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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.

Overweight and obesity have an excessive fat accumulation in common, which presents a high risk to health. To shed more light on the adipogenic cell differentiation process, human SGBS cells were differentiated up to 20 days during this PhD work. Samples were collected for lipidomic, metabolomic, and transcriptomic analyses. Adipogenesis was characterized by upregulated degradation pathways for amino acids and redundant very long-chain fatty acids. During differentiation, unsaturated long-chain fatty acids were synthesized, which were mostly coupled to TAG species. Übergewicht und Adipositas habe eine übermäßige Fettansammlung gemeinsam, die ein hohes Gesundheitsrisiko darstellt. Humane SGBS Zellen wurden für bis zu 20 Tage im Rahmen dieser Doktorarbeit differenziert, um den adipogenen Zelldifferenzierungsprozess näher zu beleuchten. Proben wurden für lipidomische, metabolomische und transkriptomische Analysen gesammelt. Adipogenese war durch hochregulierte Abbaumechanismen für Aminosäuren und nicht benötigte sehr lange Fettsäuren gekennzeichnet. Während der Differenzierung wurden ungesättigte langkettige Fettsäuren synthetisiert, die hauptsächlich an TAG-Spezies gekoppelt waren.

Das Bet v 1-homologe Protein Mal d 1 aus Äpfeln stellt einen der Hauptauslöser für eine Birkenpollenassoziierte Nahrungsmittelallergie dar. Auf der Suche nach gut verträglichen Apfelgenotypen wurde Mal d 1 mittels indirekt kompetitiven ELISA in Äpfeln mehrerer Kreuzungspopulationen quantifiziert und einige Genotypen in Humanstudien auf ihre Verträglichkeit untersucht. Zudem konnte sowohl ein möglicher Einfluss der Isoformzusammensetzung wie auch der Polyphenolgehalte auf die Verträglichkeit identifiziert werden. The Bet v 1-homologous protein Mal d 1 from apples is one of the main causes of birch pollen-associated food allergy. For the indetification of well-tolerated apple genotypes, Mal d 1 was quantified in apples of several cross-breeding populations by indirect competitive ELISA. The tolerability of some genotypes was examined in human studies. In addition, a possible influence of both the isoform composition and the polyphenol content on the tolerability was identified.

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.

Erdbeeren, Tomaten und Pflaumen können Auslöser von Birkenpollen-verwandten Lebensmittelallergien sein. Die Bet v 1-homologen Proteine Fra a 1, Sola l 4 und Pru d 1 wurden mittels indirektem kompetitivem ELISA in verschiedenen Sorten detektiert und quantifiziert. Weiterhin wurde der Einfluss von ökologischem und konventionellem Anbau sowie der Verarbeitungsmethode auf den Allergengehalt untersucht. Die Ergebnisse können künftig als Ansatz für die Züchtung allergenarmer Obst- und Gemüsesorten dienen. Strawberries, tomatoes and plums can trigger birch pollen-related food allergy. The Bet v 1-homologous proteins Fra a 1, Sola l 4 and Pru d 1 were detected and quantified by indirect competitive ELISA in different cultivars. Furthermore, the influence of organic and conventional cultivation as well as the processing method on the allergen content was investigated. In the future, these results will serve as an approach to the breeding of low allergen fruit and vegetables

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.

Antioxidant activity of aged garlic extract (AGE) was found to be greatly elevated through a further heat processing. The present study aimed to locate key antioxidants in thermally processed AGE (pAGE). By means of activity-guided fractionation with antioxidant assay, model reactions and identification using LC-MS/MS, 52 antioxidants were identified in pAGE. Additionally, some of them exhibited biological activities regarding taste, lymphocyte-modulation and cellular antioxidant activities. Die antioxidative Wirkung von gelagertem Knoblauchextrakt (AGE) kann durch eine thermische Behandlung (pAGE) stark erhöht werden. Die vorliegende Studie hat zum Ziel, die wichtigsten antioxidativen Substanzen in pAGE zu erfassen. Mittels aktivitätsorientierter Fraktionierung, Modellreaktionen und einem targeted LC-MS/MS screening konnten 52 antioxidative Verbindungen identifiziert und quantifiziert werden, die unter anderem geschmacksaktive, auf zellulärer Ebene antioxidative Aktivität und Lymphozyten modulierende Eigenschaft aufweisen.

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.

The human gastrointestinal tract and its microbiome is a complex ecosystem. It is involved in several functions in the human body. Nutrition affects the intestinal microbial community, whereas the metabolism is strongly affected as well. To understand how diet affects the gut microbiome, the comprehensive global metabolome is studied. The aim of this thesis was to evaluate the impact of pre- and probiotics on the fecal metabolome by comprehensive analytical techniques, including ultra-high performance liquid chromatography and ultra-high resolution mass spectrometry. Der menschliche Magen-Darm-Trakt und sein Mikrobiom sind ein komplexes Ökosystem. Um die Dynamik zwischen Gesundheit und Krankheit zu verstehen ist es von zentraler Bedeutung. Der Stoffwechsel und die Ernährung sind stark an die mikrobielle Darmgemeinschaft gekoppelt. Um zu verstehen, wie die Ernährung das Darmmikrobiom beeinflusst, wird das Metabolom untersucht. Ziel dieser Arbeit war es, durch analytische Techniken, einschließlich UPLC und hochauflösender Massenspektrometrie, die Einflüsse von Prä- und Probiotika anhand von Metaboliten in Stuhlproben zu bewerten.

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.

Enzyme actions in metabolic pathways play an important role in health and disease and represent potent targets for diagnosis and therapy. This thesis covered the first in-depth characterization of a novel human AKR, called AKR1B15. In addition, it included the development of a procedure for the purification of the membrane-bound human SDR 17β-HSD12 as enzymatically active protein and of a LC-MS/MS method for the simultaneous analysis of up to eight vitamin D metabolites in biological samples. Die Aktivität von Enzymen in Stoffwechselwegen trägt wesentlich zu Gesundheit und Krankheit bei und ist so ein potentes Ziel für die Diagnose und Therapie. Diese Arbeit umfasst die erste detailliertere Charakterisierung einer neuen humanen AKR: AKR1B15. Zudem beinhaltet sie die Entwicklung eines Verfahrens zur Aufreinigung der membranständigen humanen SDR 17β-HSD12 als aktives Enzym und einer LC-MS/MS Methode für die simultane Analyse von bis zu acht Vitamin D Metaboliten in biologischen Proben.

This study aimed to extent our understanding of the hepatocellular metformin transport and cellular mode of action. A LC-MS/MS based metformin quantification method and a cell number quantification method for the normalization of metabolomics data were developed. The uptake of metformin by Hep G2 cells was assessed and the impact of glucose and metformin on the metabolism was analyzed in a diabetes and cancer related context. Diese Arbeit setzte es sich zum Ziel, das Verständnis des hepatozellulären Metformintransportes und dessen zellulärer Wirkweise zu erweitern. Eine LC-MS/MS-basierte Metforminquantifizierungsmethode und eine Zellzahlquantifizierungsmethode zur Normalisierung von Metabolomics-Daten wurden entwickelt. Die Aufnahme von Metformin durch Hep G2 Zellen wurde analysiert und der Einfluss von Glukose und Metformin auf den Metabolismus wurde im Zusammenhang mit Diabetes und Krebs untersucht.

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.

Die Quantifizierung des Folatgehaltes über LC-MS/MS wurde mit der weit verbreiteten Methode des mikrobiologischen Assays verglichen und Ursachen für abweichende Ergebnisse ermittelt. Unter Berücksichtigung der sich daraus ergebenden Schlussfolgerungen konnten vergleichbare Ergebnisse erzielt werden. Weiterhin wurden mögliche Einflussfaktoren auf die Bioverfügbarkeit von Folaten aus Lebensmitteln mit Hilfe einer Verdauungssimulation untersucht. Hierbei wurden insbesondere die Stabilität der einzelnen Folate und die Dekonjugation identifiziert. The quantification of the folate content via LC-MS / MS was compared with the widely used method of the microbiological assay and reasons for different results were elucidated. Considering the resulting conclusions comparable results could be achieved. Furthermore, possible factors influencing the bioavailability of folates from food were examined with a digestion simulation. As these factors, both the stability of the individual folates as well as the deconjugation were identified.

Die vorliegende Dissertation beschreibt die molekularen Ursachen für die Bitterkeit von Chicorée und erhitzter Avocado. Nach der Identifizierung von Guaiansesquiterpenlactonen in Chicorée-Salatblättern und C17-21-Oxylipinen in erhitzter Avocadopulpe mittels instrumentell-analytischer Techniken erfolgten Untersuchungen zur sensorischen Wirksamkeit dieser Bitterstoffe. Mittels molekular-sensorischer Techniken konnten den C17-21-Oxylipinen mit einer 1-Acetoxy-Partialstruktur ein Kokumi-Effekt zugeschrieben und Struktur/Wirkungsbeziehungen dargelegt werden. This dissertation describes the molecular causes of bitterness in chicory and heated avocado. After identifying guaiansesquiterpenelactones in chicory leaves and C17-21-oxylipins in heated avocado pulp by means of instrumental analytical techniques, the sensory effectiveness of these bitter compounds was investigated. By means of molecular-sensory techniques, a kokumi effect could be attributed to the C17-21-oxylipins with a partial 1-acetoxy-sceleton structure and their structure/effect relationship could be demonstrated.

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.

For the analysis of intact individual phytosteryl and/or phytostanyl fatty acid esters in enriched foods, UHPLC-APCI-MS-based methodologies were established. For phytosterol oxidation products resulting thereof, on-line LC-GC was implemented as novel analytical platform. The developed methods were employed to investigate the effects of heating processes on the decreases of intact esters and the formation of oxidation products in enriched margarines. Für die Analytik individueller, intakter Phytosteryl und/oder Phytostanylfettsäureester in angereicherten Lebensmitteln wurden UHPLC-APCI-MS basierte Methoden etabliert. Für daraus entstehende Phytosterol-Oxidationsprodukte wurde on-line LC-GC als neue analytische Plattform implementiert. Die entwickelten Methoden wurden zur Untersuchung der Auswirkungen von Erhitzungsprozessen auf die Abnahmen intakter Ester und die Zunahmen von Oxidationsprodukten in angereicherten Margarinen angewendet.

Metabolomics relates to the research of metabolites, their pathways and interactions. The potential of metabolomics is shown in two studies aiming for identification of prognostic and diagnostic biomarkers for diabetic nephropathy. Thus human urine samples were analysed using targeted and non-targeted approaches. The development of UHPLC-MS and FT-ICR-MS methods, the identification of signals with MSMS and correlation analysis as well as a comparison between different generations of instruments are presented. Die Metabolomik befasst sich mit der Erforschung der Metabolite, deren Stoffwechselwegen und Interaktionen. Das Potential der Metabolomik wird in zwei Studien zur Identifizierung von Biomarkern für die Prognose und Diagnose von diabetischer Nephropathie gezeigt. Dafür wurden Humanurinproben mittels zielgerichteter und nicht zielgerichteter Analysen untersucht. Es werden die Methodenentwicklung von UHPLC-MS und FT-ICR-MS Methoden, die Identifizierung von Signalen mittels MSMS und Korrelationsanalysen und ein Vergleich verschiedener Gerätegenerationen gezeigt.

The present manuscript treats problems of data analysis in the field of metabolomics. Specifically, the treatment of matrix effects in exhaled breath condensate (EBC) studies, the extended network-based annotation of m/z-features and the nature of multivariate data analysis are treated. A first link between EBC profiles and systemic metabolism is established at hand of the HuMet study – a nutritional study. Die vorliegende Dissertation behandelt Probleme der Datenanalytik im Bereich der Metabolomik. Im speziellen wird die Handhabung von Matrixeffekten in Atemkondensat-Studien, die erweiterte netzwerk-basierte Annotierung von m/z Signalen und die Natur der Multivariaten Datenanalyse behandelt. Anhand der HuMet Studie – einer Ernährungsstudie – wird erstmals eine Verbindung zwischen Atemkondensatprofilen und systemischem Metabolismus hergestellt.

In this work we develop and present a set of novel computational techniques which address the problems of ICR-FT-MS data mining. The described methodology focuses mainly on two scopes of biogeochemical research, namely the analysis of natural organic matter (NOM) and metabolomics. The development of our approaches focuses on the fields of graph theory, machine learning, and combinatorics. Detailed results of our methods are produced, presented, and evaluated within their corresponding sections. In dieser Arbeit wird ein Set neuer rechnerischer Techniken, welches ICR-FT-MS data mining Probleme adressiert, erarbeitet. Die beschriebenen Methoden konzentrieren sich auf die Analyse natürlicher organischer Materie (NOM) und Metabolomik. Die Entwickelten Ansätze fussen in den Disziplinen der Graphentheorie, Machine Learning und Kombinatorik. Resultate werden in den einzelnen Sektionen detailliert erarbeitet, präsentiert und evaluiert.

Der chiral gebaute Bitterstoff Humulon liegt in natürlichem Hopfen in der (S)-Konfiguration vor. Es konnte allerdings gezeigt werden, dass Humulon nach der Ernte zu racemisieren beginnt. Künstlich racemisiertes (R/S)-(±)-Humulon bzw. daraus erhaltenes (±)-Isohumulon wurde mittels chiraler HPLC in seine Enantiomeren getrennt und diese sensorisch analysiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurden unterschiedliche Bedingungen bei der Isomerisierung von Humulon zum Isohumulon untersucht. Außerdem wurden diverse Substanzen hinsichtlich ihrer katalytischen Wirkung bezüglich der Isomerisierung getestet. Hohe Ausbeuten und ein möglichst geringer trans-Isohumulon-Anteil waren hierbei in der Bewertung die entscheidenden Aspekte. In natural hops the chiral bitter humulone is present in (S)-configuration. But it could be proved that humulone racemizes after harvest. Man-made racemized (R/S )-(±)-humulone and herefrom received (±)-isohumulone were separated into their enantiomers by chiral HPLC. The enantiomers were studied sensorially, too. In the second part of the work different conditions during the isomerization of humulone to isohumulone were explored. Furthermore diverse substances were tested with regard to theirs catalytic effects referring to the isomerization. Here, a high yield and a low amount of trans-isohumulone were the critical aspects in the valuation.

This thesis comprised of three main parts. First, the levels of fluorotelomer alcohols (FTOHs) in house dust and Alpine atmosphere were investigated. Second, the accumulations of perflurinated sulfonates (PFSAs) and perfluorinated carboxylates (PFCAs) in sediment and biota were explored. Finally, a method was developed for the detection of semifluorinated alkanes (SFAs) by GC-PCI-MS and the occurrences of SFAs in Alpine atmosphere were investigated. Diese Promotionsarbeit besteht aus drei Hauptteilen. Im ersten Teil wurden die Gehalte der Fluortelomeralkohole in Hausstaub und Alpiner Atmosphäre untersucht. Zweitens wurde die Anreicherung von perfluorierten Karboxylaten und perfluorierten Sulfonaten in Sedimenten und Biota erforscht. Schließlich wurde eine Methode für die Detektion von semifluorierten Alkanen (SFA) mittels GC-PCI-MS entwickelt und das Vorkommen der SFA in der Atmosphäre der Alpen untersucht.

The field of metabolomics enables a molecular and functional insight into health or disease related studies. We generated non-targeted metabolite profiles in the gut and associated these to their microbial environment. The gut meta-metabolome revealed a complex system of host and microbiome metabolism when investigating mouse models of obesity and type 2 Diabetes. It was described with a high diversity of known and unknown metabolites, allowing a discrimination of metabolic disorders on a molecular level. Die Metabolomik ermöglicht eine molekulare und funktionelle Einsicht in den Darm im Bezug zu metabolischen Krankheiten. Tausende von Darmmetaboliten wurden mit der vorhandenen Flora assoziiert. Durch Nutzung von Mausmodellen der Adipositas und Diabetes zeigten wir, dass das Darm Metabolom aus einem komplex gekoppelten Metabolismus des Wirtes und der Flora besteht. Es wurde eine hohe Vielfalt aus bekannten und neuen unbekannten Metaboliten beschrieben, die eine Diskriminierung der Stoffwechselerkrankungen erlaubte.

Es wird die Bedeutung der brautechnologischen Parameter pH-Wert und Kochdauer auf das primäre Gushing beschrieben. Der Einfluß der Pellet-Hopfung zu Kochbeginn auf das Überschäumen ist maßgeblich von der ausgewählten Hopfensorte abhängig. Eine signifikante Verminderung des Gushings kann durch den Einsatz nicht-reinheitsgebotskonformer Hopfenprodukte erreicht werden. Im Bereich der Gärung spielt die Hefevitalität eine wichtigere Rolle als die Gärtemperatur. Durch Tanninsäuren wird ein hemmender Effekt von proteinfällenden Polyphenolen auf das Überschäumen gezeigt. The importance of the parameters pH-value and boiling temperature in the brewery on the primary gushing is given. The impact of pellet hopping at the start of the wort boiling process on the overfoaming volume is mainly dependant on the selected hop variety. A significant decline of the gushing volume can be achieved by the usage of hop products which are not accordant to the German purity law. In the stage of fermentation the vitality of the yeast plays a bigger role than the temperature. The inhibitory effect of protein-precipitating polyphenols on the overfoaming is shown by tannic acids.

A stable isotope dilution assay (SIDA) for the determination of the Fusarium mycotoxins enniatins (ENNs) A, A1, B, B1 and beauvericin (BEA) was developed. Sixty-five cereals and related food samples from Germany, and 60 Chinese medicinal herb samples were analyzed by SIDA for contamination of ENNs and BEA. The fate of ENNs and BEA during beer making was followed by SIDA, showing low carry over of these mycotoxins from barley to beer. The effect of sourdough processing and baking on ENNs and BEA was studied by SIDA, which revealed that they were reduced partly from the starting materials. Eine Stabilisotopenverdünnungsanalyse (SIVA) für die Fusarium-Mycotoxine Enniatine (ENNs) A, A1, B, B1 und Beauvericin (BEA) wurde entwickelt. Fünfundsechzig Proben von Getreiden und Getreideprodukten und 60 chinesische Heilkräuter wurden durch SIVA analysiert. Das Verhalten der ENNs und BEA während der Bierherstellung wurde durch SIVA verfolgt und ergab einen geringen Übergang der Toxine von der Gerste ins Bier. Die Auswirkung der Sauerteiggärung und des Backens auf die Toxine wurde ebenfalls durch SIVA untersucht und ergab eine Reduktion der Gehalte im Vergleich zu denjenigen der Zutaten.

New stable isotope dilution assays were developed for the simultaneous quantitation of [13C5]-labelled and unlabelled intact folate vitamers and folate catabolites. The application of the [2H4]-labelled isotopologues as internal standards required the synthesis of the [2H4]-labelled catabolites, [2H4]-p-aminobenzoyl glutamate and [2H4]-p-acetamidobenzoyl glutamate. The new assays were applied successfully in a novel human “area under the curve/ileostomy” model to investigate folate bioavailability from wholemeal bread. Additionally, in a separate study, folate concentration and pattern in raw and heat treated breast milk were investigated by simulation of generally used heating processes. Es wurden Stabilisotopenverdünnungsassays für die gleichzeitige Quantifizierung von [13C5]-markierten und unmarkierten intakten Folatvitameren und Folatmetaboliten in Humanproben entwickelt. Die Anwendung der [2H4]-markierten Isotopologen als interne Standards erforderte die Synthese der [2H4]-markierten Metaboliten, [2H4]-p- Aminobenzoyl glutamat und [2H4]-p-Acetamidobenzoyl glutamat. Die entwickelten Assays wurden in einer neuartigen „Area under the curve/ileostomy“-Humanstudie zur Untersuchung der Bioverfügbarkeit von Folat aus Vollkornbrot erfolgreich eingesetzt. Daneben wurden in einer gesonderten Studie die Folatkonzentration und die Vitamerenverteilung in unbehandelter und erhitzter Muttermilch mittels der Simulation gebräuchlicher Wärmebehandlungsverfahren untersucht.

Investigations on the epidemiology and biology of Fusarium head blight (FHB) of barley were subject of the present work. While studies on the natural occurrence of Fusarium species in spring and winter barley revealed insights into the actual relevance of the disease, artificial inoculation experiments under field and greenhouse conditions were conducted to investigate specific damage potentials of different mycotoxin-producing Fusarium species in barley cultivars differently susceptible to FHB. Moreover, microscopic and gene expression studies provided new knowledge about the infection pathways of different Fusarium species and host-specific defense mechanisms, which are involved in barley resistance to FHB. Gegenstand der vorliegenden Arbeit waren Untersuchungen zur Epidemiologie und Biologie von Ährenfusariosen an Gerste. Während Untersuchungen zum natürlichen Auftreten von Fusarium-Arten an Sommer- und Wintergerste Einblicke in die aktuelle Bedeutung und Relevanz dieser Krankheit lieferten, wurde mittels künstlicher Inokulation unter Feld- und Gewächshausbedingungen das spezifische Schadpotential verschiedener Mykotoxin-bildender Fusarium-Arten in unterschiedlich anfälligen Gerstensorten untersucht. Darüber hinaus konnten in mikroskopischen Untersuchungen und Genexpressions-Studien neue Erkenntnisse über das Infektionsverhalten verschiedener Fusarium-Arten und Wirts-spezifischer Abwehrmechanismen gewonnen werden, die in die Resistenz von Gerste gegenüber Ährenfusariosen involviert sind.

The gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic human pathogen. Metabolomics was used to elucidate the influence of P. aeruginosa infection on the host metabolism. The used infection models, based on Caenorhabditis elegans and HeLa cells showed a substantial influence on the host central carbon metabolism. Das gram-negative Bakterium Pseudomonas aeruginosa ist ein opportunistischer, humaner Krankheitserreger. Metabolomeuntersuchungen wurden genutzt um den Einfluss einer P. aeruginosa-Infektion auf den Wirtsmetabolismus zu untersuchen. Die verwendeten Infektionsmodelle, basierend auf Caenorhabditis elegans und HeLa-Zellen, zeigten einen substantiellen Einfluss der Infektion auf den zentralen Kohlenstoffwechsel der Wirtszellen.

Non-targeted metabolomics is a promising tool for the investigation and evaluation of diseases. In this work the development of a metabolomic platform that integrates the chromatographic resolution of UPLC with the high mass accuracy of FT-ICR-MS for the analysis of human plasma samples was proposed. The work flow leads to the experimental application; the study of the non-targeted metabolome of fatty liver individuals, whose pre-diabetic state was characterized by their insulin sensitivity. Ungerichtete Metabolomik ist viel versprechendes Werkzeug für die Untersuchung und Evaluierung von Krankheiten. In dieser Arbeit wurde die Entwicklung einer Metabolomik Plattform präsentiert, welche chromatographische Auflösung mittels UPLC und hohe Massengenauigkeit mittels FT-ICR-MS für die Analyse von humanem Blutplasma verbindet. Der Arbeitsablauf wird schließlich auf Plasmata von Fette-Leber-Patienten angewandt, welche der Insulinresistenz nach ISI-Matsuda folgend klassifiziert waren.

The current work presents strategies for the development of enzymatic assays for mass spectrometric detection. Measurements in real-time, in continuous-flow systems and in a nanoESI-MS system provide new technological advances for the efficient investigation of enzymatic assays. The results of this work are a fundamental basis for enzymological research, e.g. in environmental, biotechnological or food applications. Die vorliegende Arbeit zeigt Strategien zur Entwicklung von Enzymreaktionen für die massenspektrometrische Untersuchung auf. Messungen in Echtzeit, in kontinuierlichen Flusssystemen und in einem nanoESI-MS System stellen zukunftsweisende Technologien für die effiziente und methodische Erforschung von Enzymassays dar. Die Resultate dieser Arbeit bieten eine wichtige Grundlage der enzymologischen Forschung, beispielsweise für Anwendungen in der Umweltanalytik, Biotechnologie oder Lebensmittelindustrie.

Based on non-targeted Metabolomics analysis using UPLC-MS and ICR/FT-MS, an overview of metabolite permutations and biomarker candidates in C. pneumoniae infection of human cells could be defined. Effects of the pathogen on the lipid homeostasis are investigated in C. trachomatis infections. A modulated glycerophospholipid content is evidenced, including the identification of bacterial synthesized plasmalogens. The developed analytical and data analysis strategy is presented, as well as the biological results. Ein Überblick über die Metabolitveränderungen und Biomarkerkandidaten in C. pneumoniae Infektionen konnten in der UPLC-MS und ICR/FT-MS nutzenden nicht-zielgerichteten metabolischen Untersuchung erarbeitet werden. Effekte des Pathogens auf den Lipid Haushalt wurden in C. trachomatis Infektionen untersucht. Es wurde gezeigt, dass Glycerophospholipide in der Infektion stark verändert sind. Plasmalogene bakteriellen Ursprungs konnten identifiziert werden. Das entwickelte analytische Konzept, die Strategie der Datenauswertung und die biologischen Ergebnisse werden dargestellt.

Wurst ist eine vielversprechende Matrix zur Verbesserung der Folsäureversorgung bestimmter Bevölkerungsgruppen. Dazu wurde eine mit Folsäure angereicherte Rohwurst (Folsami) entwickelt und anschließend in einer klinischen Studie mit 166 Probanden die Auswirkungen eines moderaten Verzehrs auf Blutparameter und weitere Kriterien über einen Zeitraum von 6 plus 3 Wochen untersucht. Die regelmäßige Aufnahme bewirkte einen signifikanten Anstieg der Folatkonzentration und eine signifikante Absenkung der Homocysteinkonzentration im Blut. Eine Depotwirkung konnte jedoch nicht beobachtet werden. The incorporation of additives into sausage is a promising matrix to improve the folic acid intake of certain populations. Therefore, a summer sausage fortified with folic acid (Folsami) was developed and in a subsequent clinical study of 166 individuals, the effects of a moderate consumption of “Folsami” on blood parameters and other criteria over a period of 6 and 3 weeks were investigated. Regular Folsami intake induced a significant increase in folate concentrations as well as significant reductions in homocysteine concentrations in their blood. A depoteffect has not been observed.