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Das Geheimnis der Sojabohne: Mainzer Forscher untersuchen Ölkörperchen in Sojabohnen

21.06.2018

Mainzer Forscherinnen und Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) haben mit Hilfe von Neutronenstreuung kleine Ölkörper in Sojabohnen untersucht. Diese dienen der Bohne beim Keimen und Wachsen als Energielieferant, werden aber auch bei der Herstellung von Sojaölen verwendet. Mit ihren Untersuchungen haben die Wissenschaftler um Prof. Thomas Vilgis (MPI-P, Abteilung von Prof. Kurt Kremer) die Struktur und damit die mechanische Stabilität dieser Ölkörperchen näher untersucht. Eine mögliche Anwendung ihrer Forschungsergebnisse liegt in der Herstellung neuer und innovativer Lebensmittel auf natürlicher Basis.

Wasser und Öl vermischen sich nicht – dies ist eine Erfahrung des täglichen Lebens. Um Wasser mit Öl zu mischen bedarf es sogenannter „Emulgatoren“. Ein solcher ist das ebenfalls in der Sojapflanze vorliegende Molekül „Lecithin“ (ein Phospholipid):


Ölkörperchen: Im Inneren einer nanometergroßen Kugel befindet sich Öl, umrandet von Phospholipiden (blau). Das Protein Oleosin (pink) bildet eine zusätzliche Schutzschicht, welche für di

© MPI-P


Schematische Darstellung eines Oleosoms. Im Inneren einer Hülle, bestehend aus Phospholipiden (blau) befindet sich Öl. Die Stabilität wird durch das Protein „Oleosin“ gewährleistet.

© MPI-P

Das langkettige Molekül besitzt einen wasserliebenden sowie einen wasserabweisenden (und damit fettliebenden) Teil. Das Molekül ordnet sich um Öltröpfchen herum an und schließt diese im Inneren einer Kugel ein. Der fettliebende Teil schaut hierbei nach innen zum Öl. Da das Molekül nach außen hin wasserliebend ist, können also kleine Ölkörperchen – bestehend aus der Emulgatorhülle sowie dem öligen Inneren – in Wasser gelöst werden. Diese Ölkörperchen nennen sich Oleosome.

Rein über das Vorhandensein des Emulgators Phospholecitin ist jedoch nicht erklärbar, warum Oleosome eine lange Zeit stabil in der Sojapflanze vorliegen können. „Schon kleine Temperaturschwankungen und Erschütterungen müssten Oleosome eigentlich zerstören – und die Pflanze würde sterben“, so Vilgis.

Daher schafft die Natur durch spezielle Proteine, sogenannter Oleosine, einen Stabilitätsbonus. Diese Oleosine ragen mit ihrem langgestreckten und eng-haarnadelförmigen Mittelteil wie Anker tief in die Ölphase, während sich zwei wasserliebende Ärmchen schützend über die Phospholipide ausbreiten.

Zudem sind diese wasserliebenden Ärmchen elektrisch geladen. Damit ergibt sich für die nur wenige hundert Nanometer großen Oleosome eine zwiebelartige Schichtstruktur, die aus den Enden der ins Wasser ragenden Proteinärmchen, den darunterliegenden Phospholipiden, den ins Öl ragenden Proteinankern und dem Ölkern selbst besteht.

Für die Wissenschaftler der Mainzer „soft matter food physics“-Gruppe standen diese in der Natur vorkommenden Nanopartikel schon seit längerem im Fokus der Forschung, aber die genaue Struktur der Oleosome war bisher unbekannt. Aufklärung brachte erst eine genaue Analyse über Kleinwinkelneutronenstreuung. Dazu wurden an den Forschungsreaktoren in Grenoble und Oxford Neutronen auf die Nanopartikel geschossen und aus deren Ablenkung Rückschlüsse über die Struktur der Partikel geschlossen.

Möglich wird dies durch Kontrastvariationsverfahren mit Mischungen von unterschiedlichen Konzentrationen aus „schwerem Wasser“ (dessen Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt wurden) und „normalem Wasser“. Die Neutronen werden von Deuterium und Wasserstoff vollkommen unterschiedlich abgelenkt, was mit der sogenannten Streulänge beschrieben wird. Diese hat sogar für Deuterium und Wasserstoff ein unterschiedliches Vorzeichen. Somit lassen sich, ähnlich wie bei der Wahl entsprechender Brechungsindizes in der Optik, verschiedene Schichten des Oleosoms selektiv für die Neutronen aus- und einblenden. Aus den Mustern der gestreuten Neutronen lassen sich damit Struktur und Größe der Olkörperchen bestimmen.

Die Forscherinnen und Forscher konnten den Durchmesser der Oleosome auf 278 Nanometer bestimmt werden. Die äußere Schicht, der ins Wasser ragenden Proteinärmchen zeigt sich mit 9 Nanometern dabei dicker als bisher angenommen. Grund dafür sind die darauf vorhandenen positiv elektrischen Ladungen: wegen deren Abstoßung bleibt nur der Ausweg in die wässrige Umgebung der Zelle und damit weg vom Oleosom. Auch die Temperaturstabilität der Ölkörperchen bis zu 90 °C konnte über die Neutronenstreumessungen direkt verifiziert werden.

Aus der genauen Kenntnis der Struktur der Nanopartikel aus der Sojabohne ergeben sich eine ganze Reihe gezielter Anwendungen: Mit derartigem natürlichen Nanopartikeln lassen sich gezielt wasser- und fettlösliche Nährstoffe platzieren und transportieren. Während öllösliche Nährstoffe (z.B. Vitamine) in das Innere der Partikel geschleust werden können, lassen sich wasserlösliche Stoffe an deren Oberfläche haften. Möglich wird dies durch die elektrisch geladenen Oleosine, deren Ladung sich über den pH-Wert steuern lässt. Die Oleosome sind in saurer Umgebung positiv, im basischer Umgebung negativ geladen. Damit lassen sich die Nanopartikel auch auf eine vielfältige Weise mit Biopolymeren jeweils gegensätzlicher Ladung „verkapseln“. Dies wurde in der Vergangenheit z. B. bereits mit Pektin – einem bekannten Zucker und Geliermittel – durchgeführt. Auch hier konnte die Schichtdicke des Pektins mit Neutronenstreuung gemessen werden. Damit sind neue Formen von pflanzlichen Lebensmitteln auf Oleosombasis denkbar. Des Weitern beschränken sich die Erkenntnisse nicht auf Sojabohnen, sie lassen sich auf die Oleosome anderer Ölsaaten (Haselnüsse, Leinsamen, …) erweitern.. Neue Ansätze, z.B. für die geriatrische Ernährung lassen sich damit ebenfalls realisieren.

Über Thomas Vilgis
Thomas Vilgis wurde 1955 in Oberkochen geboren. Nach einem Studium von Physik und Mathematik in Ulm sowie der folgenden Promotion wechselte er ans Cavendish-Laboratorium in Cambridge. Im Jahr 1990 habilitierte er sich an der Universität Mainz, wohin er auch 1996 als Professor berufen wurde. Seit 1985 ist er Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz.

Neben seiner Forschung ist Thomas Vilgis bekannt für seine zahlreichen Buchpublikationen auf dem Gebiet der physikalischen und chemischen Aspekte des Essens und gerngesehener Gast in Radio- und Fernsehbeiträgen. Sein „Journal Culinaire“, bei dem er als Herausgeber fungiert, wurde unlängst beim „World Cookbook Award“ als „Best of the World – 2. Platz“ ausgezeichnet.

Max-Planck-Institut für Polymerforschung
Das Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) zählt zu den international führenden Forschungszentren auf dem Gebiet der Polymerforschung. Durch die Fokussierung auf weiche Materie und makromolekulare Materialien ist das MPI-P mit seiner Forschungsausrichtung weltweit einzigartig. Seine Aufgabe ist es, neue Polymere herzustellen und zu charakterisieren. Zum Aufgabengebiet gehört auch die Untersuchung ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften. Das MPI-P wurde 1984 gegründet. Es beschäftigt mehr als 500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus dem In- und Ausland, von denen die große Mehrzahl mit Forschungsaufgaben befasst ist.

Kontakt
Prof. Thomas Vilgis
Ackermannweg 10
55128 Mainz
Tel.: 06131-379 143
eMail: thomas.vilgis@mpip-mainz.mpg.de

Weitere Informationen:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979718306015 - Originalpublikation
http://www.mpip-mainz.mpg.de/Thomas_Vilgis/ - Soft Matter Food Science-Gruppe
http://www.mpip-mainz.mpg.de - Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Dr. Christian Schneider | Max-Planck-Institut für Polymerforschung

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