Chemische Charakterisierung von Klason-Ligninen aus unlöslichen Ballststoffen

Abstract

In dieser Arbeit wurde die zumeist angewandte Methode zur Bestimmung des Ligningehalts in Lebensmitteln, die Klason-Lignin-Methode, hinterfragt. Dazu wurden Klason-Lignine isoliert und auf das Vorhandensein von Nicht-Lignin-Verbindungen (Mineralstoffe, Restprotein, Kutin, Suberin, Wachs- und Fettbestandteile) analysiert. Klason-Lignine wurden aus den unlöslichen Ballaststoffen aus Weizen, Roggen, Birne, Kiwi, Möhre und Grünkohl präparativ gewonnen. Mineralstoffe wurden gravimetrisch nach Veraschung, Restproteine photometrisch nach Kjeldahlaufschluss bestimmt. Kutin, Suberin, Wachs- und Fettbestandteile konnten nach Extraktion, Umesterung und Derivatisierung mittels Gaschromatographie und massenspektrometrischer Detektion identifiziert sowie gravimetrisch quantifiziert werden. Als typische Wachs- und Fettbestandteile wurden Glycerol, Fettsäuren, Fettsäurederivate sowie Phytosterine identifiziert. Die in der Literatur beschriebenen Monomere von Kutin und Suberin (v.a. C16-C18-Hydroxycarbonsäuren, Glycerol, Dicarbonsäuren und Ferulasäure) wurden im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls als Bestandteile der verschiedenen Klason-Lignine nachgewiesen. Die höchsten Gehalte an Mineralstoffen und Restproteinen wurden im Klason-Lignin aus Weizen (2,6 % Asche, 24,0 % Protein) bestimmt. Der höchste Gehalt an Wachs- und Fettbestandteilen wurde hingegen in den Klason-Ligninen von Grünkohl (26,8 %) ermittelt. Mit 47,1 % zeigte das Klason-Lignin aus Grünkohl auch den höchsten Gehalt an Kutin- und Suberinmomeren. Im Klason-Lignin der untersuchten Lebensmittelproben konnten somit zum Teil sehr hohe Anteile (bis zu ca. 80 %) an Nicht-Lignin-Verbindungen identifiziert und quantifiziert werden. Ferner wurde in dieser Arbeit aber auch gezeigt, dass nicht nur Nicht-Lignin-Verbindungen in Klason-Lignin bestimmt werden, sondern, dass auch Anteile an Lignin während der Klason-Lignin-Gewinnung abgebaut und ausgewaschen werden. Dies bedeutet, dass die Bestimmung des Ligningehalts in Lebensmitteln nach Klason wie sie bis heute durchgeführt wird, keine exakte Quantifizierungsmethode für Lignine darstellt. Eine weitere Methode zur Ligninbestimmung wurde in dieser Arbeit auf Lebensmittel angewendet, die Methode des Acetylbromid-löslichen Lignins. Es wurde versucht, die Methode auf Lebensmittel anzupassen, in dem für die Lignine aus Lebensmittel spezifische Extinktionskoeffizienten bestimmt werden sollten. Diese Ansatz konnte jedoch nicht erfolgreich zu Ende geführt werden, da die bekannten Methoden zur Ligninisolierung, auf Lebensmittel angewendet, zu viele Begleitsubstanzen mitextrahieren. Dies führt zu unkorrekten Extinktionskoeffizienten. Abschließend wurden neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung und die Lokalisierung von Ligninen in den untersuchten pflanzlichen Lebensmitteln gewonnen. Unlösliche Ballaststoffe aus Möhre, Kiwi, Birne und verschiedene Fraktionen dieser Gemüse/Früchte wurden enzymatisch behandelt, um Polysaccharide abzubauen und Lignine anzureichern. Die Ligningehalte wurden dann als Acetylbromid-lösliches Lignin bestimmt und die Ligninzusammensetzung wurde mit Hilfe der sogenannten DFRC-Methode analysiert. In Bezug auf die angereicherten unlöslichen Ballaststoffe der Gesamtproben wurde der höchste Gehalt an Acetylbromid-löslichem Lignin in der Birne mit 17,2 % bestimmt, der niedrigste Gehalt an Acetylbromid-löslichem Lignin wurde in der Möhre ermittelt (3,5 %). Die Fraktionen Möhrezylinder, Kiwisamen und Birneschale zeigten mit jeweils 4,0 %, 5,0 % und 18,4 % bezogen auf die angereicherten unlöslichen Ballaststoffe, die höchsten Gehalte an acetylbromidlöslichem Lignin. Des Weiteren konnte eine Einteilung der Lignine der untersuchten Pflanzen nach ihrem Syringyl/Guaiacyl-Verhältnis erfolgen. Die Lignine aus allen Möhrenfraktionen sowie aus der Kiwicolumella wurden als reine Guaiacyl-Lignine klassifiziert. Die Lignine aus den Kiwisamen waren Guaiacyl-angereichert, die aus den Birnenfraktionen zeigten ein ausgeglichenes Guaiacyl-Syringyl-Verhältnis. Auffällig war, dass im Lignin des Kiwifruchtfleisches nur Syringyl-Gruppen nachgewiesen werden konnten. Soll die Bedeutung von Ligninen in Lebensmitteln für ernährungsphysiologische Prozesse in Zukunft besser verstanden werden, muss zunächst eine Methode ausgearbeitet werden, die eine präzise Bestimmung des Lignins in Lebensmittel erlaubt.

In the described work the most often used method for determining the lignin content in foods, the so called Klason lignin method, was reviewed. For this, Klason lignins were isolated and the presence of non-lignin compounds (minerals, residual proteins, cutin, suberin, wax and fat components) analyzed. Klason lignin was preparative isolated from the insoluble fiber from wheat, rye, pear, kiwi, carrot and kale. Minerals were determined gravimetrically after incineration, residual proteins photometrically by the Kjeldahl method. Cutin, suberin, waxes and fatty components were identified after extraction, esterification and derivatization using gas chromatography and mass spectrometry, and quantified gravimetrically. Typical identified wax and fat components were Glycerol fatty acids and derivatives and phytosterols. As described in the literature monomers of cutin and suberin (especially C16-C18-hydroxy, glycerol, dicarboxylic acids and ferulic acid) were also detected in this work as part of Klason lignin. The highest concentrations of minerals and residual proteins were determined in the Klason lignin from wheat (2.6% ash, 24.0% protein). The highest levels of wax and fat components, however, were determined in the Klason lignins from kale (26.8%). With 47.1% showed the Klason lignin from kale also the highest content of cutin and Suberin momers. High content non-lignin compounds could be identified and quantified in the Klason lignin of some analysed food samples (up to 80%). Furthermore, this study also demonstrate that not only non-lignin compounds are part of the Klason lignin, but also that lignin is partly degraded and wash out during the isolation procedure. This means that the determination of lignin content in foods as Klason-lignin as it is carried out to date is not an exact quantification method. Furthermore another method for the determination of lignin was applied in this study, the method of the acetyl bromide-soluble lignin. An attempt was made to adapt the method to food by determining specific extinction coefficient of lignins from the plant foods. This approach, however, could not be successfully completed because the known methods for extraction of lignin, applied to food, co-isolate many related substances. This leads to incorrect extinction coefficient. Finally, new insights into the composition and the localization of lignin in the plant foods were obtained. Insoluble fiber from carrot, kiwi, pears and various fractions of these vegetables / fruits were treated enzymatically to eliminate polysaccharides and enrich lignin. The lignin contents were then determined as acetyl bromide-soluble lignin and the lignin composition was analyzed using the so-called DFRC method. In terms of the total insoluble fiber-enriched samples the highest content of acetyl bromide-soluble lignin was determined in the pear to be 17.2%, the lowest content of acetyl bromide-soluble lignin was determined in the carrot (3.5%). In terms of the total insoluble fiber-enriched sample fractions carrot xylem, kiwi seeds and pear peel presented the highest content of acetylbromid soluble lignin with each 4.0%, 5.0% and 18.4%. Furthermore, a classification of lignins in respect of the syringyl / guaiacyl ratio could be achieved. The lignins from all carrot fractions and from the columella of Kiwi were classified as pure guaiacyl lignins. The lignins from the kiwi seeds were guaiacyl-enriched, fractions from the pears showed a balanced guaiacyl-syringyl ratio. It was noticeable that in the lignin of kiwi pulp only syringyl groups could be detected. If the importance of food lignins for nutritional processes wants to be better understood in the future, a method must first be developed, which allows a precise determination of the lignin in food.