TY  - THES
A1  - Buczkowski, Agnes Johanna
T1  - Vergleichende Untersuchungen von Schlüsselkomponenten aus Dämpfen der E-Zigarette
T1  - Comparative studies of key components from e-cigarette vapours
N2  - Respiratorische Erkrankungen stellen zunehmend eine relevante globale Problematik dar. Die Erweiterung bzw. Modifizierung von Applikationswegen möglicher Arzneimittel für gezielte topische Anwendungen ist dabei von größter Bedeutung. Die Variation eines bekannten Applikationsweges durch unterschiedliche technologische Umsetzungen kann die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten, aber auch die Patienten-Compliance erhöhen. Die einfache und flexible Verfahrensweise durch schnelle Verfügbarkeit und eine handliche Technologie sind heutzutage wichtige Eigenschaften im Entwicklungsprozess eines Produktes. Eine direkte topische Behandlung von Atemwegserkrankungen am Wirkort in Form einer inhalativen Applikation bietet dabei viele Vorteile gegenüber einer systemischen Therapie. Die medizinische Inhalation von Wirkstoffen über die Lunge ist jedoch eine komplexe Herausforderung. Inhalatoren gehören zu den erklärungsbedürftigen Applikationsformen, die zur Erhöhung der konsequenten Einhaltung der Verordnung so einfach, wie möglich gestaltet werden müssen. Parallel besitzen und nutzen weltweit annähernd 68 Millionen Menschen die Technologie eines inhalativen Applikators zur bewussten Schädigung ihrer Gesundheit in Form einer elektronischen Zigarette. Diese bekannte Anwendung bietet die potentielle Möglichkeit einer verfügbaren, kostengünstigen und qualitätsgeprüften Gesundheitsmaßnahme zur Kontrolle, Prävention und Heilung von Atemwegserkrankungen. Sie erzeugt ein Aerosol durch elektrothermische Erwärmung eines sogenannten Liquids, das durch Kapillarkräfte eines Trägermaterials an ein Heizelement gelangt und verdampft. Ihr Bekanntheitsgrad zeigt, dass eine beabsichtigte Wirkung in den Atemwegen eintritt. Diese Wirkung könnte jedoch auch auf potentielle pharmazeutische Einsatzgebiete übertragbar sein. Die Vorteile der pulmonalen Verabreichung sind dabei vielfältig. Im Vergleich zur peroralen Applikation gelangt der Wirkstoff gezielt zum Wirkort. Wenn eine systemische Applikation zu Arzneimittelkonzentrationen unterhalb der therapeutischen Wirksamkeit in der Lunge führt, könnte eine inhalative Darreichung bereits bei niedriger Dosierung die gewünschten höheren Konzentrationen am Wirkort hervorrufen. Aufgrund der großen Resorptionsfläche der Lunge sind eine höhere Bioverfügbarkeit und ein schnellerer Wirkungseintritt infolge des fehlenden First-Pass-Effektes möglich. Es kommt ebenfalls zu minimalen systemischen Nebenwirkungen. Die elektronische Zigarette erzeugt wie die medizinischen Inhalatoren lungengängige Partikel. Die atemzuggesteuerte Technik ermöglicht eine unkomplizierte und intuitive Anwendung. Der prinzipielle Aufbau besteht aus einer elektrisch beheizten Wendel und einem Akku. Die Heizwendel ist von einem sogenannten Liquid in einem Tank umgeben und erzeugt das Aerosol. Das Liquid beinhaltet eine Basismischung bestehend aus Propylenglycol, Glycerin und reinem Wasser in unterschiedlichen prozentualen Anteilen. Es besteht die Annahme, dass das Basisliquid auch mit pharmazeutischen Wirkstoffen für die pulmonale Applikation beladen werden kann. Aufgrund der thermischen Belastung durch die e-Zigarette müssen potentielle Wirkstoffe sowie das Vehikel eine thermische Stabilität aufweisen. 
Die potentielle medizinische Anwendung der Technologie einer handelsüblichen e-Zigarette wurde anhand von drei Schwerpunkten an vier Wirkstoffen untersucht. Die drei ätherischen Öle Eucalyptusöl, Minzöl und Nelkenöl wurden aufgrund ihrer leichten Flüchtigkeit und der historischen pharmazeutischen Anwendung anhand von Inhalationen bei Erkältungssymptomen bzw. im zahnmedizinischen Bereich gewählt. Das eingesetzte Cannabinoid Cannabidiol (CBD) hat einen aktuellen Bezug zu dem pharmazeutischen Markt Deutschlands zur Legalisierung von cannabishaltigen Produkten und der medizinischen Forschung zum inhalativen Konsum. Es wurden relevante wirkstoffhaltige Flüssigformulierungen entwickelt und hinsichtlich ihrer Verdampfbarkeit zu Aerosolen bewertet. In den quantitativen und qualitativen chromatographischen Untersuchungen konnten spezifische Verdampfungsprofile der Wirkstoffe erfasst und bewertet werden. Dabei stieg die verdampfte Masse der Leitsubstanzen 1,8-Cineol (Eucalyptusöl), Menthol (Minzöl) und Eugenol (Nelkenöl) zwischen 33,6 µg und 156,2 µg pro Zug proportional zur Konzentration im Liquid im Bereich zwischen 0,5% und 1,5% bei einer Leistung von 20 Watt. Die Freisetzungsrate von Cannabidiol hingegen schien unabhängig von der Konzentration im Liquid im Mittelwert bei 13,3 µg pro Zug zu liegen. Dieses konnte an fünf CBD-haltigen Liquids im Konzentrationsbereich zwischen 31 µg/g und 5120 µg/g Liquid gezeigt werden. Außerdem konnte eine Steigerung der verdampften Massen mit Zunahme der Leistung der e-Zigarette festgestellt werden. Die Interaktion der Liquids bzw. Aerosole mit den Bestandteilen des Speichels sowie weiterer gastrointestinaler Flüssigkeiten wurde über die Anwendung von zugehörigen in vitro Modellen und Einsatz von Enzymaktivitäts-Assays geprüft. In den Untersuchungen wurden Änderungen von Enzymaktivitäten anhand des oralen Schlüsselenzyms α-Amylase sowie von Proteasen ermittelt. Damit sollte exemplarisch ein möglicher Einfluss auf physiologische bzw. metabolische Prozesse im humanen Organismus geprüft werden. Das Bedampfen von biologischen Suspensionen führte bei niedriger Leistung der e-Zigarette (20 Watt) zu keiner bzw. einer leichten Änderung der Enzymaktivität. Die Anwendung einer hohen Leistung (80 Watt) bewirkte tendenziell das Herabsetzen der Enzymaktivitäten. Die Erhöhung der Enzymaktivitäten könnte zu einem enzymatischen Abbau von Schleimstoffen wie Mucinen führen, was wiederum die effektive, mechanische Abwehr gegenüber bakteriellen Infektionen zur Folge hätte. Da eine Anwendung der Applikation insbesondere bei bakteriellen Atemwegserkrankungen denkbar wäre, folgten abschließend Untersuchungen der antibakteriellen Eigenschaften der Liquids bzw. Aerosole in vitro. Es wurden sechs klinisch relevante bakterielle Krankheitserreger ausgewählt, die nach zwei Charakteristika gruppiert werden können. Die drei multiresistenten Bakterien Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae und Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus können mithilfe von üblichen Therapien mit Antibiotika nicht abgetötet werden und haben vor allem eine nosokomiale Relevanz. Die zweite Gruppe weist Eigenschaften auf, die vordergründig assoziiert sind mit respiratorischen Erkrankungen. Die Bakterien Streptococcus pneumoniae, Moraxella catarrhalis und Haemophilus influenzae sind repräsentativ beteiligt an Atemwegserkrankungen mit diverser Symptomatik. Die Bakterienarten wurden mit den jeweiligen Liquids behandelt bzw. bedampft und deren grundlegende Dosis-Wirkungsbeziehung charakterisiert. Dabei konnte eine antibakterielle Aktivität der Formulierungen ermittelt werden, die durch Zugabe eines Wirkstoffes die bereits antibakterielle Wirkung der Bestandteile Glycerin und Propylenglycol verstärkte. Die hygroskopischen Eigenschaften dieser Substanzen sind vermutlich für eine Wirkung in aerosolierter Form verantwortlich. Sie entziehen die Feuchtigkeit aus der Luft und haben einen austrocknenden Effekt auf die Bakterien. Das Bedampfen der Bakterienarten Streptococcus pneumoniae, Moraxella catarrhalis und Haemophilus influenzae hatte einen antibakteriellen Effekt, der zeitlich abhängig von der Leistung der e-Zigarette war. 
Die Ergebnisse der Untersuchungen führen zu dem Schluss, dass jeder Wirkstoff bzw. jede Substanzklasse individuell zu bewerten ist und somit Inhalator und Formulierung aufeinander abgestimmt werden müssen. Der Einsatz der e-Zigarette als Medizinprodukt zur Applikation von Arzneimitteln setzt stets Prüfungen nach Europäischem Arzneibuch voraus. Durch Modifizierungen könnte eine Dosierung gut kontrollierbar gemacht werden, aber auch die Partikelgrößenverteilung kann insoweit reguliert werden, dass die Wirkstoffe je nach Partikelgröße zu einem geeigneten Applikationsort wie Mund, Rachen oder Bronchien transportiert werden. Der Vergleich mit den Eigenschaften anderer medizinischer Inhalatoren führt zu dem Schluss, dass die Technologie der e-Zigarette durchaus eine gleichartige oder bessere Performance für thermisch stabile Wirkstoffe bieten könnte. Dieses fiktive Medizinprodukt könnte aus einer hersteller-unspezifisch produzierten, wieder aufladbaren Energiequelle mit Universalgewinde zum mehrfachen Gebrauch und einer hersteller- und wirkstoffspezifisch produzierten Einheit aus Verdampfer und Arzneimittel bestehen. Das Arzneimittel, ein medizinisches Liquid (Vehikel und Wirkstoff) kann in dem Tank des Verdampfers mit konstanten, nicht variablen Parametern patientenindividuell produziert werden. Inhalative Anwendungen werden perspektivisch wohl nicht zuletzt aufgrund der aktuellen COVID-19-Pandemie eine zunehmende Rolle spielen. Der Bedarf nach alternativen Therapieoptionen wird weiter ansteigen. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zum Einsatz der Technologie der elektronischen Zigarette als electronic nicotin delivery system (ENDS) nach Modifizierung zu einem potentiellen pulmonalen Applikationssystem als electronic drug delivery system (EDDS) von inhalativen, thermisch stabilen Arzneimitteln in Form eines Medizinproduktes.
N2  - Respiratory diseases increasingly represent a globally relevant problem. The extension or modification of application routes of possible drugs for targeted topical applications is thereby of utmost importance. The variation of a known application route through different technological implementations can increase the diversity of application possibilities, but also patient compliance. Simple and flexible procedures through rapid availability and a convenient technology are nowadays important characteristics in the development process of a product. Direct topical treatment of respiratory diseases at the site of action in form of inhaled application offers many advantages over systemic therapy. However, medical inhalation of active substances via lung is a complex challenge. Inhalers are one of the forms of application that require explanation and must be made as simple as possible to increase consistent adherence to the prescription. In parallel, approximately 68 million people worldwide own and use the technology of an inhaler to deliberately harm their health in form of an electronic cigarette. This well-known application offers the potential possibility of an available, cost-effective and quality-assured health measure to control, prevent and cure respiratory diseases. It produces an aerosol by electro-thermal heating of a so-called liquid, which reaches a heating element through capillary forces of a carrier material and vaporizes. Its popularity indicates that an intended effect occurs in the respiratory tract. However, this effect could also be transferable to potential pharmaceutical applications. The advantages of pulmonary administration are manifold. Compared to peroral application, the active ingredient reaches the site of action in a targeted manner. If systemic application results to drug concentrations below the therapeutic efficacy in the lung, inhalation could produce the desired higher concentrations at the site of action even at low doses. Due to the large absorption surface of the lungs, a higher bioavailability and a faster onset of action is possible as a result of the lack of first-pass effect. There are also minimal systemic side effects. Like medical inhalers, the electronic cigarette produces respirable particles. The breath-controlled technology enables uncomplicated and intuitive use. The basic construction consists of an electrically heated coil and a rechargeable battery. The heating coil is surrounded by a so-called liquid in a tank and generates the aerosol. The liquid contains a base mixture consisting of propylene glycol, glycerine and pure water in varying percentages. It is assumed that the base liquid can also be loaded with active pharmaceutical ingredients for pulmonary application. Due to thermal load of the e-cigarette, potential active ingredients as well as vehicles must exhibit thermal stability. 
The potential medical application of the technology of a commercially available e-cigarette was investigated on the basis of three focal investigations for four active ingredients. The three essential oils eucalyptus oil, mint oil and clove oil were chosen due to their light volatility and the historical pharmaceutical application based on inhalations for cold symptoms or in the dental field, respectively. The choice of the cannabinoid cannabidiol (CBD) used is currently related to the pharmaceutical market situation in Germany while considering the legalization of cannabis-containing products and medical research on inhaled consumption. Relevant liquid formulations containing active ingredients were developed and evaluated with regard to their evaporability to aerosols. In quantitative and qualitative chromatographic investigations, specific vaporization profiles of the active substances were recorded and evaluated. The evaporated mass of analytical markers 1,8-cineole (eucalyptus oil), menthol (mint oil) and eugenol (clove oil) increased between 33.6 µg and 156.2 µg per puff proportional to the concentration in liquids in the range between 0.5% and 1.5% at a power application of 20 watts. The release rate of cannabidiol, on the other hand, appeared to average 13.3 µg per puff regardless of the concentration in the liquid. This was demonstrated on five CBD-containing liquids in the concentration range between 31 µg/g and 5120 µg/g liquid. In addition, an increased vaporized mass with increased power of e-cigarette could be observed. The interaction of the liquids or aerosols with the components of saliva and other gastrointestinal fluids was tested by application of associated in vitro models and the use of enzyme activity assays. In the studies, changes in enzyme activities were determined using the key oral enzyme α-amylase as well as proteases. The aim was to test a possible influence on physiological or metabolic processes in the human organism as an example. Treatment of biological suspensions with aerosol resulted in no or a slight change in enzyme activity at low power of e-cigarette (20 watts). The application of high power (80 watts) tended to decrease enzyme activities. The increase in enzyme activities could lead to enzymatic degradation of mucins, which in turn could reduce effective mechanical defense against bacterial infections. Since an application would be conceivable in particular for bacterial respiratory diseases, concluding investigations of the antibacterial properties of the liquids or aerosols in vitro followed. Six clinically relevant bacterial pathogens were selected, which can be grouped according to two characteristics. The three multi-resistant bacteria Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae and methicillin-resistant Staphylococcus aureus cannot be killed by standard antibiotic therapies and are primarily of nosocomial relevance. The second group exhibits characteristics that are mainly associated with respiratory diseases. The bacteria Streptococcus pneumoniae, Moraxella catarrhalis and Haemophilus influenzae are representatively involved in respiratory diseases with diverse symptoms. These bacterial species were treated with the respective liquids or aerosols and their basic dose-response relationship was characterized. Antibacterial activity of formulations could be determined, which enhanced the already antimicrobial effect of the vehicle components glycerine and propylene glycol by addition of active pharmaceutical ingredients. The hygroscopic properties of these substances are probably responsible for an effect in aerosolized form. They remove moisture from air and have a desiccating effect on bacteria. The treatment of bacterial species Streptococcus pneumoniae, Moraxella catarrhalis and Haemophilus influenzae with aerosol had an antibacterial effect that was time-dependent on the applied power of e-cigarette. 
The results of investigations lead to the conclusion that each active pharmaceutical ingredient or substance class must be evaluated individually and thus inhaler and formulation must be matched to each other. The use of e-cigarette as a medical device for the application of medicinal products would definitely requires tests according to the European Pharmacopoeia. Modifications could make a dosage well controllable, but also the particle size distribution can be regulated to the extent that the active ingredients are transported to a suitable application site such as mouth, throat or bronchi depending on the particle size. The comparison with properties of other medical inhalers leads to the conclusion that the technology of e-cigarette could well offer similar or better performance for thermally stable active ingredients. This fictitious medical device could consist of a manufacturer-unspecifically produced, rechargeable energy source with a universal thread for multiple use and a manufacturer- and active substance-specifically produced unit consisting of vaporizer and personalized drug content. The drug, a medical liquid (vehicle and active ingredient) can be produced in the tank of the vaporizer with constant, non-variable parameters specific to the patient. Inhaled applications will probably play an increasing role in the future, not least because of the current
COVID-19 pandemic. The need for alternative therapeutic options will continue to increase. This work provides a contribution to the use of electronic nicotine delivery system (ENDS) after modification to a potential pulmonary application system as an electronic drug delivery system (EDDS) of inhaled, thermally stable drugs in form of a medical device.
KW  - e-Zigarette
KW  - Medizinprodukt
KW  - inhalative Applikation
KW  - ätherische Öle
KW  - Cannabidiol (CBD)
KW  - Atemwegserkrankungen
KW  - antibakterielles Aerosol
KW  - e-cigarette
KW  - electronic nicotin delivery system (ENDS)
KW  - electronic drug delivery system (EDDS)
KW  - essential oils
KW  - cannabidiol (CBD)
KW  - respiratory diseases
KW  - antibacterial aerosol
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-565617
ER  - 
TY  - THES
A1  - Harbart, Vanessa
T1  - The effect of protected cultivation on the nutritional quality of lettuce (Lactuca sativa var capitata L.) with a focus on antifogging additives in polyolefin covers
T1  - Die Bedeutung des geschützten Anbaus für die ernährungsphysiologische Qualität von Kopfsalat (Lactuca sativa var. capitata L.) mit Schwerpunkt auf Antibeschlagmittel in Polyolefinfolien
N2  - Protected cultivation in greenhouses or polytunnels offers the potential for sustainable production of high-yield, high-quality vegetables. This is related to the ability to produce more on less land and to use resources responsibly and efficiently. Crop yield has long been considered the most important factor. However, as plant-based diets have been proposed for a sustainable food system, the targeted enrichment of health-promoting plant secondary metabolites should be addressed. These metabolites include carotenoids and flavonoids, which are associated with several health benefits, such as cardiovascular health and cancer protection. 
Cover materials generally have an influence on the climatic conditions, which in turn can affect the levels of secondary metabolites in vegetables grown underneath. Plastic materials are cost-effective and their properties can be modified by incorporating additives, making them the first choice. However, these additives can migrate and leach from the material, resulting in reduced service life, increased waste and possible environmental release. Antifogging additives are used in agricultural films to prevent the formation of droplets on the film surface, thereby increasing light transmission and preventing microbiological contamination. 
This thesis focuses on LDPE/EVA covers and incorporated antifogging additives for sustainable protected cultivation, following two different approaches. The first addressed the direct effects of leached antifogging additives using simulation studies on lettuce leaves (Lactuca sativa var capitata L). The second determined the effect of antifog polytunnel covers on lettuce quality. Lettuce is usually grown under protective cover and can provide high nutritional value due to its carotenoid and flavonoid content, depending on the cultivar. 
To study the influence of simulated leached antifogging additives on lettuce leaves, a GC-MS method was first developed to analyze these additives based on their fatty acid moieties. Three structurally different antifogging additives (reference material) were characterized outside of a polymer matrix for the first time. All of them contained more than the main fatty acid specified by the manufacturer. Furthermore, they were found to adhere to the leaf surface and could not be removed by water or partially by hexane. 
The incorporation of these additives into polytunnel covers affects carotenoid levels in lettuce, but not flavonoids, caffeic acid derivatives and chlorophylls. Specifically, carotenoids were higher in lettuce grown under polytunnels without antifog than with antifog. This has been linked to their effect on the light regime and was suggested to be related to carotenoid function in photosynthesis. 
In terms of protected cultivation, the use of LDPE/EVA polytunnels affected light and temperature, and both are closely related. The carotenoid and flavonoid contents of lettuce grown under polytunnels was reversed, with higher carotenoid and lower flavonoid levels. At the individual level, the flavonoids detected in lettuce did not differ however, lettuce carotenoids adapted specifically depending on the time of cultivation. Flavonoid reduction was shown to be transcriptionally regulated (CHS) in response to UV light (UVR8). In contrast, carotenoids are thought to be regulated post-transcriptionally, as indicated by the lack of correlation between carotenoid levels and transcripts of the first enzyme in carotenoid biosynthesis (PSY) and a carotenoid degrading enzyme (CCD4), as well as the increased carotenoid metabolic flux. Understanding the regulatory mechanisms and metabolite adaptation strategies could further advance the strategic development and selection of cover materials.
N2  - Der geschützte Anbau in Gewächshäusern oder unter Folientunneln bietet die Möglichkeit einer nachhaltigen Produktion von ertragreichem Gemüse hoher Qualität. Die ressourceneffiziente Produktion von mehr auf weniger Fläche ist dabei ein wichtiger Faktor. Lange galt der Gemüseertrag als wichtigstes Kriterium. Die Anreicherung von gesundheitsfördernden sekundären Pflanzenmetaboliten gewinnt jedoch zunehmend an Bedeutung, nicht zuletzt durch die empfohlene pflanzenbasierte Ernährung für ein nachhaltiges Ernährungssystem. Die Sekundärmetabolite Carotinoide und Flavonoide sind mit verschiedenen gesundheitlichen Vorteilen assoziiert, etwa der kardiovaskulären Gesundheit und der Krebsprävention. 
Das Material eines Gewächshauses beeinflusst die klimatischen Bedingungen im geschützten Anbau. Das resultierende Mikroklima kann sich wiederum auf den Gehalt an Sekundärmetaboliten im Gemüse auswirken. Materialien aus Kunststoff sind kostengünstig und ihre Eigenschaften können durch Zusätze, sogenannte Additive, modifiziert werden. Additive können an die Oberfläche des Materials und aus diesem migrieren, was die Materiallebensdauer einerseits verkürzt und größere Abfallmengen produziert. Andererseits besteht das Risiko einer Umweltemission der Additive. Antifogging-Additive verhindern die Bildung von Kondenswasser Tropfen auf der Oberfläche von Gewächshausfolien, wodurch die Lichtdurchlässigkeit der Folien verbessert, sowie eine mikrobiologische Kontamination vermieden werden kann. 
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit LDPE/EVA-Gewächshausfolien mit Antifogging-Additiven für einen nachhaltigen geschützten Anbau und verfolgt dabei zwei unterschiedliche Herangehensweisen. Zum einen befasst sich die Arbeit mit den direkten Auswirkungen von Antifogging-Additiven in Folge eines Übergangs auf Salatblätter (Lactuca sativa var. capitata L.) mittels Simulationsversuchen. Um den simulierten Übergang zu untersuchen, wurde zunächst eine Methode zur Analyse des Fettsäureanteils der Additive mittels GC-MS entwickelt. Drei strukturell unterschiedliche Antifogging-Additive (Referenzmaterial) wurden erstmals außerhalb einer Polymermatrix charakterisiert. Sie enthielten diverse Fettsäuren, und somit mehr, als die vom Hersteller angegebene Hauptfettsäure. Des Weiteren wurde gezeigt, dass sie an der Blattoberfläche haften und weder durch Wasser noch teilweise durch Hexan entfernt werden können.
Zum anderen wurde der Einfluss von Antifogging-Additiven in Gewächshausfolien auf die Salatqualität untersucht. Salat ist ein Gemüse, das üblicherweise auch unter Schutzabdeckungen angebaut wird und sortenspezifisch größere Mengen an Carotinoiden und Flavonoiden enthält. Der Anbau von Salat unter Antifog-Folientunneln beeinflusste den Carotinoidgehalt, nicht aber den Gehalt an Flavonoiden, Kaffeesäurederivaten und Chlorophyll. Salate, die unter Folientunneln ohne Antifog angebaut wurde akkumulierten höhere Gehalte der Carotinoide, als solche unter Antifog-Folientunneln. Es besteht wahrscheinlich ein Zusammenhang mit der Funktion der Carotinoide als Photosynthesepigmente und der Lichtumgebung. Die Verwendung von LDPE/EVA-Folientunneln beeinflusste allgemein Licht und Temperatur im geschützten Anbau, beide Faktoren sind eng verknüpft. Die Carotinoid- und Flavonoidgehalte waren dabei invers, mit höheren gesamt Carotinoid- und niedrigeren gesamt Flavonoidgehalten von Salaten unter Folientunneln. Die individuellen Flavonoid-Glykoside unterschieden sich innerhalb der Versuchszeiträume (Frühjahr und Herbst) nicht. Es konnte gezeigt werden, dass diese hinsichtlich der UV-Lichtumgebung (UVR8) transkriptionell reguliert werden (CHS). Demgegenüber fanden spezifische Anpassungen der individuellen Carotinoidmetabolite in den Versuchszeiträumen statt. Die fehlende Korrelation der Carotinoidmetabolite und der Transkripte des Hauptenzyms der Biosynthese (PSY) und eines Carotinoid-abbauenden Enzyms (CCD4) sowie der erhöhte Carotinoid-Stoffwechselfluss deuten auf eine post-transkriptionelle Regulierung hin. 
Die Regulationsmechanismen und Anpassungsstrategien der sekundären Pflanzenstoffe in Gemüse zu verstehen, könnte zukünftig zur strategischen Entwicklung und Auswahl von Gewächshausmaterialien beitragen.
KW  - protected cultivation
KW  - polytunnel
KW  - lettuce
KW  - antifogging additives
KW  - plant secondary metabolites
KW  - carotenoids
KW  - flavonoids
KW  - mass spectrometry
KW  - plastic additives
KW  - Antibeschlag-Additive
KW  - Carotinoide
KW  - Flavonoide
KW  - Kopfsalat
KW  - Massenspektrometrie
KW  - sekundäre Pflanzenstoffe
KW  - Kunststoff-Additive
KW  - Folientunnel
KW  - geschützter Anbau
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-629375
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fitzner, Maria
T1  - Cultivation of selected halophytes in saline indoor farming and modulation of cultivation conditions to optimize metabolite profiles for human nutrition
T1  - Kultivierung ausgewählter Halophyten im salinen Indoor Farming und Modulation der Anbaubedingungen zur Optimierung der Metabolitenprofile für die menschliche Ernährung
N2  - With the many challenges facing the agricultural system, such as water scarcity, loss of arable land due to climate change, population growth, urbanization or trade disruptions, new agri-food systems are needed to ensure food security in the future. In addition, healthy diets are needed to combat non-communicable diseases. Therefore, plant-based diets rich in health-promoting plant secondary metabolites are desirable. A saline indoor farming system is representing a sustainable and resilient new agrifood system and can preserve valuable fresh water. Since indoor farming relies on artificial lighting, assessment of lighting conditions is essential. In this thesis, the cultivation of halophytes in a saline indoor farming system was evaluated and the influence of cultivation conditions were assessed in favor of improving the nutritional quality of halophytes for human consumption. Therefore, five selected edible halophyte species (Brassica oleracea var. palmifolia, Cochlearia officinalis, Atriplex hortensis, Chenopodium quinoa, and Salicornia europaea) were cultivated in saline indoor farming. The halophyte species were selected for to their salt tolerance levels and mechanisms. First, the suitability of halophytes for saline indoor farming and the influence of salinity on their nutritional properties, e.g. plant secondary metabolites and minerals, were investigated. Changes in plant performance and nutritional properties were observed as a function of salinity. The response to salinity was found to be species-specific and related to the salt tolerance mechanism of the halophytes. At their optimal salinity levels, the halophytes showed improved carotenoid content. In addition, a negative correlation was found between the nitrate and chloride content of halophytes as a function of salinity. Since chloride and nitrate can be antinutrient compounds, depending on their content, monitoring is essential, especially in halophytes. Second, regional brine water was introduced as an alternative saline water resource in the saline indoor farming system. Brine water was shown to be feasible for saline indoor farming
of halophytes, as there was no adverse effect on growth or nutritional properties, e.g. carotenoids. Carotenoids were shown to be less affected by salt composition than by salt concentration. In addition, the interaction between the salinity and the light regime in indoor farming and greenhouse cultivation has been studied. There it was shown that interacting light regime and salinity alters the content of carotenoids and chlorophylls. Further, glucosinolate and nitrate content were also shown to be influenced by light regime. Finally, the influence of UVB light on halophytes was investigated using supplemental narrow-band UVB LEDs. It was shown that UVB light affects the growth, phenotype and metabolite profile of halophytes and that the UVB response is species specific. Furthermore, a modulation of carotenoid content in S. europaea could be achieved to enhance health-promoting properties and thus improve nutritional quality. This was shown to be dose-dependent and the underlying mechanisms of carotenoid accumulation were also investigated. Here it was revealed that carotenoid accumulation is related to oxidative stress.

In conclusion, this work demonstrated the potential of halophytes as alternative vegetables produced in a saline indoor farming system for future diets that could contribute to ensuring food security in the future. To improve the sustainability of the saline indoor farming system, LED lamps and regional brine water could be integrated into the system. Since the nutritional properties have been shown to be influenced by salt, light regime and UVB light, these abiotic stressors must be taken into account when considering halophytes as alternative vegetables for human nutrition.
N2  - Angesichts zahlreicher Herausforderungen wie Wasserknappheit oder Verlust landwirtschaftlicher Nutzflächen aufgrund des Klimawandels, Bevölkerungswachstum und Verstädterung sind neue Systeme der Agrar- und Lebensmittelproduktion (Agrifood-Systeme) erforderlich, um die Ernährungssicherheit in der Zukunft zu gewährleisten. Eines dieser neuen Agrifood-Systeme ist das Indoor Farming. Es bietet den Vorteil einer nachhaltigen und resilienten Nahrungsmittelproduktion. In Kombination mit dem Anbau von Salzpflanzen kann wertvolles Süßwasser eingespart werden, da diese mit Salzwasser bewässert werden können. Durch eine pflanzliche Ernährung, die reich an sekundären Pflanzenstoffen mit gesundheitsfördernden Eigenschaften ist, kann eine gesunde Ernährung erreicht werden. Dadurch kann das Risiko für nicht übertragbare Krankheiten wie Diabetes oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen gesenkt werden. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob salztolerante Pflanzen (Halophyten) als alternatives Gemüse für die menschliche Ernährung geeignet sind und ob sie in einem salzhaltigen Indoor Farming System angebaut werden können. Zu diesem Zweck wurden fünf essbare Halophyten (Palmkohl, Gartenmelde, Löffelkraut, Quinoa und Europäische Queller) untersucht. Mit diesen Halophyten wurden verschiedene Pflanzenstudien durchgeführt, um den Einfluss von Salz, Licht und UVB-Strahlung auf für die menschliche Ernährung relevante Inhaltsstoffe zu untersuchen. In der ersten Studie wurde untersucht, welchen Einfluss das salzhaltige Indoor Farming System auf die Salzpflanzen und ihre Inhaltsstoffe hat. Es konnte festgestellt werden, dass sich die Inhaltsstoffe mit steigender Salzkonzentration im Wasser verändern. Weiterhin wurde untersucht, ob sich regionales Solewasser aus einer Thermalquelle als Salzwasserressource eignet. Es zeigte sich, dass das Solewasser keine negativen Auswirkungen auf das Wachstum oder die Inhaltsstoffe hat. Darüber hinaus wurde das Indoor-Farming System mit dem klassischen Gewächshausanbau von Salzpflanzen verglichen. Dabei zeigte sich ein Einfluss der unterschiedlichen Beleuchtung auf die Inhaltsstoffe. Schließlich wurde der Einsatz von UVB-LEDs als zusätzliche Beleuchtung getestet. Dabei wurde eine Verbesserung des Inhaltsstoffprofils erreicht.

Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Salzpflanzen in Indoor-Farming kultiviert werden können und dass die ernährungsphysiologischen Eigenschaften durch Salz, Beleuchtung und UVB-Licht beeinflusst werden können.
KW  - halophytes
KW  - indoor farming
KW  - secondary plant metabolites
KW  - carotenoids
KW  - saline agriculture
KW  - future food
KW  - human diet
KW  - Carotinoide
KW  - Nahrung der Zukunft
KW  - Halophyten
KW  - menschliche Ernährung
KW  - Indoor farming
KW  - Saline Landwirtschaft
KW  - pflanzliche Sekundär Metabolite
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-626974
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TY  - THES
A1  - Rausch, Ann-Kristin
T1  - Development of LC-MS/MS Multi-Methods for the Analysis of Contaminants and Residues
N2  - Mycotoxins are secondary metabolites produced by several filamentous fungal species, thus occurring ubiquitously in the environment and food. While the heterogeneous group shows differences in their bioavailability and toxicity, the low-molecular-weight xenobiotics are capable of impacting human and animal health acutely and chronically. Therefore, maximum levels for the major mycotoxins in food and feed are regulated in the current European legislation. Besides free mycotoxins, naturally occurring modified mycotoxins are gaining more attention in recent years. Modified mycotoxins constitute toxins altered by plants, microorganisms, and living organisms in different metabolic pathways or food processing steps. The toxicological relevant compounds often co-occur with their free forms in infested food and feed. Thus, the toxins may contribute to the overall toxicity of mycotoxins, wherefore their presence and toxicity should be considered in risk assessment. Until now, however, there are no regulated limits for modified mycotoxins within the European Union. In this thesis, rapid, sensitive, and robust methods for the analysis of mycotoxins and their modified forms were developed and validated using state-of-the-art high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) systems. Firstly, two analytical methods for determining 38 mycotoxins in cereals and 41 mycotoxins in beer were established since agricultural products count as the primary source of mycotoxin contamination. For the analysis of cereal samples, a QuEChERS- based extraction approach was pursued, while analytes from beer samples were extracted using an acetonitrile precipitation scheme. Validation in cereals, namely wheat, corn, rice, and barley, as well as in beer, demonstrated satisfactory results. To obtain information regarding the natural occurrence of mycotoxins in food products, the developed methods were applied to the analysis of several commercial samples partly produced worldwide. The Fusarium toxins deoxynivalenol and its conjugated metabolite deoxynivalenol-3-glucoside turned out to be the most abundant toxins. None of the other modified mycotoxins were quantified in the samples. However, one cereal sample showed traces of zearalenone- 14-sulfate below the limit of quantification. Moreover, pesticides, plant growth regulators, and tropane alkaloids were investigated in this thesis. Pesticides present biologically highly effective compounds applied in the environment to protect humans from the hazardous effects of pests. While plant growth regulators show similar functions, mainly improving agricultural production, tropane alkaloids are naturally occurring secondary metabolites mainly in the species of Solanaceae that may pose unintended poisoning of humans. The third part of the present thesis aimed to analyze cereal-relevant compounds simultaneously, wherefore a multi-method for the analysis of (modified) mycotoxins, pesticides, plant growth regulators, and tropane alkaloids was established. After processing the samples, this should be done in a single extraction step with subsequent one-time measurements. Various sample preparation procedures were compared, whereby an approach based on an acidified acetonitrile/water extraction, followed by an online clean-up, was finally chosen. The simultaneous determination of more than 350 analytes required an analytical tool that offered an increased resolving power, represented as an enhanced peak capacity, and the possibility of analyzing a broad polarity range. Thus, a two-dimensional LC-MS/MS system based on two different separation mechanisms that performed orthogonal to one another was used for the analysis. Validation of the developed method revealed good performance characteristics for most analytes, while subsequent application showed that 86% of the samples were contaminated with at least one compound. In summary, this thesis provides novel insights into the analysis of food-relevant (modified) mycotoxins. Different sample preparation and LC-MS/MS approaches were introduced, resulting in the development of three new analytical methods. For the first time, such a high number of modified mycotoxins was included in multi-mycotoxin methods and a multi-method ranging both contaminants and residues. Although first steps towards the analysis of modified mycotoxins have been made, further research is needed to elucidate their (co-) occurrence and toxicological behavior in order to understand their relevance to human health in the future.
KW  - Mycotoxins
KW  - LC-MS/MS
KW  - Multi-Methods
KW  - Cereals
KW  - Beer
Y1  - 2021
ER  -