Functional components and lipid quality assessment in vegetable foods: analytical and technological approaches

Lipids are important components that contribute very significantly to nutritional and technological quality of foods because they are the least stable macro-components in foods, due to high susceptibility to oxidation. When rancidity take place, it makes food unhealthy and unacceptable for consumers. Thus, the presence of antioxidants, naturally present of added to foods, is required to enhance shelf life of foods. Moreover, antioxidant like phenolic compounds play an important role in human health enhancing the functionality of foods. The aim of this PhD project was the study of lipid quality and lipid oxidation in different vegetable foods focusing on analytical and technological aspects in order to figure out the effects of lipid composition and bioactive compounds (phenolic compounds, omega-3 fatty acids and dietary fiber) addition on their shelf life. In addition, bioavailability and antioxidant effects of phenolic compounds in human and animals, respectively, were evaluated after consumption of vegetable foods. The first section of the work was focused on the evaluation of lipid quality impact on technological behaviour of vegetable foods. Because of that, cocoa butter with different melting point were evaluated by chromatographic techniques (GC, TLC) and the sample with the higher melting point showed the presence of fatty acids, triglycerides, 2-monoglycerides and FT-IR profile different from genuine cocoa butter, meaning an adding of foreign fat (lauric-fat) not allowed by the law. Looking at lipid quality of other vegetable foods, an accelerated shelf life test (OXITEST®), was used to evaluate of lipid stability to oxidation in tarallini snacks made up using different lipid matrices (sunflower oil, extravirgin olive oil and a blend of extravirgin olive oil and lard). The results showed a good ability of OXITEST® to discriminate between lipid unsaturation and different cooking times, without any samples fat extraction. In the second section, the role of bioactive compounds on cereal based food shelf life was studied in different bakeries by GC, spectrophotometric methods and capillary electrophoresis. It was examined the relationships between phenolic compounds, added with flour, and lipid oxidation of tarallini and frollini. Both products showed an increase in lipid oxidation during storage and antioxidant effects on lipid oxidation were not as expected. Furthermore, the influence of enrichment in polyunsaturated fatty acids on lipid oxidation of pasta was evaluated. The results proved that LC n-3 PUFA were not significantly implicated in the onset of oxidation in spaghetti stored under daylight and accelerated oxidation in a laboratory heater. The importance of phenolic compounds as antioxidant in humans and rats was also studied, by HPLC/MS in the latter section. For this purpose, apigenin and apigenin glycosides excretion was investigated in six women’s urine in a 24 hours study. After a single dose of steamed artichokes, both aglicone and glucuronide metabolites were recovered in 24 h urine. Moreover, the effect of whole grain durum wheat bread and whole grain Kamut® khorasan bread in rats were evaluated. Both cereals were good sources of antioxidants but Kamut® bread fed animals had a better response to stress than wheat durum fed, especially when a sourdough bread was supplied.

Evaluierung und Quantifizierung von Einflussfaktoren auf die aerodynamischen Eigenschaften inhalativer Pulvermischungen

Die Analyse der Einflussfaktoren Kapselmaterial, Trägerlaktose, Additiv-Anteil, Mischreihenfolge und mechanische Belastung ergibt verschiedene Haupteinflussfaktoren und kombinierte Wechselwirkungen, die einen deutlichen Effekt auf die aerodynamischen Eigenschaften (ausgebrachte Dosis und Verteilung des aerodynamischen Feinanteils) haben. Sowohl das Kapselmaterial als auch die Trägerlaktose werden als primäre Einflussfaktoren identifiziert: Mit „inerten” PE-Kapseln lassen sich höhere Resultate erzielen als mit „adhäsiven” Gelatine-Kapseln, während „feines” Trägermaterial die Ausbringung stärker fördert, als „grobes“ Trägermaterial. Alles Faktoren, die sich in gleicher Weise auf die Verteilung des aerodynamischen Feinanteils auswirken. Der zur binären Mischung zugefügte Additiv-Anteil führt neben einem ausgeprägten kapselmaterialabhängigen Effekt auf die Höhe der ausgebrachten Dosis auch zu einer Steigerung in der Verteilung des aerodynamischen Feinanteils („Umhüllungseffekt”), was durch die Variation der Mischreihenfolge anschaulich nachgewiesen wird. Die anschließende detaillierte Charakterisierung der beobachteten Effekte auf Basis von Partikelmorphologie und Oberflächenstruktur der Kapseln führt zu einer Differenzierung in Partikel-Partikel-Wechselwirkungen (z.B. „Umhüllungseffekt”, „Multiplets“) und Partikel-Kapsel- Wechselwirkungen (z.B. „Auspudereffekt”). Durch Entwicklung von analytischen Verfahren wird eine Quantifizierung der Trägerlaktose möglich, was für den Nachweis einer positiven Korrelation zwischen den aerodynamischen Eigenschaften von Wirkstoff und Trägerlaktose notwendig ist. Sowohl für die ausgebrachte Dosis als auch für die Verteilung des aerodynamischen Feinanteils zeigt sich ein parallel verlaufender Anstieg der Ergebnisse.

Studio analitico della cultura materiale fra VII e IX secolo d.C. nella Regione di Samarcanda (Uzbekistan): analisi morfo-tipologica, produzione e commercio della ceramica di Kafir Kala

Kafir Kala is a key-site to understand the historical dynamics of the Samarkand Region in the Early Middle Ages (5th - 8th centuries CE). The site is clearly associated with a Sogdian occupation, as both literature and archaeological research testify. But the chronological phase that follows the Sogdian period, as the Islamic occupation became stable, is still little known. Structures and finds (an hoard of 133 silver coins, in particular) clearly testify a new occupation of some parts of the citadel; and some rooms, dug in the northern side of it, present structures and materials connected with an Islamic activity. The study of material culture from these rooms, and from more ancient contexts, will help to understand the eventual continuity of traditions and the new productions. Besides the citadel, as a matter of fact, also some kilns have been dug, near the main site. Their material culture is very interesting because it represents an example of the typical Sogdian production (ceramics covered with white mica, and stamped). The work on the ceramic material has consisted in cataloguing and classifying all the diagnostics. Three main morphological classes have been individuated: cooking, coarse and table ware), and some other ones (lamps, ossuaries). A catalogue of the finds organized them in a typological system based on their morphology, function, fabric, and eventually decoration style. Crossing the stratigraphical data with information from this typological study, it has been possible to provide a chronological arrangement of the sites investigated by the italo-uzbek archaeological mission from 2001 to 2008.

Autenticazione d’origine, stima della Freshness quality e studio del profilo nutrizionale come elementi fondanti per la valorizzazione dell’alimento ittico

Questa tesi è dedicata alla qualità dell'alimento ittico in tre delle sue possibili accezioni. Dopo aver spiegato il complicato rapporto del consumatore con gli alimenti ittici e come l'Unione Europea abbia cercato di fare chiarezza al riguardo, gli argomenti di discussione saranno: Autenticazione d'origine La polpa di 160 esemplari di spigola (Dicentrachus labrax), suddivisi tra selvatici, allevati intensivamente e allevati estensivamente, provenienti dall'Italia e dall'estero per un totale di 18 fonti indagate, è stati analizzata individualmente per caratterizzarne la componente lipidica, isotopica e minerale e verificare le potenzialità di queste informazioni ai fini della autenticazione di origine in senso lato. Stima della Freshness Quality Numerosi lotti di seppia (Sepia officinalis), nasello (Merluccius merluccius) e triglia di fango (Mullus barbatus) sono stati sottoposti a due possibili modalità di stoccaggio sotto ghiaccio fondente, per indagare come, nell’arco della loro vita commerciale, ne evolvessero importanti connotati chimici (cataboliti dell’ATP e loro rapporti), fisici (proprietà dielettriche dei tessuti) e sensoriali (Quality Index Methods specie-specifici. Studio del profilo nutrizionale La componente lipidica di numerosi lotti di mazzancolla (Penaeus kerathurus), canocchia (Squilla mantis) e seppia (Sepia officinalis) è stata caratterizzata allo stato crudo e dopo cottura secondo tecniche “dedicate” per stabilire il contributo di queste matrici come fonte di acidi grassi polinsaturi della serie omega 3 e per pervenire alla determinazione dei loro coefficienti di ritenzione vera.

Advanced spectroscopic techniques and chemometric analysis for atmospheric organic aerosol characterization and source apportionment

Atmospheric aerosol particles directly impact air quality and participate in controlling the climate system. Organic Aerosol (OA) in general accounts for a large fraction (10–90%) of the global submicron (PM1) particulate mass. Chemometric methods for source identification are used in many disciplines, but methods relying on the analysis of NMR datasets are rarely used in atmospheric sciences. This thesis provides an original application of NMR-based chemometric methods to atmospheric OA source apportionment. The method was tested on chemical composition databases obtained from samples collected at different environments in Europe, hence exploring the impact of a great diversity of natural and anthropogenic sources. We focused on sources of water-soluble OA (WSOA), for which NMR analysis provides substantial advantages compared to alternative methods. Different factor analysis techniques are applied independently to NMR datasets from nine field campaigns of the project EUCAARI and allowed the identification of recurrent source contributions to WSOA in European background troposphere: 1) Marine SOA; 2) Aliphatic amines from ground sources (agricultural activities, etc.); 3) Biomass burning POA; 4) Biogenic SOA from terpene oxidation; 5) “Aged” SOAs, including humic-like substances (HULIS); 6) Other factors possibly including contributions from Primary Biological Aerosol Particles, and products of cooking activities. Biomass burning POA accounted for more than 50% of WSOC in winter months. Aged SOA associated with HULIS was predominant (> 75%) during the spring-summer, suggesting that secondary sources and transboundary transport become more important in spring and summer. Complex aerosol measurements carried out, involving several foreign research groups, provided the opportunity to compare source apportionment results obtained by NMR analysis with those provided by more widespread Aerodyne aerosol mass spectrometers (AMS) techniques that now provided categorization schemes of OA which are becoming a standard for atmospheric chemists. Results emerging from this thesis partly confirm AMS classification and partly challenge it.

Biodegradable systems for the development of functional materials

This PhD work was aimed to design, develop, and characterize gelatin-based scaffolds, for the repair of defects in the muscle-skeletal system. Gelatin is a biopolymer widely used for pharmaceutical and medical applications, thanks to its biodegradability and biocompatibility. It is obtained from collagen via thermal denaturation or chemical-physical degradation. Despite its high potential as biomaterial, gelatin exhibits poor mechanical properties and a low resistance in aqueous environment. Crosslinking treatment and enrichment with reinforcement materials are thus required for biomedical applications. In this work, gelatin based scaffolds were prepared following three different strategies: films were prepared through the solvent casting method, electrospinning technique was applied for the preparation of porous mats, and 3D porous scaffolds were prepared through freeze-drying. The results obtained on films put into evidence the influence of pH, crosslinking and reinforcement with montmorillonite (MMT), on the structure, stability and mechanical properties of gelatin and MMT/gelatin composites. The information acquired on the effect of crosslinking in different conditions was utilized to optimize the preparation procedure of electrospun and freeze-dried scaffolds. A successful method was developed to prepare gelatin nanofibrous scaffolds electrospun from acetic acid/water solution and stabilized with a non-toxic crosslinking agent, genipin, able to preserve their original morphology after exposure to water. Moreover, the co-electrospinning technique was used to prepare nanofibrous scaffolds at variable content of gelatin and polylactic acid. Preliminary in vitro tests indicated that the scaffolds are suitable for cartilage tissue engineering, and that their potential applications can be extended to cartilage-bone interface tissue engineering. Finally, 3D porous gelatin scaffolds, enriched with calcium phosphate, were prepared with the freeze-drying method. The results indicated that the crystallinity of the inorganic phase influences porosity, interconnectivity and mechanical properties. Preliminary in vitro tests show good osteoblast response in terms of proliferation and adhesion on all the scaffolds.

Urban water demand model: the case study of Emilia Romagna (Italy)

Water is the driving force in nature. We use water for washing cars, doing laundry, cooking, taking a shower, but also to generate energy and electricity. Therefore water is a necessary product in our daily lives (USGS. Howard Perlman, 2013). The model that we created is based on the urban water demand computer model from the Pacific Institute (California). With this model we will forecast the future urban water use of Emilia Romagna up to the year of 2030. We will analyze the urban water demand in Emilia Romagna that includes the 9 provinces: Bologna, Ferrara, Forli-Cesena, Modena, Parma, Piacenza, Ravenna, Reggio Emilia and Rimini. The term urban water refers to the water used in cities and suburbs and in homes in the rural areas. This will include the residential, commercial, institutional and the industrial use. In this research, we will cover the water saving technologies that can help to save water for daily use. We will project what influence these technologies have to the urban water demand, and what it can mean for future urban water demands. The ongoing climate change can reduce the snowpack, and extreme floods or droughts in Italy. The changing climate and development patterns are expected to have a significant impact on water demand in the future. We will do this by conducting different scenario analyses, by combining different population projections, climate influence and water saving technologies. In addition, we will also conduct a sensitivity analyses. The several analyses will show us how future urban water demand is likely respond to changes in water conservation technologies, population, climate, water price and consumption. I hope the research can contribute to the insight of the reader’s thoughts and opinion.

Chitosan based hydrogels for transmucosal drug delivery

The aim of this thesis was the formulation of new chitosan based delivery systems for transmucosal drug administration. Transmucosal routes, such as buccal, vaginal and nasal routes, allow the circumvention of the hepatic first pass metabolism and avoid the gastrointestinal chemical and enzymatic degradations. Moreover, transmucosal drug administration can allow to avoid pain or discomfort caused by injections, when drugs are administered through parenteral routes, thus increasing patient compliance. On the other side, the major disadvantage of transmucosal drug administration is represented by the presence of biological fluids and mucus that can remove drug systems from the application site, thus reducing the contact time between drug and mucosa and consequently, decreasing drug bioavailability. For this reason, in this study, the investigation of chitosan delivery systems as mucoadhesive formulations able to increase drugs residence time and to improve their bioavailability, was taken into account. In the paper 1, buccal films based on chitosan-gelatin complexes were prepared and loaded with propranolol hydrochloride. The complexes were characterized and studied in order to evaluate their physical- chemical properties and their ability to release the drug and to allow its permeation through buccal mucosa. In the paper 2, vaginal inserts based on chitosan/alginate complexes were formulated for local delivery of chlorhexidine digluconate. Tests to evaluate the interaction between the polymers and to study drug release properties were performed, as well as the determination of antimicrobial activity against the patogens responsible of vaginitis and candidosis. In the project 3, chitosan based nanoparticles containing cyclodextrin and other excipients, with the capacity to modify insulin bioavailabity were formulated for insulin nasal delivery. Nanoparticles were characterized in terms of size, stability and drug release. Moreover, in vivo tests were performed in order to study the hypoglycemic reduction in rats blood samples.

Production of bioactive peptides through sequencial action of Yarrowia lipolytica proteases and chemical glycation

This PhD thesis is aimed at studying the suitability of proteases realised by Yarrowia lipolytica to hydrolyse proteins of different origins available as industrial food by-products. Several strains of Y. lipolytica have been screened for the production of extracellular proteases by zymography. On the basis of the results some strains released only a protease having a MW of 37 kDa, which corresponds to the already reported acidic protease, while other produced prevalently or only a protease with a MW higher than 200 kDa. The proteases have been screened for their "cold attitude" on gelatin, gluten and skim milk. This property can be relevant from a biotechnological point of view in order to save energy consumption during industrial processes. Most of the strains used were endowed with proteolytic activity at 6 °C on all the three proteins. The proteolytic breakdown profiles of the proteins, detected at 27 °C, were different related to the specific strains of Y. lipolytica. The time course of the hydrolysis, tested on gelatin, affected the final bioactivities of the peptide mixtures produced. In particular, an increase in both the antioxidant and antimicrobial activities was detected when the protease of the strain Y. lipolytica 1IIYL4A was used. The final part of this work was focused on the improvement of the peptides bioactivities through a novel process based on the production of glycopeptides. Firstly, the main reaction parameters were optimized in a model system, secondly a more complex system, based on gluten hydrolysates, was taken into consideration to produce glycopeptides. The presence of the sugar moiety reduced the hydrophobicity of the glycopeptides, thus affecting the final antimicrobial activity which was significantly improved. The use of this procedure could be highly effective to modify peptides and can be employed to create innovative functional peptides using a mild temperature process.

Farming and processing stategies for improving poultry meat quality

The purpose of the PhD research was the identification of new strategies of farming and processing, with the aim to improve the nutritional and technological characteristics of poultry meat. Part of the PhD research was focused on evaluation of alternative farming systems, with the aim to increase animal welfare and to improve the meat quality and sensorial characteristics in broiler chickens. It was also assessed the use of innovative ingredients for marination of poultry meat (sodium bicarbonate and natural antioxidants) The research was developed by studying the following aspects: - Meat quality characteristics, oxidative stability and sensorial traits of chicken meat obtained from two different farming systems: free range vs conventional; - Meat quality traits of frozen chicken breast pre-salted using increasing concentrations of sodium chloride; - Use of sodium bicarbonate in comparison with sodium trypolyphosphate for marination of broiler breast meat and phase; - Marination with thyme and orange essential oils mixture to improve chicken meat quality traits, susceptibility to lipid oxidation and sensory traits. The following meat quality traits analyseswere performed: Colour, pH, water holding capacity by conventional (gravimetric methods, pressure application, centrifugation and cooking) and innovative methods (low-field NMR and DSC analysis) ability to absorb marinade soloutions, texture (shear force using different probes and texture profile analysis), proximate analysis (moisture, proteins, lipids, ash content, collagen, fatty acid), susceptibility to lipid oxidation (determinations of reactive substances with thiobarbituric acid and peroxide value), sensorial analysis (triangle test and consumer test).

Electrospun Polymeric Scaffolds with Enhanced Biomimetic Properties for Tissue Engineering Applications

This PhD Thesis is focused on the development of fibrous polymeric scaffolds for tissue engineering applications and on the improvement of scaffold biomimetic properties. Scaffolds were fabricated by electrospinning, which allows to obtain scaffolds made of polymeric micro or nanofibers. Biomimetism was enhanced by following two approaches: (1) the use of natural biopolymers, and (2) the modification of the fibers surface chemistry. Gelatin was chosen for its bioactive properties and cellular affinity, however it lacks in mechanical properties. This problem was overcome by adding poly(lactic acid) to the scaffold through co-electrospinning and mechanical properties of the composite constructs were assessed. Gelatin effectively improves cell growth and viability and worth noting, composite scaffolds of gelatin and poly(lactic acid) were more effective than a plain gelatin scaffold. Scaffolds made of pure collagen fibers were fabricated. Modification of collagen triple helix structure in electrospun collagen fibers was studied. Mechanical properties were evaluated before and after crosslinking. The crosslinking procedure was developed and optimized by using - for the first time on electrospun collagen fibers - the crosslinking reactant 1,4-butanediol diglycidyl ether, with good results in terms of fibers stabilization. Cell culture experiments showed good results in term of cell adhesion and morphology. The fiber surface chemistry of electrospun poly(lactic acid) scaffold was modified by plasma treatment. Plasma did not affect thermal and mechanical properties of the scaffold, while it greatly increased its hydrophilicity by the introduction of carboxyl groups at the fiber surface. This fiber functionalization enhanced the fibroblast cell viability and spreading. Surface modifications by chemical reactions were conducted on electrospun scaffolds made of a polysophorolipid. The aim was to introduce a biomolecule at the fiber surface. By developing a series of chemical reactions, one oligopeptide every three repeating units of polysophorolipid was grafted at the surface of electrospun fibers.

Differentiation and extracellular matrix interactions of chondrocytes in response to signaling molecules and biomaterials for cartilage repair = Differenzierung und Interaktionen von Chondrozyten mit der extrazellulären Matrix als Reaktion auf Signalmoleküle und Biomaterialien für die Wiederinstandsetzung von Knorpel

Chondrocytes live isolated in the voluminous extracellular matrix of cartilage, which they secrete and is neither vascularized nor innervated. Nutrient and waste exchanges occur through diffusion leading to low oxygen tension around the cells. Consequently even normal cartilage under normal physiological conditions suffers from a poor reparative potential that predisposes to degenerative conditions, such as osteoarthritis of the joints, with significant clinical effects.rnOne of the key challenges in medicine is the structural and functional replacement of lost or damaged tissues. Current therapeutical approaches are to transplant cells, implant bioartificial tissues, and chemically induce regeneration at the site of the injury. None of them reproduces well the biological and biomechanical properties of hyaline cartilage.rnThis thesis investigates the re-differentiation of chondrocytes and the repair of cartilage mediated by signaling molecules, biomaterials, and factors provided in mixed cellular cultures (co-culture systems). As signaling molecules we have applied prostaglandin E2 (PGE2) and bone morphogenetic protein 1 (BMP-1) and we have transfected chondrocytes with BMP-1 expressing vectors. Our biomaterials have been hydrogels of type-I collagen and gelatin-based scaffolds designed to mimic the architecture and biochemistry of native cartilage and provide a suitable three-dimensional environment for the cells. We have brought chondrocytes to interact with osteosarcoma Cal 72 cells or with murine preosteoblastic KS483 cells, either in a cell-to-cell or in a paracrine manner.rnExogenous stimulation with PGE2 or BMP-1 did not improve the differentiation or the proliferation of human articular chondrocytes. BMP-1 induced chondrocytic de-differentiation in a dose-dependent manner. Prostaglandin stimulation from gelatin-based scaffolds (three-dimensional culture) showed a certain degree of chondrocyte re-differentiaton. Murine preosteoblastic KS483 cells had no beneficial effect on human articular chondrocytes jointly cultivated with them in hydrogels of type I collagen. Although the hydrogels provided the chondrocytes with a proper matrix in which the cells adopted their native morphology; additionally, the expression of chondrocytic proteoglycan increased in the co-cultures after two weeks. The co-culture of chondrocytes with osteoblast-like cells (in transwell systems) resulted in suppression of the regular de-differentiation program that passaged chondrocytes undergo when cultured in monolayers. Under these conditions, the extracellular matrix of the chondrocytes, rich in type-II collagen and aggrecan, was not transformed into the extracellular matrix characteristic of de-differentiated human articular chondrocytes, which is rich in type-I collagen and versican.rnThis thesis suggests novel strategies of tissue engineering for clinical attempts to improve cartilage repair. Since implants are prepared in vitro (ex-vivo) by expanding human articular chondrocytes (autologous or allogeneic), we conclude that it will be convenient to provide a proper three-dimensional support to the chondrocytes in culture, to supplement the culture medium with PGE2, and to stimulate chondrocytes with osteoblastic factors by cultivating them with osteoblasts.rn

Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen : Synthese von Polymer-Hydroxylapatit-Nanopartikeln, bio-inspirierten Nanokapseln und Polymer-Einzelkettenpartikeln

In der vorliegenden Arbeit wurden Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen für die Synthese von unterschiedlichen funktionellen Materialien mit neuartigen Eigenschaften verwendet. Das erste Themengebiet umfasst die Herstellung von Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikeln und –Hybridkapseln über die templatgesteuerte Mineralisation von Calciumphosphat. Die funktionalisierte Oberfläche von Polymernanopartikeln, welche über die Miniemulsionspolymerisation hergestellt wurden, diente als Templat für die Kristallisation von Calciumphosphat auf den Partikeln. Der Einfluss der funktionellen Carboxylat- und Phosphonat-Oberflächengruppen auf die Komplexierung von Calcium-Ionen sowie die Mineralisation von Calciumphosphat auf der Oberfläche der Nanopartikel wurde mit mehreren Methoden (ionenselektive Elektroden, REM, TEM und XRD) detailliert analysiert. Es wurde herausgefunden, dass die Mineralisation bei verschiedenen pH-Werten zu vollkommen unterschiedlichen Kristallmorphologien (nadel- und plättchenförmige Kristalle) auf der Oberfläche der Partikel führt. Untersuchungen der Mineralisationskinetik zeigten, dass die Morphologie der Hydroxylapatit-Kristalle auf der Partikeloberfläche mit der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch eine sorgfältige Wahl des pH-Wertes gezielt kontrolliert werden kann. Sowohl die Eigenschaften der als Templat verwendeten Polymernanopartikel (z. B. Größe, Form und Funktionalisierung), als auch die Oberflächentopografie der entstandenen Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikel wurden gezielt verändert, um die Eigenschaften der erhaltenen Kompositmaterialien zu steuern. rnEine ähnliche bio-inspirierte Methode wurde zur in situ-Herstellung von organisch/anorganischen Nanokapseln entwickelt. Hierbei wurde die flexible Grenzfläche von flüssigen Miniemulsionströpfchen zur Mineralisation von Calciumphosphat an der Grenzfläche eingesetzt, um Gelatine/Calciumphosphat-Hybridkapseln mit flüssigem Kern herzustellen. Der flüssige Kern der Nanokapseln ermöglicht dabei die Verkapselung unterschiedlicher hydrophiler Substanzen, was in dieser Arbeit durch die erfolgreiche Verkapselung sehr kleiner Hydroxylapatit-Kristalle sowie eines Fluoreszenzfarbstoffes (Rhodamin 6G) demonstriert wurde. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der Gelatine/Calciumphosphat-Kapseln konnten abhängig vom pH-Wert der Umgebung unterschiedliche Mengen des verkapselten Fluoreszenzfarbstoffes aus den Kapseln freigesetzt werden. Eine mögliche Anwendung der Polymer/Calciumphosphat-Partikel und –Kapseln ist die Implantatbeschichtung, wobei diese als Bindeglied zwischen künstlichem Implantat und natürlichem Knochengewebe dienen. rnIm zweiten Themengebiet dieser Arbeit wurde die Grenzfläche von Nanometer-großen Miniemulsionströpfchen eingesetzt, um einzelne in der dispersen Phase gelöste Polymerketten zu separieren. Nach der Verdampfung des in den Tröpfchen vorhandenen Lösungsmittels wurden stabile Dispersionen sehr kleiner Polymer-Nanopartikel (<10 nm Durchmesser) erhalten, die aus nur wenigen oder einer einzigen Polymerkette bestehen. Die kolloidale Stabilität der Partikel nach der Synthese, gewährleistet durch die Anwesenheit von SDS in der wässrigen Phase der Dispersionen, ist vorteilhaft für die anschließende Charakterisierung der Polymer-Nanopartikel. Die Partikelgröße der Nanopartikel wurde mittels DLS und TEM bestimmt und mit Hilfe der Dichte und des Molekulargewichts der verwendeten Polymere die Anzahl an Polymerketten pro Partikel bestimmt. Wie es für Partikel, die aus nur einer Polymerkette bestehen, erwartet wird, stieg die mittels DLS bestimmte Partikelgröße mit steigendem Molekulargewicht des in der Synthese der Partikel eingesetzten Polymers deutlich an. Die Quantifizierung der Kettenzahl pro Partikel mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen ergab, dass Polymer-Einzelkettenpartikel hoher Einheitlichkeit hergestellt wurden. Durch die Verwendung eines Hochdruckhomogenisators zur Herstellung der Einzelkettendispersionen war es möglich, größere Mengen der Einzelkettenpartikel herzustellen, deren Materialeigenschaften zurzeit näher untersucht werden.rn

Einzelpartikel- und Ensemblemessungen mit dem Aerosolmassenspektrometer (AMS): Untersuchungen zu Quellen und chemischer Prozessierung von Aerosolpartikeln im Submikrometerbereich

Atmosphärische Aerosolpartikel haben einen Einfluss sowohl auf das Klima als auch auf die menschliche Gesundheit, wobei sowohl die Größe, als auch die chemische Zusammensetzung der Partikel maßgeblich sind. Um insbesondere die chemische Zusammensetzung der Partikel in Abhängigkeit ihrer Quellen besser zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit massenspektrometrische Untersuchungen thermisch verdampfbarer Partikel im Submikrometerbereich durchgeführt. Hierzu wurden sowohl die Massenspektren einzelner Partikel, als auch die von Ensembles von Partikeln mit dem Aerodyne Aerosolmassenspektrometer (AMS) in mehreren Feldmesskampagnen untersucht. Für die Messung von Einzelpartikelmassenspektren wurde das AMS zunächst durch den Einbau eines optischen Partikeldetektors (light scattering probe) modifiziert und anschließend eingehend charakterisiert. Dabei wurde festgestellt, dass mit dem Gerät im Partikelgrößenbereich von etwa 400-750 nm (untere Grenze bedingt durch die Detektionseffizienz des optischen Detektors, obere Grenze durch die Transmissionseffizienz des Aerosoleinlasssystems) quantitative Einzelpartikelmessungen möglich sind. Zudem wurde die Analyse der erhaltenen Messdaten systematisiert, und durch Einsatz von Standardspektren ein Sortieralgorithmus für die Einzelpartikelmassenspektren entwickelt, der erfolgreich auf Daten von Feldmesskampagnen angewandt werden konnte. Mit diesem Sortieralgorithmus sind zudem quantitative Aussagen über die verschiedenen Partikelbestandteile möglich. Im Sommer 2009 und im Winter 2010 fanden im Großraum Paris zwei einmonatige Feldmesskampagnen statt, bei denen unter anderem der Einfluss der Abluftfahne der Megastadt auf seine Vororte untersucht wurde. Erhöhte Konzentrationen sekundär gebildeter Aerosolkomponenten (Nitrat, Sulfat, oxidiertes organisches Aerosol (OOA)) waren insbesondere beim Herantransport kontinentaler Luftmassen zu beobachten. Im Gegensatz dazu waren die beobachteten Konzentrationen der Tracer primärer Emissionen NOx, BC (black carbon) und HOA (hydrocarbonlike organic aerosol) neben der lokalen Quellstärke insbesondere durch die herrschende Windgeschwindigkeit beeinflusst. Aus dem Vergleich der Messungen an drei Stationen konnte der Einfluss der Megastadt Paris auf seine Vororte (unter Annahme gleicher lokaler Emissionen an den zwei Vorort-Stationen) zu 0,1-0,7 µg m-3 BC, 0,3-1,1 µg m-3 HOA, und 3-5 ppb NOx abgeschätzt werden. Zudem konnten für zwei Stationen aus den Ensemble- bzw. den Einzelpartikelmessungen unabhängig voneinander zwei verschiedene HOA-Typen unterschieden werden, die den Quellen „Kochen“ und „Autoabgase“ zugeordnet wurden. Der Anteil der Partikel aus den Quellen „Kochen“ bzw. „Autoabgase“ am Gesamt-HOA betrug 65,5 % und 34,5 % für die Ensemblemessungen in der Innenstadt (nahe vieler Restaurants), und für die Einzelpartikelmessungen in einem Vorort 59 % bzw. 41 % (bezogen auf die Partikelanzahl, welche hier der Masse etwa proportional ist). Die Analyse der Einzelpartikelmassenspektren erbrachte zudem neue Erkenntnisse über den Mischungszustand der Einzelpartikel. So konnte belegt werden, dass Nitrat, Sulfat und OOA intern gemischt sind, HOA-Partikel aber als externe Mischung mit diesen vorliegen. Zudem konnte anhand der Tagesgänge der Masse pro Partikel von OOA, Nitrat und Sulfat und der Anzahl der diese Substanzen enthaltenden Partikel gezeigt werden, dass der im Ensemblemodus beobachtete fehlende Tagesgang der Sulfat-Massenkonzentration wahrscheinlich durch die gegensätzlichen Effekte der Modulation der Partikelanzahlkonzentration durch die sich verändernde Mischungsschichthöhe und der variierenden Masse an Sulfat pro Partikel (mittägliche photochemische Neuproduktion und Kondensation auf existierende Partikel) erklärt werden kann. Für OOA ist eine ähnliche Erklärung des Ensemblemodus-Tagesganges jedoch nur teilweise möglich; weitere Arbeit ist daher nötig, um auch für diese Substanzklasse belastbare Aussagen aus dem Vergleich der Ensemble- und Einzelpartikelmessungen zu erhalten. Im Rahmen einer Labormesskampagne an der AIDA-Kammer in Karlsruhe wurden Ensemble- und Einzelpartikelmassenspektren von Bakterien aufgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass es prinzipiell möglich ist, Bakterien in Außenluft mittels Einzelpartikelmessungen nachzuweisen, jedoch wahrscheinlich nur bei sehr hohen Anzahlkonzentrationen. Der Nachweis von Bakterien und anderen primären biologischen Aerosolpartikeln mit dem AMS sollte daher in weiterführenden Experimenten noch optimiert werden.

Entwicklung und Anwendung von mobilen Messstrategien und Analysemethoden zur Untersuchung urbanen Aerosols

Seit Anbeginn der Menschheitsgeschichte beeinflussen die Menschen ihre Umwelt. Durch anthropogene Emissionen ändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre, was einen zunehmenden Einfluss unter anderem auf die Atmosphärenchemie, die Gesundheit von Mensch, Flora und Fauna und das Klima hat. Die steigende Anzahl riesiger, wachsender Metropolen geht einher mit einer räumlichen Konzentration der Emission von Luftschadstoffen, was vor allem einen Einfluss auf die Luftqualität der windabwärts gelegenen ruralen Regionen hat. In dieser Doktorarbeit wurde im Rahmen des MEGAPOLI-Projektes die Abluftfahne der Megastadt Paris unter Anwendung des mobilen Aerosolforschungslabors MoLa untersucht. Dieses ist mit modernen, zeitlich hochauflösenden Instrumenten zur Messung der chemischen Zusammensetzung und Größenverteilung der Aerosolpartikel sowie einiger Spurengase ausgestattet. Es wurden mobile Messstrategien entwickelt und angewendet, die besonders geeignet zur Charakterisierung urbaner Emissionen sind. Querschnittsmessfahrten durch die Abluftfahne und atmosphärische Hintergrundluftmassen erlaubten sowohl die Bestimmung der Struktur und Homogenität der Abluftfahne als auch die Berechnung des Beitrags der urbanen Emissionen zur Gesamtbelastung der Atmosphäre. Quasi-Lagrange’sche Radialmessfahrten dienten der Erkundung der räumlichen Erstreckung der Abluftfahne sowie auftretender Transformationsprozesse der advehierten Luftschadstoffe. In Kombination mit Modellierungen konnte die Struktur der Abluftfahne vertieft untersucht werden. Flexible stationäre Messungen ergänzten den Datensatz und ließen zudem Vergleichsmessungen mit anderen Messstationen zu. Die Daten einer ortsfesten Messstation wurden zusätzlich verwendet, um die Alterung des organischen Partikelanteils zu beschreiben. Die Analyse der mobilen Messdaten erforderte die Entwicklung einer neuen Methode zur Bereinigung des Datensatzes von lokalen Störeinflüssen. Des Weiteren wurden die Möglichkeiten, Grenzen und Fehler bei der Anwendung komplexer Analyseprogramme zur Berechnung des O/C-Verhältnisses der Partikel sowie der Klassifizierung der Aerosolorganik untersucht. Eine Validierung verschiedener Methoden zur Bestimmung der Luftmassenherkunft war für die Auswertung ebenfalls notwendig. Die detaillierte Untersuchung der Abluftfahne von Paris ergab, dass diese sich anhand der Erhöhung der Konzentrationen von Indikatoren für unprozessierte Luftverschmutzung im Vergleich zu Hintergrundwerten identifizieren lässt. Ihre eher homogene Struktur kann zumeist durch eine Gauß-Form im Querschnitt mit einem exponentiellen Abfall der unprozessierten Schadstoffkonzentrationen mit zunehmender Distanz zur Stadt beschrieben werden. Hierfür ist hauptsächlich die turbulente Vermischung mit Umgebungsluftmassen verantwortlich. Es konnte nachgewiesen werden, dass in der advehierten Abluftfahne eine deutliche Oxidation der Aerosolorganik im Sommer stattfindet; im Winter hingegen ließ sich dieser Prozess während der durchgeführten Messungen nicht beobachten. In beiden Jahreszeiten setzt sich die Abluftfahne hauptsächlich aus Ruß und organischen Partikelkomponenten im PM1-Größenbereich zusammen, wobei die Quellen Verkehr und Kochen sowie zusätzlich Heizen in der kalten Jahreszeit dominieren. Die PM1-Partikelmasse erhöhte sich durch die urbanen Emissionen im Vergleich zum Hintergrundwert im Sommer in der Abluftfahne im Mittel um 30% und im Winter um 10%. Besonders starke Erhöhungen ließen sich für Polyaromaten beobachten, wo im Sommer eine mittlere Zunahme von 194% und im Winter von 131% vorlag. Jahreszeitliche Unterschiede waren ebenso in der Größenverteilung der Partikel der Abluftfahne zu finden, wo im Winter im Gegensatz zum Sommer keine zusätzlichen nukleierten kleinen Partikel, sondern nur durch Kondensation und Koagulation angewachsene Partikel zwischen etwa 10nm und 200nm auftraten. Die Spurengaskonzentrationen unterschieden sich ebenfalls, da chemische Reaktionen temperatur- und mitunter strahlungsabhängig sind. Weitere Anwendungsmöglichkeiten des MoLa wurden bei einer Überführungsfahrt von Deutschland an die spanische Atlantikküste demonstriert, woraus eine Kartierung der Luftqualität entlang der Fahrtroute resultierte. Es zeigte sich, dass hauptsächlich urbane Ballungszentren von unprozessierten Luftschadstoffen betroffen sind, advehierte gealterte Substanzen jedoch jede Region beeinflussen können. Die Untersuchung der Luftqualität an Standorten mit unterschiedlicher Exposition bezüglich anthropogener Quellen erweiterte diese Aussage um einen Einblick in die Variation der Luftqualität, abhängig unter anderem von der Wetterlage und der Nähe zu Emissionsquellen. Damit konnte gezeigt werden, dass sich die entwickelten Messstrategien und Analysemethoden nicht nur zur Untersuchung der Abluftfahne einer Großstadt, sondern auch auf verschiedene andere wissenschaftliche und umweltmesstechnische Fragestellungen anwenden lassen.