Neuer Zugang zur Analyse von Biopolymeren: Kombination experimenteller Methoden mit chemometrischer Modellierung (BiopolymerModell)

Im Projekt BiopolymerModell (Neuer Zugang zur Analyse von Biopolymeren: Kombination experimenteller Methoden mit chemometrischer Modellierung) entwickelt die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg mit dem Projektpartner Spectral Service AG ein neues Analyseverfahren für Biopolymere. Experimentelle Methoden werden mit einer komplexen Datenanalyse kombiniert, um das Molekulargewicht natürlich vorkommender Polymere schnell und zuverlässig zu bestimmen. Projektleiterin ist Prof. Dr. Margit Schulze.

Herausforderung

Natürlich vorkommende Polymere wie Proteine, Polysaccharide oder Lipide werden in Lebensmitteln, Kosmetika, Pharmazeutika oder Medizinprodukten eingesetzt. Weil der Einsatz unreiner oder falscher Stoffe, etwa durch Produktpiraterie, gravierende gesundheitliche Auswirkungen haben kann, fordern internationale Aufsichtsbehörden seit Jahren neue verbindliche Standards, um die Reinheit und Identität von Naturprodukten zu bestimmen. Bei natürlichen Biopolymeren aus pflanzlichem oder tierischem Gewebe können jedoch das Molekulargewicht oder die Molekulargewichtsverteilung variieren. Beide Größen haben einen messbaren Einfluss auf die therapeutische oder pharmakologische Aktivität der Naturprodukte, deshalb kommt ihnen bei der Qualitätskontrolle eine entscheidende Bedeutung zu. Trotz modernster analytischer Messverfahren ist die zuverlässige Bestimmung der beiden Größen aber schwierig und häufig sehr zeit- beziehungsweise kostenintensiv sind.

Ziele und Vorgehen

Ziel des Projekts BiopolymerModell ist die Entwicklung und Verifizierung eines neuen Analyseverfahrens, mit dem Molekulargewicht und Molekulargewichtsverteilung von Biopolymeren schnell und zuverlässig bestimmt werden können. Die Polymere werden durch eine Kombination aus Kernresonanzspektroskopie (NMR) und Gelpermeationschromatographie (GPC) analysiert. Die experimentellen Daten werden mit Hilfe eines multivarianten Ansatzes, der chemometrischen Modellierung, miteinander korreliert und ausgewertet. Zusätzlich wird die dreidimensionale Struktur der Biopolymere mittels thermischer Analysen sowie Mikroskopie- und Röntgenmethoden untersucht, um Rückschlüsse auf ihre Reinheit und Herkunft zu ziehen.

Zur Etablierung der Methode werden zuerst kommerzielle Naturprodukte unterschiedlichen Ursprungs und verschiedener Hersteller untersucht. Später soll das Verfahren auf weitere Polymerklassen, darunter auch Lignine, übertragen werden.

Innovationen und Perspektiven

Die Projektpartner erwarten durch die Kombination von NMR, GPC und chemometrischer Modellierung signifikante Zeit- und Kostenersparnisse. Eine wichtige Rolle spielen dabei sogenannte Benchtop-NMR-Geräte, die in Anschaffung und Betrieb deutlich preiswerter sind als konventionelle NMR-Geräte. Eine Ausweitung des neuen Verfahrens auf diese Geräte könnte neue Möglichkeiten für die Qualitätskontrolle von Biopolymeren eröffnen.

Außerdem ist das Verfahren vom Ansatz her universell und auf andere Polymere übertragbar; besonders die Übertragung auf Lignin könnte wirtschaftlich eine hohe Bedeutung haben. Lignin, das zweihäufigste natürlich vorkommende Polymer, fällt bei der Papierproduktion als Nebenprodukt in großem Maße an. Aktuell wird es aber nahezu ausschließlich energetische genutzt. An der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg wird es jedoch seit Langem als natürlicher Werkstoff erforscht und könnte durch zuverlässige Analysemethoden auch industriellen Anwendungen zugänglich gemacht werden.