Grassessentials – Ergebnisse

Im Projekt „Grassessentials“ wurden wissenschaftliche Grundlagen für die nachhaltige Herstellung grüner Aroma- und Riechstoffe aus pflanzlicher Biomasse erarbeitet. Zu Beginn des Projekts wurden verschiedene landwirtschaftliche Gräser systematisch hinsichtlich ihrer Eignung zur Aromastoffproduktion untersucht. Insgesamt wurden die folgenden acht unterschiedliche Grasarten analysiert: Regenerate, Dipper, Highland, Europitch, Miracle, Joanna, Borluna und deutsches Weidelgras. Dabei wurden insbesondere die Presssaftausbeute, das Fettsäureprofil (besonderer Fokus auf den Gehalt an α-Linolensäure) sowie die enzymatisch gebildeten Abbauprodukte betrachtet. Es zeigte sich eine deutliche Korrelation zwischen dem Gehalt an α-Linolensäure und der Bildung typischer grüner Aromastoffe. Gleichzeitig verlief die Aromastoffbildung sehr selektiv, sodass nur wenige Nebenprodukte beobachtet wurden. Auf Basis dieser Untersuchungen konnten zwei besonders vielversprechende Grasarten identifiziert werden.

Ein zentraler Arbeitsschritt im Projekt war zudem die Entwicklung geeigneter Verfahren zum Zellaufschluss der Grasbiomasse. Hierfür wurden verschiedene mechanische und enzymatische Methoden untersucht. Darunter Pressverfahren, Rotor-Stator-Systeme, enzymatische Aufschlüsse sowie Vermahlung unter flüssigem Stickstoff. Als besonders effektiv erwies sich eine Kombination mechanischer Aufschlussverfahren, insbesondere das Schneiden und anschließende Pressen der Biomasse unter hohem Druck von etwa 200 bar, wodurch zufriedenstellende Grassaftausbeuten erzielt werden konnten.

Parallel dazu wurden analytische Methoden zur Identifikation und Quantifizierung der entstehenden Aromakomponenten etabliert. Hierzu wurden Flüssig-Flüssig-Extraktionsverfahren sowie eine GC-MS-Methode entwickelt, bei der 1-Heptanol als interner Standard eingesetzt wurde. Im Fokus der Analysen stand vor allem der Aromastoff cis-3-Hexenol, ein charakteristischer grüner Duftstoff, der in der Lebensmittel- und Aromaindustrie von großer Bedeutung ist. Im Rahmen der Prozessentwicklung wurden verschiedene enzymatische Reaktionsschritte optimiert. Dabei stellte sich die Lipoxygenase als geschwindigkeitsbestimmendes Enzym für die Bildung der Zielaromastoffe heraus. Zur Bereitstellung geeigneter Substrate wurde Perillaöl als Quelle für α-Linolensäure eingesetzt. Ein entscheidender Faktor für die Bildung von cis-3-Hexenol erwies sich zudem die Zugabe von Hefe als Quelle für Alkoholdehydrogenasen, während der Einsatz von Pilzmyzel als zusätzlicher enzymatischer Support keine Steigerung der Ausbeute bewirkte. Durch die gezielte Anpassung der Prozessparameter, insbesondere pH-Wert und Temperatur der enzymatischen Reaktionsschritte, konnte die Ausbeute des Zielaromastoffs cis-3-Hexenol auf etwa 100–120 mg/L gesteigert werden.

Im Projektverlauf wurde außerdem ein Verfahren zur Anpflanzung und Verarbeitung von Gras im Labormaßstab etabliert. Der Zellaufschluss konnte erfolgreich in den Technikumsmaßstab übertragen und erste Prozessschritte in Bioreaktoren erprobt werden. Gleichzeitig zeigten sich methodische Herausforderungen bei der Analyse der enzymatischen Aktivitäten in Graspresssäften, da Matrixeffekte – unter anderem durch die grüne Eigenabsorption der Proben – eine zuverlässige Quantifizierung erschwerten. Darüber hinaus erwies sich mindestens eines der beteiligten Enzyme als nicht ausreichend kältestabil. Eine Verarbeitung eingefrorener Grasproben aufgrund fehlender Enzymaktivität nach dem Auftauen, nicht möglich.

Insgesamt konnte im Projekt gezeigt werden, dass Gräser grundsätzlich eine geeignete Rohstoffquelle für die biotechnologische Herstellung natürlicher grüner Aromastoffe darstellen. Durch die Kombination aus optimiertem Zellaufschluss, enzymatischer Prozessführung und analytischer Prozesskontrolle wurden wichtige Grundlagen für die nachhaltige Nutzung pflanzlicher Restbiomasse zur Produktion wertgebender Aromakomponenten geschaffen.