Einführung
Ballaststoffe in der Ernährung spielen eine wichtige Rolle und wirken wechselseitig zwischen der Ernährung, endogenen Enzymen, der Schleimhaut und dem symbiotischen Mikrobiom. All diese Faktoren gelten als entscheidend für die Nährstoffaufnahme und sind ein Schlüsselfaktor für eine optimale Darmgesundheit.
Die zusammenfassende Übersetzung im Magazin allaboutfeed.net, verfasst von Dr. Knud Erik Bach Knudsen, Professor an der Universität Kopenhagen, mit dem Titel „Fibre’s role in animal nutrition and intestinal health“ behandelt die Rolle von unverdaulichen Ballaststoffen, die jedoch eine wichtige Komponente im Verdauungssystem von monogastrischen Nutztieren darstellen. Ballaststoffe in der Ernährung können nicht durch endogene Enzyme verdaut werden, beeinflussen jedoch die Verdauung und Absorption und fungieren als präbiotische Substrate, die für nützliche Darmbakterien vorteilhaft sind. Die Zusammenfassung des Artikels wird im Folgenden kurz dargestellt.
Was sind Ballaststoffe in der Ernährung?
Ballaststoffe in der Ernährung (Dietary fibre, DF) sind wichtige Bestandteile einiger weniger Pflanzen in Futtermitteln für Schweine. Ballaststoffe sind resistent gegen die Verdauung durch Enzyme im Dünndarm und gelangen daher in großen Mengen in den Darmtrakt, wo sie die Hauptsubstrate für die mikrobielle Fermentation, insbesondere im Dickdarm, darstellen. Aufgrund der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Ballaststoffe beeinflussen sie sowohl das Mikrobiom als auch die Schleimhaut an allen Stellen des Magen-Darm-Trakts.
Nach der jüngsten Definition umfassen Ballaststoffe nicht-stärkehaltige Polysaccharide (NPS), resistente Stärke (RS), unverdauliche Oligosaccharide (NDO) und polyphenolische Ether-Lignine, die keine Kohlenhydrate sind. Die Hauptpolysaccharide der NPS sind Cellulose und verschiedene nicht-cellulosische Polysaccharide (NCP), β-Glucan, Arabinoxylan, Xylan, Xyloglucan und Pektine. Der Ballaststoffgehalt in Futtermitteln variiert stark, abhängig von den Getreidesorten, die im Allgemeinen niedrigere Konzentrationen aufweisen als Hülsenfrüchte und proteinreiche Pflanzen, und ist oft höher in Nebenprodukten aus Getreide und der Lebensmittelindustrie (Abbildung 1).
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Abbildung 1: Ballaststoffgehalt (g/kg Trockensubstanz) in verschiedenen Futtermitteln |
Es gibt auch große Unterschiede in der Zusammensetzung der NCP zwischen den Futtermitteln; bei Getreide sind Arabinoxylan und β-Glucan hoch, wobei β-Glucan für den relativ hohen löslichen NCP-Anteil in Gerste und Hafer verantwortlich ist, verglichen mit Weizen und Mais. Bei Hülsenfrüchten, proteinreichen Pflanzen und ballaststoffreichen Substanzen sind Pektin und Xyloglucan die Haupt-NCP, wobei Pektine für den relativ hohen löslichen NCP-Anteil in diesen Futtermitteln verantwortlich sind. Der RS-Gehalt ist bei Hülsenfrüchten höher als bei Getreide. Im Allgemeinen enthalten Hülsenfrüchte auch höhere Mengen an NDO unter den Futtermitteln. Daher ist es möglich, Rationen mit unterschiedlichen Ballaststoffzusammensetzungen zusammenzustellen.
Ein gemeinsames Merkmal aller Ballaststoffquellen ist ihre Fähigkeit zu quellen, Wasser in der Zellwandmatrix zu binden und die Viskosität bei Zugabe von Wasser zu erhöhen (Abbildung 2). Während alle Ballaststoffquellen quellen und Wasser binden können, hängen die viskosen Eigenschaften von der Art und chemischen Natur der Polysaccharide ab, die die Ballaststofffraktion der Ernährung ausmachen. Zum Beispiel erhöht Zuckerrübenschnitzel hauptsächlich die Wasserbindungsfähigkeit des Verdauungsinhalts, während die viskose Eigenschaft von Zuckerrübenschnitzeln gering ist. Im Gegensatz dazu löst sich β-Glucan in größerem Maße aus der Zellwandmatrix und erhöht die Viskosität im Darminhalt.
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Abbildung 2: Wasserbindungs-Eigenschaften dargestellt durch Quellfähigkeit, Löslichkeit und Wasserhaltekapazität. Der Anfang des Lösungsprozesses von Makromolekülen ist das Quellen, bei dem Wasser die Makromoleküle verteilt, bis sie vollständig gequollen und dispergiert sind. Die meisten Polysaccharide bilden viskose Lösungen, wenn sie in Wasser gelöst sind. Die Viskosität hängt von der chemischen Struktur, dem Molekulargewicht des Makromoleküls und der Konzentration ab. |
Einfluss auf Verdauung und Fermentation
Der Magen-Darm-Trakt besteht aus verschiedenen Abschnitten wie Mund, Magen, Dünndarm, Dickdarm und den unterstützenden Organen wie Leber und Bauchspeicheldrüse, die ebenfalls in den Verdauungs- und Absorptionsprozess einbezogen sind. Alle diese Teile arbeiten zusammen mit peripheren Organen über eine Vielzahl von Rezeptoren (Dehnung, Tastsinn, Chemorezeptoren), die den Verdauungs- und Absorptionsprozess durch hormonelle und neuronale Rückkopplungssignale überwachen. Auf diese Weise werden Veränderungen des Nährstoffspiegels im Blut minimiert und die Versorgung der verschiedenen Organe mit Nährstoffen reguliert und optimiert. Ballaststoffe sind ein wichtiger Faktor in der Ernährung, der primär die Verdauung und Absorption beeinflusst und somit die Regulation und Versorgung der Organe und Gewebe nicht direkt über den Verdauungstrakt steuert.
Ballaststoffe beeinflussen die Verdauung und Absorption an allen Stellen des Magen-Darm-Trakts sowie die Sekretion von Verdauungssäften aus Bauchspeicheldrüse und Leber (Abbildung 3). Eine Erhöhung der Ballaststoffzufuhr führt zu einem höheren Gewicht und Volumen des Magen-Darm-Inhalts und zu einem höheren Nährstofffluss an allen Stellen. Lösliche Ballaststoffe erhöhen die Viskosität im Darminhalt, was die Magenentleerung verzögert und die Verdauung im Dünndarm behindert, indem sie den Kontakt zwischen Substrat und Verdauungsenzymen einschränken und die Bewegung der hydrolysierten Produkte verlangsamen. Sowohl lösliche als auch unlösliche Ballaststoffe liefern Substrate für die mikrobielle Fermentation im Dickdarm. Lösliche Ballaststoffe sind leichter fermentierbar; der Großteil wird im Blinddarm und proximalen Dickdarm abgebaut, während unlösliche Ballaststoffe weiter distal abgebaut werden und nicht vollständig fermentiert werden.
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Abbildung 3: Einfluss von Ballaststoffen auf physiologische Prozesse in Bezug auf Transitzeit, Verdauung und Absorption in verschiedenen Abschnitten des Magen-Darm-Trakts und die Verwertung der Energie in der Körpermasse. |
Die wichtigsten Stoffwechselprodukte der bakteriellen Fermentation sind kurzkettige Fettsäuren (SCFA; hauptsächlich Acetat, Propionat und Butyrat), zudem ist der pH-Wert des Darminhalts niedriger. Der Großteil der gebildeten SCFA wird schnell absorbiert und liefert Energie für den Wirt, obwohl die energetische Nutzung der SCFA im Allgemeinen geringer ist als die Energie, die z.B. durch Glukose im Dünndarm aufgenommen wird. Der Grund für die geringere Energieausbeute der SCFA im Vergleich zu Glukose liegt in Verlusten durch gasförmige Fermentationsprodukte und einer geringeren Effizienz des Stoffwechsels. Daher haben ballaststoffreiche Rationen im Allgemeinen einen geringeren Energiegehalt als ballaststoffarme Rationen, hauptsächlich aufgrund der geringeren Verdaulichkeit, aber auch wegen der geringeren Energieausbeute der absorbierten Nährstoffe.
Einfluss auf die Darmgesundheit
Präbiotika sind unverdauliche Nahrungsbestandteile, die sich vorteilhaft auf den Wirt auswirken, indem sie selektiv das Wachstum und/oder die Aktivität einer oder mehrerer begrenzter Bakteriengruppen im Dickdarm stimulieren und so die Gesundheit des Wirts verbessern. Die Bakteriengruppen Firmicutes und Bacteroidetes sind in den meisten Tierarten präsent, Enterobacteria spp., wie Escherichia coli, gelten als ungünstig für die Darmgesundheit, da sie häufig mit Darmerkrankungen in Verbindung gebracht werden, während Lactobacillus spp., Bifidobacterium spp. und Roseburia spp. meist als gesundheitsfördernd angesehen werden.
Während Ballaststoffe im Allgemeinen den Kohlenhydratfluss in den Dickdarm erhöhen und somit die Aktivität der gesamten bakteriellen Population stimulieren und den pH-Wert senken, können nur wenige spezifische Polysaccharide der Ballaststoffe gezielt das Wachstum nützlicher Bakteriengruppen fördern. Sowohl Oligo- als auch Polysaccharide sind oft wirksamer bei der Modulation der bakteriellen Zusammensetzung, wie bei der Fütterung von Inulin mit unterschiedlichen Kettenlängen, Fruktanen (Mischungen aus Oligo- und Polysacchariden aus Fructose) und RS beobachtet wurde.
Arabinoxylan, ein Hauptbestandteil der Ballaststoffe in Roggen und Weizen, zeigt ebenfalls einen Einfluss auf die bakterielle Zusammensetzung, indem es das Wachstum von butyratproduzierenden Mikroorganismen fördert. Butyrat ist ein wichtiger Metabolit für die Epithelzellen, liefert Energie und hat eine regulierende Funktion für Zellwachstum und -differenzierung. In diesem Zusammenhang ist bemerkenswert, dass der Einsatz von Xylanase zur teilweisen Hydrolyse von Arabinoxylan zu einer Mischung von Oligomeren am Ende des Dünndarms führen kann. Dies könnte ein bislang unzureichend erforschtes Potenzial zur Regulierung des bakteriellen Stoffwechsels und der Zusammensetzung im Dickdarm darstellen.
Bemerkungen und Anwendung
Ballaststoffe in der Ernährung können von endogenen Enzymen bei monogastrischen Nutztieren wie Schweinen und Geflügel nicht verdaut werden; falls doch, handelt es sich nur um eine sehr geringe Menge löslicher Ballaststoffe, die vom Darmmikrobiom, insbesondere im Blinddarm von Geflügel, fermentiert werden. Ballaststoffreiche Rationen haben im Allgemeinen einen geringeren Energiegehalt und eine geringere Verdaulichkeit als ballaststoffarme Rationen, wie im Artikel beschrieben. Allerdings kann eine zu geringe Ballaststoffzufuhr bei Nutztieren zu Verstopfung führen. In der antibiotikafreien Mast von Masthühnern nach bio-sicheren Methoden werden bestimmte Ballaststoffkomponenten als präbiotische Nahrung für probiotische Bakterien betrachtet, die die Verdauung, Gesundheit und Leistung der Tiere verbessern.
In der Geflügelhaltung ist es wichtig, die Ballaststoffmenge je nach Tierart, Rasse und Alter anzupassen, um eine gute Verdauungsphysiologie zu fördern, die Nährstoffverwertung zu erhöhen und das Gleichgewicht der nützlichen Darmbakterien zu erhalten. Zum Beispiel enthält das Futter für Masthühner mit Farbgefieder etwa 3,5–4 % Gesamtballaststoffe, während bei Junghennen der gleichen Rasse der Ballaststoffgehalt 4,5–5 % betragen kann, usw.
PGS Bùi Xuân Mến, Forschungs- und Entwicklungszentrum Vemedim.
Literaturverzeichnis
Knudsen KEB (2016) Fibre’s role in animal nutrition and intestinal health.
