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Prof.Dr.rer.nat.

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Spurenstoffe beeinflussen das Zusammenleben

Stellen Sie sich vor, Sie befänden sich in einer anderen Welt: Sie erkennen am Geruch, dass es Nacht ist (1). Sie erschnuppern, dass Ihre Frau ungefähr einen Kilometer entfernt in einer bestimmten Richtung ist und gehen auf geradem Weg zu ihr (2). Auf Ihrem Weg dorthin werden Sie angegriffen und...


<p>Das Monoterpen Perillasäure ist ein Naturprodukt und wirkt bereits in geringer Dosis gegen das Wachstum von Bakterien, Hefen und höheren Pilzen. Dabei weist es ein deutlich geringeres allergenes und hautsensibilisierendes Potenzial auf als herkömmliche Konservierungsmittel. Als solche finden sich in Kosmetikprodukten derzeit vor allem formaldehydfreisetzende Substanzen wie Imidazolidinyl- oder Diazolidinylharnstoff. Oft werden auch Parahydroxybenzoesäureester, Parabene, eingesetzt, die ein relativ geringes Allergiepotenzial besitzen. Sie können bei Menschen mit vorgeschädigter Haut aber durchaus allergische Reaktionen auslösen.</p>
<p>In der Natur kommt Perillasäure vor allem als β-Glucosid in der Schwarznessel vor, eine aus Asien stammende Heil- und Gewürzpflanze. In kleiner Menge ist die Säure auch Bestandteil ätherischer Öle aus Zitronengras und Schwarznessel; die geringe Konzentration und der hohe Aufwand machen jedoch eine Extraktion unwirtschaftlich. Synthetisch ist Perillasäure aus β-Pinen zugänglich, allerdings in relativ geringer Ausbeute und unter hohen Kosten. Der biotechnische Weg führt kostengünstig zur Perillasäure.</p>


<h2>Bakterium produziert Antimikrobiotikum</h2>
<p>Ein vielversprechender Ansatz ist die Gewinnung von R-(+)-Perillasäure aus R-(+)-Limonen, welches mit über 90 % Hauptbestandteil von Orangenöl ist. Dieses lässt sich aus Orangenschalen gewinnen, die in großer Menge bei der Herstellung von Orangensaft anfallen. Das gramnegative Bakterium Pseudomonas putida DSM 12264 ist ein geeigneter Kandidat für die Bioproduktion: Es ist resistent gegen viele organische Lösungsmittel und vermag R-(+)-Limonen regioselektiv zu R-(+)-Perillasäure zu oxidieren.</p>
<p>Bakterien sollen ein Konservierungsmittel herstellen, welches das Wachstum und die Ausbreitung von Bakterien hemmt? Dieser Ansatz mag zunächst widersprüchlich klingen, und tatsächlich inhibiert Perillasäure auch das Wachstum von P. putida. So kommt dessen Vermehrung bei einer Konzentration von 150  mM Limonen in Kombination mit einer Perillasäurekonzentration von 39 mM vollständig zum Erliegen. Um dies zu verhindern, muss das Bakterium ausgetrickst werden, indem das Produkt ständig entfernt wird. Jens Schrader, Leiter der Arbeitsgruppe Bioverfahrenstechnik am Karl-Winnacker-Institut (KWI), hat deswegen aber kein schlechtes Gewissen: “Es handelt sich ja um einen guten Zweck — wir sorgen dafür, dass sich Keime nicht weiter ausbreiten können. Auch wenn wir P. putida in gewisser Weise überlisten müssen, damit es uns kontinuierlich das Produkt liefert. Denn in der Natur würde das Bakterium weder in den Mengen noch unter den Bedingungen, die wir im Bioreaktor vorgeben, mit Limonen in Kontakt kommen.”</p>


<h2>In-situ-Produktabtrennung</h2>
<p>Um den Gehalt an Perillasäure gering zu halten, ist ein kontinuierliches Verfahren notwendig. Während ein Zweiphasensystem aus Wasser und p-Cymol, 1-Dodecanol oder Oleylalkohol nicht zum Erfolg führte, war der Ansatz einer selektiven Adsorption durch den Anionentauscher Amberlite IRA 410 Cl erfolgreich: Die Perillasäureadsorption beträgt 94 %, es tritt keine Glycerinanbindung auf — Glycerin dient als Energiequelle der Bakterien — und trotz einer relativ starken Limonenanbindung gibt es keinen negativen Effekt für die Perillasäureadsorption. Eine Mischung aus Ethanol und 1 M Salzsäure (60:40) eluiert die Perillasäure nach der Adsorption vollständig und der regenerierte Anionentauscher kann mit einer leicht verringerten Kapazität wiederverwendet werden. Durch die kontinuierliche Abtrennung mit einem Anionentauscher ist die Reinigung des Produkts einfacher und die Ausbeute an Perillasäure höher — verglichen mit einem Fed-Batch-Verfahren.</p>
<p>Neben der Perillasäure inhibiert auch Limonen das Wachstum von P. putida. Deswegen muss dessen Konzentration während des Prozesses ebenfalls klein bleiben. Hierzu wird das Substrat kontinuierlich in dem Maß zu der Kulturbrühe dosiert, wie Limonen gleichzeitig durch Oxidation zu Perillasäure verbraucht wird.</p>
<p>Mit dem optimierten Verfahren isolierten die KWI-Forscher 98 % der produzierten Perillasäure mit einer Reinheit von 93 %; durch Umkristallisation ist eine Reinheit von 98 % möglich.</p>


<h2>Industrielle Umsetzung</h2>
<p>Die Arbeitsgruppe Bioverfahrenstechnik am Karl-Winnacker-Institut der Dechema hat unter der Leitung von Jens Schrader den integrierten Bioprozess zur Produktion von Perillasäure entwickelt. Für die Zukunft hat er ein gutes Gefühl: “In der Kosmetikindustrie geht der Trend hin zu Komponenten natürlichen Ursprungs, daher ist dies ein attraktiver Markt.”</p>
<p>Zusammen mit dem Biotechnologie-Unternehmen Brain soll eine biotechnische Produktion von Perillasäure im industriellen Maßstab umgesetzt werden. Dazu hat das Unternehmen das Patent- und Gebrauchsmusterportfolio für die Bioproduktion der Perillasäure übernommen. Stefan Pelzer betreut das Projekt bei Brain und will “möglichst schnell eine Zulassung als Inhaltsstoff für die Kosmetikindustrie erlangen”. Bis Ende des Jahres 2012 rechnet er mit einer industriellen Produktion von biotechnischer Perillasäure.</p>
<p><b>Ruben Eckermann</b> ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie</p>


<h2>— — — Chemie mit nachwachsenden Rohstoffen</h2>
<p>Jürgen O. Metzger organisiert für die Fachgruppe Nachhaltige Chemie auf dem GDCh-Wissenschaftsforum in Bremen die Vortragsreihe “Nachwachsende Rohstoffe für eine nachhaltige Entwicklung”.</p>
<p>Nachrichten aus der Chemie: Herr Metzger, was erwartet den Besucher in Bremen und was sollte er auf keinen Fall verpassen?</p>
<p>Jürgen O. Metzger: Es wird um die chemische Nutzung nachwachsender Rohstoffe gehen. Als im vergangenen Jahr George W. Huber von der University of Massachusetts-Amherst in Science seine ersten Ergebnisse zu “Renewable Chemical Commodity Feedstocks from Integrated Catalytic Processing of Pyrolysis Oils” veröffentlichte, war mir klar, dass wir ihn zu einem Hauptvortrag gewinnen sollten. Er hat einen faszinierenden Weg gezeigt, lignocellulosische Biomasse, also Holz, als Rohstoff zur Bereitstellung der wichtigsten Basischemikalien zu nutzen. Ich bin sehr gespannt auf seinen Vortrag.</p>
<p>Den zweiten Hauptvortrag hält Michael Meier vom KIT. Er hat in den letzten Jahren eine Fülle von Arbeiten vorgelegt, in denen er neue Wege zu Polymeren aus Fetten und Ölen als nachwachsenden Rohstoffen aufzeigt.</p>
<p>Es ist höchst erfreulich, dass an deutschen Universitäten zunehmend Dissertationen mit Themen zur chemischen Nutzung von Biomasse durchgeführt werden. Deshalb freue ich mich am meisten über vier Doktorandenvorträge: über die selektive Defunktionalisierung von Lignin, die Depolymerisation von Cellulose, Zucker als Lösungsmittelkomponente sowie über die Hydroesterifizierung von Fetten und Ölen. Ein Diskussionsvortrag zur raschen Auflösung von Cellulose in organischen Elektrolytlösungen von Roberto Rinaldi vom MPI für Kohlenforschung, Mülheim, wird die Sitzung abrunden.</p>
<p>Nachrichten: “Chemie schafft Zukunft” ist das Motto des Wissenschaftsforums. Ihre Fachgruppe hat es wohl nicht schwer, ihren Beitrag dazu zu definieren?</p>
<p>Metzger: Das ist richtig. In Zeiten von Fukushima und von dramatischen Veränderungen in der Energiepolitik ist die Diskussion der Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen für eine nachhaltige Entwicklung aktuell und von größter Bedeutung. Ich möchte deshalb auch darauf hinweisen, dass in einer gemeinsamen Sitzung des Jungchemikerforums mit der FG Nachhaltige Chemie vier Doktoranden über ihre Ergebnisse zu aktuellen Themen einer nachhaltigen Chemie vortragen werden.</p>



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