Bioaktive Verbindungen in Lebensmitteln wie z. B. Polyphenole kommen in zahlreichen Obst- und Gemüsesorten vor und sind daher Bestandteile unserer täglichen Ernährung. Die Aufnahme dieser Verbindungen wird mit einem verminderten Risiko chronischer Erkrankungen wie Diabetes mellitus Typ 2, Parkinson’sche Krankheit, kardiovaskulärer Erkrankungen oder bestimmter Krebsarten in Verbindung gebracht. In der Arbeitsgruppe wurden bereits verschiedene Projekte hinsichtlich der Verfügbarkeit und biologischen Wirkungen der Anthocyane (eine spezielle Untergruppe der Flavonoide) durchgeführt. Diese Projekte wurden im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (via AiF) über die Forschungsvereinigung Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI) gefördert. Das im Jahr 2022 abgeschlossene Projekt (AiF 20277N) hatte zum Ziel, den Einfluss von Fruchtsaftinhaltsstoffen auf den menschlichen Lipidstoffwechsel zu untersuchen. Dabei lag der Fokus auf der Frage, ob die sekundären Pflanzeninhaltsstoffe von Fruchtsäften (insbesondere von Buntsäften) in der Lage sind, regulierend in den Lipidstoffwechsel einzugreifen. Im Rahmen von in vitro Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Aronia-, Cranberry- und Granatapfelextrakte einen starken Einfluss auf den Lipidstoffwechsel haben Niesen et al., 2022. In der darauffolgenden Humanstudie zeigte sich, dass Fruchtsaftinhaltsstoffe regulierend in den Lipidstoffwechsel des Menschen eingreifen und diesen positiv beeinflussen können Rahn et al., 2023 . Ein aktuell laufendes Projekt (AIF 22474 N) mit dem Titel „Identifizierung und technologische Anreicherung bioaktiver Inhaltsstoffe in alkoholfreien Weinen und Schaumweinen“ hat zum Ziel, im Zuge einer aktivitätsgeleiteten Isolierung aus alkoholfreien Weinen und Schaumweinen bioaktive phenolische Sekundärmetaboliten zu identifizieren und die positiven Einflüsse auf den Kohlenhydrat- und Lipidstoffwechsel in vitro und in vivo zu zeigen. Ein weiteres aktuell laufendes Projekt (AiF 23033N) mit dem Titel „Einfluss von Extrakten aus Fruchtsäften und deren Inhaltsstoffen auf entzündliche Prozesse“ beschäftigt sich mit der Identifizierung antiinflammatorisch wirksamer Verbindungen aus Fruchtsaftextrakten (in vitro). Die im Zellmodell identifizierten Extrakte sollen weiterhin im Rahmen einer Proof-of-Concept-Studie am Menschen verifiziert werden.

Rheinland-Pfalz ist Deutschlands größtes Weinbaugebiet mit einer jährlichen Produktion von 5,4 Mio hL Wein.  Bei der Weinherstellung fallen große Mengen an Weinnebenprodukten wie Trester, Rappen, Weinblätter und Rebholz an. Die Erschließung innovativer, wertsteigernder Verwertungsmöglichkeiten dieser Weinnebenprodukte ist zunehmend von Bedeutung. Aufgrund der hohen Gehalte an sekundären Pflanzeninhaltsstoffe, wie beispielsweise Polyphenolen, sind Weinnebenprodukte aus ernährungsphysiologischer Sicht von Interesse. Im Rahmen des durch die Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation geförderten Projektes wurden Extrakte aus Weinnebenprodukten der Rebsorte Vitis vinifera L. cv. Riesling, Fraktionen dieser als auch identifizierte Reinsubstanzen in vitro hinsichtlich ihrer biologischen Wirkungen auf die humane Hepatokarzinomzelllinie HepG2 untersucht Fuchs et al., 2019. Außerdem werden die Weinpressrückstände (Trester) wegen ihrer hohen Gehalte an Makro- und Mikronährstoffen wie Zucker, Phosphor, Natrium und Stickstoff als organischer Dünger verwendet. Gleichzeitig können sie je nach Anbau- und Lagerungsbedingungen Rückstände von Pestiziden und Mykotoxinen enthalten. Gerade diese sind in der Lage das Mikrobiom des Bodens zu verändern. Über die Mobilität dieser Substanzen und deren Langzeitwirkung auf den Boden ist derzeit wenig bekannt. Aktuell werden Im Rahmer der Carl-Zeiss gefördertes Projekt die Vorteile und Risiken der Nutzung von Traubentrester als organischer Dünger im Bodenmodell untersucht (Kooperation mit AG Prof. Munoz, RPTU, Campus Landau).

Furan ist eine Verbindung, welche seit einigen Jahren in den Fokus der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit gerückt ist (EFSA, 2017). Es ist bekannt, dass Furan und Methylfurane insbesondere in Kaffee sowie in Konserven vorkommen. Durch metabolische Aktivierung mittels CYP2E1 entsteht ein reaktiver Diaaldehyd (But-2-endial), welcher mit verschiedensten zellulären Nukleophilen reagieren kann. Unsere Arbeitsgruppe hat es sich zum Ziel gesetzt, einige der Metaboliten zu identifizieren und sie auf ihre Eignung als Biomarker der Exposition zu überprüfen. Seit Juni 2019 werden in einem DFG geförderten Projekt (Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423497382 (1176/12-1) Untersuchungen zum Metabolismus von Furan und Alklyfuranen durchgeführt (Kremer et al., 2023).Des Weiteren werden Methoden zur Analytik der Furan- und Alkylfurangehalte in Lebensmitteln entwickelt. Ein weitere Fokus liegt auf der toxikologischen Beurteilung (z. B. Zytotoxizität und DNA-Schäden) weiterer Alkylfurane wie 2-Methylfuran, 2,5-Dimethylfuran und 2-Ethylfuran in vitro (DFG.Projektnummer 490818715 (1176/13-1))

Methylglyoxal (MG) ist eine hochreaktive Verbindung, die in Lebensmitteln z. B. im Zuge der Maillard‑Reaktion entsteht und somit vom Menschen aufgenommen werden kann. Aber auch endogen wird MG im Menschen als unvermeidbares Nebenprodukt der Glykolyse gebildet. MG wird mit vielen verschiedenen Krankheiten wie neurodegenerativen Störungen oder Diabetes Typ 2 in Verbindung gebracht. Bedeutend für die Detoxifizierung von MG ist das Glyoxalasesystem, welches im Menschen aber z. B. auch in Hefen vorkommt. Im Rahmen des BioComp Projektes (gefördert durch Forschungsinitiative des Landes Rheinland-Pflanz) wurde in der Arbeitsgruppe eine HPLC-MS/MS-Methode zur Quantifizierung von MG in verschiedenen Matrices etabliert. So konnte bereits der MG-Gehalt in unterschiedlichen Hefemutanten bestimmt werden Kooperation mit AG Herrmann, RPTU; Rödl et al., 2022. Des Weiteren liegt der Fokus auf Untersuchungen der Auswirkungen von Glucose auf den MG-Status in HepG2 Zellen, sowie auf der Analytik von DNA-Addukten von MG. Ein weiteres Ziel des Projektes ist die Etablierung der UPLC-MS/MS-Methode zur Quantifizierung der Second Messenger in Bakterien. So können weitere Erkenntnisse der Bedeutung der Second Messenger für die Motilität verschiedener P.aeruginosa-Stämme gewonnen werden Kooperation mit AG Frankenberg-Dinkel, RPTU.

Monoterpene und Monoterpenoide sind eine Gruppe strukturell vielfältiger und flüchtiger organischer Naturstoffe, deren Grundgerüst aus zwei Isopreneinheiten besteht. Während die meisten Monoterpene und Monoterpenoide als wenig bis gering toxisch eingestuft sind, fehlt bei den meisten in vitro Untersuchungen der Nachweis der tatsächlichen Substanzkonzentrationen. Aufgrund ihrer lipophilen Eigenschaften können für Monoterpene bei der in vitro Testung Substanzverluste z. B. durch Sorption, Bindung an Serumbestandteile oder Flüchtigkeitsverluste auftreten. Infolgedessen können große Unterschiede zwischen der nominellen und der tatsächlichen Konzentration in in vitro Tests zur Unterschätzung des toxikologischen Potentials führen.

Dementsprechend ist es das Ziel unserer Forschung, das toxikologische Potential von verschiedenen Monoterpenen und Monoterpenoiden im Hinblick auf Substanzverluste in der in vitro Testung zu untersuchen und verschiedene Methoden zu etablieren, um konstante Expositionskonzentrationen zu ermöglichen.

Im Zuge des EFRE (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung) -geförderten Interreg Projektes BIOVAL sollte eine grenzüberschreitende Wertschöpfungskette basierend auf dem Brauereirückstand Biertreber, welcher mit ca. 39 Millionen Tonnen weltweit jährlich anfällt, entwickelt waren. Neben drei Arbeitsgruppen der TUK waren die Universitäten Lüttich, Lothringen und Saarland sowie das Luxembourg Institute of Health und das belgische Unternehmen Celabor beteiligt. Biertreber, ein Hauptnebenprodukt nach dem Maischeprozess der Bierherstellung, wird aufgrund seines hohen Cellulosegehaltes aktuell vor allem als Viehfutter genutzt. Allerdings bieten weitere Inhaltsstoffe wie Proteine, Hemicellulosen als auch Minorkomponenten wie Polyphenole das Potential weiterer Anwendungen. In der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Elke Richling wurde an den Auswirkungen auf die humane Gesundheit durch Substanzen und Extrakte aus Biertreber geforscht. Dabei standen die biologischen Wirkungen der Inhaltsstoffe hinsichtlich ihres Einflusses auf den Glucosestoffwechsel sowie die toxikologische Bewertung potentieller Komponenten unter Anwendung von in silico und in vitro Methoden im Vordergrund (Kirsch et al., 2020, Becker et al., 2021).

Das Projekt wurde auch auf der ACHEMA 2018 vorgestellt https://idw-online.de/en/news696124

Kaffee zählt zu den am häufigsten konsumierten Getränken weltweit. Er ist eine komplexe Mischung aus über tausend verschiedenen Substanzen, von denen einige eine biologische Aktivität besitzen.Kaffee enthält neben Kohlenhydraten, Lipiden, Proteinen und freien Aminosäuren sekundäre Pflanzen­stoffe, wie Alkaloide (vor allem Koffein und Trigonellin), Phenolcarbonsäuren (z.B. Chlorogensäuren), Röstprodukte, flüchtige Aromastoffe (z.B. Pyrazine) sowie Diterpene (Cafestol, Kahweol), Vitamin B₃ (Niacin) und Mineralstoffe. In unserer Arbeitsgruppe wurden mittels SIVA-GC-MS zwölf verschiedene Alkylpyrazine in Kaffee quantifiziert Pickard et al., 2013. In der Vergangenheit wurden mehrere Interventionsstudien mit Probanden durchgeführt, um einerseits biologische Wirkungen der Kaffeegetränke und andererseits auch den Metabolismus ausgewählter Kaffeeinhaltstoffe zu untersuchen. Die Ergebnisse der Interventionsstudien zeigen, dass regelmäßiger Kaffeekonsum mit DNA-protektiver und antioxidativer Wirkung assoziiert ist (Bakuradze et al., 2014; Bakuradze et al., 2015; Bakuradze et al., 2016). Zudem konnte im Rahmen unserer Studien eine Erhöhung des high density lipoproteins (HDL) im Blut und eine Hemmung der Phosphodiesterase-Aktivität in Thrombozyten durch mehrwöchigen Kaffeekonsum festgestellt werden (Riedel et al., 2014; Montoya et al., 2014). In einer durchgeführten humanen Interventionsstudie wurde der Metabolismus von Kaffee-Inhaltsstoffen untersucht. Die Ausscheidung von Niacin, einem semiessentiellen Vitamin, sowie dessen Metaboliten wurden hierbei erfasst. Mit Hilfe der Stabilisotopenverdünnungsanalyse (SIVA) konnte eine detaillierte Kinetik der renal ausgeschiedenen Niacinmetaboliten in Folge des Kaffeekonsums erstellt werden. Die Ergebnisse bestätigen, dass Kaffeekonsum zur Niacinversorgung beiträgt Kremer et al., 2018.

Acrylamid ist eine α,β-ungesättige Carbonylverbindung, welche beim Erhitzen von Lebensmitteln (T > 120 °C) v. a. aus Aminosäuren wie Asparagin und reduzierenden Zuckern entstehen kann. Somit weisen insbesondere stärkehaltige Lebensmittel wie Pommes frites, Kartoffelchips und Knäckebrot aber auch gerösteter Kaffee hohe Mengen an Acrylamid auf. Nach Resorption wird Acrylamid teilweise zum gentoxischen Epoxid Glycidamid metabolisch aktiviert. So wurden im Rahmen von Humanstudien ausgewählte Metaboliten von Acrylamid als Biomarker im Urin mittels Stabilisotopenverdünnungsanalyse (SIVA) erfasst. Die Studien unserer Arbeitsgruppe zeigten, dass diese Verbindungen zu einem großen Teil renal als Mercaptursäuren dosisabhängig von der Acrylamid-Aufnahme über die Ernährung ausgeschieden werden Watzek et al.,2012. Somit konnten diese unter kontrollierten Bedingungen als Kurzzeitbiomarker einer Acrylamid-Exposition validiert werden Rünz et al., 2016. Unter nicht kontrollierten Bedingungen konnte gezeigt werden, dass weitere exogene Faktoren, z. B. (Tabak-) Rauch, die Mercaptursäure-Ausscheidung beeinflussen Goerke et al., 2019. Zudem zeigte sich in von uns durchgeführten Studien eine überproportionale Mercaptursäure-Ausscheidung im Vergleich zu einer minimierten Acrylamid-Aufnahme über die Nahrung. Durch orale Gabe von stabilisotopenmarkiertem Acrylamid konnte eine Speicherung und verzögerte Freisetzung im Organismus ausgeschlossen werden Goempel et al., 2017. Die Arbeitsgruppe geht nun der Hypothese einer möglichen endogenen Bildung von Acrylamid im Körper nach.