Bildreportage: Nanowissen macht Stoffe löslich

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1 Bildreportage: Nanowissen macht Stoffe löslich Die Aquanova AG in Darmstadt stellt keine Nanomaterialien im Sinne einer strengen Nano-Definition her. Doch sie kennt sich mit einer der wichtigsten natürlichen Nanostrukturen aus und hat ein Verfahren entwickelt, sie industriell herzustellen: Micellen. Die winzigen Einheiten erlauben es, fettlösliche Stoffe in wässriger Umgebung zu lösen und stabil zu halten. Wie das funktioniert und wem es nutzt, haben wir uns vor Ort angesehen. Fett und Wasser lassen sich nicht mischen. Ihre einzelnen Teilchen (Moleküle) stoßen sich ab. Deshalb schwimmen auf der Hühnerbrühe die Fettaugen obenauf. Fettaugen auf Wasser. Foto: Margot Kessler / pixelio.de Oktober

2 Dieser Mechanismus hat weitreichende Konsequenzen: Menschen bestehen überwiegend aus Wasser. Was sich nicht in Wasser lösen lässt, kann nicht in die Zellen aufgenommen werden, sondern wird stattdessen ausgeschieden. Corporae non agunt nisi solutae (etwa: Substanzen wirken nicht, wenn sie nicht gelöst sind), fasste der Schweizer Arzt und Gelehrte Paracelsus das Problem schon im 16. Jahrhundert zusammen. Tabletten. Foto: Jörg Kleinschmidt / pixelio.de Oktober

3 Die Natur hat aber - wie im Hühnerei oder in Milch - einen Weg gefunden, fettlösliche Substanzen in die Zellen zu schleusen: Micellen. Mit ihrer Hilfe kann auch der menschliche Körper Nahrungsfette verwerten und nichtwasserlösliche Vitamine aufnehmen. Diese nur wenige Nanometer großen Strukturen bestehen aus Molekülen, die einen wasserfreundlichen und einen wasserabstoßenden Teil haben. In einer wässrigen Umgebung lagern sich die Moleküle mit ihrem wasserfreundlichen Teil (im Modell blau) nach außen zu einer Kugel zusammen. Ins Innere dieser Struktur ragen ihre fettfreundlichen Schwänze (im Modell weiß). In der Mitte dieser Nano-Struktur ist noch Platz für fettfreundliche Teilchen anderer Stoffe. So verpackt können sie problemlos in wässriger Umgebung schwimmen. Die Aquanova AG aus Darmstadt nutzt diesen Mechanismus und stellt gezielt Micellen zum Einschluss verschiedener Wirkstoffe her. Modell einer Micelle. Amphiphile (also zugleich fett- und wasserfreundliche) Moleküle bilden die Schale. Der wasserfreundliche Teil ist blau, der fettfreundliche Teil weiß dargestellt. In der Mitte ist eine fettfreundliche Substanz (rot) eingelagert. Oktober

4 In großen Kesseln werden die Stoffe, die es einzuschließen gilt, und die Micell-Bildner in exakt berechnetem Verhältnis zusammengebracht. Dann macht die Physik die Arbeit: Gewusst wie, reichen Erwärmen, Rühren und Kühlen aus, um aus den Rohstoffen Produkt-Micellen entstehen zu lassen. Für die Hülle dieser Micellen werden ausschließlich Stoffe verwendet, die für Lebensmittel zugelassen sind. Je nachdem, welche Anforderungen an die Beweglichkeit und Stabilität der Micellen gestellt werden, können verschiedene Emulgatoren (=Lösungsvermittler), mittelkettige (also kürzere) Fettsäuren oder Gelatine zum Einsatz kommen. In diese Hülle lassen sich beispielsweise pflanzliche Farbstoffe, Vitamine, medizinische Wirkstoffe oder Kosmetikinhaltsstoffe einschließen. In der Produktionshalle von Aquanova. Oktober

5 Das Ergebnis ist ein so genanntes Solubilisat, in dem die mit dem Wirkstoff beladenen Micellen wie die Bälle in einem Bällebad gegeneinander kugeln. Wasser ist darin nicht enthalten. Wie die Bälle in einem Bällebad liegen auch die Micellen eines Solubilsats zusammen. Foto: Lichtkunst.73 / pixelio.de Oktober

6 Auf diese Weise gelingt, was mit den Stoffen an sich oder größer strukturierten Emulsionen nicht ginge: Fettlösliche Verbindungen lassen sich in Wasser gleichmäßig und klar verteilen. Die Micellen sind stabil gegen Magensäure und bleiben in der Wärme des Körpers intakt. Erst an der Dünndarmwand geben sie ihren Wirkstoff frei. Dadurch können die fett-löslichen Wirkstoffe, die in den Micellen verkapselt sind, leicht vom Körper aufgenommen und in den Stoffwechsel eingespeist werden sie werden bioverfügbar. Elegant vermittelt: Wird das Pulver aus einer fettlöslichen Substanz in Wasser gegeben, schwimmt es oben auf. Erst in Micellen verpackt lässt es sich gleichmäßig und klar im Wasser verteilen. Foto: Aquanova AG Oktober

7 Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig: Wo synthetische Lebensmittelfarbstoffe unerwünscht sind, können pflanzliche Farbstoffe, die in der Regel nur fettlöslich sind, als Solubilisat natürliche Farbe verleihen. Leicht flüchtige natürliche Aromen lassen sich so verkapselt stabil halten. Medizinische Wirkstoffe können auf diese Weise leicht in die Blutbahn gelangen und so auch in niedrigen Dosierungen wirken. Ein Anwendungsbeispiel: Durch den Einschluss in Micellen können auch fettlösliche pflanzliche Farbstoffe in Getränken auf Wasserbasis eingesetzt werden und so synthetische Farbstoffe ersetzen. Foto: Jonathan Keller / pixelio.de Oktober

8 Auch neuartige Nahrungsergänzungsmittel sind möglich. Ein Beispiel: Curcumin, der gelbe Farbstoff aus der Kurkuma- Wurzel, wirkt entzündungshemmend. Er könnte daher in der Therapie einiger entzündlicher Erkrankungen hilfreich sein. Niemand kann jedoch löffelweise staubiges Gewürzpulver essen. In den Kapseln ist der sekundäre Pflanzenstoff als hochkonzentriertes flüssiges Solubilsat sehr gut bioverfügbar und leicht zu schlucken. Nahrungsgeränzungsmittel mit Curcumin. Als Solubilisat in Kapseln kann der pflanzliche Wirkstoff leicht eingenommen werden. Oktober

9 Nahrungsergänzungsmittel und andere, die mit solchen Produkt-Micellen hergestellt werden, brauchen keine besondere Zulassung. Werden einzelne Inhaltsstoffe in Form von Micellen eingesetzt, muss das weder in kosmetischen Mitteln noch ab 2014 in Lebensmitteln besonders gekennzeichnet werden. Der Grund: Die Substanzen, die die Hülle bilden, gelten als Lebensmittel oder sind als Lebensmittelzusatzstoff zugelassen. Nur ihre Ladung (z.b. Paprikaextrakt oder Vitamin C) muss unter Umständen aufgeführt werden. Foto: Michela Trummer / pixelio.de Oktober

10 Eine verbesserte Bioverfügbarkeit bedeutet für die Hersteller: Weniger Wirkstoff für den gleichen Effekt. Damit es aber nicht zu gesundheitlich bedenklichen Überdosierungen kommt, ist es ihre Pflicht, die Dosis der Wirkstoffe in ihren Produkten entsprechend niedriger anzusetzen. Gerade aus diesem Grund muss die Risikobewertung wachsam bleiben: Im unübersichtlichen Angebot der Nahrungsergänzungsmittel sollte geprüft werden, inwieweit eine gute Bioverfügbarkeit wirklich für alle angebotenen Substanzen unbedenklich und erstrebenswert ist. Die Überdosierung von fettlöslichen Vitaminen kann beispielsweise dem Körper ernsthaften Schaden zufügen. Maschinelles Dosieren. Foto: Dieter Schütz / pixelio.de Oktober

11 Die Produkt-Micellen der Aquanova AG messen etwa 30 nm im Durchmesser. Weil sie natürlicherweise entstehen (wenn die Bestandteile in den richtigen Mengen gemischt werden), sich im Körper in abbaubare Stoffe auflösen und ihre Eigenschaften nicht auf ihre Größe zurückzuführen sind, gelten sie jedoch nicht als Nanomaterial bzw. Nanopartikel. Doch sie sind ein Beispiel dafür, wie aus der Forschung an Nanostrukturen neue Technologien und Produkte entstehen können. Die Herstellung der Micellen ist computergesteuert. Auf diese Weise kommen genau soviele Rohstoffe zusammen, wie gebraucht werden. Reste gibt es nicht. Oktober

12 Micellen sind der Schlüssel zu einer besseren Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen. Wenn bioaktive Substanzen, seien es Vitamine, sekundäre Pflanzenstoffe oder medizinische Wirkstoffe, im Körper da ankommen, wo sie hinsollen, reichen kleine Mengen aus, um Wirkung zu zeigen. Das ist ein wirksamer Beitrag zum Ressourcen- und zum Umweltschutz. Denn was in den Stoffwechsel geht, wird in unbedenklicher Form ausgeschieden und landet nicht als potenziell giftige Substanz in unserem Wasser, beschreibt Dariush Behnam, der Gründer und Geschäftsführer der AQUANOVA AG, der die Micellen- Technologie entwickelt hat, seine Motivation. Dariush Behnam, Geschäftsführer der Aquanova AG. Oktober