„Was haben Vanilleeis, Zahnpasta und Tapetenkleister gemeinsam? - Einblicke in die vielseitige Welt der Kohlenhydrate“

Antje Vollmer und Petra Mischnick

Kohlenhydrate zählen zu einer der wichtigsten Naturstoffklassen und stehen mengenmäßig an erster Stelle der von Pflanzen produzierten Biomasse. Reiht man die an einem einzigen Tag von der Natur produzierte Cellulose aneinander, erhält man eine Kette, die etwa 175-mal so lang ist wie die Strecke zwischen Erde und Sonne. Aber nutzen wir das Potenzial dieser schier unvorstellbaren Menge an erneuerbaren Rohstoffen auch effizient?

Betrachten wir die Gruppe der Kohlenhydrate also einmal genauer. Die bekanntesten Vertreter sind Stärke und Cellulose. Sie werden von den Menschen seit jeher als Nahrungsmittel (Getreide, Kartoffeln) und Gebrauchsmaterialien (Holz, Textilien) genutzt. Kohlenhydrate haben in der Natur die verschiedensten Aufgaben: als Baustoff und Strukturbildner finden wir sie in der Zellwand der Pflanzen (Cellulose, Hemicellulosen, Pektin) oder dem Exoskelett der Insekten (Chitin, Abb. 1). Sie dienen sowohl Pflanzen als auch Tieren und Menschen als Energiespeicher und lieferant (Stärke und Glycogen). Auch an der biologischen Erkennung und Regulation sind Kohlenhydrate beteiligt (z.B. Heparin, Glycoproteine, Glycocalix auf Zelloberflächen als Erkennungsstrukturen).

Abbildung 1: Das Exoskelett von Insekten (hier: Moschuskäfer) besteht aus dem Polysaccharid Chitin.

Aufgrund ihrer hohen Funktionalität (Polyhydroxy-aldehyde bzw. -ketone) und Stereoisomerie können die Grundbausteine der Kohlenhydrate, die Monosaccharide, auf unzählige Weisen zu cyclischen, linearen und verzweigten Strukturen verknüpft werden. Die resultierenden Oligo- und Polysaccharide bilden wiederum supramolekulare Strukturen wie Helices und Fibrillen aus, die zu beeindruckenden molekularen Architekturen wie Stärkekörnern oder den mechanisch belastbaren Cellulosefasern führt. So ist zum Beispiel das Monosaccharid Glucose (Traubenzucker) Baustein einer Vielzahl von Substanzen mit unterschiedlichen Eigenschaften (Abb. 2). Nach einfacher Verknüpfung stehen noch immer freie Hydroxylfunktionalitäten (-OH) zur Verfügung, welche Verzweigungen oder die Anbindung weiterer chemischer Gruppen (z.B.: Phosphat, Sulfat) ermöglichen.

Abbildung 2: Glucose (blau hervorgehoben) als Baustein von Di-, Oligo- und Polysacchariden.

Als erneuerbare Biomasse stoßen Kohlenhydrate auf zunehmendes Interesse in Wirtschaft und Wissenschaft. Der Anteil nachwachsender Rohstoffe am Rohstoffverbrauch der deutschen chemischen Industrie betrug im Jahr 2005 bereits 11,2% (Quelle: FNR, VCI). Durch eine chemische Modifizierung wird das Produkt- und Anwendungsspektrum der industriell einsetzbaren Rohstoffe noch erweitert. Diese Produkte finden wir in nahezu allen Bereichen des täglichen Lebens (Abb. 3). Der Celluloseether Methylcellulose wird z.B. als Verdickungsmittel in Tapetenkleister eingesetzt, ist Konsistenzgeber für Zahnpasta und stabilisiert Vanilleeis als Zusatzstoff "E 461".

Abbildung 3: Einsatzgebiete von Kohlenhydraten.

Die chemische Modifizierung und Synthese neuer Polysaccharidderivate ist eines der lebensmittelchemischen Arbeitsgebiete an der TU Braunschweig. Eine besondere Herausforderung ist dabei die so genannte polymeranaloge Umsetzung, wobei das Rückgrat des Polysaccharids intakt bleibt und die Reaktion lediglich an den freien Hydroxygruppen erfolgt (siehe Abb. 4).

Abbildung 4: Polymeranaloge Reaktion an alpha-1,4-Glucanen (blauer Punkt = Substituent).

Bei der Art der chemischen Modifizierung von Polysacchariden sind der Phantasie im Prinzip kaum Grenzen gesetzt (Abb. 5). So können durch Williamson'sche Veretherung, basenkatalysierte Addition an Oxirane, nucleophile Addition an aktivierte Alkene (Michael-Addition), Veresterungen mit organischen und anorganischen Anhydriden und Säurechloriden sowie Kombinationen hiervon hydrophile, lipophile oder amphiphile, neutrale oder ionische Derivate erhalten werden, für welche sich wiederum neue Einsatzgebiete ergeben.

Abbildung 5: Beispiele für die chemische Modifizierung der Hydroxygruppen von Kohlenhydraten.

Von besonderem Interesse sind Struktur-Eigenschaftsbeziehungen. Kann man aufgrund der molekularen Struktur eines Polysaccharids auf seine physikalischen und chemischen Eigenschaften schließen? Oder lassen sich andersherum gezielt Eigenschaften einstellen, wenn die Substitution einem bestimmten Muster folgt? Zur Beantwortung dieser Fragen ist es notwendig, die Substanzen genau zu analysieren.

Zuerst muss man sich darüber klar werden, dass man es mit einem Gemisch zu tun hat, in dem vermutlich keine zwei Moleküle identisch sind. Daher erhält man Durchschnittswerte, die durch eine Aussage zur Verteilungsbreite ergänzt werden müssen. Ein erster Parameter zur Beschreibung ist der Substitutionsgrad DS (Degree of Substitution), welcher die mittlere Anzahl der substituierten OH-Gruppen pro Anhydro-Glucoseeinheit (AGU, Abb. 4) angibt und Werte zwischen 0 und 3 annehmen kann.

Doch wie sehen nun die einzelnen Glucose-Bausteine, z.B. einer Methylcellulose (MC), aus? Im Prinzip existieren acht verschiedene Möglichkeiten (Abb. 4): der Glucosebaustein ist unverändert (d.h. unsubstituiert), es gibt drei verschiedene einfach substituierte (2-, 3- und 6-O-Me), drei verschiedene di-substituierte (2,3-, 2,6- und 3,6-di-O-Me) sowie eine Glucose, bei der alle drei OH-Gruppen ersetzt wurden (2,3,6-tri-O-Me). Die Analyse dieses so genannten Monomermusters, das etwas über die Regioselektivität der Umsetzung aussagt, erfolgt häufig gaschromatographisch. Hierzu muss das Polysaccharid zunächst zu den einzelnen Glucosebausteinen abgebaut werden (saure Hydrolyse). Aufgrund des anomeren C-Atoms der Glucose kann es von jedem Baustein sowohl die alpha- als auch die beta-Form geben (Abb. 6).

Abbildung 6: Mutarotation der Glucosebausteine.

Daher würde man für jeden Baustein zwei Signale erhalten, d.h. für das Monomermuster einer MC insgesamt 16 Signale. Um dieses unübersichtliche Wirrwarr zu vermeiden, fügt man den Schritt einer Reduktion ein. So werden die 16 Glucosederivate auf 8 Sorbitderivate - chemisch wie numerisch - reduziert. Da diese aufgrund der noch enthaltenen OH-Gruppen intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, sind sie für eine Trennung in der Gasphase noch nicht flüchtig genug. Um dieses zu erreichen, werden die Hydroxygruppen acetyliert. Die erhaltenen Sorbitacetate lassen sich nun mit Hilfe eines Gaschromatographen (GLC-FID) gut voneinander trennen (Abb. 7) und aufgrund ihres charakteristischen Massenspektrums mittels GC-MS eindeutig identifizieren.

Abbildung 7: Gaschromatogramm einer Methylcellulose nach saurer Hydrolyse, Reduktion und Acetylierung (partiell methylierte Sorbitacetate); die Peaks sind entsprechend den methylierten Positionen bezeichnet.

Aber nicht allein die Anzahl der eingeführten Substituenten entscheidet über das Verhalten der Kohlenhydrate. Wichtig ist zudem die Verteilung der verschieden substituierten Monomerbausteine entlang der Polysaccharidkette. Liegen die eingeführten Gruppen alle blockartig zusammen (Abb. 8, A) oder verteilen sie sich eher zufällig entlang des Polymers (Abb. 8, B)? Da die Substitutionsmuster das Ergebnis kinetisch oder thermodynamisch kontrollierter konsekutiver Reaktionen sind, gehorchen sie bestimmten Gesetzmäßigkeiten. So kann man Verteilungen für idealisierte Modelle berechnen, welche die Referenz für die Bewertung der experimentellen Ergebnisse darstellen. Um das Substitutionsmuster entlang der Polymerkette zu analysieren, wurden verschiedene Methoden der Oligosaccharidanalytik entwickelt (Mischnick et al., 2000, 2008).

Abbildung 8: Substitution entlang der Polymerkette. A: blockartig, B: zufällig.

Ziel der Analytik ist es, die Beziehungen zwischen Struktur und Eigenschaften, die aus dem verwendeten Polysaccharid und den eingeführten Substituenten resultieren, besser zu verstehen und so möglicherweise gezielter und reproduzierbarer einstellen zu können. Solche Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sind z.B. für den Retardeffekt von Arzneimitteln von Bedeutung, bei denen Celluloseether als Tablettiermittel verwendet werden. Unter physiologischen Bedingungen wird der eingeschlossene Wirkstoff in dem Maße freigesetzt, wie das bei der Quellung entstehende Hydrogel des Polysaccharids seine Diffusion durch die Poren erlaubt ("controlled drug release"). Abb. 9 zeigt schematisch, wie die Freisetzung beim Quellen eines (chemisch vernetzten) Polysaccharids abläuft. So ist es möglich, über einen langen Zeitraum eine kontinuierliche Abgabe des Wirkstoffes am Zielort zu gewährleisten. Damit das Hydrogel für diesen Zweck geeignet ist, sind verschiedene strukturelle Beschaffenheiten zu bedenken: die Art des Polymers und die Funktionalität entscheiden über die biologische Verträglichkeit und Abbaubarkeit. Hier haben die natürlichen Polysaccharide teilweise entscheidende Vorteile.

Abbildung 9: Zeitabhängige Freisetzung (Release) eines Wirkstoffes (drug) aus einem Polysaccharid-Hydrogel (so genanntes "drug delivery system").

Doch wohin gehen die Trends in der modernen Kohlenhydratchemie? - Ein Beispiel

Im Fokus der Wissenschaft steht heutzutage vieles, was "Nano" im Namen trägt. Auch hier leisten Kohlenhydrate einen wertvollen Beitrag. Die Synthese von Nanopartikeln aus amphiphilen Polysaccharidderivaten (Heinze et al., 2005) oder die Beschichtung von magnetischen Eisenoxidnanopartikeln mit Dextranen für medizinische Anwendungen sind hierfür nur zwei Beispiele. Als Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie (MRI, magnetic resonance imaging), für die magnetothermische Behandlung von Tumoren, aber auch als Vektoren für den Gentransfer werden diese Nanopartikel genutzt oder ihr Potenzial erforscht. Der Tendenz der einzelnen Eisenoxidpartikel, ihre riesige Oberfläche durch Agglomeration mit anderen Partikeln zu verkleinern, muss durch ein stabilisierendes Coating entgegen gewirkt werden. Lipophile Verbindungen, die sich i. a. sehr gut eignen, sind für in vivo Anwendungen nicht einsetzbar. Dextrane sind biokompatibel und untoxisch, wie man aus der Verwendung als Blutplasmaexpander weiß. Daher sind diese alpha-1,6-verknüpften und statistisch? alpha-1,3-verzweigten Glucane, die von Leuconostoc ssp. aus Saccharose produziert werden und in Zuckerfabriken gefürchtet sind, als "Mäntelchen" für die Eisenzwerge so beliebt. Ihre chemische Funktionalisierung eröffnet wiederum Möglichkeiten, die Verweilzeit im Körper zu beeinflussen oder aber durch Anbindung von Signalmolekülen das Ziel, etwa einen Tumor oder ein bestimmtes Organ, direkt anzusteuern ("cell-targeting").

Abbildung 10: Schema der Bindung von Antikörpern an Aminodextran-Eisenoxidnanopartikel sowie anschließende Kopplung mit Antigenen.

Für die Lebensmittelanalytik ergibt sich hier eine Alternative zu ELISA-Tests (Enzyme-linked Immunosorbent Assay), indem man Antikörper an die Nanopartikeloberfläche bindet (Abb. 10). Die Kopplung mit passenden Antigenen führt zu einer Erhöhung der Masse. Diese bewirkt eine Zunahme der Relaxationszeit nach Magnetisierung der Nanopartikel, so dass diese auch quantitativ verfolgt werden kann.

Die Naturwissenschaftler werden nicht müde, immer neue Kohlenhydratderivate herzustellen, immer neue Analysenmethoden zu entwickeln und immer neue Visionen zu entwerfen. Das Potenzial dieser faszinierenden Substanzklasse ist so ergiebig wie die Sonne als Energiequelle. Wir können uns also auf weitere Begegnungen gefasst machen - nicht nur in Vanilleeis, Zahnpasta oder Tapetenkleister.

Schlauer Fuchs

Unser Schlauer Fuchs diese Woche ist Katja L. aus Krefeld. Zur Frage:

Was haben Vanilleeis, Zahnpasta und Tapetenkleister gemeinsam?

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E-Mail: vollmer@tu-braunschweig.de

Literaturhinweise

[1] P. Mischnick, J. Heinrich, M. Gohdes, O. Wilke, N. Rogmann, Macromol. Chem. Phys., 201 (2000) 1985-1995. Structure Analysis of 1,4-Glucan Derivatives.
[2] P. Mischnick, R. Adden, Macromol. Symp., 262 (2008), 1-7. Fractionation of Polysaccharide Derivatives and Subsequent Analysis to Differentiate Heterogeneities on Various Hierarchical Levels.
[3] T. K. Lindhorst, Chemie in unserer Zeit, 1 (2000), 38-52, Struktur und Funktion von Kohlenhydraten.
[4] T. Liebert, S. Hornig, S. Hesse, T. Heinze, J. Am. Chem. Soc., 127 (2005), 10484-10485, Nanoparticles on the Basis of Highly Functionalized Dextrans.
[5] http://www.nachwachsende-rohstoffe.de
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Prof. Dr. Petra Mischnick
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