Biophysik der Ernährung: Eine Einführung

518 Pages·2020·62.3 MB·German

by  Thomas A. Vilgis

Thomas A. Vilgis
Biophysik
der Ernährung
Eine Einführung
Biophysik der Ernährung
Thomas A. Vilgis
Biophysik der Ernährung
Eine Einführung
Thomas A. Vilgis
soft matter food science
Max-Planck-Institut für Polymerforschung
Mainz, Rheinland-Pfalz, Deutschland
ISBN 978-3-662-61150-0 ISBN 978-3-662-61151-7 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-61151-7
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Geleitwort
Biophysik der Ernährung – was muss ich mir darunter vorstellen? Das Internet
gibt zu diesen beiden Begriffen wenig her, lediglich eine Arbeit aus dem Jahre
1990 von A. Grünert, einem Kliniker, der sich vor allem mit Fragen der par-
enteralen Ernährung auseinander gesetzt hat. Grünert hat einen Artikel mit dem
Titel Biophysikalische Grundlagen der Nährstoffzufuhr in der Zeitschrift für
klinische Anästhesiologie und Intensivtherapie veröffentlicht. Er weist darauf hin,
dass Kenntnisse der Biophysik der Ernährung besonders in klinischen Situationen
von besonderer Bedeutung sind, wenn es um die Beurteilung der Ernährung der
Betroffenen geht. Das war es aber bereits, was die Suche nach Biophysik und
Ernährung ergeben hat. Stellt sich die Frage: Ist das Gebiet als solches einfach
wenig interessant oder besteht kein Bedarf oder erkennen wir die Bedeutung
der Biophysik der Ernährung nicht, weil wir zu wenig dazu wissen? Thomas
Vilgis bedient mit seinem Buch genau diese Aspekte: Er zeigt, wie spannend
dieses Gebiet ist, wie sehr wir diese Kenntnisse für Forschung, aber auch Alltag
brauchen, und wir staunen, wie wenig wir bisher davon wussten.
Biophysik, so das Lexikon der Biologie, „auch als biologische Physik
bezeichnet, ist ein relativ junges Wissenschaftsgebiet an der Grenze zwischen
Physik, Chemie und Biologie. Der Forschungsgegenstand sind physikalische und
physiko-chemische Erscheinungen in biologischen Systemen (Leben). Das Ziel ist
die Aufklärung fundamentaler Prozesse, welche die Grundlagen des Lebens spielen,
mit physikalischen Methoden und im Rahmen physikalischer Vorstellungen.“
Dazu bedarf es naheliegender Weise zunächst eines tiefen Verständnisses der
Physik, aber auch eines differenzierten Blicks auf Nahrung und Ernährung. Beides
zusammen kombiniert Thomas Vilgis in hervorragender Weise. Als Physiker am
Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz befasst er sich mit grund-
legenden Fragen der Physik und Chemie der weichen Materie. Damit ist er
zunehmend in die Nähe der Lebensmittelproduktion und ihre biophysikalische
Interaktion gekommen und hat auf diese Weise dann begonnen, Lebensmittel in
einfacher wie komplexer Form auf ihre biophysikalischen Eigenschaften hin zu
untersuchen. Das Ergebnis dieser Untersuchung ist in einer Vielzahl von populär-
wissenschaftlichen Büchern bzw. Sachbüchern niedergelegt und es gibt nahezu
keinen Bereich, den er nicht durch das physikalisch-chemische Auge betrachtet
und dem Leser in verständlicher Form wiedergegeben hat. Das reicht von der
Physik und Chemie des feinen Geschmacks über ein Kochbuch der Molekular-
V
VI Geleitwort
küche, Experimente für Nachwuchsköche bis hin zu Gartechniken, zum Würzen
und Fermentieren, um nur einige der Schwerpunkte zu nennen. Nun also eine Bio-
physik der Ernährung als Grundlage und auch als sinnvolle Erweiterung zum Ver-
ständnis biophysikalischer Prozesse, die nicht nur unsere Nahrung, sondern ganz
besonders auch die Verwertung dieser Nahrung im Organismus betreffen. Warum
kann eine Biophysik der Ernährung zum besseren Verständnis beitragen? Bei-
spielsweise besteht ein großes Problem vorwiegend armer Länder darin, dass der
wesentliche Anteil in ihrer Ernährung Getreide ist, welches zwar wichtige Mikro-
nährstoffe wie Eisen und Zink enthält, die aber aus Getreide nur sehr schwer auf-
genommen werden können. Die Kenntnis biophysikalischer Prozesse, durch die
diese Aufnahme verbessert werden kann, könnte wesentlich dazu beitragen, den
weltweiten Eisen- und Zinkmangel zu verringern. Die Tatsache, dass wir den
gelben Farbstoff Betacarotin aus der rohen Karotte so gut wie gar nicht aufnehmen
können, liegt daran, dass es in Zellulose verpackt ist, die wir nicht verdauen
können. Erst Entsaften oder Erhitzen befreit das Betakarotin aus der Zellulose
und ermöglicht so die Aufnahme. Nichts anderes als ein biophysikalischer
Prozess. Ähnlich sieht es mit fettlöslichen Verbindungen aus, zu denen neben
Betakarotin auch fettlösliche Vitamine gehören, wenn wir diese gleichzeitig mit
hohen Anteilen an Ballaststoffen aufnehmen. Diese adsorbieren die fettlöslichen
Verbindungen, ebenfalls ein biophysikalischer Prozess, die dann in geringerer
Menge aufgenommen und im Wesentlichen ausgeschieden werden. Zusammen-
hänge wie diese haben dazu beigetragen, dass die Entwicklung von Methoden zur
Nahrungszubereitung wie Kochen, Fermentieren oder Braten für die Entwicklung
des Menschen in der Evolution eine wichtige Rolle spielten, da so gesichert
war, dass die lebensnotwendigen Mikronährstoffe in ausreichender Menge auf-
genommen wurden. Vilgis erörtert dies an verschiedenen Beispielen und macht
so auch deutlich, welch große Bedeutung die Bearbeitung von Lebensmitteln
schon lange vor der industriellen Herstellung für den Menschen hatte. Dabei ist
die Biophysik der Ernährung keinesfalls ein Grundlagenbuch der Lebensmittelher-
stellung, sondern vielmehr ein Buch, welches unser Verständnis für die komplexen
Interaktionen von Lebensmitteln und die damit verbundene Verfügbarkeit von
Makro- und Mikronährstoffen um einen bisher viel zu wenig beachteten Bereich
erweitert. Dabei belässt er es nicht nur bei einer trockenen Beschreibung, sondern,
und das ist eine der wesentlichen Qualitäten des Autors, er erzählt komplexe
Inhalte ebenso anregend wie er Ernährungsmythen kritisch analytisch und mit
Humor seziert. Auch hier immer wieder mit biophysikalischem Ansatz, besonders
auch da, wo er sich mit der Entwicklung alternativer Ernährungsformen und der
in diesem Zusammenhang neu auftretenden Lebensmittel und ihren Nutzen und
Risiken befasst. Es dürfte kein Buch von Thomas Vilgis sein, wenn nicht auch
die Frage des Genusses angesprochen würde. Folgt man den vielen Einträgen
von Vilgis im Internet, kommt man immer wieder auf Rezepte, die im Zentrum
den eigentlichen Aspekt einer gesunden Ernährung haben, den Genuss. Hier wird
nicht nur das Lebensmittel als Grundlage des Genusses betrachtet, sondern auch
„genussfeindliche“ Empfehlungen bis hin zur Zukunft unserer Ernährung mit dem
abschließenden Kapitel von der Lust, Last und Verantwortung des Genießens.
Geleitwort VII
Vilgis legt mit der Biophysik der Ernährung ein Buch vor, welches eine bis-
her in dieser Breite nicht wahrgenommene Lücke schließt. Es richtet sich an
Ernährungswissenschaftler, Technologen, Lebensmittelchemiker und Anwender
von der Gourmetküche bis hin zur Gemeinschaftsverpflegung. Es richtet sich aber
auch an den Konsumenten, der einfach etwas mehr wissen möchte, wie es um
seine Lebensmittel bestellt ist und was er beachten sollte, wenn es um die Sicher-
stellung einer ausgewogenen gesunden Ernährung geht.
Dem Buch möchte ich die ihm zustehende Weiterverbreitung wünschen, in der
Hoffnung, dass die Biophysik der Ernährung, die bisher in den Ernährungswissen-
schaften nur am Rande erwähnt wurde, zunehmend Einzug in diesen Ausbildungs-
gang erhält und damit Bestandteil unseres Ernährungswissens wird.
April 2020 Prof. (em.) Dr. H. K. Biesalski
Vorwort
Warum schreibt ein Physiker, der zugegebenermaßen gerne isst und gerne kocht,
ein Buch, in dem es sich vorwiegend um Ernährung dreht? Gibt es nicht schon
zu viele Bücher zu diesem Thema? Schon, aber ein Buch wie dieses gibt es bis-
her nicht. Ein Buch, das sich dem Thema auf eine ganz andere Weise nähert, das
sich aus Sicht der Grundlagenfächer Physik, Chemie und Biologie dem Thema
widmet. Die Frage, ob diese Fächer überhaupt für das Ernährungsthema relevant
sind, ist berechtigt, wenn man die vielen und oft unverständlichen Diskussionen zu
Ernährungsfragen betrachtet. Beim genaueren Hinsehen wird aber rasch erkannt,
auf welch schwachem Fundament so manche Ernährungsregel oder Empfehlung
steht.
Die Grunderkenntnis, dass jedes Lebensmittel nichts weiter als eine komplexe
Ansammlung von strukturierten großen und kleinen Molekülen ist, macht den
Einstieg schon leichter. Wenn dann noch erkannt wird, dass diese Lebensmittel-
moleküle auf biologische Systeme im Menschen treffen, sich ebenfalls den
elementaren Wechselwirkungen der Physik, Chemie und Biologie unterwerfen
müssen, ergibt sich eine biophysikalisch-biochemische Herangehensweise an
das Ernährungsthema praktisch wie von selbst. Dies ist auch gut so, denn leider
werden viele Diskussionen ideologisch geführt, und der Ernährungsstil scheint
immer mehr als Ersatzreligion zu taugen. In dem Dickicht vieler Ernährungsver-
sprechen, im Dschungel der Meinungen und Dogmen ist es durchaus angebracht,
etwas mehr Bodenhaftung zu erlangen.
Tatsächlich ist die Entwicklungsgeschichte des Lebens und des Menschen der
beste Pfad der Weisheit. Die Menschen vor 100, 1000, 10.000, 100.000 oder gar
Millionen von Jahren wussten nichts über Cholesterin, Gluten, gesättigte oder gar
essenzielle Omega-3-Fettsäuren. Sie lernten aber, was sie essen konnten, um über-
haupt zu überleben. Dieses einfache Prinzip funktionierte bis nach dem zweiten
Weltkrieg bestens. Selbst die grenzenlosen Völlereien in verschiedenen Kulturen
und Perioden des Mittelalters überstand die Spezies Mensch bestens. Ebenso
wie große Hungersnöte, rohe, vergorene oder bis zur Verbrennung gegrillte
Lebensmittel. Der Homo Sapiens entwickelte sich prächtig unter den Regeln der
Evolution und der damit verbundenen Selektion. Die Gedanken waren frei von
Acrylamid oder Dioxin, obwohl es das Sewesogift schon seit ewig auf der Erde
gab. Dafür wird heute frei von Gluten, frei von Ei, frei von Tier, frei von Lactose
IX
X Vorwort
als gesund und vorbeugend proklamiert, selbst wenn die Begründungen dafür
obskur sind und sich logischen Schlüssen entziehen.
Was also soll dieses Buch? In erster Linie zeigt es Wege zum unbeschwerten
Genuss. In zweiter Linie ist es ein Versuch, nüchtern und sachlich, aber auch mit
deutlicher Schärfe so manche Meinungen zu entkräften. Das ist manchmal sehr
leicht möglich, manchmal etwas schwieriger. Für viele Phänomene müssen wir
immer an die Wurzel zurückkehren. Wie bei falsch geknöpften Hemden. Dieser
grundlegende Fehler lässt sich nicht durch einfaches „Umknöpfen“ zweier Knöpfe
beheben, das ganze Hemd muss erst auf- und dann – hoffentlich richtig – wieder
zugeknöpft werden.
Immer wenn man nicht weiterweiß, ist es ratsam, die molekulare Wissen-
schaft zu befragen. Allerdings nicht kritiklos, sondern mit einer großen Portion
Logik und Kritik. Gründe gibt es genug: die jahrelange Ernährungserziehung
über Medien und Ratgeber lässt uns heute von schlechtem LDL- und gutem
HDL-Cholesterin reden, ohne zu wissen, was sich hinter „low/high density lipo-
protein“ wirklich verbirgt. Ebenso bei dem Wert der freien Triglyceride, der auf
jedem Laborbericht beim Routinecheck beim Hausarzt erscheint. Viele reden von
Gluten, ohne zu wissen, was es wirklich ist oder gar mit welchen Aufgaben es in
der Natur betraut ist. Viele wundern sich gleichzeitig, warum glutenfreies Backen
schwierig ist und eine gewisse Herausforderung darstellt. Ein Blick auf die
Glutenmoleküle lösen beide Fragen auf, gleichzeitig bekommt man eine Idee, was
den Nährwert des Moleküls anbelangt. Die molekulare, biophysikalische Sicht löst
damit eine ganze Reihe von Fragen mit einem Streich.
Für ein fundamentales Verständnis ist ein rigoroses „downscaling“ notwendig.
Das Herunterskalieren der Lebensmittel auf immer kleinere Skalen, bis wir dessen
Mikrostruktur, dessen Proteine, Fette, Kohlenhydrate sehen, die Phenole und Poly-
phenole, das Gluten und die gesättigten Fettsäuren, von denen viele reden, aber
nicht immer wissen, was das wirklich bedeutet. Schaut man konzentriert auf die
Molekularstruktur, eröffnet sich plötzlich eine Sichtweise, die objektivierbarer
wird, die sich mit den Grundgesetzen harter Wissenschaften Physik, Chemie und
Biologie beschreiben lässt. Lebensmittel, Kochen, Essen und selbst Verdauen
werden plötzlich handhabbar, es stellen sich „universelle Zusammenhänge“ dar,
die in erster Linie vorwiegend mit Physik, Chemie und Biologie (und zwar in
dieser Reihenfolge, die uns seit der Entstehung dieses Universum mit dem Urknall
schon immer begleiten) der weichen Materie zu tun haben und gar nichts mehr
mit Meinung, Ideologie oder gar einen Glauben an heilende Lebensmittel zu tun
haben. Erst nach der Biologie kommt die Physiologie. Die Erkenntnisse, die über
die molekulare Sichtweise erlangt werden, sind beruhigend. Daher öffnet dieses
Buch eine Idee der „Ernährungsphysik“, oder neudeutsch „Nutrition physics“.
Diese Herangehensweise lässt vieles verpuffen. Meinungen, Ideologien lösen
sich auf und letztendlich sitzt man genüsslich am Tisch mit einem Glas Wein,
wohl ausgewählten Kulinarien der gesamten Palette, die Feld, Weide, Baum,
Strauch, Stall, bieten und weiß genau: Nichts davon, außer dem Glas Wein zuviel,
ist „schädlich“. Richtig schädlich ist einzig und allein das Nichtessen. Davon stirbt
man garantiert.
Vorwort XI
Dieses Buch richtet sich an neugierige Leserinnen und Leser, die sich nicht
mehr verwirren lassen wollen, wenn es ums Essen geht. Und auch an solche
Leserinnen und Leser, die bereit sind, auf eine oft hügelige, naturwissenschaftlich
getriebene Reise in die Welt der Lebensmittel zu gehen. Wer das aber geschafft
hat, wird sich nie mehr ein X für ein U vormachen lassen müssen, sondern kann
selbst entscheiden, was er wissen will. Oder was er glauben muss.
Es richtet sich aber auch an Studierende der Ernährungswissenschaften und
Ökotrophologie, wie auch an Ernährungsmediziner, die naturwissenschaftliche
wie ernährungsrelevante Grundzüge verstehen möchten. Auch genussaffinen
Studierenden von Physik, Chemie und Biologie kann es ein Leitfaden sein, über
den Tellerrand des eigenen Studienfachs hinauszublicken. Daher ist das Buch auch
an vielen Stellen transdisziplinär: Immer wenn es angebracht ist, werden Ver-
bindungen zu anderen Wissenschaftsdisziplinen hergestellt. Nicht nur innerhalb
der Ingenieurwissenschaften, etwa zur Lebensmitteltechnologie, sondern auch zu
Kulturwissenschaft, Soziologie und Psychologie. Derartige fächerübergreifende
Exkurse sind nur beim Thema Essen und Ernährung überhaupt möglich.
Das Fazit des Buchs ist im Grunde sehr einfach und eindeutig: Wenn über
längere Zeit die Ernährung auf der molekularen Skala außer Kontrolle gerät, läuft
es irgendwann beim ganzen Menschen schief.
Herrn Professor Hans-Konrad Biesalski danke ich für viele Diskussionen zu
Fragen rund um die Ernährungsproblematik. Seine unvoreingenommene Art hat
viele meiner Sichtweisen geprägt. Seine Bereitschaft diesem Buch ein Geleitwort
zu geben, ehrt mich auf ganz besondere Weise. Herrn Professor Nicolai Worm
danke ich für seinen unersetzlichen, hilfreichen Informationsdienst und seine klare
Sicht auf so manchen Ernährungsirrtum. Dem Springer-Verlag danke ich für das
Vertrauen und den Mut, dieses Buch überhaupt zu drucken, ganz besonders Frau
Stephanie Preuss. Frau Carola Lerch sei für die Hilfe und Betreuung während der
Redigationsphase herzlich gedankt. Last but not least gebührt dem Produktions-
team um Frau Roopashree Polepalli großer Dank für die hervorragende
Umsetzung im finalen Satz.
März, 2020 Thomas A. Vilgis