Entwicklung eines maschinellen Schneideverfahrens für Heilpflanzenarten der traditionellen chinesischen Medizin (TCM)

Heilpflanzen der traditionellen chinesischen Medizin gewinnen in Deutschland zunehmend an Bedeutung. Da jedoch immer wieder Importprobleme aufgrund von Qualitätsmängeln bei der chinesischen Ware oder Engpässen in der Verfügbarkeit auftraten, startete 1999 ein mehrjähriges, vom Bayerischen Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten gefördertes interdisziplinäres Verbundprojekt unter der Leitung der Arbeitsgruppe Heil- und Gewürzpflanzen der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL). Hierbei konnte ein Feldanbau ausgewählter Heilpflanzenarten in der Praxis realisiert werden, wobei sich die Untersuchungen auf über 20 Heilpflanzenarten erstreckten. Durch einen Anbau von Heilpflanzen mit definierter Herkunft unter kontrollierten und dokumentierten Bedingungen können die Arzneimittelsicherheit und die allgemeine Qualität des Drogenmaterials wesentlich verbessert werden.

Die Akzeptanz der geschnittenen Wurzeln von Heilpflanzen bei deutschen Apothekern wird nicht nur aufgrund der Identität, der Reinheit und dem Gehalt an Inhaltstoffen, sondern auch von äußeren Merkmalen, wie Form, Wellung und Oberflächenstruktur der Wurzelscheibe beeinflusst. Für die Arzneimittelqualität spielen allerdings die erwähnten optischen Merkmale keinerlei Rolle.

Um die in Bayern angebauten Heilpflanzen weiter zu verarbeiten und deren Akzeptanz zu verbessern, wurden am Institut für Lebensmitteltechnologie in Kooperation mit mehreren Partnern ein maschinelles Schneideverfahren für Wurzeldrogen inkl. die Optimierung und Standardisierung der Vor- und Nachbehandlung sowie ein Röstverfahren für die Früchte der Spitzklette Xanthium sibiricum entwickelt. Primäre Zielsetzung dabei ist, ein gleichmäßiges Schnittbild zu erreichen, d.h. unbeschädigte, gleichmäßige Scheiben mit glatter Schnittfläche zu gewinnen. Das hängt einerseits von dem Schneideverfahren, ob der Schnitt drückend, stechend oder ziehend erfolgt, und von den Eigenschaften der Messer, wie Größe, Form, Material und Härte ab. Andererseits werden die Schneideeigenschaften stark von der Beschaffenheit der Wurzeln, u.a. Feuchtegehalt, Dicke, Faserigkeit, Härte, der Aufbereitung der Wurzeln, wie Entfernung der Verschmutzung sowie Seiten- und Haarwurzeln, als auch deren Vorbehandlung, z.B. Trocknung bzw. Einstellung des Wassergehaltes, beeinflusst. Erste Versuche mit einer Schneideeinrichtung "Sormac" haben bereits verwertbare Ergebnisse erbracht.

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Abb. 1: Scheibenschnitt Saposhnikovia divaricata
Abb. 2: Vereinzelte Saposhnikovia divaricata-Wurzeln zur Aufbereitung

Zielsetzung

Einige der TCM-Heilpflanzen liegen als Wurzeldrogen vor. Für diese war es Ziel, ein Verfahren für hygienische Wurzelscheibenschnitte für pharmazeutische Anwendungen zu etablieren, um durch saubere Konfektionierung deren Marktakzeptanz zu verbessern. Auch wenn das Schnittbild die pharmazeutische Qualität nicht beeinflusst, sind insbesondere Händler und Apotheker durch ungerichtet geschnittene Drogen verunsichert, da sie anhand des in China traditionellen Scheibenschnitts die Identität und Qualität der Drogen beurteilen können. Im Fokus hierbei stand ein gleichmäßiges Schnittbild, d. h. unbeschädigte Scheiben mit glatter Schnittfläche, wobei die Zielvorgabe der Wurzelscheibendicke durch Vermessung repräsentativer Handelsproben auf 2 – 3 mm festgelegt wurde.
Daneben konnten durch die LfL Früchte der Spitzklette Xanthium sibiricum erfolgreich angebaut werden, welche in der TCM zur Behandlung von Nasennebenhöhlenentzündungen u.Ä. eingesetzt werden. Die frischen, getrockneten Früchte enthalten die toxischen Diterpenglykoside Atractylosid (ATR) und Carboxyatractylosid (CATR). Um einen gefahrlosen Einsatz von den in Bayern angebauten Xanthii Fructus zu gewährleisten, war es das Ziel dieses Teilprojektes, ein kontrolliertes Röstverfahren zu entwickeln. Hierbei sollte das CATR der Früchte durch Decarboxylierung reproduzierbar, vollständig und möglichst schonend unter Erhalt wertgebender Inhaltsstoffe zu dem weniger toxischen ATR umgewandelt und damit die toxische Wirkung gemildert werden.

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Abb. 3: Einfluss der Rösttemperatur auf den CATR- und ATR-Gehalt von Xanthii Fructus; Laborröster, Batchgröße 50 g, Röstdauer 20 min

Ergebnisse Scheibenschnitt

Zur Erzeugung von Wurzelscheibenschnitten standen insbesondere die Heilpflanzenarten Saposhnikovia, Glycyrrhiza, Scutellaria und Astragalus im Fokus, welche durch eine elastische, zähe und faserige Struktur charakterisiert werden können. Für diese Schnittgüter erwiesen sich Schneidemaschinen mit ziehendem Schnitt und drehendem Sichelmesser, das für eine längere Lebensdauer und gesteigerter Schnittqualität mit einer DLC (diamond-like-carbon)-Beschichtung gehärtet sein sollte, als besonders geeignet. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, mit einer Bandschneidemaschine bei optimierter Zuführung aus Wurzeldrogen sauber konfektionierte Wurzelscheiben gemäß Abbildung 1 zu produzieren.
Entscheidend für eine zufriedenstellende Schnittqualität der Wurzeldrogen ist neben dem eigentlichen Schneidevorgang eine ausreichende Aufbereitung der Rohware, da die Schneideeigenschaften stark von deren Beschaffenheit (u. a. Feuchtegehalt, Dicke, Faserigkeit, Härte) beeinflusst werden. Aufgrund der wenig einheitlichen und stark verzweigten Rohware stellt die Aufbereitung die eigentliche Schwierigkeit und zukünftige Herausforderung dar. Die Aufarbeitung vereinzelter Wurzeln (Abbildung 2) umfasst zu Beginn das Entfernen unerwünschter Bestandteile wie Fein- und dünne Seitenwurzeln sowie Rhizom. Eine schonende Handhabung ist hierbei insbesondere bei Scutellaria baicalensis unerlässlich, da diese zu unerwünschter Blaufärbung neigen kann, sobald die Rinde verletzt wurde. Anschließend erfolgt ein Waschvorgang zur Entfernung von Steinen und Schmutz, um die Maschine nicht zu verstopfen und/oder die Messer zu beschädigen. Die Wasch- und Putzvorgänge sind weitgehend Handarbeit und erfordern somit viel Zeit, Sorgfalt und sind zudem mit hohen Verlusten behaftet, welche anhand Saposhnikovia divaricata auf ca. 60 % quantifiziert wurden.
Da die Rinden frisch geschnittener Wurzeln zum Einreißen neigen, ist weiterhin eine Vortrocknung bei üblicherweise 40 – 45 °C notwendig, wobei sich in Bezug auf das Schnittergebnis und der Wellung der Wurzelscheiben ein Restfeuchtegehalt von ca. 50 % bewährte.
Es zeigte sich, dass bei ungleichmäßiger Bandbelegung bzw. Beschickung kein störungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann und nur ein uneinheitliches Schnittbild realisiert wurde, welches durch zahlreiche Schrägschnitte und große Endstücke charakterisiert war. Durch eine kontrollierte Beschickung konnte dies behoben werden, erfordert jedoch eine gewissenhafte Vorsortierung des Schnittgutes anhand des Durchmessers.
Das beste Schnittergebnis mit gleichmäßiger Dicke und glatter Oberfläche lieferten Wurzeldrogen mit einem Durchmesser > 10 mm. Hierbei fiel der geringste Anteil an Abfall an und es wurde der höchste Anteil an A-Ware-Scheiben (ohne Mängel) erzielt. Wurzeln mit geringerem Durchmesser lieferten kleinere Scheiben mit teilweise unregelmäßiger Scheibendicke und einem größeren Anteil an schrägen Schnitten. Bei dünneren Wurzeln trat vermehrt ein Querstellen und Einklemmen im Spalt zwischen Band und Schneidgegenkante auf, so dass der Betrieb störungsanfällig war. Je kleiner der Durchmesser der Wurzeldrogen, desto unsauberer wurden die Wurzeln geschnitten. Gewünschte Anforderungen an die Rohware sind daher gerade, gleichmäßig dicke (> 10 mm), lange und einheitliche Wurzeldrogen. Diese liefern aufgrund ihres großen Durchmessers große Scheiben und gewähren wegen ihrer größeren Länge und Einheitlichkeit einen störungsfreien Betrieb. Durch Züchtung und Anbauverfahren (Dammanbau, Dichtsaat) konnte die LfL bereits eine deutliche Verbesserung in Richtung einer einheitlichen Wurzelmorphologie erreichen.
Nach dem Schneiden der Wurzeln in Scheiben werden diese bei 40 – 45 °C für mehrere Tage auf einen Restfeuchtegehalt von 8 – 12 % endgetrocknet, um mikrobiellen Verfall zu verhindern und die Wurzelscheiben haltbar zu machen. Die genaue Dauer wird über das Aussehen und Bruchverhalten der Scheiben oder über eine Restfeuchtemessung bestimmt. Nach dem (End)Trocknen sind die Wurzelscheiben leicht gewellt und dunkler gefärbt als unmittelbar nach dem Schneiden.

Ergebnisse Rösten

Nach eingehender Recherche verfügbarer Röstsysteme wurde zur Röstung entstachelter Xanthii Fructus ein Trommelröster ausgewählt und ein geeigneter Röstprozess aufgestellt, der konstante Rösttemperaturen mit Schwankungen ± 5 °C gewährleistet. Untersucht wurden unterschiedliche Temperatur-Zeit-Parameter im Temperaturbereich zwischen 115 ± 5 °C bis 175 ± 5 °C bei einer Röstdauer zwischen 5 bis 45 min. Zur Analytik von CATR und ATR wurde am Institut für Pharmazeutische Wissenschaften der Karl-Franzens-Universität Graz eigens eine HPLC-Methode entwickelt.
Unter den getesteten Bedingungen konnte ein vollständiger Abbau von CATR durch Röstung realisiert werden. Für eine hohe Rösttemperatur von 175 ± 5 °C ist hierfür eine Röstdauer ≥ 5 min ausreichend. Für Röstungen im mittleren Temperatursegment von 145 ± 5 °C waren Röstdauern ≥ 10 min erforderlich. Im untersuchten niedrigen Temperaturniveau von 115 ± 5 °C konnte ebenfalls ein vollständiger CATR-Abbau erreicht werden, der in Abhängigkeit des CATR-Ausgangsgehaltes der Rohware Röstdauern ≥ 30 bzw. 45 min erforderte. Da eine Abhängigkeit des Röstergebnisses vom Ausgangsgehalt der Rohware vermutet wurde, sind Voruntersuchungen für abweichende Ausgangsgehalte anzuraten.
Weiterhin wurde deutlich, dass der ATR-Gehalt bis zum vollständigen Abbau von CATR ansteigt und danach ebenfalls zu sinken beginnt. Somit konnte ATR ebenfalls abgebaut werden, wobei ein vollständiger ATR-Abbau unter den getesteten Bedingungen für Temperaturen von 175 ± 5 °C und eine Röstdauer ≥ 20 min belegt werden konnte. Die Abbauprodukte des ATR sind dabei bislang nicht bekannt.
Da für eine sichere Prozesssteuerung eine verlässliche Endproduktkontrolle benötigt wird, wurden weiterhin in Anlehnung an die Vorschrift des Chinesischen Arzneibuches Farbuntersuchungen zur Braunfärbung der Fruchtoberfläche durchgeführt. Ein Vergleich zwischen den CATR- bzw. ATR-Gehalten und den Lab-Farbwerten lieferte allerdings keinen grundlegenden Zusammenhang. Es erscheint jedoch aussichtsreich auf Basis weiterer Chargendaten Grenzwerte abzuleiten, bei deren Unterschreitung die Abwesenheit von CATR oder ATR erwartet werden kann.

Abstract

Zur Weiterverarbeitung und Steigerung der Akzeptanz von ausgewählten in Bayern angebauten Heilpflanzen der traditionellen chinesischen Medizin konnte sowohl ein Schneideverfahren zur Erzeugung von Wurzelscheibenschnitten sowie ein Röstverfahren zur Milderung der toxischen Wirkung von Xanthii Fructus entwickelt werden.
Mittels Bandschneidemaschine konnten nach Optimierung der Zuführung und Messerhärte TCM-Wurzelscheibenschnitte der Heilpflanzenarten Saposhnikovia, Glycyrrhiza, Scutellaria und Astragalus gewünschter Qualität erzeugt werden. Dabei wurde deutlich, dass die eigentliche Schwierigkeit nicht im Schneidevorgang selbst, sondern in einer entsprechenden Aufarbeitung der Rohware zu sehen ist. Diese umfasst nach der Ernte aufwendige Putz- und Waschvorgänge, eine Vortrocknung sowie eine gewissenhafte Vorsortierung.
Weiterhin wurde mittels Trommelröstung eine vollständige Decarboxylierung des in Xanthii Fructus enthaltenen CATR und damit eine Milderung der toxischen Wirkung realisiert. Hierfür wurden entsprechende Verfahrensparameter ermittelt und darauf aufbauend ein weiterer Abbau des weniger toxischen ATR bei untersuchten Temperatur-Zeit-Kombinationen belegt.