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Gallic acid (GA) is a potential oxygen scavenger for packaging applications. This thesis aimed at determining the reaction kinetics of GA incorporated in packaging materials. Packaging films were produced and the effect of the external factors temperature, relative humidity and deprotonation on the scavenger function was studied experimentally. Oxygen absorption by GA was described with a second-order kinetic model, combined with empirical descriptions of the effect of the external factors. This approach can be used for the design of active packaging materials. Gallussäure (GA) ist ein potentieller Sauerstoffscavenger für Verpackungsanwendungen. Ziel dieser Arbeit war es, die Reaktionskinetik von GA in Packstoffen zu ermitteln. Verpackungsfolien mit GA wurden hergestellt und der Einfluss von Temperatur, relativer Feuchte und Deprotonierung auf die Scavengerfunktion experimentell untersucht. Die Sauerstoffaufnahme von GA wurde mit einem kinetischen Modell zweiter Ordnung beschrieben, kombiniert mit empirischen Beschreibungen der Einflussfaktoren. Dieser Ansatz kann bei der Entwicklung aktiver Verpackungen genutzt werden.

Dry hopping leads to high losses of valuable flavor components, as well as unwanted variations in the beer flavor due to the lack of process control. Therefore, dry hopping starter material, process factors and final beer were investigated. Furthermore, different yields between the oil components were analyzed using a solubility model. The results show that conversion reactions, loss- and extraction processes significantly influence the concentration of hop flavorings during dry hopping. Kalthopfung führt zu hohen Verlusten wertgebender Aromakomponenten, sowie ungewollten Variationen im Bieraroma aufgrund fehlender Prozesskontrolle. Daher wurden Ausgangsmaterial der Kalthopfung, Prozessfaktoren und finales Bier untersucht. Des Weiteren wurden die Unterschiede in den Ausbeuten zwischen den Ölkomponenten mittels eines Löslichkeitsmodel analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Umwandlungsreaktionen, Verlustprozesse und Extraktionsvorgänge die Konzentrationen flüchtiger Hopfenstoffe während der Kalthopfung signifikant beeinflussen.

In einem multimethodischen Ansatz wurden spezifische molekulare Einflussfaktoren auf die Allergenität des Birkenpollen-assoziierten Apfelallergens Mal d 1 untersucht. Dazu wurde der Mal d 1 Gehalt in Apfel-Genotypen verschiedener Kreuzungspopulationen mittels indirekt kompetitiven ELISA quantifiziert. Proteomics ermöglichte die Identifizierung von Peptid-/Isoformmarkern, die möglicherweise hypo- und hyperallergene Eigenschaften besitzen. Daneben wurden Bindungspartner von Mal d 1 mit Bindungsaffinitäten im niedrigen mikromolaren Bereich identifiziert. In a multi-methodological approach, specific molecular factors influencing the allergenicity of the birch pollen-associated apple allergen Mal d 1 were investigated. The Mal d 1 content was determined in apple genotypes of different crossbreeding populations using an indirect competitive ELISA. Proteomics revealed peptide/isoform markers that may be affiliated with hypo- and hyperallergenic properties. Moreover, ligands of Mal d 1 with binding affinities in the low micromolar range were identified.

This thesis reports on the characterization of the complex metabolome of beer using (ultra)high-resolution non-targeted analytical techniques. Developed data analysis strategies enabled the identification of molecular profiles and analytical marker substances with respect to Purity Law-related raw materials and the brewing process. In a holistic approach, covering thousands of compositions simultaneously, the chemistry of the extensive Maillard reaction network in beer brewing was described. The diversity of the metabolome of hundreds of beers provided the base of knowledge for the molecular characterization of a historical beer from the German Imperial era and shed light on the first steps into modern industrial brewing. In dieser Arbeit wird über die Charakterisierung des komplexen Metaboloms des Bieres mittels (ultra)hochauflösender nicht-zielgerichteter analytischer Techniken berichtet. Entwickelte Datenanalysestrategien ermöglichten die Identifizierung molekularer Profile und analytischer Markersubstanzen hinsichtlich Reinheitsgebot-relevanter Rohstoffe und des Brauprozesses. In einem holistischen Ansatz, tausende simultan erfasste Moleküle umfassend, wurde die Chemie des umfassenden Maillardreaktionsnetzwerkes beim Bierbrauen beschrieben. Die Vielfalt des Metaboloms hunderter Biere bildeten die Wissensgrundlage für die molekulare Charakterisierung eines historischen Bieres aus der Deutschen Kaiserzeit und gaben Aufschluss über die ersten Schritte des modernen industriellen Brauens.

Mikroorganismen basierende Prozesse werden zur Gewinnung von Wertstoffen, wie Vitamine und Lipide, genutzt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von abiotischen Stressfaktoren auf die Produktion von Folat durch Mikroalgen. Außerdem wurde der Einfluss verschiedener Kohlenstoffsubstrate auf den Metabolismus der oleogenen Hefe Cutaneotrichosporon oleaginosus untersucht. Microorganism-based processes are used to obtain valuable substances such as vitamins and lipids. The present work deals with the influence of abiotic stress factors on the production of folate by microalgae. In addition, the influence of different carbon substrates on the metabolism of the oleogenic yeast Cutaneotrichosporon oleaginosus was investigated.

Die Analytik der den B-Vitaminen zugehörigen Folate beschränkt sich bislang vorwiegend auf die Quantifizierung der Monoglutamate nach enzymatischer Dekonjugation der Polyglutamate. Letztere aber stellen die im Organismus vorherrschende Folatform dar. Das Feld der Metabolomics zielt darauf ab, die Gesamtheit der Metaboliten eines Organismus zu identifizieren. Daher stellt diese Methode eine optimale Möglichkeit zur nähergehenden Charakterisierung der Folatpolyglutamate dar. Im Zuge dieser Arbeit wurden daher Methoden entwickelt, um Folatpolyglutamate mittels FT-ICR-MS sowie Q-ToF-MS zu analysieren und auf die Untersuchung von kultivierten Brauhefen angewendet. Folates belong to the B-vitamins and are mostly analyzed with regards to the quantification of the monoglutamates after enzymatic deconjugation of polyglutamates. The latter, however, represent the main occurring from of folates within the organism. The field of metabolomics aims at identifying each of the metabolites within an organism. Thus, it represents the ideal technique for a detailed characterization of folate polyglutamates. Several methods were developed for the analysis of folate polyglutamates applying FT-ICR-MS and Q-ToF-MS. Those methods were applied to the analysis of cultured brewer’s yeast.

Fungi of the genus Alternaria are widely occurring plant pathogens infecting a multitude of crops, fruits, and vegetables. In the present thesis, a sensitive LC-MS/MS method for the accurate quantification of the Alternaria mycotoxins alternariol, alternariol monomethyl ether, tentoxin, altertoxin I, alterperylenol, and tenuazonic acid in various foods was developed. Besides, non-targeted metabolomics investigations were conducted by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT-ICR-MS) to obtain deeper insights into the mycobolome of Alternaria fungi. Schimmelpilze der Gattung Alternaria sind weit verbreitete Pflanzenpathogene, die eine Vielzahl an Getreide-, Obst- und Gemüsesorten befallen. Die vorliegende Arbeit umfasst die Entwicklung einer sensitiven LC-MS/MS-Methode zur exakten Quantifizierung der Alternaria-Mykotoxine Alternariol, Alternariol-Monomethylether, Tentoxin, Altertoxin I, Alterperylenol und Tenuazonsäure in verschiedenen Lebensmitteln. Um tiefergehende Einblicke in das Metabolom von Alternaria-Pilzen zu erhalten, wurden non-targeted Studien mittels Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie (FT-ICR-MS) durchgeführt.

Erdbeeren enthalten viele wertgebende Inhaltsstoffe, darunter Polyphenole als Sekundärmetabolite, aber auch Allergie-auslösende Fra a 1-Proteine. In einer Kreuzungspopulation wurden verschiedene Polyphenole mittels LC-MSn und der Fra a 1-Gehalt via indirekt kompetitivem ELISA analysiert. Durch bioinformatische Auswertungen wurde der Einfluss von Genotyp (G) und Umwelt (E) auf die Konzentrationen der einzelnen Metabolite beurteilt. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben Hinweise auf das Zusammenspiel von G und E und unterstreichen die Bedeutung von Feldversuchen für die Züchtung neuer Erdbeersorten. Strawberries are rich in many valuable ingredients, including polyphenols as secondary metabolites, but also allergenic Fra a 1-proteins. Using a crossbreeding population, different polyphenols were evaluated by LC-MSn and Fra a 1-concentrations were determined via indirect competitive ELISA. By bioinformatic analysis, the influence of genotype (G) and environment (E) on individual metabolites was determined. The results of this work provide guidance to the interaction of G and E and underline the importance of field trials for the breeding of new strawberry varieties.

Pyrrolizidine alkaloids (PA) and PA N-oxides (PANO) are toxic secondary plant metabolites contaminating food and feed. Analysis of honeys by different analytical approaches highlighted uncertainties of results. Additionally, the work demonstrated a decrease of PANO in fresh honey presumably due to enzymes. A new LC-MS/MS method for sensitive determination of 44 PA/PANO in important tea matrices was developed. Application of the method on a large set of spices and herbs combined with a risk assessment revealed exposure being of concern, in particular in case of children. Pyrrolizidinalkaloide (PA) und PA-N-Oxide (PANO) sind toxische Kontaminanten pflanzlichen Ursprungs. Honiganalysen mittels verschiedener Methodiken zeigten gewisse Ergebnisunsicherheiten, zudem wurde die vermutlich enzymatisch bedingte PANO Abnahme in frischem Honig belegt. Eine neue LC-MS/MS Methode zum sensitiven Nachweis von 44 PA/PANO in bedeutenden Teematrices wurde entwickelt und zusätzlich auf eine große Anzahl von Gewürzen und Kräutern angewandt. Die Risikobewertung offenbarte Matrices von Belang für die Lebensmittelsicherheit, insbesondere für Kinder.

Cereal byproducts such as distiller’s grains (DG) are an untapped source of nutrients with huge potential for the food industry. This thesis presents the in-depth analysis of impact factors accompanying the addition of DG to cereal based food products. The characteristic odor profile of DG, key aroma compounds, effects of DG addition on textural as well as on sensory properties and the aroma composition of the food system bread were successfully enlightened. In future, present findings should enable an improved utilization of DG in food products. Getreidebasierte Reststoffe wie Weizenschlempe (WS) stellen eine bisher unentdeckte Nährstoffquelle mit großem Potential für die Lebensmittelindustrie dar. Die vorliegende Studie analysiert die Einflussfaktoren einer Verwendung von WS in getreidebasierten Lebensmitteln. Das charakteristische Aromaprofil von WS, Effekte eines Zusatzes von WS auf die Aromastoffzusammensetzung, sensorische Eigenschaften und die Textur von Weizenbrot konnten erfolgreich aufgeklärt werden. Künftig kann mit dem vorliegen Wissen eine verbesserte Nutzung von WS in Lebensmitteln ermöglicht werden.

This cumulative thesis includes two first-authored publications on the utilization of microalgae biomass as a source for industrialized fuel, food and cosmetic Additive products. Current technical antioxidants and vitamins production largely rely on total chemical synthesis. In this thesis, alternative microalgae based production routes are developed, which provide a potential renewable source for said products. The presentation includes a novel class of technical antioxidants and microalgae biomass that harbours the highest folate concentrations detected to date. Diese kumulative These umfasst zwei Erstautor Veröffentlichungen über die Nutzung von Mikroalgen-Biomasse als Quelle funktioneller Treibstoff-, Lebensmittel- und Kosmetikadditive. Die derzeitige Produktion von technischen Antioxidantien und Vitaminen beruht weitgehend auf der chemischen Vollsynthese, daher wurden alternative, Mikroalgen basierte Produktionswege entwickelt. Dies beinhaltet auch eine neuartige Klasse von technischen Antioxidantien und die bisher höchste Folatkonzentration in Mikroalgenbiomasse.

Progenies from crosses of low phytic acid (lpa) soybean (Glycine max (L.) Merr.) mutants with commercial wild-type cultivars were subjected to analysis of inositol phosphate isomers and to GC-based metabolite profiling. The mutation-induced inositol phosphate and metabolite signatures were nearly unaffected by cross-breeding and consistently expressed over generations and growing seasons. The data show that cross-breeding can be used to generate lpa soybean seeds with improved nutritional traits. In Nachkommen aus Kreuzungen von Sojamutanten (Glycine max (L.) Merr.) mit erniedrigten Phytinsäuregehalten (lpa) und kommerziellen Wildtypen wurden Gehalte an Inositolphosphat-Isomeren und GC-basierte Metabolitenprofile ermittelt. Die mutationsspezifischen Inositolphosphat- und Metaboliten-Profile blieben trotz der Kreuzungen über Generationen und Anbauperioden fast unverändert. Die Daten zeigen, dass Kreuzungszüchtung geeignet ist, ernährungsphysiologisch verbesserte lpa Sojamutanten zu erhalten.

The present work is concentrated on deciphering human physiological responses to whole grain diet by means of non-targeted metabolomics profiling of stool and plasma samples using direct infusion Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. The obtained results indicate that the whole grain diet influences host stool and plasma metabolome, whereas links to inflammatory responses and gut microbiota can be built, which provides a rich source for further research and development. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Wirkung einer Vollkorndiät auf den menschlichen und mikrobiellen Stoffwechsel. Hierzu wurde die «non-targeted» Metabolomik mit der Hilfe von der hochauflösenden Fouriertransformation-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie angewandt. Die erhaltenen Resultate weisen darauf hin, dass Vollkorndiät das Stuhl- und Plasmametabolom des Wirtes sowie deren Interaktionen mit klinischen Markern und intestinaler Mikroflora beeinflusst.

We describe the detection of dihydroxymagnesium carboxylates (CHOMg) in astrochemical context. CHOMg was detected in meteorites via ultrahigh-resolving chemical analytics and represents a novel, previously unreported chemical class. Thus, chemical stability was probed via quantum chemical computations, in combination with experimental fragmentation techniques. Results propose the putative formation of green-chemical OH-Grignard-type molecules and triggered fundamental questions within chemical evolution. Wir beschreiben die Entdeckung von Dihydroxymagnesiumcarboxylaten (CHOMg) im astrochemischen Kontext. CHOMg wurde in Meteoriten mittels ultrahochauflösender chemischer Analytik detektiert und stellt eine neue, chemische Subtanzklasse dar. Deshalb wurde die chemische Stabilität mittels quantenchemischen und experimentellen Fragmentierungstechniken, beprobt. Ergebnisse schlagen die mögliche Bildung von Grüne-Chemie-OH-Grignard-ähnlichen Molekülen and lösten grundlegende Fragen der chemischen Evolution aus.

The formation of phytosterol oxidation products was investigated in a non-enriched and in a phytosteryl/-stanyl fatty acid ester-enriched liquid margarine upon various cooking and baking processes via on-line LC-GC. In the second part of the thesis, a GC/MS-based method was developed for the identification and quantitation of novel acyl chain oxidation products formed upon thermal treatment of phytosteryl/-stanyl fatty acid ester mixtures. Die Bildung von Phytosterol-Oxidationsprodukten in einer nicht angereicherten und einer mit Phytosteryl-/Phytostanylfettsäureestern angereicherten Pflanzenölcreme wurde mittels on-line LC-GC nach verschiedenen Koch- und Backprozessen untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine auf GC/MS basierende Methode entwickelt, um neue Phytosteryl /Phytostanylfettsäureester mit oxidiertem Fettsäurerest in thermisch behandelten Phytosteryl-/Phytostanylfettsäureester-Mischungen zu identifizieren und zu quantifizieren.

Many capillary electrophoretic methods cannot be hyphenated to mass spectrometry because of additives in the background electrolyte which interfere in the detection. In order to enable mass spectrometric detection in such approaches, an innovative two-dimensional capillary electrophoresis system was developed. Here, analytes were cut by a mechanical valve from a first, mass spectrometry incompatible, dimension. Subsequently, the analytes were separated from the interfering additives in a second dimension previous to the successful mass spectrometric detection. Viele kapillarelektrophoretische Methoden können aufgrund störender Additive im Hintergrundelektrolyten nicht mit der Massenspektrometrie gekoppelt werden. Um solche Anwendungen der Massenspektrometrie zugänglich zu machen wurde ein innovatives zweidimensionales Kapillarelektrophoresesystem entwickelt. Mit Hilfe eines mechanischen Ventils konnten dabei Analyte aus einer mit der Massenspektrometrie inkompatiblen Dimension ausgeschnitten, in einer zweiten Dimension von störenden Additiven getrennt und erfolgreich massenspektrometrisch detektiert werden.

The aim of the thesis was the characterization of DOM from aquatic ecosystems with intensive sulfur cycling by advanced organic and inorganic analytical techniques. Besides structural spectroscopy, in particular ultrahigh resolution mass spectrometry was applied. The DOM characteristics were set into relation with prevailing geochemical parameters and particularly the inorganic sulfur chemistry, so that especially the dependency between the ecosystem conditions and the sulfur organic compound formation was evaluated. For the comparison of the findings from field sites, laboratory experiments on the abiotic formation of sulfur organic compounds by reaction of DOM with inorganic sulfur species under similar conditions were performed. Ziel dieser Arbeit war es mittels moderner organischer und anorganischer analytischer Techniken DOM aquatischer Ökosysteme, die eine intensive Schwefelredoxchemie aufweisen, zu charakterisieren. Neben spektroskopischen Verfahren wurde hierfür insbesondere ultrahoch auflösende Massenspektrometrie angewandt. Die ermittelten geochemischen Parameter und die Eigenschaften der DOM ermöglichten die Beschreibung der Bildung von schwefelorganischen Verbindungen unter spezifischen Ökosystembedingungen. Zusätzlich wurden Laborexperimente unter Ökosystem ähnlichen Bedingungen durchgeführt, um die abiotische Bildung von schwefelorganischen Verbindungen durch die Umsetzung von DOM mit anorganischen Schwefelspezies zu untersuchen und mit den Feldstudien zu vergleichen.

The deterioration pace of vitamin C is principally influenced by the filling volume of recipients. A negligible effect was found for the food matrix meaning that products based on apples and carrots can interchangeably be used for fortifications. In food products, the oxygen availability decreases down to anaerobic conditions during heat treatments at 80°C, also near the surface, while oxygen in model solutions stays abundant. For complete stabilization of 5-methyltetrahydrofolate, the amount of ascorbic acid is crucial in contrast to the food matrix that is used for supplementation. The protective effect of ascorbic acid is however time-limited even if it remains in excess. The duration of complete stability can be prolonged by increasing the initial ascorbic acid concentration. Heat treatments under real conditions that is when food products are warmed-up by a microwave, an Actifry ® device or held warm by a water bath, lead to minor to negligible vitamin losses. Die Zerfallsgeschwindigkeit von Vitamin C wird hauptsächlich vom Füllvolumen der Behälter beeinflusst. Eine zu vernachlässigende Wirkung der Lebensmittelmatrix wurde festgestellt, weshalb Äpfel und Karotten gleichermaßen für Anreicherungen verwendet werden können. In Lebensmitteln nimmt die Sauerstoffverfügbarkeit während Erwärmungen bei 80°C bis zu anaerobischen Bedingungen ab, auch an der Oberfläche, während Sauerstoff in Modellösungen im Überfluss vorhanden bleibt. Für die komplette Stabilisierung von 5-Methyltetrahydrofolat ist die Menge an Ascorbinsäure entscheidend im Unterschied zur Lebensmittelmatrix, welche für Supplementierungen verwendet wird. Die schützende Wirkung von Ascorbinsäure ist jedoch zeitlich begrenzt, auch wenn diese im Überschuss vorhanden bleibt. Die Dauer vollständiger Stabilität kann verlängert werden indem die Konzentration an Ascorbinsäure erhöht wird. Wärmebehandlungen unter realen Bedingungen, d.h. wenn Lebensmittel durch eine Mikrowelle, ein Actifry ®-Gerät oder durch ein Wasserbad warmgehalten werden, führt zu kleinen bis zu vernachlässigenden Vitaminverlusten.

As one of the fastest growing tree species with good regeneration from rootstocks, poplars are the perfect fit for biofuel, wood and fibre production. Poplar plantations are, however, subjected to a variety of environmental stresses, which can drastically alter plant fitness and biomass production. Additionally, poplars emit the volatile organic compound isoprene, which is a precursor of ozone and secondary aerosols in the troposphere. Genetically modified non-isoprene emitting poplars could be a well-fitting alternative to isoprene emitting poplars normally used for biomass production. However, isoprene is an important molecule in the stress response of poplars and how the lack of isoprene emission affects the performance of poplars, is functionally and biochemically not entirely understood. Metabolites are a direct result of changes in gene, transcript and protein expressions. Thus they represent the perfect read-out for studying the impact of environmental factors as well as genetic modifications on plant performance. The scientific discipline, which aims at measuring the complete set of metabolites within an organism, the metabolome, is non-targeted metabolomics. This thesis aims at elucidating the influence of environmental stress factors on the primary and secondary metabolism of wild type Populus x canescens (grey poplar), a naturally occurring hybrid, and its non-isoprene emitting mutants generated by RNA interference. Non-targeted metabolomics using high resolution mass-spectrometers, such as the ICR-FT/MS and the UPLC-qToF-MS, have been utilized in the present thesis studying the metabolic response of grey poplars to (i) high ultaviolet-B irradiation, (ii) knock-down of isoprene synthase, and (iii) to leaf herbivory with and without ectomycorrhiza. Multivariate statistics and mass-difference analysis enabled the extraction and visualization of specific and comprehensive metabolic perturbations for an enhanced phenotypic description. In summary, this thesis provides a comprehensive overview how high resolution non-targeted metabolomics is efficiently used to deepen our understanding of plant metabolic adaption to environmental stimuli. Die Pappel zählt zu den schnellwachsenden Baumarten und ist daher perfekt geeignet für die Produktion von Biotreibstoff, Holz und Fasern. Jedoch wird die Ausbeute von Pappelplantagen von negativen Umwelteinflüssen stark beeinträchtigt. Ein weiterer Nachteil ist, dass Pappeln starke Isopren Emitter sind. Isopren ist eine flüchtige organische Verbindung, welche die Bildung von Ozon und sekundären Aerosolen in der Troposphäre begünstigt. Genetisch veränderte nicht Isopren emittierende Pappeln wären eine perfekte Alternative für die Produktion von Biomasse. Allerdings erfüllt Isopren wichtige Funktionen unter Stressbedingungen und es ist daher unklar wie sich der Verlust von Isopren auf die Fitness und Wuchsleistung der Pappel auswirkt. Metabolite befinden sind am Nächsten zum zellulären Phänotyp und sind das direkte Resultat von Änderungen in der Gen-, Transkript- und Proteinexpression. Die wissenschaftliche Disziplin welche sich mit der Messung des gesamten Metaboloms in einem Organismus beschäftigt ist die ungerichtete Metabolomik. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es den Einfluss von verschiedenen Umwelteinflüssen auf den Primär- und Sekundärstoffwechsel der Graupappel (Populus x canescens), einem natürlich vorkommendem Hybrid, und deren nicht Isopren emittierenden Mutanten, die über RNA Interferenz erzeugt wurden zu untersuchen. Dabei werden ungerichtete Metabolom Analysen mit hochauflösenden Massenspektrometern, wie dem ICR-FT/MS und dem UPLC-qToF-MS, verwendet, um die metabolische Antwort der Graupappel (i) zu hoher ultravioletter Strahlung (UV-B, 290-315 nm), (ii) dem Fehlen der Isopren Synthase, (iii) dem Einfluß von Blattherbivoren mit und ohne Mykorrhizierung der Wurzel zu untersuchen. Zur Identifikation von spezifischen und globalen Stoffwechseländerungen wird die Multivariate Statistik zusammen mit der Massendifferenz Analyse angewandt. Diese Dissertation zeigt wie man die ungerichtete Metabolomik mit hochauflösenden Massenspektrometern effizient für die Untersuchung des Pflanzenstoffwechsels verwenden kann, um unser Wissen über die metabolische Stressantwort zu erweitern.