Machbarkeitsstudie zur Extraktion von Lutein aus der Grünalge Chlamydomonas asymmetrica

Der Bedarf an natürlichen und nachhaltig erzeugten Lebensmittelzusatzstoffen nimmt aufgrund einer steigenden Nachfrage und eines sich verändernden Konsumentenbewusstseins kontinuierlich zu. Das Xanthophyll Lutein gehört zu den Lebensmittelzusatzstoffen, die aufgrund ihrer gesundheitsfördernden Wirkung auch als Bestandteil von Nahrungsergänzungsmitteln vertrieben werden. In der Lebensmittelindustrie wird Lutein vor allem als Farbstoff und Antioxidans verwendet (E 161 b, GRAS-Status). Derzeit stammt der Großteil des produzierten Luteins aus der Aufrechten Studentenblume Tagetes erecta. Eine weitere natürliche Quelle als potentielle Alternative stellen Mikroalgen dar. In der Literatur wird sogar eine drei bis sechs Mal höhere Luteinproduktion in Algen als in Tagetes erecta beschrieben - unter Berücksichtigung des schnellen Biomassewachstums von Algen.

Algenkultivierung in Blasensäulen-Photobioreaktoren

Im Rahmen des Projektes wurde die Gewinnung von luteinhaltigen Extrakten aus der Mikroalge Chlamydomonas asymmetrica umfassend untersucht. Dabei wurden von den beiden Projektpartnern komplementäre Schwerpunkte bearbeitet. Die OTH Amberg-Weiden fokussierte sich auf die Kultivierung der Alge in Blasensäulen-Photobioreaktoren zur Erzeugung einer geeigneten Biomassegrundlage. Es wurden stabile und reproduzierbare Kultivierungsverfahren entwickelt, die in verschiedenen Maßstäben (7,5 L und 15 L) durchgeführt und mithilfe eines angepassten Wachstumsmodells bewertet wurden. Dabei konnten Raum-Zeit-Ausbeuten bis 0,6 g L⁻¹ d⁻¹ erzielt werden. Höchste spezifische Luteingehalte traten in frühen Kulturphasen mit bis zu 5,3 mg g⁻¹ auf. Zur Aufbereitung der Biomasse wurden unterschiedliche mechanische und thermische Fest-Flüssig-Trennverfahren erprobt, wobei Zentrifugenverfahren Abscheidegrade von bis zu 99,6 % erreichten. Filtrationsverfahren erwiesen sich aufgrund des hohen EPS-Gehalts (extrazelluläre polymere Substanzen) der Alge als ungeeignet. Untersuchungen zum Zellaufschluss mittels gepulster elektrischer Felder (PEF) zeigten keinen signifikanten Einfluss auf die Luteinausbeute.

Die HSWT Freising befasste sich mit der Extraktion und Aufreinigung des Luteins aus der von der OTH bereitgestellten Algenbiomasse. Hierzu wurden Extraktionen mit Ethanol unter Variation von Extraktionsparametern (Lösungsmittel, Zeit, Temperatur, Biomasseanteil) durchgeführt und optimiert. Die optimalen Bedingungen wurden mit Ethanol bei 1,5 % Biomasseanteil, 40 min und Raumtemperatur gefunden. Extraktionen mit überkritischem CO₂ erwiesen sich nur in Anwesenheit von Ethanol als Co-Solvent praktikabel, führten jedoch primär zu lipidreichen und luteinarmen Extrakten. Durch adsorptions- und säulenchromatographische Trennungen konnten Luteinfraktionen nahezu rein gewonnen und deren spektroskopische Identität bestätigt werden. Darüber hinaus wurden antioxidative Eigenschaften der Extrakte nachgewiesen, wobei insbesondere Lipidfraktionen prooxidative Effekte zeigten.

Das Projekt hat somit erfolgreich die gesamte Prozesskette von der Kultivierung über die Aufarbeitung bis zur Extraktion und Reinigung von Lutein aus C. asymmetrica untersucht und damit wichtige Grundlagen für eine spätere Prozessskalierung und industrielle Nutzung geschaffen.

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Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Fakultät Bioingenieurwissenschaften

Projektleitung:Prof. Dr.-Ing. Sabine Grüner-Lempart

Ostbayerische Hochschule Amberg-Weiden, Fakultät Maschinenbau/Umwelttechnik

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Christoph Lindenberger
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Abschlussbericht "Machbarkeitsstudie zur Extraktion von Lutein aus der Grünalge Chlamydomonas asymmetrica"