NMR-Charakterisierung von Biopolymeren und Lipiden aus Hanfrückständen behandelt mit Thermomyces lanuginosus

Ernteüberschuss in verborgene Schätze verwandeln

Weltweit bleiben bei der Produktion von Öl oder Getreide Berge von Pflanzenresten zurück. Die Hanfölproduktion bildet da keine Ausnahme: Sie erzeugt ein faseriges Nebenprodukt, das als Hanfrückstand meist als minderwertiger Abfall oder Tierfutter behandelt wird. Diese Studie untersucht, wie ein wärmeliebender Pilz wie eine mikroskopische Raffinerie wirken kann, indem er die Moleküle im Hanfrückstand umgestaltet und so nützlichere Komponenten für Kraftstoffe, Materialien und Dünger erzeugt. Mittels einer leistungsstarken Analysemethode, der NMR, beobachteten die Forschenden im Detail, wie der Pilz Öle, Pflanzenfasern und Phosphorverbindungen innerhalb dieser wenig genutzten Ressource verändert.

Ein genauerer Blick auf Hanfs vergessenen Anteil

Hanfrückstand ist weit mehr als nur trockenes Pflanzenmaterial. Er ist reich an strukturellen Pflanzenfasern — Cellulose, Hemicellulose und Lignin — sowie an überraschend hohem Anteil an Ölen und phosphorhaltigen Verbindungen. Diese Bestandteile sind wertvoll, aber in einer komplexen, schwer zu verarbeitenden Mischung gebunden, die als lignozellulosehaltige Biomasse bekannt ist. Diese Komplexität macht das Material widerstandsfähig gegenüber Abbau und schwierig aufzuwerten. Die Autorinnen und Autoren wollten prüfen, ob ein thermophiler Pilz, Thermomyces lanuginosus, der auf feuchtem Hanfrückstand in Festbettfermentation kultiviert wird, die innere Chemie schonend und effektiv umordnen kann, sodass die Biomasse für industrielle Anwendungen vielseitiger wird.

Pilz als natürlicher Ölverarbeiter

Das Team verfolgte zunächst, was mit der Ölfraktion während 4, 7 und 10 Tagen Pilzwachstum geschah. Mithilfe der Protonen-NMR stellten sie fest, dass der Pilz fortlaufend komplexe Speicherfette — Mono-, Di- und Triglyceride — verbrauchte, während der Gehalt an freiem Glycerol zunahm und gleichzeitig ein reiches Reservoir an ungesättigten Fettsäuren erhalten blieb. Nach 10 Tagen stieg der Glycerolgehalt deutlich an und erreichte ungefähr ein Drittel der Lipidfraktion, während bestimmte mehrfach ungesättigte Fettsäuren wie Linolsäure und α-Linolensäure teilweise umgewandelt wurden. Die Öle im Hanfrückstand erwiesen sich als ungewöhnlich reich an einfach ungesättigten Fettsäuren, die sowohl für Ernährung als auch Kraftstoffqualität geschätzt werden. Effektiv wirkte der Pilz wie eine biologische Verarbeitungsanlage, die große Fettmoleküle in kleinere, wertvollere Komponenten aufspaltet, die Industrien von Lebensmitteln und Kosmetik bis hin zu Biodiesel und biobasierten Kunststoffen versorgen können.

Pflanzenfasern umgestalten und Phosphor zugänglich machen

Über die Öle hinaus veränderte der Pilz auch die feste Pflanzenmatrix. Festkörper-NMR zeigte, dass der Ligninanteil — der zähe, holzige Leim in Pflanzenzellwänden — im Laufe der Zeit mehr Carbonyl- und Carboxylgruppen aufwies. Solche Veränderungen können Lignin reaktiver machen und besser als Baustein für Dispergiermittel, Polymere oder sogar Bitumen-Ersatzstoffe in Baustoffen geeignet machen. In der Cellulose deuteten die Signale darauf hin, dass verbleibende aromatische Verunreinigungen, wahrscheinlich Reste von Lignin, abnahmen, wodurch ein chemisch saubereres Polysaccharid zurückblieb, das für Papier, Textilien und chemische Derivate attraktiv ist. Die Hemicellulose zeigte eine Verschiebung hin zu stärkeren kohlenhydratähnlichen Signalen und weniger Methoxylgruppen, was darauf hinweist, dass pilzliche Aktivität ligninähnliche Anhängsel entfernte und das Zucker-Rückgrat anreicherte. Gleichzeitig zeigte die Analyse phosphorreicher Extrakte, dass der Pilz einen Teil organischer Phosphorformen (Monoester) in besser verfügbare anorganische Orthophosphate umwandelte, was den Wert des Reststoffs als Quelle pflanzlicher Nährstoffe potenziell erhöht.

Ein neuer Weg für grüne Bioraffinerien

In der Summe zeigen diese Veränderungen, dass Thermomyces lanuginosus Hanfrückstand auf verschiedene Weise gleichzeitig aufwerten kann: Die Öle werden zu Glycerol und nützlichen Fettsäuren vereinfacht, Lignin wird in reaktivere Formen umgestimmt, Cellulose und Hemicellulose werden gereinigt und die Phosphorchemie wird in zugänglichere Nährstoffe umgeformt. Da NMR es den Forschenden erlaubte, diese Transformationen nicht-destruktiv und detailliert zu überwachen, konnten sie spezifische molekulare Verschiebungen mit potenziellen industriellen Anwendungen verknüpfen. Für eine allgemeine Leserschaft ist die Kernaussage, dass das, was wie minderwertiger Prozessabfall aussieht, mit Hilfe des richtigen Pilzes zu einem vielseitigen Rohstoff für Kraftstoffe, Materialien und Dünger werden kann. Diese sanfte, biologisch getriebene Veredelung ist ein wichtiger Baustein der entstehenden zirkulären Bioökonomie, in der Rückstände eines Prozesses zu Rohstoffen für den nächsten werden.

Zitation: Vuković, J.P., Jednačak, T., Novak, P. et al. NMR characterisation of biopolymers and lipids from hemp pomace treated with Thermomyces lanuginosus. Sci Rep 16, 13345 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41682-1

Schlüsselwörter: Hanfrückstände, Festbettfermentation, pilzbasierte Bioraffinerie, Lignozellulose-Biomasse, NMR-Spektroskopie