Untersuchungen zum antioxidativen Potenzial von Koppelprodukten (Verarbeitungsrückständen) der Arznei- und Gewürzpflanzenverarbeitung

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1 Untersuchungen zum antioxidativen Potenzial von Koppelprodukten (Verarbeitungsrückständen) der Ausgangssituation und Zielstellung Durchführung der Untersuchungen und Ergebnisse Sceening der Verarbeitungsrückstände Gewinnung von antioxidativ wirksamen Extrakten Wirkungsnachweis im Testmedium Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 01. September

2 Ausganssituation Pflanzliche antioxidativ wirksame Substanzen gewinnen im Gegensatz zu synthetischen Produkten zunehmend an Bedeutung und Akzeptanz, Nachfrage der Industrie nach Produkten auf pflanzlicher Basis steigt. Einer wirtschaftlichen Gewinnung von pflanzlichen Wirkstoffen sind oft Grenzen gesetzt außer: der Rohstoff ist ein preisgünstiges Massenprodukt oder kann einer Mehrfachnutzung zugeführt werden. - Möglichkeiten der Doppelnutzung für ausgewählte Bereiche der Arznei- und Gewürzpflanzenverarbeitung - bislang bekanntesten Gewürze mit hoher antioxodativer Aktivität sind Salbei, Rosmarin, Oregano und Thymian Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 01. September

3 Aufgabenstellung -> Evaluierung anfallender Verarbeitungsrückstände hinsichtlich - zu erwartendem antioxidativen Potenzial - technologischer Voraussetzungen - Verfügbarkeit /wirtschaftlicher Relevanz -> Ermittlung des antioxidativen Potenzials von ausgewählten industriell anfallenden Koppelprodukten -> Untersuchungen zum Extraktionsverhalten der antioxidativen Wirksubstanzen -> Herstellung von antioxidativ wirksamen Extrakten für Applikationstest 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 3

4 Sceening von Verarbeitungsrückständen/ Methode nach methanolischer Extraktion (Methanol/Wasser 70 : 30) Bestimmung der -Trolox- Äquivalente (TEAC- Werte) * - Gehalte an Gesamtpolyphenolen ** * Verzögerung einer linear ansteigenden Farbreaktion der Peroxidase Metmyoglobin und ABTS (2,2-Azinobis-[3-ethyl-benzothiazolin-6-sulfonsäure]) bei Zugabe von Wasserstoffperoxid (photometrische Messung) Hemmung der Radikalbildung als Maß für die antioxidative Aktivität Bezugssubstanz Trolox: TEAC-Werte (Trolox Equivalent Antioxidant Capacity) in Bezug auf die Aktivität einer 1 mm Troloxlösung ** nach Folin- Ciocalteu Polyphenole reduzieren im alkalischen Milieu aus Wolframat- und Molybdat- Ionen und Phosphorsäure gebildete Komplexe zu blauen Farbpigmenten (photometrische Messung) Bezugssubstanz: Gallussäure 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 4

5 Sceening von Verarbeitungsrückständen (Technikum)/ Ergebnisse TEAC PP Probe Polyphenolgehalte von 0,38 bis 9,5 g/100 g TEAC- Werte von 1,4 bis 85,4 mmol Troloxäquvivalente/100 g Melisse> Oregano > Bohnenkraut > Thymian > Majoran >Pfefferminze 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 5

6 Sceening von Verarbeitungsrückständen (Praxis)/ Ergebnisse Probe Koppelprodukt aus Polyphenole g/100 g TEAC-Wert mm/100 g 51 Oregano WD, Container 3,5 19,8 52 Thymian WD, Container 2,4 15,3 53 Majoran RA, grob 4,5 25,1 54 Oregano RA, grob 5,7 36,5 55 Thymian RA, grob 4,9 26,3 61 Rosmarin HDE- to 3,7 18,5 62 Curcuma HDE- to 3,5 15,2 63 Melisse HDE- to 5,5 31,1 64 Oregano HDE- to 5,9 34,3 65 Oregano WD, Container 3,1 20,1 66 Thymian WD, Container 2,0 14,3 67 Thymian RA, Feinanteil (< 0,5 mm) 4,3 25,0 68 Majoran RA, Feinanteil (< 0,5 mm) 3,9 21,1 69 Thymian RA, Trieurabgang (ca. 5 mm) 3,9 23,2 70 Majoran RA, Trieurabgang (ca. 5 mm) 3,6 20,5 71 Melisse HDE- to 6,1 37,3 72 Oregano HDE- to 5,5 33,3 73 Oregano WD, Container 2,2 11,1 WD: Wasserdampfdestillation RA: Rebelabrieb bzw. andere mechanische Bearbeitung HDE-to: CO 2 - Hochdruckextraktion, 350 bar Arbeitsdruck 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 6

7 Gewinnung von antioxidativ wirksamen Extrakten / Untersuchungen zum Extraktionsverhalten der antioxidativen Wirksubstanzen I Polyphenolgehalte 10,0 9,0 8,0 7,0 Methanol 70% Ethanol 70% dest.wasser g/100g 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Probe 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 7

8 Gewinnung von antioxidativ wirksamen Extrakten / Untersuchungen zum Extraktionsverhalten der antioxidativen Wirksubstanzen II TEAC 90,0 80,0 70,0 Methanol 70% Ethanol 70% dest.wasser 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0, Probe 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 8

9 Gewinnung von antioxidativ wirksamen Extrakten / Untersuchungen zum Extraktionsverhalten der antioxidativen Wirksubstanzen III Probe nm 70%MeOH VF200 dest Wasser VF200 Probe nm 70%MeOH VF200 dest Wasser VF200 Probe nm 70%MeOH VF200 dest Wasser VF200 Extinktion 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Wellenlänge [nm] Extinktion 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Wellenlänge [nm] Extinktion 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Wellenlänge [nm] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Probe nm 70%MeOH VF100 dest Wasser VF Wellenlänge [nm] Extinktion 3,0 2,0 1,0 0,0 Rosmarinsäure nm Wellenlänge [nm] 70%MeOH VF200 dest Wasser VF September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 9

10 Gewinnung von antioxidativ wirksamen Extrakten / Untersuchungen zum Extraktionsverhalten der antioxidativen Wirksubstanzen IV 4,0 3,5 3,0 Rosmarinsäure 70% MeOH 70% EtOH 1M NaOH Ethylacetat/EtOH g/100g 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 M-G a M-F a M-G b M-F b M-G c M-F c Gehalte an Rosmarinsäure (n = 3) in Abhängigkeit vom Vermahlungsgrad (G, F) sowie von Extraktionstechnik /Labor (a,b,c) und Extraktionsmittel am Beispiel Melisse 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 10

11 Antioxidativ wirksame Extrakten für Testung in Applikationen I Extraktbezeichnung / verwendete Rohstoffe: E-1 Thymian, RA, Feinanteil (< 0,5 mm) E-2 Majoran, RA, Feinanteil (< 0,5 mm) E-3 Thymian, RA, Trieurabgang (ca. 5 mm) E-4 Majoran, RA, Trieurabgang (ca. 5 mm) E-5 Melisse, HDE- to E-6 Oregano, HDE- to mg/g TS Polyphenole Rosmarinsäure 0 E-1 E-2 E-3 E-4 E-5 E-6 Extrakt 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 11

12 Antioxidativ wirksame Extrakten für Testung in Applikationen II Antioxidative Kapazität der Extrakte mittels Photo- Chemolumineszenz (PCL) Extrakt- Nr. TS g/100 g ACW ACL mg AS- Äquivalent /ml Probe mg AS- Äquivalent /g TS mg Trolox- Äquivalent /ml Probe mg Trolox- Äquivalent /g TS E-1 2,4 6,29 262,0 22,95 956,4 E-2 2,5 3,70 147,9 12,19 487,6 E-3 2,1 5,88 280,1 20,98 998,8 E-4 2,1 2,54 120,8 10,39 494,6 E-5 2,5 11,17 446,7 28, ,4 E-6 1,9 5,94 312,4 22, ,3 TS Trockensubstanz ACW Antioxidative Kapazität wasserlöslicher Substanzen AS Ascorbinsäure ACL Antioxidative Kapazität lipidlöslicher Substanzen 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 12

13 Antioxidativ wirksame Extrakten für Testung in Applikationen / Wirkungsnachweis im Testmedium Farbindex % Farbindex Testmedium Farbindex (beta- Karotin- Test) in Abhängigkeit vom Extrakt und der Extraktkonzentration im Testmedium (-1 für 2 % und -2 für 4 %) 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 13

14 Zusammenfassung I Im Verlauf unserer Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass ausgewählte Koppelprodukte der ein antioxidatives Potenzial besitzen als Rohstoff für eine praxisrelevante Produktion von antioxidativ wirksamen Extrakten geeignet sind eine wertvolle Ressource für Antioxidantien darstellen. Hohes Potenzial für eine Produktion von antioxidativ wirksamen Extrakten bieten unabhängig von Sorte und Herkunft das Blattmaterial von: Melisse, Oregano, Bohnenkraut, Thymian, Majoran, Pfefferminze (Salbei, Rosmarin). Kein oder ein vergleichsweise geringes antioxidatives Potenzial besitzen z. B. Kamille, Kümmel und Fenchel. 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 14

15 Zusammenfassung II Geeignet erwiesen sich mit Einschränkungen Koppelprodukte aus folgender Verarbeitung: Mechanische Bearbeitung CO 2 - Hochdruckextraktion Wasserdampfdestillation Einschränkende Faktoren : - zu niedriger Blattanteil - zu hoher Feinanteil (< 0,1 mm) - CO 2 - Hochdruckextraktion oberhalb 350 bar oder mit Modifier- Zusatz - Wassergehalt > 12 % 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 15

16 Zusammenfassung III Folgende Parameter sollten Rückstände der Heil- und Gewürzpflanzenverarbeitung erfüllen, wenn diese zwecks Doppelnutzung als Rohstoff für eine effektive Produktion von Extrakten mit antoxidativem Potenzial eingesetzt werden: bezüglich einer antioxidativen Kapazität relevantes Ausgangsmaterial Blattanteil bezogen auf das Ausgangsmaterial > 50 % Fremdbestandteile wie z. B. Teile anderer Pflanzen und Sand max. 20 % Partikelgröße > 0,1 mm Gehalt Gesamtpolyphenole mind. 3,0 g/ 100 g (Folin-Ciocalteu-Test) Gehalt Rosmarinsäure mind. 0,5 g/100 g (Ph.Eur.). 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 16

17 Vielen Dank! Förderung des Projektes: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie innerhalb des Förderprogramms INNOWATT (Förderkennzeichen: IW080085) Unterstützung des Projektes: verarbeitenden Betrieben bei der Rohstoffbereitstellung Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bereiches Biotechnologie bei den Untersuchungen zur antioxidativen Kapazität und der zur Verfügungstellung von Extraktionstechnik Für Ihre Aufmerksamkeit! 01. September 2011 Festkolloquium 20 Jahre ILU e. V. Ulrike Bauermann 17