• Laufzeit: 01.07.2022 – 30.06.2023
  • Schwerpunkt: Gesundheit

Machbarkeitsstudie zur Extraktion von Lutein aus der Grünalge Chlamydomonas asymmetrica

Lutein gehört zu der natürlich vorkommenden Gruppe der ß-Carotinoide und wird vor allem in der Lebensmittel-, Tierfutter- und Nahrungsergänzungsmittelindustrie als Farbstoff sowie als Antioxidans verwendet (E 161 b, GRAS-Status). Als fettlöslicher Zusatzstoff erweist es sich in zahlreichen Studien besonders effektiv im Schutz vor Lipidperoxidation. Es kann zudem gezeigt werden, dass die Einnahme von Lutein altersabhängiger Makuladegeneration (AMD) des menschlichen Auges entgegenwirken kann, indem es zum einen als Antioxidans freie Radikale binden und zum anderen als Farbstoff die energiereichen Wellenlängen im blauen Spektralbereich absorbieren und somit photochemische Schäden durch UV-Strahlung verhindern kann. Die industrielle Gewinnung Lutein-reicher Extrakte erfolgt üblicherweise durch Extraktion der Aufrechten Studentenblume Tagetes erecta. Es sind darüber hinaus weiter natürliche Quellen, die hohe Luteingehalte aufweisen, bekannt. Darunter befinden sich zahlreiche Mikroalgen, deren Kultivierung in großem Maßstab gelingt und im Allgemeinen technisch wenig anspruchsvoll ist. Das hier beantragte Projekt verfolgt die Extraktion von Lutein aus der Grünalge Chlamydomonas asymmetrica, die einen vergleichsweise hohen Luteingehalt aufweisen kann. Zwei wesentliche Fragestellungen werden dabei betrachtet. Zum einen wird untersucht, ob sich der Einsatz eines speziellen Zellaufschlussverfahrens (Pulsed Electric Field) hinsichtlich der Luteinausbeute lohnt und zum anderen werden zwei verschiedene Extraktionsverfahren hinsichtlich der Luteinausbeute und der 3 Extraktqualität verglichen. Lutein ist lipophil, daher lohnt sich der Vergleich der bisher verwendeten Lösemittelextraktion mit der CO2-Hochdruckextraktion. Die gewonnenen Extrakte werden nicht nur bezüglich des Luteingehaltes, sondern auch bezüglich ihrer antioxidativen Kapazität untersucht. Letztere kann durch die Extraktmatrix beeinflusst werden.

Motivation und Hintergrund

Der Bedarf an natürlichen und nachhaltig erzeugten Lebensmittelzusatzstoffen, die aufgrund ihrer wirksamen Inhaltsstoffe auch als Nahrungsergänzungsmittel eingesetzt werden können, nimmt aufgrund einer steigenden Nachfrage und eines sich veränderten Konsumentenbewusstseins kontinuierlich zu. Der Markt für Nahrungsergänzungsmittel verbucht alleine in Deutschland jährlich einen Umsatz von rund 2 Milliarden Euro und unterliegt einer stetigen Zunahme (etwa 6 % pro Jahr). Der jährliche Umsatz für Lutein wurde für das Jahr 2010 auf 233 Mio. US-$, für das Jahr 2018 bereits auf 308 Mio. US-$ geschätzt und es wird darüber hinaus ein weiteres jährliches Wachstum von 3,6 % prognostiziert.

Das Xanthophyll Lutein gehört zu den Lebensmittelzusatzstoffen, die aufgrund ihrer gesundheitsfördernden Wirkung auch als Bestandteil von Nahrungsergänzungsmitteln vertrieben werden. In der Lebensmittelindustrie wird Lutein vor allem als Farbstoff und Antioxidans verwendet. Es wird der Gruppe der ß-Carotine zugeordnet und als Lebensmittelzusatzstoff unter der Nummer E 161b geführt. Lutein findet unter anderem Verwendung in Soßen, Marinaden, Süß- und Backwaren, Kuchen und Torten sowie alkoholhaltigen Getränken. Neben den farbgebenden Eigenschaften gilt vor allem den antioxidativen Eigenschaften des Luteins großes Interesse. Hierbei steht aufgrund des lipophilen Charakters insbesondere der Schutz vor Lipidperoxidation im Vordergrund. Neben der Verwendung in Lebensmitteln kommt es auch als Farbstoff in Tierfutter, beispielsweise zur natürlichen Färbung von Hähnchenfleisch oder Eigelb, zum Einsatz. In Nahrungsergänzungsmitteln werden vor allem die antioxidativen Eigenschaften genutzt. Lutein ist als Bestandteil der Makula des menschlichen Auges in der Lage, den sichtbaren Blauanteil des Sonnenlichts zu filtrieren und dadurch die Netzhaut vor freien Radikalen zu schützen. Mehrere Studien zeigen, dass eine zusätzliche Luteineinnahme vor altersbedingter Makuladegeneration schützt. Auf dem Markt sind daher bereits einige Nahrungsergänzungsmittel zu finden, die z.B. Nährstoffkapseln zum Schutz und zur Verbesserung der Sehkraft beinhalten.

Lutein ist einer der Hauptbestandteile der für die Photosynthese notwendigen Photosysteme von Pflanzen, Algen und Cyanobakterien, in denen es ausschließlich vorkommt. Dabei schützt es die Zellen vor Oxidation, insbesondere der Lipidperoxidation. Aufgrund seiner positiven Eigenschaften wurde Lutein bereits durch die US-amerikanische Food and Drug Administration (FDA) als Nahrungsergänzungsmittel mit GRAS-Standard (generally recognized as safe) eingestuft. Derzeit stammt der Großteil des produzierten Luteins aus dem Anbau und der Lösemittelextraktion der Aufrechten Studentenblume Tagetes erecta. Eine weitere natürliche Quelle als potentielle Alternative stellen Mikroalgen dar. Es sind in der Literatur mehrere Lutein-produzierende Arten beschrieben und den Angaben zufolge bereits zum Teil zur Luteingewinnung im Einsatz. Der hierfür am häufigsten kultivierte Algenstamm ist die Grünalge Dunaliella salina.

In Vorarbeiten an der OTH Amberg-Weiden wurde die Luteinproduktion der Grünalge Chlamydomonas asymmetrica näher untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Einstellung idealer Wachstumsparameter pro Tag 1 g Biotrockenmasse pro Liter Kultivierungsvolumen produziert werden kann. Der dabei erreichte Luteingehalt liegt bei bis zu 33 mg ⋅ g-1 Biotrockenmasse. Darüber hinaus zeigt sich, dass selbst bei niedriger Lichtintensität ein täglicher Biomassezuwachs von 0,25 g ⋅ L-1 erzielbar ist, dessen Luteingehalt sich mit 20 mg ⋅ g-1 Biotrockenmasse beziffern lässt – die Angaben beziehen sich auf eine kontinuierliche Versorgung mit Licht. Nach Lin et. al. ist die Luteinproduktion in Mikroalgen im Allgemeinen 3 - 6 mal höher als in Tagetes erecta. Dabei wird für Mikroalgen eine Luteinausbeute von 5 g/kg Biotrockenmasse angenommen, für Tagetes erecta eine Ausbeute von 20 g/kg Biotrockenmasse. Aufgrund eines schnelleren Biomassewachstums bei Mikroalgen ist die Luteinproduktion höher. Für den in diesem Projekt eingesetzten Mikroalgenstamm Chlamydomonas asymmetrica sind jedoch 20 g Lutein / kg Biotrockenmasse zu erwarten bei vergleichbarer Wachstumsgeschwindigkeit. Der höhere Luteingehalt in der Algenbiomasse, gekoppelt mit den in diesem Projekt untersuchten Prozessen, sollte die Aufreinigung des Produktes stark vereinfachen.

Zielsetzung

In dem Projekt soll ein optimales Extraktionsverfahren entwickelt werden, mit dem man hochwertigen Luteinextrakt unter ökonomischen Aspekten herstellen kann. Aufgrund zahlreicher Studien ist nachgewiesen, dass Lutein nicht nur hervorragende farbgebende Eigenschaften mit sich bringt, sondern darüberhinaus ein wirksames Antioxidans ist. Diese Eigenschaften gilt es bei der Extraktion zu erhalten und in konzentrierte Extrakte zu überführen. Als natürliche Quelle wird eine einfach zu kultivierende Grünalge gewählt. Die gewonnenen Lutein-reichen Extrakte können dann in der Lebensmittel- und Tierfuttermittelindustrie als natürlicher Farbstoffextrakt oder als Antioxidans gegen Fettverderb eingesetzt werden. Die im Projekt vorgesehene Untersuchung der antioxidativen Kapazität der Extrakte gibt Auskunft über die Wirksamkeit und mögliche Unterschiede durch Matrixeffekte. Der Einsatz in Nahrungsergänzungsmitteln oder Kosmetika ist ebenfalls möglich.

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