Entwicklung von Biopolymermembranen mit funktionellen Eigenschaften

Motivation

Alginsäure ist das Hauptstütz- und Strukturpolysaccharid vieler mariner (Braun-)Algen und gehört neben Polymilchsäure, Xanthan oder beispielsweise Carrageen zu den Biopolymeren. Diese bieten als nachhaltig erzeugbare und ökologisch attraktive Rohstoffe vor dem Hintergrund knapper werdender Ressourcen und bislang eingesetzter umwelt- und gesundheitsbelastender Stoffe und Verfahren, eine ausgezeichnete Möglichkeit, Produkte mit problematischer Ökobilanz (bspw. Kunststoffe, Verpackungen, Beschichtungen) ganz oder zumindest teilweise zu ersetzen. Die Fähigkeit von Alginaten als Membran- und Filmbildner eröffnet zahlreiche Perspektiven für innovative Anwendungen in der Lebensmittel-, Nahrungsergänzungsmittel- und Verpackungsindustrie. Ein weiterer Vorteil ist der Einsatz wässriger Phasen zur Herstellung und Verarbeitung alginatbasierter Biopolymere: es entstehen keine umwelt- und gesundheitsbelastenden Lösemitteldämpfe oder -abfälle.

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Zielsetzungen

Die vielfältigen Möglichkeiten der Anwendung von Biopolymeren wie z.B. Alginatfilmen legen es nahe, derartige Membranen zielgerichtet mit bestimmten Eigenschaften auszustatten. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, generelle Charakteristika der Membranen zu analysieren und gezielt zu steuern. Zunächst werden folgende Parameter gewählt und deren Abhängigkeit von verschiedenen Additiven und Prozessparametern untersucht:

1. Mechanische Stabilität

Der Fokus der Untersuchungen liegt hierbei auf der mechanischen Stabilität der Biopolymermembranen und deren Streuung innerhalb einer Produktionscharge. Dies gibt wichtige Hinweise für weitere notwendige Verarbeitungsschritte, wie Transport, Abfüllung, Verpackung oder Verzehr. Weiterhin gilt es, mögliche Einflussparameter zur gezielten Veränderung der Membranstabilität herauszufinden und zu überprüfen, inwiefern die mechanische Membranstabilität und deren Permeabilität zusammenhängen.

2. Permeabilität

Die Permeabilität einer Membran gibt an, wie gut sie für bestimmte Moleküle durchlässig ist. Die Untersuchungen sollen hierbei zeigen, inwieweit die durchschnittliche Porengröße einer Alginatmembran messbar ist und inwiefern die Porengröße durch Variation der Rezepturbestandteile oder Prozessparameter beeinflussbar ist. Im Fokus stehen zunächst kleine Moleküle wie Wasser und Ethanol, gefolgt von größeren Molekülen wie Farbstoffe und Vitamine.

3. Funktionalisierung

Um den Biopolymermembranen gezielte Funktionen zu verleihen, werden ausgesuchte Additive, wie beispielsweise Proteine, Zucker, Fette in die Membran einpolymerisiert und deren Effekt untersucht.

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Abbildung 2: Geöffnete Alginatsphäre
Abbildung 6: Oberflächenstruktur von Biopolymermembranen

Modellsystem Alginatsphäre

Als Modellsystem zur Herstellung und Charakterisierung von Alginatmembranen haben sich flüssigkeitsgefüllte Alginatsphären bewährt, die in der Regel durch Vertropfungsverfahren hergestellt werden. Die Sphären sind Kugeln mit einem, meist flüssigen Kern, der von einer Hülle aus Biopolymer umgeben ist. Als Kernflüssigkeit kommen Ca2+-haltige Lösungen (Calciumlactat oder Calciumacetat) zum Einsatz, die in wässrige kolloidale Alginatlösungen (Hüllmaterial) eingetropft werden. Dies gelingt, da die Membranbildung bei geeigneten Ca2+- bzw. Alginatkonzentrationen sofort beim Kontakt der beiden Phasen erfolgt, bevor es zu einer Durchmischung kommen kann. Die Herstellung der Alginatsphären wird im Litermaßstab bei Raumtemperatur in einer Vertropfungsanlage (Abb. 1) durchgeführt. Die erzeugten Sphären haben einen Durchmesser von ca. 2 cm und ein Gewicht von 3 bis 4 Gramm. Die Membranstärke beträgt nach 30 min Reaktionszeit ca. 0,5 mm und verstärkt sich bei längeren Reaktionszeiten auch nicht mehr wesentlich, da die Reaktion von Calcium-Ionen aus dem Kern mit weiterem Alginat durch die bereits gebildete Membran zunehmend diffusionskontrolliert wird (Abb. 2).

Messverfahren

1. Mechanische Stabilität

Die mechanischen Eigenschaften der Kugeln werden mit einem Texture-Analyzer (Abb. 3) ermittelt: die Kugel wird mit einem flachen Stempel oder einer Nadel langsam bis zur Zerstörung belastet (Belastungsgrenze). Messgröße ist die an der Belastungsgrenze aufgewendete Kraft. Die Krümmung der Kurve im Kraft-Weg-Diagramm des Stempels gibt zusätzlich Auskunft über die Elastizität der Membran. Abbildung 4 zeigt ein typisches Kraft-Weg-Diagramm mit Belastungsgrenze.

2. Permeabilität

Eine zentrale Aussage zur Permeabilität der Membran wird über die Diffusionskinetik von Wasser erhalten. Messparameter ist das gravimetrisch bestimmte Gewicht der Kugeln. Je schneller die Austrocknung (=Gewichtsverlust) der Kugeln erfolgt, desto durchlässiger ist die Membran. Abbildung 5 zeigt eine idealisierte gravimetrische Trocknungskurve. Sie kann in erster Näherung als exponentielle "Abklingkurve" beschrieben werden, die sich asymptotisch einem Grenzwert nähert, der dem Anteil der nichtflüchtigen Bestandteile der Sphäre entspricht. Je nach Zusammensetzung von Kern und Hülle sind das in etwa 30 bis 40%. Mit der Berechnung der "Halbwertszeit", also derjenigen Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der flüchtigen Anteile verdampft sind, wird ein Parameter etabliert, der den quantitativen Vergleich der Permeabilität unterschiedlicher Sphären ermöglicht.

Ergebnisse

Ein charakteristisches Merkmal der bislang hergestellten Alginatsphären ist ein ausgeprägtes Oberflächenrelief (vgl. Abb. 6). Es zeigen sich etwa 20 mm tiefe, ebenso breite und z. T. mehrere µm lange, gerade verlaufende Depressionen mit definierter Orientierung und teilweise regelmäßigen Abständen. Derartig definierte Strukturen deuten auf einen (gerichteten) (Selbst-)Organisationsprozess auf molekularer Ebene während ihrer Entstehung hin (bekannt bei Kristallisationsprozessen). Die zugrundeliegenden strukturellen Vorgänge und Eigenschaften der beteiligten Komponenten insbesondere im Zusammenhang mit der hohen Bildungsgeschwindigkeit der Membran sind bislang nicht verstanden.

Es wurde der Einfluss folgender Additive und Prozessparameter untersucht:

• Mechanische Beanspruchung bei der Herstellung

Bei der Herstellung der Alginatmembranen kommt es durch den Rührprozess zu einer Scherbeanspruchung der entstehenden Kugeln. Wird die Herstellung der Kugeln ohne Rühren durchgeführt, so dass diese aufgrund des Schwerkrafteinflusses sedimentieren, entfallen größere Scherkräfte. Die Untersuchungen zeigen, dass sich bezüglich der Permeabilität der Membran kein Unterschied ergibt, jedoch eine signifikant unterschiedliche Membranstabilität. Die Scherkräfte, die während des Rührens auf die Kugel wirken, erzeugen eine Verformung der Kugeln, sodass aufgrund eines erhöhten Innendruckes vermutlich einen Teil des Calcium-haltigen Kernmaterials in Richtung Membranaußenseite transportiert wird. Während der nachfolgenden Relaxation wird verstärkt alginathaltiges Medium angesogen. Dies führt vermutlich zu einem gesteigerten Stoffumsatz bzgl. der Membranbildung und damit zu festeren Membranen. Dass die Permeabilität der Membran dabei nicht abgesenkt wird, ist überraschend.

• Proteinkonzentration im Hüllmaterial

Ein wesentlicher Parameter, der eine signifikante Reduktion der Permeabilität der Membranen zur Folge hat, ist in die Hülle einpolymerisiertes (natives) Protein, das in einem nachfolgenden Behandlungsschritt mit Hitze denaturiert wird. Es wird eine Permeabilitätsabsenkung von knapp 20% beobachtet (Abbildung 7). Die Proteinmoleküle könnten möglicherweise offene Poren besetzen und damit verschließen. Bei der nachfolgenden Hitzebehandlung entfalten sich die Proteinmoleküle irreversibel und vernetzen sich untereinander durch hydrophobe Wechselwirkungen. Dieses "zweite Netzwerk" ist permanent und senkt die Permeabilität der Membran. Zusätzlich vernetzen sich polare Proteinsegmente mit den Hydroxygruppen der Guluron- und Mannuronmonomere des Alginats und fixieren damit das "zweite Netzwerk" in der Alginatmatrix. In Pilotversuchen konnte gezeigt werden, dass der Effekt der Permeabilitätsabsenkung durch Proteindenaturierung für größere Moleküle als das betrachtete Wassermolekül weitaus stärker ist. Überraschend ist der damit einhergehende Stabilitätsverlust der Membran durch einpolymerisiertes Protein. Der Stempeltest ergibt einen Stabilitätsverlust für proteinhaltige Membranen um den Faktor 7!

• Puffernde Anionen

Ein systematischer Vergleich des puffernden Anions in Kern- und Aufbewahrungsmedium zeigt hinsichtlich des Einflusses auf Permeabilität und Stabilität der Membran einen deutlichen und signifikant negativen Einfluss des Citrat-Anions. Citrat-gepufferte Membranen sind im Vergleich zu Acetat-, Ascorbat-, Lactat- und ungepufferten Membranen um den Faktor 4 labiler (Stempeltest) und um 30% permeabler für Wasser (Abbildung 8). Verantwortlich für diese Effekte dürften v. a. die stark komplexierenden Eigenschaften des Citrat-Anions gegenüber Ca2+-Ionen sein. Zwischen Acetat-, Ascorbat-, Lactat- und ungepufferten Membranen zeigen sich keine signifikanten Unterschiede.

• Maltodextrinkonzentration im Hüllmaterial

Um die Bissfestigkeit der Membran zu regulieren, wurden in die Alginathülle geringe Mengen (0,67% d. Trockensubstanz) Maltodextrin einpolymerisiert. Im Stempeltest zeigt sich im Vergleich zur Negativkontrolle eine tendenziell höhere Stabilität, die jedoch nicht signifikant ist. Signifikant ist allerdings ein etwa 15%iger Anstieg der Permeabilität bei höheren Maltodextrinkonzentrationen (3,35% d. Trockensubstanz). Vermutlich stört Maltodextrin durch sterische Effekte die Ausbildung eines vollständigen Calcium-Alginat-Netzwerks. Zusätzlich könnten durch nachträgliche Auswaschung der relativ kleinen und daher möglicherweise reversibel einpolymerisierten Dextrine weitere Öffnungen entstehen.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die mechanische Stabilität und Permeabilität unabhängig voneinander beeinflusst werden können. Dies ist überraschend. Durch geeignete Additive kann die Membran bei abnehmender Stabilität sowohl dichter (Protein) als auch permeabler (Citrat) werden. Ein Anstieg der Membranfestigkeit muss nicht unbedingt die Permeabilität ändern, andererseits kann ein Anstieg der Permeabilität auch ohne Verlust der Membranfestigkeit beobachtet werden.

Ausblick

Das Forschungsprojekt zielt in weiteren Untersuchungen auf die Betrachtung folgender Aspekte:

Analytischer Ansatz

Die Anzahl und Größe der Poren bestimmen die Permeabilitätseigenschaften der Membran. Durch den Einsatz von Markermolekülen definierten Molekulargewichts soll zusätzlich zur Diffusionskinetik von Wasser die Porengrößenverteilung der Membran unter verschiedenen Herstellungsbedingungen abgeschätzt werden. Ein weiterer Gegenstand (struktur-)analytischer Untersuchungen ergibt sich aus dem definierten Relief der Membranoberfläche. Beugungsexperimente sollen Aufschluss über zumindest partiell geordnete Strukturen auf molekularer Ebene liefern. Mit den bereits vorhandenen Strukturdaten der beteiligten Komponenten ließe sich so ein Modell der Membran auf molekularer Ebene visualisieren (molecular modeling) und ggf. optimieren (Molekulardynamik). Die erhaltenen Ergebnisse liefern wichtige Beiträge zum Verständnis von Struktur-/Funktions-/Stabilitäts-Zusammenhängen von Biopolymermembranen.

Applikation im Bereich der Genussmittel, Nahrungsergänzungsmittel

Bei den verwendeten Grundstoffen (Alginat, Xanthan, Carrageen, Calciumsalze) handelt es sich um Substanzen die für die Lebensmittelherstellung zugelassen sind. Die Sphären können daher direkt verzehrt werden. Das macht sie zu idealen Kandidaten für innovative Genussmittel (bekannt aus der Molekularküche). In diesem Zusammenhang werden die verfahrenstechnischen, sensorischen und gustatorischen Fragestellungen anhand der Verkapselung alkoholischer und nichtalkoholischer Getränke untersucht. Für Nahrungsergänzungsmittel und Pharmaka kommen Biopolymermembranen als neuartiges Verkapselungsmaterial ebenfalls in Frage. Neben der Kontrolle von Permeabilität und Stabilität der Membran ist dabei das Scaling up der Kugelherstellung vom Technikums- in den Produktionsmaßstab eine weitere Herausforderung.

Funktionalisierte Verpackungen

Erste Versuche haben gezeigt, dass die Funktion einpolymerisierter Konservierungsstoffe auf Biopolymermembranen übertragen werden kann. Sorbathaltige Alginatmembranen können überzogene Fleischproben wesentlich länger vor Schimmelbefall schützen als Kontrollmembranen ohne Zusatz. Diesem Ansatz wird zukünftig weitere Forschungsarbeit gewidmet.

Projektleitung


Projektbearbeitung

Projektdauer

seit 01.10.2016

Projektpartner

Weblinks

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