Forschung
Im Fokus der Forschungsarbeiten im Arbeitskreis Wefers stehen verschiedene Oligo- und Polysaccharide aus Bakterien oder Algen sowie Glykoproteine verschiedenen Ursprungs. In Lebensmitteln können diese Biomoleküle in isolierter Form eingesetzt werden, um die Textur oder die ernährungsphysiologischen Eigenschaften zu verbessern. Im Fall bakterieller Exopolysaccharide ist zudem eine Bildung im Lebensmittel möglich, etwa während einer Fermentation.
In der Arbeitsgruppe werden mehrere Themenfelder rund um verschiedene, häufig enorm komplex aufgebaute Kohlenhydrate bearbeitet.
Strukturanalyse & -charakterisierung
Die molekulare Struktur vieler Kohlenhydrate bzw. kohlenhydrathaltiger Biomoleküle ist aufgrund ihrer Komplexität häufig noch nicht (vollständig) beschrieben bzw. verstanden, jedoch ist das Verhalten in Modellsystemen, in Lebensmitteln und im Verdauungstrakt entscheidend von der Struktur abhängig. Daher stellt die detaillierte Strukturcharakterisierung einen zentralen Aspekt unserer Forschung dar.
Methodisch setzen wir zur Strukturanalyse unter anderem auf etablierte Methoden wie bspw. die Methylierungsanalyse (Analyse partiell methylierer Alditolacetate mittels GC-MS/FID). Auch die ein- und zweidimensionale NMR-Spektroskopie kommt häufig zum Einsatz, während das absolute Molekulargewicht über HPSEC-RI/MALLS ermittelt wird. Gemeinsam mit der Monosaccharidzusammensetzung (bestimmt mittels HPAEC-PAD nach Säurehydrolyse) liefern die genannten Analysemethoden üblicherweise die wichtigsten Informationen zur molekularen Struktur von Oligo- und Polysacchariden.
In manchen Fällen reichen diese Ansätze jedoch nicht aus, bspw. bei Polysacchariden, die nur aus einem Monosaccharidtyp bestehen (Homopolysaccharide) oder beim Vorkommen vieler verschiedener Struktureinheiten in variierenden und z.T. sehr kleinen Anteilen. Um detaillierte Strukturinformationen zu erhalten, setzen wir daher auf die Charakterisierung enzymatisch oder säurehydrolytisch freigesetzter Oligosaccharide. Diese werden aus den Hydrolysaten mittels GPC und semipräparativer HPLC isoliert und anschließend mittels NMR-Spektroskopie und Massenspektrometrie charakterisiert. Die Struktur der erhaltenen Bruchstücke liefert schließlich Rückschlüsse auf die in den Polymeren vorhandenen Strukturelemente.
Aufgrund der erwähnten Einschränkungen der konventionell eingesetzten Analysemethoden arbeiten wir kontinuierlich daran, neue Ansätze zur Analyse polymerer Kohlenhydrate zu entwickeln. Im Vordergrund stehen dabei Ansätze, die auf einer chromatographischen Analyse der oben beschriebenen enzymatisch freigesetzten Oligomere basieren. Als Methoden eignen sich hier die HPAEC-PAD oder auch die HPLC mit ELSD und/oder MS-Detektion. Aus den Anteilen der jeweiligen Oligosaccharide können dann Informationen über die Anteile der jeweiligen Strukturelemente in den Polymeren abgeleitet werden. Dieser Ansatz wurde bspw. bereits für diverse bakterielle Glucane erfolgreich angewendet.
Synthese, Spaltung & Modifikation
Neben der (Struktur)Analyse von Oligo- und Polysacchariden steht auch die enzymatische Synthese und Modifikation von Kohlenhydraten im Fokus unserer Forschungsarbeiten. So können verschiedene Bakterien niedermolekulare Kohlenhydrate wie Saccharose enzymatisch in oligo- und polymere Glucane oder Fructane umsetzen. Zur Herstellung der jeweiligen Kohlenhydrate nutzen wir sowohl die verschiedenen Organismen, als auch aufgereinigte rekombinante Enzyme. Letztere gewinnen wir über die Klonierung der verantwortlichen Gene und die heterologe Expression in E. coli. Durch die Auswahl verschiedener Enzyme bzw. Inkubationsbedingungen können somit maßgeschneiderte Polysaccharide mit optimalen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen gewonnen werden.
Auch für die Modifikation von Polysacchariden nutzen wir rekombinante, Kohlenhydrat-aktive Enzyme. Im Gegensatz zu chemischen Verfahren bietet dieser Ansatz die Möglichkeit, an bestimmten Stellen der komplexen Polymere zu spalten oder bestimmte Substituenten bzw. Seitenketten zu entfernen oder hinzuzufügen. In ausgewählten Fällen nutzen wir jedoch auch chemische Ansätze zur Polysaccharidmodifikation, bspw. zur Entesterung.
Struktur-Funktionalitätsbeziehungen
Anhand der modifizierten bzw. biotechnologisch hergestellten, im Detail charakterisierten Kohlenhydrate arbeiten wir schließlich an der Ermittlung von Struktur-Funktionalitätsbeziehungen. Dabei untersuchen wir unter anderem die Stabilität und Funktionalität verschiedener Kohlenhydrate in Modellsystemen und verschiedenen Lebensmitteln. Auch der Zusammenhang zwischen der molekularen Struktur und den ernärhungsphysiologischen Eigenschaften ist von Interesse. Zur Untersuchung dieser komplexen Fragestellungen arbeiten wir mit Partnern aus verschiedenen Fachgebieten zusammen.
Vorkommen und Bildung in Lebensmitteln
Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Analyse verschiedener oligo- und polymerer Kohlenhydrate in Lebensmitteln. Hierbei erforschen wir einerseits die in fermentierten Lebensmitteln wie Wasserkefir, Kombucha oder Sauerteig vorliegenden Polysaccharide. Hierfür werden wiederum an die jeweiligen Matrices angepasste Methoden entwickelt. Andererseits beschäftigen wir uns auch damit, wie die Bildung bestimmter Polysaccharide während der Fermentation gezielt beeinflusst und gesteigert werden kann. Dieser Ansatz bietet bspw. die Möglichkeit, den Ballaststoffgehalt bzw. den Gehalt an präbiotischen Kohlenhydraten in Lebensmitteln gezielt zu steigern.
Laufende & abgeschlossene Drittmittelprojekte
Einen Einblick in unsere Forschungsarbeiten geben einerseits die auf der Seite "Publikationen" aufgeführten Veröffentlichungen, andererseits können hier die Kurzfassungen unserer abgeschlossenen und aktuellen Drittmittelprojekte eingesehen werden.
Laufende Projekte
https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/460131094
https://www.fei-bonn.de/gefoerderte-projekte/projektdatenbank/aif-21935-bg.projekt
https://www.fei-bonn.de/gefoerderte-projekte/projektdatenbank/01if23030n.projekt
https://www.fei-bonn.de/gefoerderte-projekte/projektdatenbank/01if23048n.projekt
https://www.fei-bonn.de/gefoerderte-projekte/projektdatenbank/01if23336n.projekt
https://www.dip-sachsen-anhalt.de/projekt/dip-lefos/
Abgeschlossene Projekte
Eisrekristallisationshemmende Wirkung von Carrageenen (DFG):
https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/413076269
Stärkemodifikation in Sauerteig (FEI)
21647 BR - FEI Kurzbericht.pdf
(418,3 KB) vom 12.07.2024