktor für ihre Gesundheit. Wissenschaftler versuchen schon lange, die Struktur von Stärke zu verändern, um diesen Prozess zu verlangsamen, in der Hoffnung, Lebensmittel zu kreieren, die den Blutzuckerspiegel stabil halten, ohne den Geschmack oder die Textur zu opfern. Ein vielversprechender Weg besteht darin, Stärke mit natürlichen Pflanzenverbindungen namens Polyphenolen zu kombinieren, die in Tee reichlich vorhanden sind und für ihre gesundheitlichen Vorteile bekannt sind. Die Herausforderung bestand darin, einen Weg zu finden, diese beiden Inhaltsstoffe fest genug miteinander zu verbinden, um die Art und Weise, wie der Körper sie verdaut, zu verändern, wobei Methoden verwendet werden sollten, die sicher, effizient und skalierbar für die Lebensmittelproduktion sind.

In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Forscher der Henan Agricultural University eine spezifische Technik, um dieses Problem zu lösen: den Einsatz von Schallwellen, um Tee-Polyphenole an Yamswurzel-Stärke zu binden. Die Yamswurzel-Stärke, die aus der Tiegun-Yamswurzel gewonnen wird, ist eine nahrhafte, aber oft untergenutzte Zutat, die schwierig zu verarbeiten sein kann. Die Forscher wollten sehen, ob sie Ultraschall – eine Technologie, die hochfrequente Schallwellen nutzt, um intensive physikalische Kräfte zu erzeugen – verwenden können, um der Stärke und den Tee-Verbindungen zu helfen, sich ineinander zu verriegeln. Sie bereiteten eine Mischung aus Yamswurzel-Stärke und Tee-Polyphenolen vor und unterzogen sie einer Ultraschallbehandlung bei fünf verschiedenen Leistungsstufen, die von sanften 96 Watt bis zu starken 480 Watt reichten. Das Ziel war es, den „Sweet Spot“ zu finden, an dem die Schallwellen stark genug waren, um die Stärkemoleküle umzustrukturieren und die Tee-Verbindungen im Inneren einzufangen, aber nicht so stark, dass sie die Struktur zerstörten, die sie gerade erst aufzubauen versuchten.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Leistung der Schallwellen einen dramatischen Unterschied machte. Wenn die Mischung überhaupt keiner Ultraschallbehandlung unterzogen wurde, band sich nur sehr wenig der Tee-Polyphenol tatsächlich an die Stärke. Die Forscher stellten jedoch fest, dass mit zunehmender Leistung die Menge der Tee-Verbindungen, die erfolgreich an die Stärke gebunden waren, steil anstieg und bei einer spezifischen Einstellung von 288 Watt ihren Höhepunkt erreichte. Auf diesem optimalen Niveau war die Bindung fast zwanzigmal effektiver als ohne die Ultraschallbehandlung. Wenn sie die Leistung noch weiter erhöhten, auf 384 oder 480 Watt, sank die Bindungseffizienz wieder. Es schien, dass die Schallwellen wie ein präzises Werkzeug wirkten: Bei der richtigen Intensität brachen sie die Stärkekörner gerade so weit auf, dass die Tee-Verbindungen hineingelangen konnten und die Stärkemoleküle in eine neue, dichtere Form umstrukturierten. Aber wenn der Schall zu laut war, riss er die Struktur auseinander und machte die Verbindungen rückgängig, die die Forscher gerade erst zu bilden versuchten.

Eine genaue Betrachtung der modifizierten Stärke unter dem Mikroskop offenbarte genau, was geschah. Die ursprünglichen Yamswurzel-Stärkekörner waren glatt und gleichmäßig, aber nach der Ultraschallbehandlung sahen sie aus wie unregelmäßige, fragmentierte Stücke mit vielen winzigen Löchern und Poren. Diese poröse, raue Oberfläche war entscheidend, da sie es den Tee-Polyphenol-Molekülen ermöglichte, sich tief in die Stärkematrix einzubetten, anstatt nur auf der Oberfläche zu liegen. Die Forscher bestätigten, dass diese neue Struktur eine spezifische Art der molekularen Anordnung ist, die als V-Typ-Einschlusskomplex bekannt ist, bei dem sich die Stärkeketten wie eine Wendeltreppe um die Tee-Moleküle wickeln. Diese Struktur war am vollkommensten und geordnetsten in den Proben, die mit 288 Watt behandelt worden waren, welche auch den höchsten Grad an Kristallinität aufwiesen, was bedeutet, dass die Moleküle in einem sehr stabilen, starren Muster zusammengepackt waren.

Diese strukturelle Veränderung hatte eine tiefgreifende Auswirkung darauf, wie der Körper das Lebensmittel verdaut. Als die Forscher die modifizierte Stärke in einer simulierten Verdauungsumgebung testeten, fanden sie heraus, dass die mit 288 Watt behandelte Version signifikant schwerer aufzuspalten war. Die Menge der Stärke, die schnell in Zucker umgewandelt wurde, sank, während die Menge an resistenter Stärke – Material, das das Verdauungssystem durchläuft, ohne absorbiert zu werden – erheblich zunahm. Folglich fiel der geschätzte glykämische Index, ein Maß dafür, wie stark ein Lebensmittel den Blutzuckerspiegel erhöht, auf ein niedriges Niveau. Die Studie verfolgte auch, wie die Tee-Verbindungen während der Verdauung freigesetzt wurden. Sie fanden heraus, dass der Tee langsam und stetig über die Zeit freigesetzt wurde, anstatt alles auf einmal. Entscheidend war, dass die Forscher auch die Aktivität der Verdauungsenzyme selbst maßen und feststellten, dass die Tee-Verbindungen die Enzyme nicht daran hinderten, zu arbeiten. Stattdessen wurde die verlangsamte Verdauung durch die physikalische Struktur der Stärke selbst verursacht; die dichte, poröse Anordnung machte es den Enzymen schlichtweg schwierig, die Stärkemoleküle zu erreichen, um sie aufzuspalten.

Die Studie untersuchte auch, wie sich die modifizierte Stärke bei Hitze und Wasser verhält. Die Proben, die mit der optimalen Einstellung von 288 Watt behandelt wurden, zeigten eine verbesserte Stabilität bei Erhitzung, was bedeutet, dass sie höheren Temperaturen standhalten konnten, bevor sie zerfielen, was eine wünschenswerte Eigenschaft für das Kochen und die Verarbeitung ist. Sie nahmen Wasser auch anders auf als die Rohstärke und bildeten ein dichteres Netzwerk, das dem Quellen und zu schnellen Auflösen widerstand. Diese physikalischen Veränderungen deuten darauf hin, dass die modifizierte Stärke in einer Vielzahl von Lebensmitteln verwendet werden kann, ohne ihre Textur oder Stabilität zu verlieren. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die Verwendung von Ultraschall bei einer spezifischen, moderaten Leistungstufe ein effektiver und effizienter Weg ist, um eine neue Art von funktionellen Lebensmittelzutaten zu kreieren. Durch das physische Einfangen von Tee-Polyphenolen in der Yamswurzel-Stärke schufen sie ein Material, das langsam verdaut, den Blutzuckerspiegel stabiler hält und die vorteilhaften Eigenschaften sowohl der Stärke als auch des Tees bewahrt, was ein potenzielles Werkzeug für die Entwicklung gesünderer Lebensmittel für Menschen darstellt, die auf ihren Blutzuckerspiegel achten müssen.