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Gewinnung und Fraktionierung phenolischer Verbindungen - eine jahrtausende alte Technologie wird perfektioniert

Wertvolles aus der Natur

Sekundären Pflanzenstoffen wurde in der Vergangenheit vielfach kaum Bedeu tung beigemessen. In einigen Fällen – wie bei den Polyphenolen – wurden sie sogar als unerwünschte Komponenten angesehen, denn Letztere reagieren bei der Lebensmittelverarbeitung unter Beteiligung pflanzeneigener Enzymsysteme zu braunen Pigmenten, was als qualitäts mindernd bewertet wird. Außerdem tragen Polyphenole zur Adstringenz bzw. Bitterkeit bestimmter Lebensmittel bei oder können für Trübungen in Fruchtsäften, Bier und Wein verantwortlich sein.

Mit Beginn der 90erJahre wurde jedoch ein regelrechter Paradigmenwechsel eingeleitet, nachdem epidemiologische Studien eine inverse Korrelation zwischen der Aufnahme phenolischer Verbindun gen und der Inzidenz be stimmter Krankheiten aufzeigten. Verbunden damit sind vermehrte Anstren gungen zur Anreicherung und Gewinnung dieser physiologisch aktiven Komponenten für deren Einsatz in funktionellen bzw. angereicherten Lebens mitteln. Dies lässt sich durch eine jahrtausende alte Technologie bewerkstelligen, die in den vergangenen Jahren hinsichtlich Selektivität und Ausbeute systematisch optimiert wurde: die Adsorberund Ionenaus tauscher technologie.

Adsorberverfahren gab es schon bei den alten Ägyptern und Sumerern

In der Tat wurden Adsorptionsphänomene bereits von den Ägyptern und Sumerern ausgenutzt, die im 4. Jahrtausend v. Chr. Kohle verwendeten, um die Kupfer, Zinkund Zinngehalte bei der Bronzeherstellung zu senken. Unter Adsorption wird die Anreicherung bestimmter Komponenten aus Flüssigkeiten oder Gasen an der Oberfläche von Festkörpern verstanden. Je nach Art der Wechselwirkung lassen sich derartige Vorgänge in Physisorption, Chemisorption und Ionosorption differenzieren. Auch Ionenaustauschpro zesse sind bereits seit Langem bekannt und wurden schon in der Bibel beschrieben. In diesem Fall handelt es sich bei den Targetspezies um Ionen, die aus den zu behandelnden Lösungen nicht entfernt, sondern durch gleich geladene Ionen, die an der Oberfläche der Ionenaustauscherharze durch elektrostatische Wechselwirkungen gebunden vor liegen, ersetzt werden.

Rasante Fortschritte

Die Entwicklung von Adsorberund Ionenaustauscherharzen mit maßgeschneiderten Eigenschaften brachte die Technologie entscheidend voran. Das wohl bekannteste Sorbens stellt Aktivkohle dar, die aus pflanzlichem und tierischem Material gewonnen werden kann. Aktivkohlen weisen Oberflächen bis zu 3000 m2/g auf, und deren Anwendungsgebiete erstrecken sich über nahezu alle Industriezweige und die Medizin. Eine weitere bedeutende Gruppe unter den Adsorbermaterialien mit hoher Strukturvariabilität stellen die Zeolithe dar, wovon mehr als 40 natürliche und über 150 synthetische Vertreter bekannt sind. Daneben gewinnen synthetische Harze, die durch große innere Oberflächen und homogene Strukturen charakterisiert sind, zunehmend an Bedeutung. Stukturell handelt es sich um Polykondensationsprodukte, die durch elektrophile aromatische Substitution phenolischer Verbindungen mit Formaldehyd unter saurer oder basischer Katalyse gebildet werden. Alternativ lassen sich durch Polymerisation von Styrol, Acrylsäure oder Methacrylsäure unter Quervernetzung mit Divinylbenzol oder anderen DivinylMonomeren sehr häufig eingesetzte Harze gewinnen, während Polyacrylamid, Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Polyvinylpolypyr rolidon durch radikalische Polymerisation ohne Verwendung von Quervernetzern hergestellt werden. Ionenaustauscher tauschen ihre über elektrostatische Wechselwirkungen gebundenen Ionen gegen Ionen derselben Ladung aus dem umgebenden Medium aus. Diese Materialien weisen ein hoch molekulares, dreidimensionales Netzwerk auf, an dem geladene funktionelle Gruppen chemisch gebunden vorliegen. Je nach Ladung der funktionellen Gruppen lassen sie sich in Kationenund Anionenaus tauscher sowie amphotere Materialien unterscheiden.

Breite Anwendung in der Lebensmittel verarbeitung

Mit der Entwicklung neuer Harze mit maßgeschneiderten Eigenschaften haben sich auch deren potenzielle Anwendungsgebiete ständig erweitert. Die wichtigste Applikation von Adsorberund Ionenaustauscherprozessen stellt die Wasserund Ab wasseraufbereitung dar. Daneben lassen sich im Verarbeitungsprozess uner wünschte bzw. störende Komponenten zur Gewährleistung einer gleichbleibend hohen Produktqualität entfernen. Störend wirken sich hierbei vielfach phenolische Verbindungen aus, die zur Trübung von Fruchtsäften, Bier und Wein beitragen können oder für die Bitterkeit etwa von Zitrussäften verantwortlich sind. Neben zahlreichen weiteren Einsatzgebieten werden harzbasierte Technologien darüber hinaus häufig zur Entfärbung eingesetzt, indem Maillard Reaktionsprodukte bzw. Produkte der enzy matischen Bräunung über Festphasenmaterialien entfernt werden, so etwa im Rahmen der Saccharose gewinnung. Daneben wurde in den vergang enen Jahren der Anreicherung sekundärer Pflanzenstoffe – insbesondere der Polyphenole – über Adsorberverfahren vermehrt Interesse geschenkt, da diese Technologie einen eleganten Weg ermöglicht, um potenziell gesundheitsfördernde Verbindungen mit relativ einfachen Mitteln effektiv aufzu reinigen und zu konzentrieren. Anwendungsgebiete ergeben sich somit im Rahmen der Gewinnung bioaktiver Präparationen für die Herstellung funktioneller bzw. angereicherter Lebensmittel. Hierbei erscheinen insbesondere die Nebenprodukte der Verarbeitung pflanzlicher Lebensmittel als ein besonders attraktives Ausgangsmaterial, da diese in der Regel sekundäre Pflanzenstoffe in noch sehr hohen Konzentrationen enthalten und in großen Mengen verfügbar sind. So wurden auch bereits etliche Verfahren zur Anreicherung sekundärer Pflanzenstoffe aus Reststoffen der Lebensmittelverarbeitung in der Literatur beschrieben, so etwa zur Gewinnung von Anthocyanen als natürliche Lebensmittelfarbstoffe (E 163) aus Trauben trester. Derartige Verfahren basieren jedoch meist auf empirischen Herangehensweisen und wurden i. a. nicht systematisch optimiert.

Gewusst wie – an den richtigen Stellschrauben drehen

Vor diesem Hintergrund wurde die Gewinnung und Fraktionierung phenolischer Verbindungen mittels Adsorberund Ionenaustauscherharzen in aufwändigen Versuchs serien am Lehrstuhl Lebensmittel pflanzlicher Herkunft der Universität Hohenheim systematisch untersucht und optimiert, um das weitgehend auf empirischen Anwendungen basierende Wissen zu erweitern. Hierzu wurden zunächst isolierte phenolische Verbindungen in einfach zusammengesetzten Modellsystemen mit lebensmitteltauglichen, makroporösen Harzen in Kontakt gebracht und die Sorptionsund Austauschphänomene in Abhängigkeit wesentlicher Prozessparameter mithilfe mathematischer Modelle beschrieben. Zur Annäherung dieser relativ einfachen Modell systeme an komplex zusammengesetzte Pflanzen extrakte wurden die Untersuchungen auf Mischungen mehrerer phenolischer Komponenten ausgedehnt, wobei auch die Anwesenheit nichtphenolischer Verbindungen wie von Zuckern und Aminosäuren und deren Auswirkung auf das Bindungsverhalten der Polyphenole berücksichtigt wurde. Schließlich wurden die in Modellsystemen erhaltenen Befunde mit den Erkenntnissen aus Laborund Technikumsexperimenten verglichen, die mit komplex zusammengesetzten pflanzlichen Extrakten durchgeführt wurden. Diese Untersuchungen tragen wesentlich dazu bei, kritische Prozessparameter zu identifizieren und den Polyphenolgewinnungsprozess systematisch zu optimieren. Unterschiedliche Affinitäten einzelner phenolischer Komponenten zu den Sorbentien bzw. Ionenaustauschern lassen sich hierbei zur Fraktionierung komplex zusammengesetzter Pflanzenextrakte und damit zur Gewinnung phenolischer Präparationen mit definiertem Wirkprofil ausnutzen. Die Studien im Labor und Pilot maßstab zeigten auch, dass sich derartige Verfahren problemlos in industrielle Prozesslinien integrieren lassen. Insbesondere die Gewinnung phenolischer Verbindungen aus den Nebenprodukten der Verarbeitung pflanzlicher Lebensmittel stellt somit ein wesentliches Werkzeug zur Erzielung einer zusätzlichen Wertschöpfung aus bislang nicht oder nur kaum genutzten Abfallströmen dar und trägt zu einer nachhaltigen Wirtschaftsweise im Rahmen der Lebensmittelverarbeitung bei. Aufgrund der vergleichsweise einfachen Umsetzbarkeit im industriellen Maßstab dürfte diese Technologie im Bereich der Gewinnung sekundärer Pflanzenstoffe künftig wohl noch größere Bedeutung erlangen.

Literatur
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Foto: © istockphoto.com | igor kisselev

L&M 1 / 2013

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe L&M 1 / 2013.
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