Extraktionsverfahren bioaktiver Naturstoffe aus Hopfen (ExBiNaH)

Die Kulturpflanze Hopfen ist landläufig aufgrund des Einsatzes in der Braubranche bekannt (Abb. 1). Sie ist allerdings auch bereits seit ca. 1000 Jahren als beruhigend und schlaffördernd wirkende Heilpflanze dokumentiert. Für phytopharmazeutische Präparate wird meist ein Gesamtextrakt verwendet, da Informationen über die wirksamen Substanzen zur Behandlung nervöser Unruhe und leichter Depressionen bis in die jüngste Zeit fehlten. Aktuell wird die Entwicklung von Depressionen mit einem Rückgang der Bildung neuer Nervenzellen in bestimmten Bereichen des Gehirns in Zusammenhang gebracht (Santarelli et al. 2003). Ein hochmoderner Therapieansatz verfolgt daher das Ziel, die Bildung neuer Nervenzellen aus körpereigenen adulten Stammzellen anzuregen, wofür es einen lebenslänglich angelegten Pool am Rand des Hippocampus genannten Teilorgans des Gehirns gibt. Dieses Phänomen nennt sich Differenzierung und ist ein wichtiger Vorgang beim Lernen, im Gedächtnis und beim Erinnern.
Hopfen

Abb. 1: Hopfen – Humulus lupus (Quelle: Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit))

Durch zellbasierte Untersuchungen konnte die Arbeitsgruppe von Prof. Riepl eine Substanzgruppe in Hopfen identifizieren, die die Spezialisierung zu Nervenzellen einleitet. In Kulturen von adulten neuronalen Stammzellen der Maus zeigte sich, dass die Gruppe der Prenylflavonoide mit Chromanring dafür verantwortlich ist (Urmann et al. 2013).
Strukturformel abb1

Abb. 2: Chemische Strukturen einiger neurodifferenzierender Chroman-ähnlicher Prenylflavonoide

Darauf aufbauend wurde eine Methode erarbeitet, um einen Spezialextrakt mit höherer Wirkstoffkonzentration zu gewinnen, besonders ausgerichtet auf die Chroman-ähnlichen Prenylflavonoide (Abb. 2). Solche Extraktpräparate können die phytopharmazeutische Verwendung von Hopfen auf eine innovative Basis stellen, da eine Anwendung bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen möglich erscheint. Das übergeordnete Ziel des Projektes war somit, die Eignung solcher Spezialextrakte hinsichtlich einer phytopharmazeutischen Anwendung (Standardisierung des Herstellungsverfahrens, biologische Aktivität, Akzeptanz beim Konsumenten) zu klären. Diese Extrakte könnten dann von z. B. einer pharmazeutischen Firma zur Entwicklung übernommen werden.

Zuverlässige therapeutische Ergebnisse können indes nur erzeugt werden, wenn neben der Chargenkonformität auch die Extraktherstellung standardisiert ist. Ein zentrales Element bei dem untersuchten Anreicherungsverfahren ist die Adsorption des Roh­extrakts auf ein Polyamid-Pulver oder ein ähnliches Adsorbens, von dem durch unterschiedliche flüssige Phasen einzelne Substanzgruppen weggewaschen werden. Durch die Zugabe von Cyclodextrinen in wässrige Lösungen wird aufgrund des unterschiedlichen Maßes der Einschlusskomplexbildung der verschiedenen Hopfeninhaltsstoffe eine Trennung der Hopfeninhaltsstoffe bezüglich Größe, Struktur und Geometrie erreicht. Geeignet zusammengesetzte Flüssigphasen mit Cyclodextrinen lösen daher bestimmte Inhaltsstoffe, wobei andere dagegen ungelöst bleiben.

Es besteht eine Proportionalität zwischen der Konzentration eines Cyclodextrins in der Lösung und der Konzentration eines bestimmten Hopfeninhaltsstoffs im späteren Filtrat. Allerdings sollte die Absolutmenge an Cyclodextrinen aus Kostengründen möglichst gering gehalten werden. Es musste also eine optimale Kombination aus Feststoff und Flüssigkeitsgehalt gefunden werden.

Technisch gesehen handelt es sich bei der Methode um einen Fil­trationsvorgang. Der Extrakt ist auf ein festes Adsorbens aufgezogen, das in einem Filtergerät mit verschiedenen flüssigen Phasen durchgespült wird. Dazu sollten Anströmung, Druck und Filtrationsgeschwindigkeit des Gemisches in Abhängigkeit von der Füllung (Feststoffgehalt der Suspension) und den Cyclodextringehalten bestimmt werden. Diese Daten wurden mit Konzentrationen der relevanten Inhaltsstoffe in den Filtraten (oder auch der Festphase) in Beziehung gesetzt. Die Gehalte der bereits bekannten Inhaltsstoffe der erstellten Extrakte wurden mittels HPLC(MS), UV oder IR erfasst. Um das im Labormaßstab erprobte Verfahren einer industriellen Nutzung zugänglich zu machen, muss nicht nur die Anlagengröße dimensioniert werden, sondern es gilt, die Anforderungen und Einflüsse weiterer Faktoren zu berücksichtigen. Dazu gehören maßgeblich die Stabilität der Anlage, die Risiken der eingesetzten Werkstoffe, die Größe der Wärmeaustauschflächen, das Durchmischungssystem sowie die Art der eingesetzten Energieträger. Ein erforderlicher Schritt auf dem Weg zur industriellen Realisierung eines chemischen Prozesses ist das Betreiben von Versuchsanlagen, die in ihrem Aufbau beziehungsweise ihrem Ablauf mit der angestrebten Produktionsanlage vergleichbar sind und ohne negative Veränderungen in die industrielle Dimension übertragbar sind. Daher wurde hierzu ein kleiner Filtertrockner mit variablen Filtereinsätzen angeschafft („Filter Dryer“ (GFD) von PLS). Diese Pilotanlage galt als prädestiniert für die schrittweise Maßstabsvergrößerung, da sie in aufeinander aufbauenden Dimensionen erhältlich ist und die Prozesse maßstabsgetreu übertragen werden können (Ende et al. 2013).

Der Filterkuchen kann strömungstechnisch als „Druckverlust pro aufgetragenem Massenanteil“ des porösen festen Filterkuchens (dp/dw) behandelt werden und man gelangt so zu einer universell zum Upscaling geeigneten Gleichung, die die Strömungsgeschwindigkeit u der flüssigen Phase mit dem Filterkuchen in Beziehung setzt:

Gleichung abb2

Während der Quotient (dp/dw) und α ausschließlich von dem verwendeten porösen Medium bestimmt werden, sind die kinematische Viskosität ν und die Dichte ρ vom Lösungsmittel abhängige Variablen. Die Viskosität spielt eine wichtige Rolle bei der Charakterisierung, weil sie sich mit steigendem Cyclodextringehalten ebenfalls erheblich steigert.

Als Hauptergebnis ist festzuhalten, dass die ursprünglich verwendeten Polyamide zugunsten von PVPP aufgegeben wurden. Der Filtrationsvorgang verlangsamt sich deutlich, wenn die Cyclodextrinmengen steigen. Dies liegt an den steigenden Viskositäten ν dieser cyclodextrinhaltigen Lösungen. Andererseits wurden diese Mengen für eine optimale Separation der Substanzen benötigt. Aus dem Vergleich der Ergebnisse der Versuche mit Polyamid und PVPP kann man schließen, dass PVPP als stationäre Phase entscheidende Vorteile besitzt. Dieses Polymer erzielte spezifische Trennungen der analysierten Polyphenole bei einer zehnfach geringeren Cyclodextrinkonzentration verglichen mit Polyamid. Durch PVPP kann nicht nur die Separationsgüte beibehalten werden, sondern auch erheblich Cyclodextrin eingespart werden, was – technisch nicht uninteressant – auch zu einem schnelleren Filtrationsvorgang führt, weil die Viskosität der Lösungen geringer gehalten werden kann.

Die Untersuchungen zu Verbrauchereinschätzungen der Arbeitsgruppe von Prof. Menrad zeigen, dass pflanzliche Arzneimittel in der Bevölkerung Deutschlands weit verbreitet sind. Bei der Nutzung von pflanzlichen Arzneimitteln wurde herausgefunden, dass die Verbraucher deren mögliche Nebenwirkungen offenbar stark unterschätzen und nicht für nötig empfanden, darüber mit ihren Ärzten zu reden. Weitere Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass Verbraucher pflanzliche Arzneimittel v. a. aufgrund negativer Assoziationen oder Erfahrungen mit konventioneller Medizin (sog. Push-Faktor) oder positiver Erfahrungen mit der Wirkung oder Verträglichkeit dieser Arzneimittel (sog. Pull-Faktor) nutzen oder  aufgrund von Familientraditionen, in denen das Wissen oftmals schon lange weitergegeben wird (neue Erkenntnis aus den Untersuchungen von Frau Welz). Bei Betrachtung der Einflussfaktoren für die Verwendung pflanzlicher Arzneimittel ist auffällig, dass gesundheitsbezogene Variablen nur etwa 15 % der Varianz zwischen Nutzern und Nicht-Nutzern erklären. Das zeigt, dass es viele personenbezogene Einflussfaktoren wie Werte, Einstellungen oder Gesundheitseinschätzungen gibt, die in diesem Zusammenhang bedeutsam sind.


Die in dem Vorhaben bearbeitete Fragestellung ist industriell von beträchtlicher Relevanz. Die größten hopfenverarbeitenden Betriebe (Extraktion mittels überkritischen CO2) sitzen in Bayern. Durch die thematische Ausrichtung des Projekts auf die Erarbeitung von technisch relevanten Daten bei einem Naturstoffanreicherungsverfahren wurde spezielles Knowhow unmittelbar in Zusammenarbeit mit der industriellen Praxis erforscht. Schließlich dienen weite Teile des Projekts als Vorarbeit einer möglichen Produktentwicklung, was sowohl die Anwendungsnähe der bearbeiteten Themenstellung als auch deren hohes wirtschaftliches Potenzial aufzeigt. Allerdings bedarf es weiterer Forschungsanstrengungen, um die biologische Aktivität der Extrakte durch pharmakologische Untersuchungen im Bereich der neurodegenerativen Erkrankungen am Menschen genauer zu ermitteln. 

Hinweis

Ein Literaturverzeichnis kann bei den Autoren angefordert werden.


Promotionen

Extraktionsverfahren bioaktiver Naturstoffe aus Hopfen

Doktorand: M.Sc. Tobias Burger
Betreuer HSWT: Prof. Dr. Herbert Riepl
Fakultät: Fakultät Umweltingenieurwesen
Partner-Uni: Technische Universität München
Zeitraum: 01.09.2015 - 31.12.2020

Projektleitung

Prof. Dr. Herbert Riepl (Koordination)
T +49 9421 187-302
herbert.riepl [at]hswt.de

Teilprojektleitung

Projektbearbeitung



M. Sc. Michael Kirchinger


Mag. rer.nat. Alexandra Welz

Projektdauer

01.03.2015 - 31.12.2018

Projektpartner

Projektträger

Projektförderung