Fachbereich Chemie
FachbereichChemie
Publikation des Monats Dezember 2025: Wunderwaffe gegen Diabetes? Polyphenole unter der Lupe (AG Prof. Buchweitz)
24. Februar 2026
Foto: vlnr: Jörn Plambeck, Mengyao Xiong, Prof. Dr. Maria Buchweitz
Sekundäre Pflanzenstoffe, insbesondere Polyphenole, werden intensiv im Hinblick auf die Prävention von Diabetes und die Behandlung von Prädiabetes diskutiert, da sie aktiv in den Kohlenhydratstoffwechsel eingreifen können. Durch die Hemmung der intestinalen α-Amylase werden die Aufspaltung von Stärke zu Glucose und deren Aufnahme in die Blutbahn verlangsamt. Dies führt zu einem verzögerten Anstieg des Blutzuckers nach den Mahlzeiten und verhindert gefährliche Blutzuckerspitzen nach einer Mahlzeit (postprandiale Hyperglykämie). Dadurch kann das Risiko für die Entwicklung chronisch erhöhter Blutzuckerwerte und die Manifestation von Diabetes Typ 2 sowie die damit einhergehenden Komplikationen reduziert werden. Während Pharmazeutika meist auf ein spezifisches Target ausgerichtet sind, bieten Polyphenole einen „Cocktail” an Wirkungen. Aufgrund ihrer antioxidativen und anti-inflammatorischen Eigenschaften unterstützen sie auch bei der Behandlung des gesamten metabolischen Syndroms. Für synthetische Enzymhemmer wie Acarbose werden Nebenwirkungen wie Blähungen, Bauchschmerzen und Durchfall berichtet, da sie die Aktivität der Verdauungsenzyme stark hemmen. Polyphenole hingegen wirken moderater, indem sie die Verdauung verlangsamen, ohne die enzymatische Aktivität vollständig zu unterdrücken. Zudem sind sie als natürliche Bestandteile pflanzlicher Rohstoffe kostengünstig und leicht verfügbar.
Die präventive Wirkung einer polyphenolreichen Ernährung gilt als sehr wahrscheinlich, ein zweifelsfreier Nachweis gelang jedoch bisher nicht. Zu komplex sind die Einflussfaktoren und entsprechende Humanstudien sind aus Kostengründen meist zu kurz angelegt. Zudem scheitern zahlreiche in vitro Studien an unrealistischen Konzentrationen und extrem stark vereinfachten Experimentbedingungen, die mit den Verhältnissen in vivo nicht vergleichbar sind.
In der vorgestellten Publikation untersuchte Mengyao Xiong die inhibitorische Kapazität verschiedener phenolischer Verbindungsklassen und komplexer Pflanzenextrakte auf die α-Amylase mit dem Ziel, mechanistische Einblicke in die Struktur-Wirkungs-Beziehungen unter physiologisch relevanten Bedingungen zu gewinnen. Zu diesem Zweck entwickelte sie eine Methodik, die auf der isothermen Titrationskalorimetrie (ITC) basiert. Diese bietet gegenüber herkömmlichen Enzymaktivitätsassays, die oft auf der UV/Vis-spektroskopischen Detektion beruhen, die Möglichkeit, natürliche Substrate ohne Modifizierung mit Chromophoren und auch trübe oder farbintensive Pflanzenextrakte einzusetzen. Zudem ermöglicht die ITC eine kontinuierliche Echtzeitüberwachung der Enzymaktivität. Anhand der Wärmefreisetzung kann direkt beobachtet werden, mit welcher Geschwindigkeit die Reaktion abläuft und wie sich diese im Verlauf der Reaktion verändert. Auf diese Weise kann die enzymatische Hydrolyse natürlicher Substrate (z. B. Stärke inkl. prozessbedingter Modifikationen) unter physiologisch relevanten Bedingungen, sowie in Anwesenheit komplexer Polyphenolextrakte untersucht werden.
Die im zeitlichen Verlauf gemessene Wärmefreisetzung (Thermogramme) liefert nicht nur Informationen darüber, ob und wie stark ein Inhibitor das Enzym hemmt, sondern auch auf welchem Hemmmechanismus diese beruht. Im Vergleich mit einer ungehemmten Kontrolle kann unterschieden werden, ob eine Hemmung reversibel oder irreversibel, wie beispielsweise bei der Bildung von Polyphenol-Enzym-Aggregaten, ist. Für Inhibitoren können die Hemmkonstanten (Kic, Kiu) berechnet und aus ihrem Verhältnis Rückschlüsse auf den Hemmmechanismus sowie den IC50-Wert abgeleitet werden.
Neben der Untersuchung aufgereinigter Polyphenol-Standardsubstanzen zur Identifizierung von Strukturcharakteristika, die eine starke Hemmung bewirken, analysierte Mengyao Xiong auch verschiedene Extrakte aus polyphenolreichen Lebensmitteln, darunter Äpfel, Aronia, schwarze Karotten und Tee. Die Ergebnisse zeigten, dass die Gesamtpolyphenolkonzentration in den komplexen Gemischen zwar einen Einfluss auf die Enzymhemmung hat, der Einfluss spezifischer Strukturmuster jedoch überwiegt. So zeigen traditionelle polyphenolreiche Apfelsorten wie der Bohnapfel deutliche Hemmeffekte, während die kommerziell erhältliche Sorte wie Golden Delicious kaum eine Hemmwirkung besitzt. Auch die zusätzlichen roten Pigmente (Anthocyane) in schwarzen Karotten besitzen, jedenfalls in der individuellen Struktur, wie sie in Schwarzen Karotten vorkommen, keinen Hemmeffekt. Umso überraschender ist der Effekt für den Extrakt aus Aronia. Da sich diese starke Hemmwirkung nicht allein aus den analytisch bestimmbaren Polyphenolen (Anthocyane) erklären lässt, wird davon ausgegangen, dass die hochmolekularen Proanthocyanidine hierfür ursächlich sind. Diese sind jedoch analytisch schwer greifbar und verbleiben bei der Saftherstellung zu einem großen Anteil im Trester. Diese Stoffe in maximalem Umfang bei der Lebensmittelproduktion zu erhalten bzw. aus Reststoffen zurückzugewinnen, ist daher eine zentrale Schlussfolgerung dieser Studie. Auch der Einfluss der Verarbeitung von Tee und der Zubereitungsparameter wurde evaluiert. Dabei zeigte sich, dass die Hemmwirkung von grünem Tee der von Schwarztee überwiegt und sich längere Ziehzeiten positiv auswirken.
Die Publikation ist die erste Arbeit von Mengyao Xiong als Erstautorin. Nach ihrem Masterabschluss in Chemie an der LMU München begann sie ihre Promotion in der Nachwuchsgruppe Buchweitz an der Universität Stuttgart. Mit dem Ruf von Maria Buchweitz wechselte Mengyao an das Institut für Lebensmittelchemie der Universität Hamburg. In ihrer Promotion befasst sie sich mit den Wechselwirkungen zwischen sekundären Pflanzenstoffen und Verdauungsenzymen, insbesondere im Kontext der Prävention ernährungsbedingter Zivilisationskrankheiten wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Übergewicht und Typ-2-Diabetes. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung und Validierung innovativer Methoden zum Echtzeit-Monitoring von Enzymaktivitäten unter in vitro Verdauungsbedingungen. Jörn Plambeck, MSc, absolvierte seine Masterarbeit in der AG Buchweitz und unterstützte Mengyao dabei, das gesundheitliche Potenzial unterschiedlicher Apfelsorten zu evaluieren. Seit Juli 2024 ist er ebenfalls Promotionsstudent in der AG Buchweitz und befasst sich intensiv mit dem Einfluss von Verarbeitungsprozessen auf die Proteinverdauung.
Original-Publikation:
Mengyao Xiong, Jörn Plambeck, Tuba Esatbeyoglu, Maria Buchweitz: Structure-effect relationship of phenolic compounds on α-amylase inhibition studied by isothermal titration calorimetry
https://doi.org/10.1016/j.crfs.2025.101266
