Aquatische Biopolymere

Frontmatter

Kapitel 1. Einführung in aquatische Biopolymere

Zusammenfassung

Mit Polymeren bezeichnet man Makromoleküle, die aus sich wiederholenden Einheiten kleinerer Moleküle bestehen, die kovalent gebunden sind, um ein größeres Molekül zu bilden. Zum Beispiel sind Proteine Polymere, die aus Aminosäuren bestehen, Zellulose besteht aus sich wiederholenden Einheiten von Glukose und Polyethylen besteht aus sich wiederholenden Einheiten von Ethylen. Die Einheiten, die sich zu Polymeren verbinden, werden als Monomere bezeichnet, und der Prozess, durch den dies erreicht wird, wird als Polymerisation bezeichnet. Biopolymere beziehen sich auf Polymere, die von lebenden Organismen produziert werden. Der Begriff aquatische Biopolymere bezieht sich auf Biopolymere, die von lebenden Organismen produziert werden, die im aquatischen Ökosystem leben.

Ololade Olatunji

Kapitel 2. Überblick über das aquatische Ökosystem

Zusammenfassung

Das Kapitel gibt einen Überblick über das aquatische Ökosystem als Ganzes. Das aquatische Ökosystem wird anhand verschiedener Kriterien klassifiziert: Tiefe, Wasserfluss, Salzgehalt und besondere Merkmale. Die Organismen innerhalb der aquatischen Umgebung werden ebenfalls beschrieben; dazu gehören Algen, Wasserpflanzen und Tiere. Dabei werden auch einige aktuelle Probleme, die die aquatische Umwelt betreffen, diskutiert. Einige der hier beschriebenen Begriffe werden in anderen Kapiteln des Buches verwendet; daher dient dieses Kapitel auch als Referenzpunkt für den Rest des Buches. Das Kapitel enthält auch Illustrationen und Bilder einiger aquatischer Ökosysteme aus verschiedenen Teilen der Welt.

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Kapitel 3. Chitin

Zusammenfassung

Chitin kommt in einer Vielzahl von Organismen in aquatischen Ökosystemen vor. Es ist ein Polymer des Acetylglucosamin-Monomers. In seiner deacetylierten Form als Chitosan hat es breitere kommerzielle Anwendungen. Der Extraktionsprozess erfordert eine Hochtemperaturbehandlung unter alkalischen sowie sauren Bedingungen, abhängig von der Quelle. Chitin ist eines der am meisten erforschten aquatischen Biopolymere mit bestehenden kommerziellen Anwendungen sowie einer breiten Palette von Anwendungen in der Forschung. Dieses Kapitel behandelt Extraktionsprozesse aus verschiedenen Quellen, die Chemie, konventionelle und aufkommende Anwendungen, die Verfügbarkeit von aquatischen Futtermitteln für die Chitinproduktion sowie die Umwelt- und Wirtschaftsauswirkungen von Chitin.

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Kapitel 4. Alginat

Zusammenfassung

Alginate werden aus Braunalgen gewonnen, die hauptsächlich in marinen aquatischen Umgebungen vorkommen. Die chemische Struktur von Alginaten ist durch das Vorhandensein von Mannuronsäure- oder Guluronsäure-Wiederholeinheiten in abwechselnder oder blockartiger Form innerhalb der Polymerkette gekennzeichnet. Sie bilden einen Teil der Zellwand, wo sie der Zellwand Stärke und Flexibilität verleihen. Das Kapitel überprüft eine Reihe von verwendeten Extraktionsmethoden und diskutiert dann die Umweltauswirkungen des Extraktionsprozesses. Alginate finden Anwendung in einer Vielzahl von Branchen, einschließlich Lebensmittel, Biomedizin, Textilien und andere. Alginate können als eine der gut erforschten aquatischen Biopolymere bezeichnet werden. Das Kapitel diskutiert den aktuellen Stand und einige der Einschränkungen seiner kommerziellen Produktion und präsentiert zukünftige Perspektiven für Alginate.

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Kapitel 5. Fucoidan

Zusammenfassung

Fucoidan wird aus Braunalgen und Echinodermen, am häufigsten aus Seegurken, extrahiert. Es handelt sich um ein Heteropolymer, dessen Hauptwiederholungseinheit Fucose ist. Allerdings sind auch eine Vielzahl von Monomeren und funktionellen Gruppen innerhalb der Polymerkette vorhanden. Der Anwesenheit von Sulfatgruppen werden viele seiner bioaktiven Eigenschaften zugeschrieben. Die Extrakte sind stark polydispers; daher sind oft zusätzliche Prozesse erforderlich, um Fucoidan mit einheitlichem Molekulargewicht zu erhalten. Das Molekulargewicht, der Sulfatierungsgrad und die monomere Einheit variieren erheblich je nach Art, Extraktionsmethode und Wachstumsparameter der Organismen. Diese Vielfalt von Fucoidan begrenzt auch seine pharmazeutischen und biomedizinischen Anwendungen. Dieses Kapitel diskutiert die Prozesse, die an der Fucoidanproduktion beteiligt sind, seine chemische Struktur, Umweltprobleme, die mit der Fucoidanproduktion verbunden sind, Anwendungen und industrielle Bedeutung.

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Kapitel 6. Carrageene

Zusammenfassung

Carrageene sind die sulfatierten Polysaccharide, die aus roten Algen gewonnen werden. Sie werden am häufigsten als Geliermittel eingesetzt. Sie bestehen aus wechselnden Disaccharideinheiten von 1,3-verknüpfter Beta-Galactose, die entweder mit 1,4-Alpha-Galactopyranose oder 3,6-Anhydrogalactose verknüpft ist. Sie werden je nach Grad der Sulfatierung als λ, κ, ι, ε, μ klassifiziert. Der Extraktionsprozess nutzt Alkali, Säuren und Salze und benötigt Energie für das Erhitzen und zusätzliche Prozesse zur Rückgewinnung und Reinigung von Carrageen aus Seetangbiomasse. Diese werden bei der Bewertung der Umweltauswirkungen der Carrageenproduktion berücksichtigt. Derzeit wird Carrageen häufiger wegen seiner rheologischen Eigenschaften als Geliermittel in Lebensmitteln und anderen Verbrauchsgütern verwendet. Einige Studien haben auch potenzielle Anwendungen als bioaktive Verbindung und in Komponenten von erneuerbaren Energiesystemen vorgestellt.

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Kapitel 7. Agar

Zusammenfassung

Agar wird aus Rotalgen gewonnen. Es liegt als Mischung aus Agarose und Agaropektin vor, wobei Agarose die wünschenswerteren Eigenschaften hat. Seine Anwendungen werden hauptsächlich seinen rheologischen Eigenschaften zugeschrieben. Solche Anwendungen erstrecken sich auf die Lebensmittel-, Biotechnologie- und Pharmaindustrie, wo Agar als thermoreversibler Geliermittel, Stabilisator, Texturmodifikator und Verdickungsmittel verwendet wird. Die Fähigkeit, als Ersatzadditiv für die aus Tieren gewonnene Gelatine zu dienen, trägt ebenfalls zu seinem wirtschaftlichen Wert bei. In diesem Kapitel werden die Extraktion, Chemie, Vorkommen in der Natur und Anwendungen diskutiert. Dabei werden die wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen der Agar-Produktion bewertet.

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Kapitel 8. Ulvane

Zusammenfassung

Ulvane sind sulfatierte Polysaccharide, die in den Zellwänden von Grünalgen neben anderen Zellwandpolysacchariden vorkommen. Ihre Polymerstruktur ist gekennzeichnet durch sich wiederholende Einheiten von Disacchariden aus sulfatierter Rhamnose mit anderen Einheiten von entweder Uronsäure, Guluronsäuren oder Xylose. Sie sind lösliche Polysaccharide; daher ist ihr Extraktionsprozess im Vergleich zu anderen unlöslichen Polysacchariden relativ mild. Ulvane werden aus Ulva-Spezies der Grünalgen extrahiert. Diese Arten von Grünalgen als Rohstoffe für die Biopolymerproduktion haben den Vorteil, dass sie in vielfältigeren Lebensräumen wachsen und eine schnelle Wachstumsrate aufweisen. Die Extraktion von Ulvanen ist eine Möglichkeit, die überschüssige Ressource Grünalgen, die oft zu Algenblüten führt, zur Herstellung von hochwertigen bioaktiven Polymeren zu nutzen.

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Kapitel 9. Laminarine

Zusammenfassung

Laminarine sind kurzkettige Polysaccharide, die in der Zellwand von Braunalgen vorkommen. Die einfache Struktur der kurzkettigen 1,3-verknüpften β-Glucose-Einheiten macht sie attraktiv für die Bioethanolproduktion. Laminarin hat auch einige bioaktive Eigenschaften, die von Forschungsinteresse und potenzieller kommerzieller Anwendung sind. Die Extraktion von Laminarin aus Braunalgen kann parallel zur Extraktion der anderen Polysaccharide in der Zellwand der Braunalgen durchgeführt werden, so dass sie zu einer effizienteren Nutzung der Algenbiomasse beiträgt. Dieses Kapitel überprüft den Produktionsprozess und bewertet die Umweltauswirkungen der Laminarinproduktion, das kommerzielle Potenzial in Bezug auf die Verfügbarkeit von Rohstoffen sowie bestehende und potenzielle Anwendungen. Das Vorkommen von Laminarin in der Natur und seine Chemie werden ebenfalls in diesem Kapitel vorgestellt.

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Kapitel 10. Proteine aus aquatischen Pflanzen und Algen

Zusammenfassung

Proteine sind eine ziemlich vielfältige Gruppe von Polymeren. Aus diesem Grund teilt dieses Buch Proteine in drei Kapitel ein – das Kapitel hier über Proteine aus Algen und Wasserpflanzen, ein Kapitel über Kollagen (Kap. 12) und ein drittes Kapitel über Enzyme (Kap. 11). Proteine aus Wasserpflanzen und Algen sind von besonderer Bedeutung, da sie eine Quelle für Pflanzenproteine darstellen, für deren Anbau kein Land benötigt wird. Da die Nachfrage nach Protein für die Ernährung parallel zur globalen Bevölkerung steigt und Ackerflächen aufgrund von Desertifikation und Wohnraumbedarf abnehmen, ist eine alternative Möglichkeit, Protein zu produzieren, in der aquatischen Umgebung. Zu diesem Zweck überprüft dieses Kapitel den Prozess der Extraktion von Proteinen aus Wasserpflanzen und Algen und diskutiert die Umwelt- und Wirtschaftsbedeutung. Dabei werden auch die Chemie und Anwendungen diskutiert.

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Kapitel 11. Enzyme

Zusammenfassung

Enzyme spielen wichtige Rollen bei der Katalyse biologischer Prozesse, wie dem Abbau komplexer Verbindungen in Lebensmitteln zu einfacheren Formen, die zur Energieerzeugung und Stoffwechselunterstützung genutzt werden können. Diese Enzyme werden auch kommerziell in Produkten, etwa in biologischen Reinigungsmitteln, Bio-Kraftstoff, Lebensmitteln und Medikamenten verwendet. Aquatische Quellen von Enzymen umfassen innere Organe von Fischen, karnivore Pflanzen sowie Mikroorganismen. Organismen, die extreme aquatische Umgebungen bewohnen, sind ebenfalls Quellen von Enzymen, die in industriellen Prozessen besser funktionieren als andere Enzyme. Einige aquatische Enzyme bieten auch die Möglichkeit umweltfreundlicherer Prozesse zur Bio-Kraftstoffproduktion.

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Kapitel 12. Kollagen

Zusammenfassung

Kollagen wird aus den Knochen, Häuten und Schuppen von Wassertieren gewonnen. Es besteht aus drei miteinander verknüpften Polypeptidketten, die eine tertiäre Struktur bilden. Es spielt eine strukturelle Rolle im Gewebe, wo es Flexibilität innerhalb der Gewebematrix hervorruft. Kollagen kann in verschiedene Formen verarbeitet werden und findet Anwendung in hochwertigen Produkten wie z. B. Gerüsten in der Gewebezüchtung. Kollagen aus Wassertieren dient als Alternative zu Kollagen aus Schweinen oder Rindern und beseitigt damit gesundheitliche Risiken oder ethische Bedenken, die mit dem aus diesen Landtieren gewonnenen Kollagen verbunden sind. Da Kollagen aus Teilen von Wassertieren gewonnen werden kann, die normalerweise nicht als Nahrung konsumiert werden, trägt die Produktion von Kollagen zur Abfallverwaltung sowie zur optimalen Nutzung von Wasserressourcen bei.

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Kapitel 13. Stärke

Zusammenfassung

Stärke spielt eine bedeutende Rolle in der Wirtschaft, da sie als Quelle für zwei Produkte dient; Nahrung und Bioethanol, beides sind wesentliche Güter. Sie wird auch in mehreren anderen Industrien verwendet und in diesem Kapitel diskutiert. In der aquatischen Umgebung kann Stärke aus Wasserpflanzen und Algen gewonnen werden. Stärkeproduzierende aquatische Organismen sollen eine bedeutende Rolle bei der Produktion von Biokraftstoff der dritten Generation spielen, der ohnehin begrenztes Ackerland für den Anbau nicht benötigt. Die einzigartige Chemie einiger aquatischer Stärkeformen macht sie attraktiv für spezifische industrielle Anwendungen.

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Kapitel 14. Zellulose

Zusammenfassung

Das häufigste Polymer auf der Erde ist auch in der aquatischen Umwelt vorhanden, produziert von Wasserpflanzen, Algen und Zellulose produzierenden Bakterien. Zellulose kann in verschiedene Formen wie Zellulose-Nanofasern und Methylzellulose modifiziert werden und findet vielfältige Anwendungen in verschiedenen Industrien, einschließlich Textilien, Papier und Energie. Die wirtschaftliche Produktion von Bioethanol aus zellulosehaltiger Biomasse ist aufgrund der stabilen Struktur der Zellulose, die sie weniger anfällig für Hydrolyse macht, begrenzt. Zellulose aus aquatischer Biomasse kann jedoch anderen Industrien wie der Textilindustrie dienen, wo die einzigartige Chemie der aus Wasser gewonnenen Zellulose einige wünschenswerte Eigenschaften hat. Die Extraktion von Zellulose aus Biomasse reduziert das in die Umwelt freigesetzte Methan aus dem Abbau von toter Wasserpflanzen- und Algenbiomasse.

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Kapitel 15. Polyester

Zusammenfassung

Polyester zeichnen sich durch eine Struktureinheit aus, die aus Ester-verknüpften Monomeren besteht. Cutin ist das Hauptpolyester, das im aquatischen Ökosystem gefunden wird. Es ist in Wasserpflanzen vorhanden, wo es eine Rolle bei der Regulierung der Wasserpermeation spielt. Es hat potenzielle Anwendungen in Verpackungsfolien, Kosmetika und der Produktion von Biopolyester. Das Verständnis der Struktur, Funktion und Chemie ist auch nützlich bei der Entwicklung von Produkten, die Cutin nachahmen. Dieses Kapitel diskutiert Cutin, das aus der Umwelt gewonnen wird. Es behandelt die natürlichen Quellen von Cutin innerhalb des aquatischen Umfelds, seine Chemie, den Extraktionsprozess, Anwendungen, Umweltauswirkungen der Cutin-Produktion und den aktuellen Stand seiner kommerziellen Produktion.

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Kapitel 16. Andere aquatische Biopolymere

Zusammenfassung

In diesem Abschnitt diskutieren wir andere Polymere, die aus verschiedenen Gründen nicht in separaten Kapiteln behandelt werden. Einige dieser Biopolymere sind im Vergleich weniger erforscht, einige sind häufiger in terrestrischen Pflanzen vorhanden und einige sind relativ neu entdeckt. Dennoch sind sie Biopolymere, die in der aquatischen Umwelt vorkommen und auf verschiedene Weise von Bedeutung sind.

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Kapitel 17. Zukünftige Perspektiven

Zusammenfassung

Dieses Kapitel wirft einen Blick auf die zukünftigen Perspektiven von Biopolymeren, die aus aquatischen Ökosystemen gewonnen werden. Auf der Grundlage der bisher in dem Buch behandelten Themen werden einige Empfehlungen gegeben. Eine Zusammenfassung wird bereitgestellt, um einen Überblick über die aquatischen Biopolymerressourcen auf einen Blick zu geben.

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