Glukosinolate: scharfe Substanzen in Kohl und Co

Glukosinolate verleihen einigen Pflanzen ihren stechenden scharfen Geruch. Sie sind besonders reichhaltig in der Gruppe der Kreuzblütler (Kruziferen) vertreten. Sie bestehen aus einer Glukoseeinheit, einer schwefelhaltigen Gruppe und einer Sulfatgruppe. Glukosinolate sind schwefelhaltige Moleküle und werden im Sekundärstoffwechsel der Pflanze aus Aminosäuren gebildet. Sie kommen überwiegend in Pflanzen der Familie der Cruciferae (Kreuzblütler) vor und sind in Senf, Kresse, Meerrettich sowie Kohlgemüsearten verantwortlich für deren typischen Geschmack. Alle Glukosinolate sind chemisch stabile Moleküle mit einer gemeinsamen Grundstruktur. Die besteht aus einer Glukoseeinheit, einer schwefelhaltigen Gruppierung mit einem Aglukonrest sowie einer Sulfatgruppe.

Aufbau und Eigenschaften

Über 120 verschiedene Glukosinolate sind bekannt, diese unterscheiden sich jedoch nur im Aglukonrest, der eine Alkyl-, Alkenyl-, Aryl- oder Indolylstruktur sein kann. Der Aglukonrest ist entscheidend für die sensorischen und physiologischen Wirkungen. So wird beispielsweise die Schärfe von Meerrettich und Senf durch Allylisothiocyanat ausgelöst, Sinigrin und Progoitrin verursachen den bitteren Geschmack in Rosenkohl und anderen Kohlgemüsearten. Glukosinolate machen bei einigen Kreuzblütlern bis zu 1 Prozent der Trockenmasse aus. Es treten aber große sortenbedingte Unterschiede auf. In 100 g frischem Brokkoli finden sich 50–100 mg Glukosinolate, wobei Brokkolisprossen, mit einer zehn- bis hundertfach höheren Menge, die höchsten Konzentrationen aufweisen. Die Glucosinolatgehalte der Pflanze nehmen mit dem Wachstum und der Reife der Pflanzen ab. Somit kann der Glucosinolatgehalt in Wildformen den Gehalt in Züchtungen um den Faktor 1000 übersteigen. Heutzutage werden zum Beispiel Wildpflanzen genutzt, um den Gehalt an potenziell antikanzerogen wirkenden Glukosinolaten in Brokkolineuzüchtungen zu erhöhen. Verluste beim Erhitzen von Kohlgemüsearten können den Glucosinolatgehalt um 35 bis 60 Prozent verringern. Die Verluste entstehen aufgrund der thermischen Instabilität der Glukosinolate sowie durch deren Auslaugung in die Kochflüssigkeit. Die hierbei entstehenden Indolverbindungen besitzen im Tierversuch eine geringere antikanzerogene Wirkung als die im unerhitzten Kohlgemüse vorliegenden. Bei der Sauerkrautherstellung werden alle vorhandenen Glukosinolate durch die Fermentation des Weißkohls innerhalb von zwei Wochen hydrolysiert.

Funktionen und Aufgaben

Glukosinolate bzw. dessen Abbauprodukte haben antimikrobielle, fungistatische, antibakterielle und antikanzerogene Eigenschaften. Ebenfalls wird ihnen eine cholesterinsenkende Wirkung zugesprochen.

Neue Erkenntnisse weisen auf einen deutlichen Zusammenhang zwischen einem hohen Verzehr an Kreuzblütlern und einem geringen Risiko für Krebserkrankungen hin. So wird Glukosinolaten zum einen eine antikanzerogene Wirkung nachgesagt, indem sie bei erhöhter Aufnahme die Krebsentstehung in Magen, Brust, Leber und Lunge hemmen, zum anderen besteht die Annahme, dass Glukosinolate cholesterolsenkend wirken. Ergebnisse aus verschiedenen Tierversuchen zeigen, dass die Indol-3-Carbinol Verbindung sowohl das LDL- als auch das VLDL-Cholesterol im Blut senken. Glukosinolate wirken so möglicherweise antiatherosklerotisch. Zudem weisen (Iso-) Thiozyanate in den Harnwegen eine antimikrobielle Wirkung gegenüber Bakterien, Pilzen und Viren auf. Bezüglich der antikanzerogenen Wirkung der Glukosinolate ist jedoch darauf hinzuweisen, dass diese nicht direkt die antikanzerogene Wirkung ausüben, sondern deren hydrolysierte Abbauprodukte Isothiozyanate, Thiozyanate und Indole.
In Pflanzen dienen Glukosinolate der Abwehr von Fraßschädlingen und Mikroorganismen (Bakterien, Viren, Schimmelpilze). Wird pflanzliches Zellgewebe beschädigt (z.B. auch beim Zerkleinern bei der Nahrungszubereitung), so entstehen aus den Glukosinolaten ihre enzymatischen Abbauprodukte Isothiozyanate (Senföle), Thiozyanate, Nitrile und Indole. Dies geschieht, indem das pflanzeneigene Enzym Myrosinase (eine β-Thioglukosidase) die Aglucone der Glucosinolate abspaltet. Eine negative Wirkung der Glukosinolate ist die, dass sie als sogenannte Goitrogene die Kropf-Bildung fördern.

Antikanzerogene Wirkung

In zahlreichen Tieruntersuchungen wurden für die Abbauprodukte der Glukosinolate, die Isothiozyanate, Thiozyanate und Indole, antikanzerogene Wirkungen gegenüber Speiseröhre, Magen, Leber, Brust und Lunge bestätigt.

Isothiozyanate und Thiozyanate

Isothiozyanate und Thiozyanate entstehen bei dem enzymatischen Abbau der Glukosinolate. Zu den bedeutendsten antikanzerogen wirkenden Isothiozyanaten und Thiozyanaten gehören Phenethylisothiozyanat, Benzylisothiozyanat, Benzylthiozyanat und Sulforaphan. Im Tierversuch zeigten einige Isothiozyanate und Thiozyanate eine hemmende Wirkung auf die Krebsentstehung in Magen, Brust, Leber und Lunge bei Ratten und Mäusen. Phenethylisothiozyanat hemmte in vivo und in vitro die mutagene Wirkung von Nitrosaminen. Ein Hydrolyseprodukt der Isothiozyanate, das Goitrin, schützte Ratten vor der Bildung von Leberkrebs. Isothiozyanate und Thiozyanate können die Kanzerogenese im frühen Stadium sowie auch in einem späteren Stadium beeinflussen. Ihre Wirksamkeit steht in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der Verabreichung des Kanzerogens. Bei Mäusen konnte eine Tumorbildung verhindert werden, wenn Isothiozyanate zeitlich vor oder gleichzeitig mit dem Kanzerogen gegeben wurden. Wenn die Verabreichung jedoch nach der Tumorinitiation erfolgte, scheint, wenn überhaupt, nur eine schwach hemmende Wirkung bei Mäusen aufzutreten und dann auch nur in solchen Mengen, die bereits gesundheitsschädlich wirken. Als Inhaltsstoff von Kohlgewächsen können sie in solchen hohen Konzentrationen nicht aufgenommen werden.

Und auch am Menschen konnten bei Frauen mit Brustkrebs und gesunden Frauen im Urin die Ausscheidung von Isothiocyanaten – den Abbauprodukten der Glukosinolate – aus Kohlgemüse gemessen werden. Hierbei hatte die Gruppe mit der höchsten Isothiocyanatausscheidung im Urin ein um 50 % geringeres Risiko für Brustkrebs verglichen mit der Gruppe mit der niedrigsten Ausscheidung. Bei Untersuchungen der Isothiozyanat- und Thiozyanatgehalte der menschlichen Nahrung wurde festgestellt, dass die Zufuhr dieser Stoffe innerhalb verschiedener Bevölkerungsgruppen stark schwankt und ebenfalls von der Jahreszeit abhängig ist. Eine Aufteilung der Glukosinolate und deren Abbauprodukten wurde dabei nicht oder nur selten vorgenommen. Es wurde festgestellt, dass die Serumkonzentration von Thiozyanaten durch Ernährung sowie durch das Rauchen beeinflusst wird. Die starke Abhängigkeit der antikanzerogenen Wirkung der Isothiozyanate und Thiozyanate vom Zeitpunkt der Verabreichung lässt darauf schließen, dass sie während der Initiationsphase die Krebsentstehung beeinflussen. Folgende protektive Mechanismen werden für die Isothiozyanate und Thiozyanate diskutiert:

  • Kompetitive Hemmung von Phase-I-Enzymen (z.B. Cytochrom-P450-abhängige Enzyme, die die Aktivierung von Kanzerogenen verursachen können)
  • Induktion von Phase-II-Enzymen (z.B. Glutathion-S-Transferase, Quinon-Reduktase)
  • Induktion der Apoptose
  • Hemmung der DNA-Schädigung, die zur Initiation führen kann
  • Hemmung der Invasion von Tumorzellen
  • Verzögerung der Entstehung von Tumoren über die Verlangsamung des Zellzyklus

Indole

In klinischen Studien konnte gezeigt werden, dass Brokkoli, Weißkohl und Rosenkohl eine phytoöstrogene Wirkung haben, indem sie den körpereigenen Östrogenstoffwechsel beeinflussten]. Auf diese Weise schützten sie möglicherweise vor hormonbezogenen Krebsarten wie Brust-, Gebärmutterschleimhaut- und Prostatakrebs. Es wurden für die Indol-Glukosinolate in vitro antimutagene und in vivo antikanzerogene Wirkungen nachgewiesen. Die einzelnen Indole wirkten gegen verschiedene Krebsarten (z.B. Magen-, Darm-, Zungen-, Leber- und Lungenkrebs) protektiv. Bei den Untersuchungen über den Einfluss von Indolen auf die Krebsentstehung wurden auch indolhaltige Gemüse wie beispielsweise Blumen- und Rosenkohl eingesetzt. In besonders hohen Konzentrationen ist hier das Indol-3-Carbinol enthalten. Indol-3-Carbinol ist die wichtigste antikanzerogen wirksame Substanz der Indole. Es wird durch Hydrolyse aus dem Glukosinolat Glucobrassicin gebildet und hat eine phytoöstrogene Wirkun.

Im Versuch mit Ratten bewirkten die Indole bzw. indolreichen Gemüsearten eine Wachstumshemmung der durch Aflatoxin B1 induzierten Lebertumoren. Neuere Untersuchungen belegen auch eine protektive Wirkung des Indol-3-Carbinols bei spontan auftretendem Krebs in der Gebärmutterschleimhaut bei Ratten. Weitere tierexperimentelle Untersuchungen kamen zu dem Ergebnis, dass die Wirkung in Abhängigkeit zum Zeitpunkt der Indolgabe steht. Eine Indol-3-Carbinol-Fütterung vor der Aflatoxin B1 Gabe konnte die Bindung von Aflatoxin B1 an die DNA verhindern, wodurch die Kanzerogenese um 90 Prozent gehemmt wurde. Die Verabreichung von Indol-3-Carbinol nach der Gabe von Aflatoxin B1 oder anderen Kanzerogenen führte, genau gegenteilig, zu einer Förderung der Leber- bzw. Schilddrüsenkanzerogenese. Während Indol-3-Carbinol also zum einen die Kanzerogenese über die Induktion von Phase-I-Enyzmen (z.B. Cytochrom-P450-abhängige Enzyme) fördern kann, kann es auf der anderen Seite durch Induktion von Phase-II-Enzymen (z.B. Glutathion-S-Transferase, Epoxidhydrolase, Quinonreduktase) dieselbe hemmen. Folgende Mechanismen für die in Tierversuchen festgestellten Zusammenhänge zwischen Indolen und einzelnen Krebsarten werden diskutiert:

  • Modulation der Aktivität von Phase-I-Enzymen
  • Induktion von Phase-II-Enzymen
  • Beeinflussung des Östrogenstoffwechsels

Antimikrobielle Wirkung

Pflanzen der Gattung Kreuzblütler enthalten Isothiozyanate und Thiozyanate, welche eine antimikrobielle Wirkung aufweisen. Das unter allen bekannten Senfölen wirksamste Antibiotikum ist hier das Benzylisothiozyanat. Der Verzehr von 10-40 g Blättern der Garten- oder Kapuzinerkresse bzw. der gleichen Menge Meerrettichwurzeln enthalten 20-80 mg antimikrobiell wirksame Bestandteile. Diese Konzentrationen (20-100 mg Senföle/ml) können anhand einer normalen Ernährung erreicht werden und führen in den ableitenden Harnwegen zu einer therapeutischen Wirksamkeit dieser Substanzen. Im Tierexperiment konnten durch Benzylisothiozyanat Virusinfektionen unterdrückt werden. Das Senföl wirkte dabei aber nicht toxisch auf den Virus, es hemmte die Virusvermehrung durch eine negative Beeinflussung des Virusstoffwechsels. Um Bakterien wie E.coli abzutöten benötigt man täglich 20-30 g frische Kresseblätter, was im Rahmen normaler Verzehrsbedingungen nicht erreichbar ist. Somit kam man zu dem Schluss, dass mit frischen Pflanzen keine erfolgreiche Therapie gegen Infektionen durchführbar ist. Ein regelmäßiger Verzehr von Kresse und Meerrettich kann sich aber möglicherweise zur Prävention von bestimmten Infektionen als Bestandteil einer antimikrobiellen Ernährung, besonders mit Personen einer erhöhten Anfälligkeit, eigenen. Ein Vorteil gegenüber einer Antibiotikabehandlung besteht darin, dass Senföle aufgrund ihrer guten Fettlöslichkeit im Duodenum vollständig resorbiert werden, wodurch die Darmflora in den unteren Darmabschnitten nicht beeinträchtigt wird. Die antimikrobielle Wirkung bezieht sich hauptsächlich auf die Harnwege, da die Senföle wahrscheinlich in der Leber an Glutathion gebunden werden und das Konjugat in ein Mercaptursäurederivat überführt wird, welche in den Harn gelangt. Hier kann ein Teil wieder in antimikrobiell aktives Senföl gespalten werden.

Vorkommen

Reich an Glukosinolaten sind Senf, Radieschen, Raps, Rettich und Kohlgewächse. Viele Glukosinolate sind auch in Gartenkresse und Kohlgemüse wie Kohlrabi, Brokkoli, Rosen-, Grün-, Blumen-, Rot- und Weißkohl enthalten, wo sie zu deren typischen Geschmack beitragen. Generell sind Glukosinolate in Kreuzblütengewächsen (Brassicaceae bzw. Cruciferae) und Kaperngewächsen (Capparaceae) weit verbreitet.  Sie können bei einigen Brassica-Arten bis zu 1% der Trockenmasse ausmachen, wobei große sortenbedingte Unterschiede vorkommen. In 100 g frischem Brokkoli finden sich z.B. 50 bis 100 mg Glukosinolate und in Brokkolisprossen sind sogar 10- bis 100-fach höhere Glukosinolatmengen als in Brokkoligemüse enthalten. In Pflanzen wie Kohl, Sojasprossen, Radieschen oder Brunnenkresse liegen die Glukosinolatgehalte bei ca. 50 bis 300 mg/100 g. Blumenkohl weist mit 12,2 mg/100 g Frischsubstanz den geringsten Gehalt an Glukosinolaten auf.

Durch lebensmitteltechnische Verarbeitung nimmt der Glukosinolatgehalt aufgrund von Hitzeinstabilität und durch Auslaugung um mehr als 50% ab. Werden Kohlgemüsearten erhitzt, so kann sich deren Glukosinolatgehalt um 35 bis 60 % verringern. Des Weiteren können sie durch fermentative Prozesse wie z.B. Milchsäuregärung (bei der Sauerkrautherstellung) abgebaut werden.  Aber auch allein durch Wachstum und Reife der Pflanzen sinkt ihr Gehalt an Glukosinolaten. Werden glukosinolathaltige Lebensmittel zerkleinert, entstehen durch ein pflanzeneigenes Enzym (Myrosinase – eine Thioglucosidase) die drei Abbauprodukte Isothiozyanate, Thiozyanate und Indole, die für den Geruch, Geschmack und die Wirkungen der Kreuzblütler verantwortlich sind. Allerdings hemmen Isothiozyanate und Thiozyanate den Iodeinbau in der Schilddrüse, so dass die Bildung eines Kropfes gefördert wird. Hierbei konkurrieren die Isothiozyanate und Thiozyanate mit Jod um die Einlagerung in die Schilddrüse, woraufhin nicht genügend Jod zur Bildung der Schilddrüsenhormone zur Verfügung stehen [2]. Als Reaktion darauf kommt es zu einem verstärkten Wachstum des Schilddrüsengewebes – dem Kropf. Ein hoher Verzehr an glukosinolathaltigem Kohlgemüse und eine geringe Iodversorgung kann die Entstehung einer Struma begünstigen. Diese wird auch als Kohlstruma bezeichnet.