Molkenprotein-basierte Aerogele als funktionelle Trägersysteme für Zink -Struktur, Bindung und Bioverfügbarkeit in Caco-2-Enterozyten

Abstract

Aerogele aus Molkenproteinisolat (Whey Protein Isolate, WPI) besitzen eine hohe Porosität und große spezifische Oberfläche, was sie zu vielversprechenden Trägersystemen für essenzielle Mikronährstoffe wie Zink macht. Bisher ist jedoch wenig darüber bekannt, wie Zink-Ionen die Materialeigenschaften beeinflussen, wie viel Zink bei der Aerogelherstellung tatsächlich im Aerogel verbleibt und wie bioverfügbar es im gebundenen Zustand ist.

Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von Zink-Ionen auf die Struktur und Morphologie WPI-basierter Aerogele sowie deren Fähigkeit zur Zinkfreisetzung und zellulären Aufnahme in Caco-2-Enterozyten systematisch zu untersuchen. Hydrogele aus WPI und Zinkchlorid wurden bei pH 1 und pH 3 hergestellt und mit den Kontrollen Calcium- und Natriumchlorid verglichen. Durch Lösungsmittelaustausch und überkritische Trocknung wurden die Hydrogele in Aerogele überführt. Die analytische Charakterisierung umfasste die Metallretention mittels Flammen-AAS, die Proteinstruktur mittels FTIR-Spektroskopie, die spezifische Oberfläche mittels BRUNAUER-EMMETT-TELLER-Analyse sowie die Morphologie mittels Rasterelektronenmikroskopie. Tryptisch verdaute und unverdaute Aerogele wurden mittels SDS-PAGE untersucht und die zelluläre Zinkaufnahme mittels Zinpyr-1-Fluoreszenz in einem Caco-2-Zellmodell bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass lonentyp und pH-Wert die Struktur, Porosität und Oberflächentextur signifikant beeinflussen. Aerogele mit Zink- oder Calcium-Ionen bildeten dabei mehr intermolekulare β-Faltblatt-Strukturen und damit auch mehr Wasserstoffbrücken aus als solche mit Natrium-Ionen. Bei pH 1 führte die ausgeprägte Porosität der Aerogele zu einer geringen Oberfläche, was sowohl eine geringere Metallionenretention als auch eine hohe enzymatische Verdaubarkeit begünstigte. Im Gegensatz dazu, wiesen Aerogele bei pH 3 eine dichtere, weniger großporige Struktur auf, die zu einer höheren Zinkretention und gleichzeitig zu einer geringen Verdaubarkeit führte. Die zellbiologischen Versuche zeigten, dass Zink aus unverdauten Aerogelen nur begrenzt verfügbar war. Nach enzymatischem Verdau der Aerogele konnte jedoch eine erhöhte Zinkaufnahme in Caco-2-Zellen festgestellt werden - diese war jedoch vergleichbar mit der von anorganischem Zinkchlorid ohne Aerogel. Diese Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial von WPI-Aerogelen als gezielt strukturierbare Trägersysteme für Mikronährstoffe und tragen zum Verständnis und zur Entwicklung funktioneller Lebensmittel mit kontrollierter Nährstofffreisetzung bei.