Riboflavin

Riboflavin, auch Lactoflavin oder Vitamin B2, frühere Bezeichnung Vitamin G, ist ein wasserlösliches Vitamin aus dem B-Komplex. Riboflavin ist Bestandteil vom Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) sowie Flavinmononukleotid (FMN), die wiederum Cofaktoren zahlreicher Dehydrogenasen und Oxidoreduktasen sind. Die empfohlene tägliche Zufuhr für einen erwachsenen Menschen liegt, abhängig vom Geschlecht und von der Quelle, bei 1,0–1,7 mg. Eine Überdosis ist nicht bekannt.

Neben seinen essenziellen Funktionen wird Riboflavin auch als Lebensmittelfarbstoff eingesetzt. Es trägt die E-Nummer E 101.

Geschichte 1879 isolierte der englische Chemiker Alexander Wynter Blyth eine wasserlösliche, gelb-grünlich fluoreszierende Verbindung aus Milch, die er „Lactochrom“ bezeichnete. Blyth war aber nicht in der Lage, dessen Struktur aufzuklären oder weitere chemische Eigenschaften zu bestimmen.

In den 1910er und 1920er Jahren wurden verschiedene essentielle Stoffe, insbesondere die in Milch, in Fütterungsstudien an Tieren durch Frederick Gowland Hopkins, Elmer McCollum, Marguerite Davis und Cornelia Kennedy untersucht. Hierbei nahm McCollum an, dass Nahrungsmittel einen fettlöslichen Faktor A (z. B. in Butterfett, Eigelb und Fischöl) und einen wasserlöslichen Faktor B (in Milch, Eigelb oder Getreidekeim) enthält. Zur ähnlichen Zeit hatte der Mediziner Joseph Goldberger bei der Untersuchung der Krankheit Pellagra herausgefunden, dass insbesondere eine Supplementation von Eiern, Milch und Fleisch diese heilen und verhindern konnte. Er postulierte 1927, dass dieser Pellagra-verhindernde Faktor derselbe sei, der von McCollum als der „wasserlösliche Faktor B“ identifiziert wurde – tatsächlich handelt es sich aber um Vitamin B3.

Hariette Chick und Margaret Honora Roscoe schlugen 1927 vor, dass jener wasserlösliche Faktor B in Wirklichkeit aus mindestens zwei Faktoren bestand: das antineuritische (Beriberi-verhindernde) Vitamin B1 sowie das ebenfalls wasserlösliche Vitamin B2. In den 1930er Jahren untersuchte Paul Gyorgy den Vitamin B-Komplex bei Ratten. Hierbei nahm er zunächst an, dass dieser aus den Vitaminen B1 (der antineuritische Faktor), B4 (das Koordinationsverluste und Ataxien verhinderte) sowie das Pellegra-verhindernde B2. Jedoch vermutete er auch 1932, dass sich „B2“ in zwei weitere Faktoren aufteilen müsse: ein Faktor, der Pellegra verhindert und einer, der hauptsächlich das Wachstum förderte. Richard Kuhn gelang 1933 die Isolation aus Milch („Lactoflavin“), es hatte dieselben Charakteristika wie von Blyth isoliertes Lactochrom. Das aus Eiklar isolierte Riboflavin wurde analog als „Ovoflavin“ (auch „Ovaflavin“), das aus der Leber als „Hepatoflavin“ bezeichnet.

Die Struktur des Riboflavins wurde schließlich 1934/35 unabhängig durch Kuhn und Paul Karrer aufgeklärt; bei Lactoflavin, Ovoflavin und Hepatoflavin handelte es sich um dieselbe Substanz. Zudem konnten Gyorgy, Thomas William Birch und Leslie Julius Harris (unabhängig von der Arbeitsgruppe um Conrad Elvehjem) 1935 zeigen, dass der Pellegra-verhindernde Faktor sich tatsächlich von Riboflavin unterschied. Der Name „Riboflavin“ wurde 1937 vorgeschlagen und auch angenommen. Vorher war Riboflavin auch unter der Bezeichnung „Vitamin G“ aufgrund seiner grünlich fluoreszierenden Eigenschaften unter UV-Licht bekannt.

Weitere Arbeiten von William Henry Sebrell und Roy Edwin Butler bestätigten 1939 die essentielle Natur Riboflavins.

Eigenschaften Riboflavin enthält einen Ribityl-Rest („Ribo“) und ein gelbes Chromophor („Flavin“). Das Flavin ist ein Derivat des Heterozyklus Isoalloxazin, ein tricyclisches stickstoffhaltiges Ringsystem. An dessen Positionen 7 und 8 befinden sich Methylgruppen, an Position 10 liegt der 1’-Ribitylrest. Modifikationen verschlechtern erheblich die Wirkung als Vitamin. Isoriboflavin, D-Araboflavin, D-Galactoflavin, 7,8-Diethyl- sowie 7,8-Dichlor-10-(D-1’-ribityl)-Isoalloxazin sind Vitamin-B2-Antagonisten.

Riboflavin zählt – obwohl wenig in Wasser löslich – zu den wasserlöslichen Vitaminen. Es ist licht- bzw. insbesondere UV-empfindlich, unter sauren bzw. alkalischen Bedingungen bildet sich hierbei photolytisch das biologisch inaktive Lumichrom bzw. Lumiflavin. Dies kann sich bei Milch in Klarglasflaschen nachteilig auf den Vitamin-B2-Gehalt auswirken.

Dagegen ist es so stabil gegen Hitze und Sauerstoff, dass die Verluste beim Kochen bei etwa 20 % liegen.

Herstellung Biosynthese Pflanzen und viele Mikroorganismen stellen Riboflavin ausgehend aus GTP und Ribulose-5-phosphat her. GTP wird in eine Serie von Reaktionen zu 5-Amino-6-(D-ribitylamino)uracil konvertiert, die Ribulose in L-3,4-Dihydroxy-2-butanon-4-phosphat. Beide kondensieren dann mit Hilfe der Lumazinsynthase zu 6,7-Dimethyl-8-ribityllumazin. Zwei dieser Moleküle werden schließlich zu Riboflavin umgesetzt, was eine Riboflavinsynthase in einer Disproportionierungsreaktion unter Abspaltung von 5-Amino-6-(D-ribitylamino)uracil katalysiert.

Industrielle Herstellung

Organische Synthese Die organische Synthese wird ausgehend von D-Ribose gestartet. Alternativ kann auch D-Glucose verwendet werden. Dabei wird die D-Glucose über Oxidation, Epimerisierung der Hydroxygruppen und anschließender Reduzierungen zu D-Ribose umgewandelt.

Die D-Ribose wird mit 3,4-Xylidin bei 50 bis 80 °C in Methanol gelöst. Dabei wird Wasserstoff unter einem Druck von 3 bar an einen Palladium-Kohle-Katalysator zugeströmt, wodurch der doppelt gebundene Sauerstoff zwei Wasserstoffatome aufnehmen kann und sich somit Wasser aus der Verbindung abspalten kann. Diese Abspaltung ist die Triebkraft für die Bildung des Zwischenprodukts N-D-Ribityl-3,4-xylidin.

Dieses Zwischenprodukt wird im Folgenden mit einem Anilinderivat, zum Beispiel Phenyldiazoniumchlorid, in Essigsäure gegeben, wobei sich 1-D-Ribitylamino-3,4-dimethyl-6-phenylazobenzol bildet. Diese elektrophile aromatische Substitutionsreaktion, bei der das Diazoniumsalz mit dem aktivierten Aromaten reagiert, wird Azokupplung genannt. Dabei wird das positiv geladene Stickstoffatom des Diazoniumsalzes von der ortho-Position des N-D-Ribityl-3,4-xylidins angegriffen, wobei unter Abspaltung von Chlorwasserstoffsäure 1-D-Ribitylamino-3,4-dimethyl-6-phenylazobenzol entsteht.

Zuletzt wird das 1-D-Ribitylamino-3,4-dimethyl-6-phenylazobenzol in Eisessigsäure und Dioxan gelöst und Barbitursäure zugegeben. Ein doppelt gebundener Sauerstoff der Barbitursäure wird dabei Protonen aufnehmen und unter der Abspaltung von Wasser (Kondensationsreaktion) das Ringsystem öffnen. Das Intermediat bindet dann an das 1-D-Ribitylamino-3,4-dimethyl-6-phenylazobenzol, wobei es unter Abspaltung von Anilin einen intramolekularen Ringschluss vollzieht.

Das entstandene Produkt ist Riboflavin und kann anschließend aufgereinigt werden.

Mikrobielle Produktion Die Herstellung mittels Mikroorganismen begann in den 1940er-Jahren mittels Clostridium acetobutylicum. Hierbei machte man sich die Aceton-Butanol-Ethanol-Gärung zu Nutze, bei der Riboflavin als Nebenprodukt gebildet wird. Filamentöse Pilze wie Eremothecium ashbyi oder Ashbya gossypii erzeugen natürlicherseits große Mengen an Riboflavin und wurden in den Folgejahren und -jahrzehnten eingesetzt. Lange Zeit waren diese der chemischen Herstellung aber unterlegen, so beendeten 1968 drei Firmen die Herstellung mittels Fermentation wieder drei Jahre nach begonnener Produktion.

Dies änderte sich erst 1990, als Vitamin B2 biotechnologisch mit Hilfe von A. gossypii hergestellt werden konnte. Denn durch genetische Modifikationen wurden Varianten erzeugt, die Vitamin B2 überexprimieren. Der Wildtyp von A. gossypii produziert etwa 5 g Riboflavin pro Liter Kultur, heutige Produktionsstämme dagegen liefern mehr als 15 g/l. 1990 begann BASF mit der Großproduktion, die parallel betriebene chemische Synthese wurde 1996 schließlich zugunsten der mikrobiellen Produktion aufgegeben.

Alternativ wird Riboflavin auch durch gentechnisch veränderte Stämme von Bacillus subtilis (14 g/l) oder Candida famata var. flareri (20 g/l) produziert. Die einstufige mikrobielle Produktion übertrifft mittlerweile die mehrstufigen chemischen Verfahren.

In der Fermenterkultur führt die geringe Löslichkeit Riboflavins zur Kristallisation, was die Aufarbeitung nach Pasteurisierung erheblich mittels (mehrstufiger) Zentrifugation erleichtert. Das damit erhaltene Roh-Riboflavin (Reinheitsgrad 85 %) wird gewaschen, was in einem Reinheitsgrad von mindestens 96 % resultiert. Dieses wird als Futtermittel verwendet. Für Lebensmittel oder zur Verwendung in der pharmazeutischen Industrie wird ein höherer Reinheitsgrad von mindestens 98 % benötigt, was mittels Umkristallisation erfolgt.

Funktion Riboflavin dient als Vorstufe für Flavin-Koenzyme (FAD, FMN), die insbesondere in Oxidoreduktasen, z. B. NADH-Dehydrogenase, eine große Rolle spielen. Dadurch nimmt es im Stoffwechsel eine zentrale Rolle ein.

Aufnahme und Metabolismus Vitamin B2 in Nahrungsmitteln ist üblicherweise an Proteine gebunden und wird im Magen zunächst in Form von FAD oder FMN freigesetzt. Beide werden durch intestinale Pyrophosphatasen bzw. Phosphatasen zu Riboflavin umgesetzt, dies geschieht an der Bürstensaummembran der Epithelzellen des Dünndarms. In dessen proximalen Bereich wird freies Riboflavin schließlich durch einen ATP- und natriumionenabhängigen Transports in die Mukosazellen absorbiert, was durch Gallensäuren erleichtert wird. Eine passive Diffusion ist bei hohen Dosen ebenfalls möglich. Dagegen vermindern Kupfer, Zink, Eisen, Coffein, Theophyllin, Saccharin, Tryptophan, Niacin und Ascorbinsäure die Aufnahme.

Nach Aufnahme in den Mukosazellen erfolgt eine ATP-abhängige Rephosphorylierung mittels einer Flavokinase zu FMN. Dieses gelangt in den Blutkreislauf und wird dort – wie auch Riboflavin selbst – in gebundener Form (lose an Albumin, fester gebunden an Immunglobulinen oder auch spezifische riboflavinbindende Proteine gerade in der Schwangerschaft) transportiert. Durch die Pfortader gelangen diese in die Leber und werden dort größtenteils aufgenommen, es liegt ein starker First-Pass-Effekt vor.

Im Organismus liegt Riboflavin überwiegend in phosphorylierter Form vor. FMN selbst ist zum kleinen Teil an spezifische Apoenzyme gebunden, wird aber größtenteils in FAD durch FAD-Synthetasen überführt, was in fast allen Geweben erfolgt (insbesondere in der Leber, den Nieren und im Herzmuskel). Daher sind diese Organe Vitamin-B2-reich. FMN und FAD sind die Hauptspeicherformen für das Vitamin.

Findet FAD keine weiteren Apoenzyme zur Bindung bzw. übersteigt die Vitamin-B2-Aufnahme den physiologischen Bedarf, wird es über die Nieren, dort durch aktive tubuläre Sekretion, wieder ausgeschieden. Im Urin findet sich größtenteils Riboflavin, ferner in der Leber gebildetes 7-α- und 8-α-Hydroxyriboflavin sowie weitere Abbauprodukte.

Vorkommen

+ Vitamin-B2-Gehalt Lebensmittel mg / 100 gSchweineleber3,17Camembertkäse0,6Quark0,3Hühnerei0,28Cashewnuss0,26Rindfleisch, mager0,26Spinat0,23Brokkoli0,18Erbsen0,16Kuhmilch, 3,5 % Fett0,18Joghurt0,15Kartoffel0,05Weizenmehl, Typ 4050,03Apfel0,03

Vitamin B2 liegt in der Nahrung meistens als FMN oder FAD gebunden an Eiweißen vor (in Form von Flavoproteinen). In freier oder glykosylierter Form (Riboflavinyl-Glycosid) ist es seltener verbreitet.

Es kommt insbesondere in Lebensmitteln tierischen Ursprungs vor (Milch und Milchprodukte), aber auch in Vollkornprodukten sowie Gemüse wie Broccoli, Spargel oder Spinat. Riboflavin ist insbesondere im Keimling und in der Kleie enthalten, dagegen weist Weißmehl ca. ein Drittel des Ausgangswertes auf. Daher ist bei Getreide der Ausmahlungsgrad bestimmend.

Die Bioverfügbarkeit wird bei über 60 % für Milch und Spinat angegeben.

Tagesbedarf