Steuerung der Funktionalität durch biobasierte Additive Herkömmliche, fossilbasierte Schmierstoffe enthalten in der Regel hochfunktionelle, synthetische Additive, die nicht immer umweltverträglich sind. Vor allem bei Bioschmierstoffen sollten diese durch biobasierte Additive ersetzt. Durch die Verwendung von natürlichen und nachwachsenden Rohstoffen lässt sich die Umweltverträglichkeit von Schmierstoffen um ein Vielfaches steigern. Außerdem können teure Entsorgungskosten, die bei herkömmlichen Produkten anfallen, minimiert werden. Sekundäre Pflanzenstoffe (SPS), die sich von Natur aus durch ihre funktionellen Eigenschaften auszeichnen, sind dafür bestens geeignet. Um optimale Schmierstoffeigenschaften zu erzielen, müssen sowohl das Basismedium als auch die zugesetzten Additive spezifisch für den jeweiligen Einsatzzweck ausgewählt werden, sodass leistungsstarke biobasierte Alternativen zu mineralölbasierten Schmierstoffen entstehen. Im Rahmen unserer Forschungsarbeiten konnten vollständig biobasierte und biologisch abbaubare Schmierstoffadditive zum Ersatz von konventionellen Antioxidantien auf fossiler Basis entwickelt werden. Sekundäre Pflanzenstoffe als Oxidationsschutz Sekundäre Pflanzenstoffe (SPS) haben funktionelle Eigenschaften, die sie für die Verwendung als biobasierte antioxidative Additive interessant machen. In der Natur Aus Wissenschaft und Forschung 39 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0016 Pflanzliche Antioxidantien für Bioschmierstoffanwendungen Melanie Platzer, Sandra Kiese* Pflanzenextrakte aus natürlichen und nachwachsenden Rohstoffen haben das Potential in vielen Anwendungsbereichen herkömmliche Antioxidantien zu ersetzen und die Oxidationsstabilität von Schmierölen zu steigern. Durch spezifische Auswahl der Rohstoffe und Variation der Extraktionsparameter lassen sich die Eigenschaften der Additive spezifisch für den jeweiligen Einsatzzweck anpassen. Einfach durchzuführende photometrische Assays ermöglichen dabei eine gezielte und schnelle Prozessanpassung und Vorauswahl der Extrakte. Diese können später in anwendungsnahen Analysenmethoden, wie dem Rancimat- Test, hinsichtlich ihrer Wirkung im Öl untersucht werden. In unseren Analysen konnten sekundäre Pflanzenstoffe die Oxidationsstabilität um bis zu 300 % erhöhen, wohingegen die konventionellen Vergleichsantioxidantien lediglich eine Erhöhung um 200 % erreichten. Schlüsselwörter Pflanzenextrakte, sekundäre Pflanzenstoffe, photometrische Assays, Struktur-Aktivitäts-Beziehung, reduzierende Wirkung, Bioadditive Plant-based antioxidants for biolubricant applications Plant extracts from natural and renewable resources have the potential to replace conventional antioxidants in many applications and to increase the stability of lubricants. By specific selection of raw materials and adaptation of extraction parameters, the properties of the additives can be specifically optimized for the respective application. Easy-to-perform photometric assays enable targeted and rapid process adjustment and pre-selection of extracts. Later, they can be evaluated in application-oriented analytical methods, such as the rancimat test, with regard to their effect in the oil. In our analyses, secondary plant compounds increased the oxidation stability by 300 %, whereas the conventional antioxidants only achieved an increase of 200 %. Keywords Plant extracts, phytochemicals, photometric assays, structure-activity relationship, reducing activity, bioadditives Kurzfassung Abstract * Melanie Platzer, M.Sc. Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0001-5719-6639 Dr. rer. nat. Sandra Kiese Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0001-8770-5641 Fraunhofer Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Giggenhauser Str. 35, 85354 Freising Analytikmethoden für Oxidationsschutzadditive Zur Überprüfung der Wirksamkeit der funktionellen Additive verwenden wir unterschiedliche Methoden, welche es uns ermöglichen, die antioxidative Wirkung sowohl in vitro als auch im Endprodukt zu bestimmen. Die in vitro Methoden beruhen auf spektrophotometrischen Assays, ermöglichen eine schnelle Aussage über die Wirksamkeit der Extrakte und benötigen außerdem nur sehr geringe Probenmengen. Diese Tests sind vor allem in der Lebensmittelindustrie sehr beliebt und beruhen auf einer chemischen Reaktion von Radikalen mit den Antioxidantien, die dadurch eine Farbänderung hervorrufen. Gängige Methoden sind beispielsweise der ORAC (oxygen radical absorbance capacity), der ABTS (2,2‘-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid)), der DPPH (2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl) oder der Folin-Ciocalteu Assay [13, 14, 15, 11, 16, 12]. Diese Messungen beruhen aus chemischer Sicht entweder auf einem Transfer einzelner Elektronen (SET) oder von Wasserstoffatomen (HAT), was in der Praxis einen Vergleich der Ergebnisse oft schwierig macht [17, 15, 11, 18, 19, 20, 12]. Obwohl DPPH, ABTS und auch der Folin-Ciocalteu Assay nach einem SET-basierten Reaktionsmechanismus anlaufen, werden auch hier oft unterschiedliche Ergebnisse erzielt [21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 15, 11, 12]. Der DPPH und ABTS Assay wurden wie in der Literatur beschrieben gemessen [15]. Durch Lösen der jeweiligen Radikale in absolutem Ethanol wurde die DPPH- Stammlösung hergestellt und diese 1: 10 verdünnt, um die Arbeitslösung zu erhalten. Für jede Messung wurden die Proben mit der Arbeitslösung vermischt und die Absorption spektrophotometrisch bei 515 nm bestimmt [17]. Analog dazu wurde die ABTS-Stammlösung durch Lösen von Kaliumpersulfat und ABTS-Diammoniumsalz in demineralisiertem Wasser hergestellt. Nach 12- 16 Stunden Inkubation im Dunkeln wurde daraus die Arbeitslösung durch Verdünnen im Verhältnis 1: 100 mit demineralisiertem Wasser hergestellt. Für jede Messung Aus Wissenschaft und Forschung 40 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0016 kommen über 10.000 verschiedene SPS vor, die Pflanzen nicht für ihr Wachstum und ihre Entwicklung benötigen, welche aber eine Vielzahl ökologischer Aufgaben erfüllen, wie den Schutz vor Krankheitserregern, Schädlingen, Pflanzenfressern und UV-Strahlung [1, 2, 3]. Aufgrund ihrer krankheitsvorbeugenden und gesundheitsfördernden Eigenschaften werden SPS häufig in der Pharma- und Nahrungsergänzungsmittelindustrie eingesetzt. Neben den genannten Eigenschaften sind sie aber vor allem für ihre starke antioxidative Wirkung bekannt, wodurch sie in der Lage sind, reaktive Sauerstoffspezies und andere freie Radikale abzufangen. Daher finden sie in zahlreichen Anwendungen wie Lebensmitteln und Kosmetika Verwendung, können aber auch in Bioschmierstoffen eingesetzt werden [1, 4, 5, 6, 7, 8]. Die antioxidative Aktivität dieser Verbindungen hängt von ihrer Gesamtstruktur sowie der sogenannten Struktur-Aktivitäts-Beziehung (SAB) ab, also der Position und Art der Seitengruppen [9]. Von Bors wurden bereits 1990 drei Kriterien vorgeschlagen (siehe Bild 1), wie das antioxidativen Verhalten von Polyphenolverbindungen chemische erklärt werden kann [10]: Bors 1: Catecholgruppe am B-Ring Bors 2: 2,3-Doppelbindung in Kombination mit einer 4-Oxo-Gruppe am C-Ring Bors 3: OH-Gruppen an den Positionen 3 und 5 in Kombination mit einer 4-Oxo-Gruppe Wirksamer Oxidationsschutz für Pflanzenöle Zur Gewinnung der SPS konzipieren wir effiziente Extraktionsverfahren aus verschiedenen pflanzlichen Roh- und Reststoffen unter Berücksichtigung von Reststoffverfügbarkeiten und -preisen, im Sinne der Bioökonomie und ganzheitlichen Rohstoffnutzung. Um eine Konkurrenz zur Lebensmittelherstellung zu vermeiden, liegt unser Fokus dabei auf der Nutzung von Nebenströmen der Lebensmittel- und Agrarindustrie, die bisher keiner Wertgebung zugeführt werden. Während der Extraktion werden Parameter wie fest-flüssig Verhältnis, Extraktionsdauer und -temperatur sowie die Art des Lösungsmittels variiert, um die Extrakte optimal an ihre Zielanwendung anzupassen. Durch die Zugabe unterschiedlicher Enzyme und Verwendung geeigneter Rühr- und Reaktorsysteme kann die Ausbeute an funktionellen Substanzen im Extrakt zusätzlich weiter erhöht werden. Außerdem entwickeln wir Modellformulierungen auf Wasserbasis, Lösungsmittelbasis oder Ölbasis, um die Extrakte in unterschiedliche flüssige Medien einzuarbeiten. Je nach Anwendung, besteht so die Möglichkeit der Herstellung von Emulsionen oder Lösungen, wo die Substanzen in der Lösung selbst oder an den Grenzflächen wirken können. Bild 1: Bors Kriterien zur Struktur-Aktivitäts-Beziehung (SAB) von pflanzlichen Polyphenolen [10]. Reproduziert aus [11, 12]. wurden wieder die Proben mit der Arbeitslösung vermischt und die Absorption spektrophotometrisch bei 734 nm bestimmt [13]. In beiden Tests wurde die Absorption als Funktion der Zeit gemessen und das Ergebnis als Stöchiometrie angegeben [15]. Die reduzierende Wirkung der Extrakte wurde mittels Folin-Ciocalteu Assay gemessen. Diese Methode wurde ebenfalls wie in der Literatur beschrieben durchgeführt [11]. Dazu wurde jede Probe mit demineralisiertem Wasser und Folin-Reagenz vermischt und für 3 Minuten im Dunkeln inkubiert. Anschließend wurde H 2 O demin und 7,5 % (w/ v) Natriumcarbonat hinzugefügt und für weitere 30 Minuten im Dunkeln inkubiert. Die Absorption der Proben wurde bei 765 nm gemessen. Die Steigung der Absorption als Funktion der Konzentration gibt das Reduktionsvermögen des Antioxidans an [11]. Bild 2 zeigt eine Auswahl an Ergebnissen unterschiedlicher SPS-Reinstoffe in drei SET-basierten Assays. In den jeweiligen Tests zeigte sich eine deutlich unterschiedliche Wirkung der SPS. Während SPS B im DPPH beispielsweise überhaupt nicht reagierte, konnte es im ABTS das höchste Ergebnis erzielen [15, 11]. Begründen lassen sich diese Ergebnisse durch die verschiedenen SAB zwischen den verwendeten Reinstoffen und den Modellradikalen der Assays. Aus diesen Messungen lassen sich daher Beziehungen ableiten, welcher Assay bevorzugt für bestimmte Molekülklassen verwendet werden sollte [11, 12, 15]. Wirkung von Pflanzenextrakten in Rapsöl Die Wirksamkeit der SPS-Extrakte im Endprodukt bestimmen wir mittels der Rancimat-Methode [28], welche den Alterungsprozess eines Pflanzenöls bei erhöhter Temperatur und kontinuierlichem Lufteintrag beschleunigt. Der Luftstrom transportiert die flüchtigen Oxidationsprodukte aus dem Probengefäß in destilliertes Wasser, dessen Leitfähigkeit dadurch ansteigt. Der Wendepunkt der erhaltenen Kurve markiert die Induktionszeit und wird vom Gerät automatisch bestimmt. Durch Variation der Messtemperatur können die Bedingungen an unterschiedliche Anwendungsszenarien angepasst werden. Im Folgenden sind beispielhaft die Ergebnisse (s. Bild 3) verschiedener SPS-Mischungen aus den Rancimat-Messungen im Vergleich zu drei Standard- Schmierstoffadditiven dargestellt. Sowohl die Extrakte (mit Lösungsvermittler), als auch die Standardadditive wurden in Konzentrationen von 1 Gew.% in Rapsöl einformuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die SPS-Mischungen eine Erhöhung der Oxidationsstabilität erreicht wurde. Das höchste Ergebnis erzielte SPS-Mischung 2, welche im Vergleich zu reinem Rapsöl einen um etwa 300 % erhöhten Wert zeigte. Die Zugabe der Standardadditive in Aus Wissenschaft und Forschung 41 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 3/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0016 Bild 3: Inhibitionserhöhung im Rancimat-Test unterschiedlicher SPS- Mischungen sowie Standardantioxidantien im Vergleich zu reinem Rapsöl. Bild 2: Ergebnisse unterschiedlicher in vitro Methoden zur antioxidativen Wirkung von SPS-Reinstoffen. Reaktionsstöchiometrie aus DPPH und ABTS sowie reduzierende Wirkung aus dem Folin-Ciocalteu Assay. Ergebnisse reproduziert aus [15, 11]. [7] S. Wang, „Antioxidant Capacity of Berry Crops and Herbs,“ in Oriental Foods and Herbs, Wachington DC, USA, American Society, ACS Symposium Series Vol 859, 2003, pp. 190-201. [8] X. Wu, G. Beecher, J. Holfe, D. Haytowitz, S. Gebhardt und R. Prior, „Lipophilic and hydrophilic antioxidant capacities of common foods in the United States,“ J. Agric. Food Chem., Bd. 52, Nr. 12, pp. 4026-4037, 2004. [9] F. Shahidi, P. Janitha und P. Wanasundara, „Phenolic antioxidants.,“ Crit. Rev. Food Sci. Nutr., Bd. 32, pp. 67- 103, 1992. [10] W. Bors, W. Heller, C. Michel und M. Saran, „Radical chemistry of flavonoid antioxidants,“ in Antioxidants in Therapy and Preventive Medicine, Berlin/ Heidelberg, Germany, Springer, 1990, pp. 165-170. [11] M. Platzer, S. 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Durch die Verwendung von natürlichen und nachwachsenden Rohstoffen lässt sich die Umweltverträglichkeit von Schmierstoffen so um ein Vielfaches steigern. Um optimale Schmierstoffeigenschaften zu erzielen, müssen dafür die biobasierten Additive spezifisch für den jeweiligen Einsatzzweck ausgewählt und angepasst werden. Wir unterstützen Unternehmen bei der Integration biobasierter Additive in ihre Produkte. Dabei stimmen wir die Additive abhängig von ihrer Funktionalität auf die Zielanwendung ab. Als Voraussetzung für charakteristische Rezepturanpassungen führen wir eine spezifische Analytik der Rohstoffe unter Einbeziehung der Wechselwirkungen einzelner Formulierungsbestandteile durch. Wir bieten die Entwicklung aller Prozessschritte, von der Gewinnung der SPS bis zur Herstellung einer anwendungsfertigen Formulierung, die ein biobasiertes Additiv als Inhaltsstoff enthält. Auf Wunsch stellen wir unseren Kunden unsere Anlagen für eigene Entwicklungen zur Verfügung. Alle Arbeiten sind vom Labormaßstab bis zum Technikumsmaßstab möglich. Bei Fragen oder Interesse an unseren Forschungsdienstleistungen können Sie uns gerne kontaktieren: https: / / www.ivv.fraunhofer.de/ de/ recyclingumwelt/ biobasierte-additive.html. Literatur [1] F. Shahidi und M. Naczk, Food phenolic: sources chemistry effects applications, Lancaster PA, USA: Technomic Publishing Company Co., 1995. [2] R. Bennett und R. Wallsgrove, „Sesondary metabolites in plant defence mechanism,“ New Phytol., Bd. 127, Nr. 4, pp. 617-633, 1994. [3] A. Crozier, M. Clifford und H. Ashihara, Plant Metabolies: Occurence, Structure and Role in the Human Diet, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2008. [4] F. Shahidi, h. Zhong und P. Ambigaipalan, „Antioxidants: regulatory status,“ Bailey’s Ind. Oil Fat Prod, Bd. 1, Nr. 1, pp. 1-21, 2005. [5] W. Zheng und S. Wang, „Antioxidant activity and phenolic compounds in selected herbs,“ J. Agric. Food Chem., Bd. 49, Nr. 11, pp. 5165-5170, 2001. [6] S. Dragland, H. 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