Wertstoffgewinnung

Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickelt Prozesse für die Herstellung verschiedenster Produkte aus Mikroalgen, beispielsweise:

• Ausgangsprodukte für Nahrungsergänzungsmittel, wie zum Beispiel mehrfach ungesättigte langkettige Fettsäuren (Omega-3-Fettsäuren) oder Farbstoffe aus Algen
• Fettsäuren für Plattformchemikalien oder für Biodiesel
• Stärke als Rohstoff für biotechnologische Prozesse wie die fermentative Ethanolherstellung
• Schädlingsabwehrende Wirkstoffe aus Algen und Cyanobakterien für den ökologischen Landbau

Mit den gewonnenen Extrakten stehen der Lebensmittel-, Futtermittel- sowie Kosmetikindustrie natürliche Extrakte mit gesundheitsfördernden Eigenschaften zur Verfügung, welche nun in entsprechende Produkte weiterverarbeitet werden können.

Gerne untersuchen wir für interessierte Firmen, wie Sie die Extrakte nutzen können oder stellen Mustermengen zur Verfügung.

Bei der Gewinnung von Wertstoffen aus Algenbiomasse und einer weiteren Nutzung der Restbiomasse (Kaskadennutzung) gelten besondere Anforderungen an die Aufarbeitung. Prinzipiell bestimmen der chemische Charakter und die Marktspezifikation, wie etwa der geforderte Reinheitsgrad des Produkts, die Aufarbeitungstechnik.

Weitere Anforderungen sind:

• Die weitestgehende Vermeidung eines energieauf­wendigen Trocknungsschritts.
• Die Lokalisierung der Komponenten in der Zelle und ein gezielter schonender Aufschluss, der die Funktionalität erhält (z. B. Vermeidung von Wärmeentwicklungen, welche die Funktionalität beeinträchtigen könnten), und
• eine schonende Extraktion, um eine Aufarbeitung weiterer Zellkomponenten zu ermöglichen.

Extraktion von lipophilen Inhaltsstoffen mit überkritischen Fluiden

Zur Gewinnung von lipophilen Inhaltstoffen wie beispielsweise Fettsäuren und Carotinoiden gewinnt die Extraktion mittels überkritischer Fluide (supercritical fluids, SCF) immer mehr an Bedeutung. Der Vorteil hierbei ist, dass sowohl der Extrakt als auch die zurückbleibende Biomasse – im Gegensatz zur Extraktion mit organischen Stoffen – frei von gesundheitsschädlichen Lösungsmitteln ist. Das extrahierte Produkt kann somit direkt weiterverarbeitet und dem Markt als Nahrungsergänzungsmittel zur Verfügung gestellt werden.

Gewinnung weiterer Fraktionen

Aus der Restbiomasse können weitere Fraktionen gewonnen und aufbereitet werden, wie Proteine oder Kohlenhydrate aus Zellwänden. In einem integrierten Prozess zur Extraktion von polaren Lipiden wie Glyco- und Phospholipiden werden zur Erhöhung der Polarität überkritischer Fluide Co-Solventen wie Ethanol eingesetzt. Dies führt zu einer selektiven Extraktion polarer Lipide wie Eicosapentaensäure EPA; 20:5 n-3. Das unterschiedliche Extraktionsverhalten ohne und mit Co-Solvent kann auch für die aufeinanderfolgende selektive Extraktion von unpolaren Lipiden wie Triacylglyceriden oder Carotinoiden und polaren Lipiden gezielt genutzt werden.

Laminarin aus Mikroalgen für Pflanzenbau, Human- und Tierernährung

Diatomeen (Kieselalgen) nutzen (Chryso-)Laminarin als Energie- und Kohlenstoffspeicher. Das Polysaccharid ist ein (1,3),(1,6)-b-D-Glucan, das für Anwendungen im Lebensmittel-, Tierfutter- und Agrarsektor eingesetzt werden kann. Laminarin kommt zudem in der Zellwand von vielen − auch pathogenen − Pilzen vor. Da der Kontakt mit Laminarin die Abwehrsysteme von Landpflanzen induziert, eignet sich das Polysaccharid als Pflanzenstärkungsmittel. In der Literatur ist beschrieben, dass ein Einsatz von Laminarin die Infektion mit Botrytis cinerea oder Plasmopara viticola in Weinreben um 55 Prozent bzw. um 75 Prozent reduzieren kann [1]. Laminarin wirkt auch bei Wirbeltieren immunmodulatorisch. Besonders das Immunsystem im Verdauungstrakt reagiert auf einen Kontakt mit Laminarin [2].

Im Projekt MIATEST wird die Anwendung von Laminarin als Biostimulanz im Weinbau untersucht, zusammen mit der Landesversuchsanstalt für Wein- und Obstbau Baden-Württemberg, und die Anwendung in der Ernährung an der Universität Hohenheim. Dazu untersucht das Fraunhofer IGB Laminarin-Produktionsstämme, entwickelt einen zweistufigen Produktionsprozess und stellt laminarinhaltige Algenbiomassen für Testzwecke her.

Laminarin ist ebenfalls Gegenstand im EU-geförderten BBI-Projekt MAGNIFICENT, in dem die Bereitstellung von Inhaltsstoffen aus Mikroalgen für Lebens- und Futtermittel sowie Kosmetik untersucht wird. Derzeit wird u. a. der Einsatz von Laminarin in der Jungfischaufzucht untersucht.

Literatur

1. Aziz, A. et al. (2003) Laminarin elicits defense responses in grapevine and induces protection against Botrytis cinerea and Plasmopara viticola. Molecular plant-microbe interactions : MPMI 16, 1118–1128
2. Stuyven E. et al. (2009) Effect of β-glucans on an ETEC infection in piglets. Spec. Issue 8th Int. Vet. Immunol. Symp. 128 (1–3), 60–66

Eicosapentaensäure (EPA) und Fucoxanthin

Die Kieselalge Phaeodactylum tricornutum ist unter geeigneten Kultivierungsbedingungen in der Lage, große Mengen an mehrfach ungesättigten Fettsäuren, beispielsweise die Omega-3-FettsäureEicosapentaensäure (EPA, 20:5 ω-3), sowie photosynthese-assoziierte Pigmente wie Fucoxanthin zu bilden. Beide Inhaltsstoffe besitzen verschiedene gesundheitsfördernde und antioxidative Eigenschaften, weshalb die Gewinnung von entsprechenden Extrakten für die Lebensmittel-, Futtermittel- sowie Kosmetikindustrie von großem Interesse ist. Ein ernährungsbedingter Mangel an EPA etwa wird in Zusammenhang mit einem erhöhten Risiko für Zivilisationskrankheiten wie Herzinfarkt und Schlaganfall gebracht. Die entzündungshemmende Wirkung von EPA wird bei Gelenkrheumatismus und Multipler Sklerose pharmazeutisch genutzt.

Im Rahmen des im Programm Bioökonomie Baden-Württemberg geförderten Projektes »Entwicklung von Zellaufschluss- und Extraktionsverfahren zur Kaskadennutzung von Algenbiomasse im Forschungsverbund Integrierte Nutzung von Mikroalgen für die Ernährung« wurde die Kieselalge P. tricornutum in Flachplatten-Airlift-Reaktoren (FPA-Reaktoren) im semi-kontinuierlichen Betrieb bei unterschiedlichen Lichtintensitäten kultiviert und der Einfluss der Lichtverfügbarkeit auf die Zusammensetzung der Biomasse hinsichtlich des EPA- und Fucoxanthingehalts untersucht.

Dabei zeigte insbesondere der Fucoxanthingehalt eine signifikante Abhängigkeit von der relativen Lichtverfügbarkeit, das heißt dem Verhältnis von Lichteintrag (auf der Reaktoroberfläche) zu Gesamtbiomasse im Reaktor und Zeit (in µmol Photonen g^-1 Biotrockenmasse s^-1). In Verbindung mit einer optimierten und gesteuerten Nährstoffversorgung konnten im FPA-Reaktor Fucoxanthingehalte von über 2 Prozent (w/w) erreicht werden [1].

Sowohl EPA als auch Fucoxanthin konnten nach mechanischem Zellaufschluss mittels subkritischer Hochdruckextraktion durch Einsatz geeigneter organischer Lösemittel mit Ausbeuten von über 90 Prozent gewonnen werden. Die Extrakte wurden hinsichtlich ihrer ernährungsphysiologischen Eigenschaften am Institut für Ernährungswissenschaften der Universität Hohenheim untersucht und zeigen eine hohe antioxidative sowie antiinflammatorische Kapazität.