Zur Wirkung von Ascorbinsäure als Mehlverbesserungsmittel

Peter Köhler, Garching


Die Wirkung von Ascorbinsäure
An der Einführung der Ascorbinsäure zur Mehlverbesserung durch Jørgensen im Jahr 1935 ist überraschend, dass ein Reduktionsmittel, das einen Teig normalerweise weicher macht, so wirksam sein kann wie ein Oxidationsmittel, das zur Verfestigung eines Teiges führt. Nach Zusatz von Ascorbinsäure zu Weizenmehl werden die Teige fester und das Brotvolumen höher als ohne Zusatz von Ascorbinsäure. Im Unterschied zu dem in den USA zugelassenen Mehlverbesserungsmittel Kaliumbromat, das ähnliche Wirkungen wie die Ascorbinsäure zeigt, haben jedoch zu hohe Mengen an Ascorbinsäure keine Zerstörung der Kleberstruktur zur Folge.

Die Struktur des Weizenklebers
Um das Prinzip der Wirkung von Ascorbinsäure zu verstehen, ist zunächst ein Blick auf die Struktur des Weizenklebers notwendig. Weizenkleber besteht aus mehr als hundert Proteinkomponenten, die jeweils aus mehreren hundert Aminosäuren aufgebaut sind. Die Kleberproteine werden nach ihrer Löslichkeit in zwei Gruppen eingeteilt: die alkohollöslichen Gliadine, die für die Viskosität des Klebers verantwortlich sind sowie die unlöslichen Glutenine, die den Kleber elastisch machen.
Wichtig für die Eigenschaften der Kleberproteine ist die Aminosäure Cystein, die in ihrer Seitenkette eine Thiolgruppe trägt. Thiolgruppen enthalten ein Schwefel- und ein Wasserstoffatom und werden als SH-Gruppen bezeichnet. Cystein wird daher häufig auch durch die Schreibweise CSH dargestellt, Proteine mit SH?Gruppen werden als PSH bezeichnet. Thiolgruppen werden sehr leicht zu Disulfidgruppen (SS?Gruppen; Disulfidbindungen) oxidiert, wobei aus zwei Molekülen Thiol eine Disulfidbindung entsteht. Der größte Teil der Thiolgruppen des Cysteins liegt im Weizenkleber in Form von Disulfidbindungen vor.

Die Art der im Kleber vorliegenden Disulfidbindungen bestimmt dessen Eigenschaften. Besonders wichtig sind die Disulfidbindungen, die verschiedene Proteinmoleküle verbinden. Diese Art der Disulfidbindungen wird als intermolekular bezeichnet und spielt in den Gluteninen eine wichtige Rolle. Da intermolekulare Disulfidbindungen einzelne Protein-Bausteine verbinden, entstehen daraus große Makromoleküle oder Polymere. In der Kurzschreibweise werden diese Makromoleküle des Weizenklebers auch als PSSP bezeichnet. Je größer diese Makromoleküle sind, desto fester und elastischer ist der Teig. Disulfidbindungen, die sich nur innerhalb desselben Moleküls ausbilden, werden als intramolekular bezeichnet und führen nicht zu einer Ausbildung von Makromolekülen. In den Gliadinen liegen ausschließlich intramolekulare Disulfidbindungen vor , weshalb die Gliadine auch monomere Proteine sind, die keinen Beitrag zu den elastischen Eigenschaften des Weizenklebers leisten.

Was ist ein Thiol-Disulfidaustausch?
Thiolgruppen können nicht nur durch Oxidation in Disulfidbindungen überführt werden, sie können auch mit Disulfidbindungen reagieren. Diese Reaktion wird als Thiol-Disulfidaustausch bezeichnet. Dabei wird das Thiol in eine Disulfidbindung eingebunden, und ein neues Thiol, das vorher als Disulfid gebunden vorlag, wird freigesetzt. Am Beispiel der Kleberproteine kann die Reaktion wie folgt formuliert werden: P1SH + PSSP ? P1SSP + PSH. Eine solche Reaktion hat keine Auswirkungen auf die Eigenschaften des Weizenklebers, weil die Größe der Makromoleküle erhalten bleibt.

Glutathion macht den Kleber weicher
Glutathion ist ein Peptid aus den drei Aminosäuren Glutaminsäure, Cystein und Glycin, das in den äußeren Schichten des Getreidekorns vorkommt und bei der Vermahlung ins Mehl gelangt. Durch die Aminosäure Cystein enthält Glutathion eine SH?Gruppe und wird daher kurz als GSH bezeichnet. Glutathion ist niedermolekular, kann sich im Teigsystem sehr schnell bewegen und damit auch äußerst leicht die für SH-Gruppen typischen Reaktionen eingehen. Eine Oxidation führt unter Ausbildung einer neuen Disulfidbindung zum oxidierten Glutathion, das auch als GSSG bezeichnet wird: GSH + GSH ? GSSG. Es kann jedoch auch ein Thiol-Disulfidaustausch mit bereits bestehenden Disulfidbindungen stattfinden. Untersuchungen haben gezeigt, dass fast ausschließlich intermolekulare Disulfidbindungen der Glutenine mit dem Glutathion reagieren: GSH + PSSP -> GSSP + PSH. Glutathion wird also in Form einer Disulfidbindung an die Kleberproteine gebunden. Diese Reaktion hat jedoch Auswirkungen auf die Kleberstruktur, da die Makromoleküle der Glutenine dadurch gespalten (depolymerisiert) werden und in ihrem Molekulargewicht abnehmen. Dies äußert sich makroskopisch durch eine Erweichung des Klebers. Im Gegensatz zum Glutathion (GSH) weist das oxidierte Glutathion (GSSG) diese nachteilige Eigenschaft nicht auf. Da es selbst ein Disulfid ist, kann es nur mit SH?Guppen der Kleberproteine reagieren (PSH + GSSG ? PSSG + GSH), was aber keine Auswirkungen auf die Kleberstruktur hat, da die Makromoleküle nicht gespalten werden. Die Aminosäure Cystein (CSH), die ebenfalls in geringen Mengen im Mehl vorkommt, reagiert nach dem gleichen Muster wie das Glutahion. Das Disulfid des Cysteins wird als Cystin (CSSC) bezeichnet.

Chemische Reaktionen beim Anteigen
Die Ergebnisse der Forschungen auf dem Gebiet der Wirkung von Ascorbinsäure können an Hand des Reaktionsschemas in Abbildung 2 interpretiert werden. Beim Anteigen von Mehl ohne Ascorbinsäure-Zusatz reagiert das Glutathion mit den Disulfidbindungen von Kleberproteinen (RK 1) und mit Cystin (CSSC; RK 2), wobei Cystein (CSH) freigesetzt wird. RK 1 führt zu einem Abbau der Makromoleküle, wenn in den Gluteninen intermolekulare Disulfidbindungen angegriffen werden. Der Teig wird weicher und damit durchlässiger für die von der Hefe gebildeten Treibgase (CO2, daneben Ethanol). Auch das freigesetzte Cystein kann diese Depolymerisation weiter fördern (RK 3). Die Rückreaktion (RK 4) dient der Gleichgewichtseinstellung von CSH und GSH.

Enzymatische Reaktionen nach Zusatz von Ascorbinsäure
Nach dem Zusatz von Ascorbinsäure wird diese im Teig sehr schnell durch Luftsauerstoff zur Dehydroascorbinsäure (DHAsc) oxidiert. Diese Reaktion wird von einem Enzym, der Ascorbinsäureoxidase, katalysiert (RK 5). Die Dehydroascorbinsäure nimmt dann an einer zweiten enzymatischen Reaktion teil, bei der sie wieder in Ascorbinsäure überführt wird, und bei der im Gegenzug Glutathion zum Disulfid (GSSG) oxidiert wird (RK 6). Diese Reaktion läuft in Gegenwart des in Weizenmehl vorkommenden Enzyms Glutathion-Dehydrogenase ab. Das in RK 6 entstandene oxidierte Glutathion (GSSG) wie auch im Teig vorliegendes Cystin (CSSC) überführen in der Folge die frei vorliegenden SH-Gruppen anderer niedermolekularer Thiolverbindungen und der Proteine in Disulfide (RK 7, RK 8).

Da die enzymatischen Reaktionen RK 5 und RK 6 wesentlich schneller als die Thiol-Disulfidaustauschreaktionen RK 1 - RK 3 verlaufen, wird Glutathion (GSH), das durch Reaktion mit den Makromolekülen der Glutenine zu einer Klebererweichung führen würde, sehr schnell in seine oxidierte Form GSSG überführt, die keine negativen Auswirkungen auf die Klebereigenschaften aufweist (RK 8). Ascorbinsäure verhindert also eine Erweichung des Klebers durch Glutathion. Auch die Bildung von Cystein im Teig nach RK 2 wird nach Zusatz von Ascorbinsäure verlangsamt und der für das Backergebnis nachteilige Abbau hochmolekularer Kleberproteine wird gehemmt.

Reaktionen von oxidiertem Glutathion und Cystin
Aus RK 7 und RK 8 von oxidiertem Glutathion (GSSG) bzw. Cystin (CSSC) mit SH-Gruppen von Kleberproteinen können zwar GSH und CSH hervorgehen. In Gegenwart von Ascorbinsäure spielt aber aufgrund des dann mengenmäßig vorherrschenden oxidierten Glutathions nur RK 7 eine wesentliche Rolle, wobei das in dieser Reaktion freigesetzte Glutathion über RK 6 umgehend wieder oxidiert wird. Glutathion wird somit über RK 7 an freie Thiolgruppen der Kleberproteine fixiert, d.h. im Unterschied zu RK 1 und 4 tritt keine Depolymerisation der Proteine durch Disulfidspaltung auf.

Erklärung der anfangs genannten Fakten
Der Mechanismus aus Abbildung 2 löst auch den eingangs genannten Widerspruch auf, nach dem das Reduktionsmittel Ascorbinsäure wie ein Oxidationsmittel wirkt. Nicht die Ascorbinsäure ist die eigentliche treibende Kraft der Oxidation von Glutathion, sondern die Dehydroascorbinsäure, die ein Oxidationsmittel darstellt. Außerdem erklärt der Mechanismus die Tatsache, dass Ascorbinsäure nicht überdosiert werden kann, da lediglich die Menge an Dehydroascorbinsäure aktiv sein kann, die zur Oxidation des im Mehl vorhandenen Glutathions benötigt wird.

GSH + PSSP -> GSSP + PSH (RK 1)
GSH + CSSC -> GSSC + CSH (RK 2)
CSH + PSSP -> CSSP + PSH (RK 3)
CSH + GSSG -> CSSG + GSH (RK 4)
Asc ->
Sauerstoff
Ascorbinsäure-oxidase
DHAsc (RK 5)
DHAsc + 2 GSH ->
Glutathionde-hydrogenase
Asc + GSSG (RK 6)
GSSG + PSH -> PSSG + GSH (RK 7)
CSSC + PSH -> PSSC + CSH (RK 8)

Abbildung 2: Redoxreaktionen in Weizenmehlteigen bei An- und Abwesenheit von Ascorbinsäure. GSH: reduziertes Glutathion; GSSG: oxidiertes Glutathion; CSH: Cystein; CSSC: Cystin; PSH: Kleberproteine mit freien SH?Gruppen; PSSP: Kleberproteine; Asc: Ascorbinsäure; DHAsc: Dehydroascorbinsäure

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