Vor dem Hintergrund einer qualitativen und quantitativen Bestimmung der Pigmente Astaxantin (Ast.), Lutein (Lut.) und β-Carotin (Car.) für ausgewählte phototrophe Mikroorganismen sind verschiedene Zellaufschlussmethoden sowie Extraktionsparameter hinsichtlich deren Eignung untersucht worden. Betrachtet wurden dabei unterschiedliche mechanische und physikalische Methoden.
Bei den pigmentbildenden Mikroalgen handelt es sich um Haem. pluvialis, Chr. zofingiensis und Chl. sorokiniana. Diese wurden mittels Tissue Lyser, Ultra Turrax, French Press, Lyophilisierung, Ultraschallhomogenisierung und wiederholtes Einfrieren und Auftauen aufgeschlossen, anschließend extrahiert und auf ihren Pigmentgehalt untersucht.
Weiterhin fand im Rahmen dieser Arbeit ein Lösungsmittel-screening für die Extraktion der aufgeschlossenen Biomasse mittels accelerated solvent extraction (ASE) statt. Hierzu wurden nach vorausgehender Literaturrecherche Aceton, Dichlormethan, Ethylacetat, n-Hexan, Ethanol und Dimethylsulfoxid als geeignete Lösungsmittel ausgewählt. Weiterhin wurde die etablierte Standardmethode mit einer Lösungsmittelmischung aus Aceton und Methanol im Verhältnis 9 zu 1 (v/v) als Referenzextraktion verwendet. Hierbei sind identische, aufgeschlossene Proben von Haem. pluvialis extrahiert und anschließend miteinander verglichen worden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand des Wissens - theoretische Grundlagen
2.1 Wertprodukte aus Algen
2.1.1 β-Carotin
2.1.2 Lutein
2.1.3 Astaxanthin
2.2 Produktionsorganismen
2.2.1 Haematococcus pluvialis
2.2.2 Chlorella sorokiniana
2.2.3 Chromochloris zofingiensis
2.3 Zellaufschluss
2.3.1 Enzymatischer Zellaufschluss
2.3.2 Chemischer Zellaufschluss
2.3.3 Mechanischer Zellaufschluss
2.4 Extraktion
2.4.1 Extraktionsmittel in der Lebensmitteltechnik
3 Zielstellung
4 Material und Methoden
4.1 Material
4.1.1 Laborgeräte
4.1.2 Chemikalien
4.1.3 Verbrauchsmaterialien
4.2 Verwendete Mikroalgen
4.3 Verwendete Kultivierungsmedien
4.4 Kultivierung der verwendeten Mikroalgen
4.4.1 Vorkulturführung
4.4.2 PSM-Kultivierung
4.5 Bestimmung der Photonenflussdichte
4.6 Prozessbegleitende Analytik
4.6.1 Bestimmung der optischen Dichte
4.6.2 Bestimmung der Biotrockenmassekonzentration
4.7 Probenaufarbeitung
4.7.1 Ernte und Lyophilisierung
4.7.2 Zellaufschluss
4.7.3 Bestimmung des Aufschlussgrades C
4.7.4 Extraktion
4.7.4.1 Accelerated Solvent Extraction
4.7.4.2 Manuelle Extraktion
4.7.5 Probenvorbereitung für die HPLC
4.8 Durchführung der HPLC
4.9 Bestimmung des Pigmentgehaltes
5 Ergebnisse
5.1 Kultivierung
5.2 Zellaufschlüsse
5.3 Extraktion
5.3.1 Variation des Lösungsmittels
5.3.2 Variation der Temperatur
5.3.3 Variation der Extraktionszeit
5.3.4 Mehrzyklische Extraktion
5.3.5 Manuelle Extraktion
6 Fehlerbetrachtung
6.1 Massebestimmung sowie volumetrische Bestimmung von Flüssigkeiten
6.2 Vorbereitende Schritte für die Kultivierung
6.3 Prozessbegleitende Analytik
6.4 Aufschlussgrad C
6.5 HPLC
7 Diskussion
7.1 Allgemeine Vorgehensweise
7.2 Kultivierung der Mikroalgen
7.3 Vergleich der Zellaufschlussmethoden
7.4 Lösungsmittelwahl
7.5 Einfluss der Extraktionsparameter
7.6 Vergleich der ASE mit der manueller Methode
8 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses verschiedener Zellaufschlussmethoden und Extraktionsparameter auf die Bestimmung der Pigmente Astaxanthin, Lutein und β-Carotin in phototrophen Mikroorganismen wie Haematococcus pluvialis, Chlorella sorokiniana und Chromochloris zofingiensis, um ein effizientes Aufarbeitungsverfahren zu etablieren.
- Vergleich verschiedener mechanischer und physikalischer Zellaufschlussmethoden
- Optimierung des Extraktionsprozesses mittels Accelerated Solvent Extraction (ASE)
- Lösungsmittel-Screening zur Maximierung der Pigmentausbeute
- Untersuchung von Extraktionsparametern wie Temperatur, Zeit und Zyklenzahl
- Quantifizierung der Pigmente mittels HPLC und Bestimmung der Aufschlussgrade
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung
Mikroalgen zeichnen sich als mögliche Produzenten von chemischen Hochwertprodukten aus [Borowitzka 2013], [Pulz & Gross 2004]. Dabei ist ein wichtiges Carotinoid welches aus Algen gewonnen werden kann Astaxanthin [Ambati et al. 2014]. Für dessen Produktion ist Haematococcus pluvialis unter bestimmten Stressbedingungen geeignet [Grewe 2009]. Weitere Carotinoide die aus Algen gewonnen werden können, stellen β-Carotin und Lutein dar. Wie auch Astaxanthin haben diese positive Effekte als Antioxidantien und UV-Inhibitoren [Alves-Rodrigues & Shao 2004], [Vilchez et al. 2011; Duffosé et al. 2005]. Dadurch können sie altersbedingte Krankheiten vermindern und das Auftreten von Krebserkrankungen reduzieren [Vilchez et al. 2011]. Aufgrund dieser positiven Effekte werden sie als Lebensmittelzusatz, oder als Nahrungsergänzungsmittel verwendet [Duffosé et al. 2005]. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet von Astaxanthin ist als färbender Futtermittelzusatz in Aquakulturen [Higuera-Ciapara et al. 2006], [Vilchez et al. 2011], [Borowitzka 2013].
Die Preise für die Carotinoide liegen dabei zwischen 300 und 1500 US $∙kg-1 für β-Carotin [Borowitzka 2013] und 2500 US $∙kg-1 für Astaxanthin [Vilchez et al. 2011]. Das gesamte Marktvolumen für Carotinoide beträgt dabei 1,2 Mrd US $ für das Jahr 2010 [Borowitzka 2013], wobei 261 Mio US $ auf β-Carotin, 233 Mio US $ auf Lutein [BCC Research 2011] und 260 Mio US $ auf Astaxanthin [Vilchez et al. 2011] entfallen. Für das Jahr 2018 kann ein Marktvolumen von 1,4 Mrd US $ erreicht werden [BCC Research 2011]. Der Markt für Carotinoide weist somit großes Entwicklungspotential auf.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beschreibt das wirtschaftliche Potenzial und die gesundheitliche Relevanz von Carotinoiden aus Mikroalgen und erläutert die Notwendigkeit effizienter Aufarbeitungs- und Analytikmethoden.
2 Stand des Wissens - theoretische Grundlagen: Dieses Kapitel gibt einen Überblick über Mikroalgen als Rohstoffquelle für Wertprodukte, beschreibt die Zielpigmente und die theoretischen Grundlagen zu Zellaufschluss und Extraktion.
3 Zielstellung: Die Zielsetzung definiert die Aufgabenstellung der Arbeit, insbesondere die Optimierung der Aufarbeitung und Analytik für verschiedene Mikroalgenspezies.
4 Material und Methoden: Dieser Abschnitt listet die verwendeten Materialien, Kultivierungsbedingungen, Aufschlussmethoden und die analytischen Verfahren zur Pigmentbestimmung im Detail auf.
5 Ergebnisse: Dieses Kapitel präsentiert die experimentellen Daten zur Kultivierung, zu den Zellaufschlusseffizienzen und zur Optimierung der Extraktionsparameter.
6 Fehlerbetrachtung: Hier werden potenzielle Fehlerquellen der Prozessführung und Analytik diskutiert, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse einzuschätzen.
7 Diskussion: Die Ergebnisse werden im Kontext der Literatur diskutiert, wobei die Eignung der Methoden kritisch bewertet und optimiert wird.
8 Ausblick: Der Ausblick gibt Empfehlungen für zukünftige Forschungsansätze, insbesondere zur Optimierung des Aufarbeitungsprozesses und zur Reduktion des experimentellen Aufwands.
Schlüsselwörter
Mikroalgen, Haematococcus pluvialis, Astaxanthin, Zellaufschluss, Extraktion, Accelerated Solvent Extraction, HPLC, Pigmentgehalt, β-Carotin, Lutein, Chlorella sorokiniana, Chromochloris zofingiensis, Aufschlussgrad, Prozessoptimierung, Biomasse
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Optimierung der Gewinnung von wertvollen Carotinoiden (Astaxanthin, Lutein, β-Carotin) aus verschiedenen Mikroalgen durch Untersuchung unterschiedlicher Zellaufschluss- und Extraktionsmethoden.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Prozessbiotechnologie von Mikroalgen, der Vergleich mechanischer Aufschlussverfahren sowie die Optimierung von Extraktionsparametern unter Verwendung der Accelerated Solvent Extraction (ASE).
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, den Einfluss verschiedener Zellaufschlussmethoden und Extraktionsparameter auf den Pigmentgehalt zu ermitteln und ein effektives Verfahren zur Gewinnung dieser Carotinoide zu etablieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden verschiedene mechanische Aufschlussmethoden getestet, die Extraktion durch ASE und manuelle Methoden optimiert und die Pigmentanalytik mittels HPLC durchgeführt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die Kultivierung der Mikroalgen, die verschiedenen Aufschluss- und Extraktionsexperimente sowie die detaillierte Auswertung der Pigmentausbeuten unter variierenden Bedingungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Mikroalgen, Astaxanthin, Zellaufschluss, Extraktion, ASE, HPLC und Prozessoptimierung sind die zentralen Begriffe.
Warum wird Haematococcus pluvialis als wichtigste Alge hervorgehoben?
Haematococcus pluvialis besitzt den industriell höchsten bekannten Astaxanthin-Gehalt und wird daher als primärer Produktionsorganismus für dieses Pigment genutzt.
Warum ist der mechanische Zellaufschluss den anderen Methoden überlegen?
Mechanische Verfahren wie die French Press oder der Tissue Lyser erzielen signifikant höhere Aufschlussgrade und führen dadurch zu wesentlich besseren Pigmentausbeuten als physikalische oder chemische Methoden.
Welchen Einfluss hat die Temperatur auf die Extraktion?
Es konnte gezeigt werden, dass die Pigmentausbeute ein Optimum bei 60 °C aufweist, während bei höheren Temperaturen eine thermische Zersetzung der Pigmente zu Ausbeuteverlusten führt.
Warum wird die ASE der manuellen Extraktion vorgezogen?
Die ASE ermöglicht eine automatisierte Extraktion unter definierten Bedingungen (Druck, Temperatur, Schutzatmosphäre), was zu reproduzierbareren Ergebnissen mit geringerem Zeitaufwand führt.
- Citar trabajo
- Dominik Hofmann (Autor), 2014, Pigmentbestimmung von phototrophen Mikroorganismen. Einfluss verschiedener Zellaufschlussmethoden und Extraktionsparameter, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/594539
