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TU Berlin

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Forschung

Das Fachgebiet Lebensmitteltechnologie und –materialwissenschaften erforscht die Zusammenhänge zwischen Struktur, Zusammensetzung und technologisch-funktionellen Eigenschaften von Lebensmittelinhaltstoffen und deren Stabilität bzw. deren Rolle bei der Stabilisierung disperser Lebensmittelsysteme. Von besonderem Interesse sind dabei prozessinduzierte Veränderungen struktureller und molekularer Parameter durch physikalische, chemische und/oder biochemische Verfahren mit dem Ziel einer optimierten Funktionalität der jeweiligen Lebensmittelkomponente im Modell bzw. in Lebensmitteln. Im Fokus der Forschungsarbeiten stehen Biopolymere, Hydrokolloide und Makromoleküle pflanzlicher sowie tierischer Herkunft (z. B. Pektine, Alginate, Proteine und Proteinhydrolysate), welche in Lebensmitteln vorrangig zur Gel-, Emulsions- und Schaumbildung bzw. zur Viskositätserhöhung und Texturgebung eingesetzt werden. Zur Stabilisierung funktioneller Lebensmittelinhaltsstoffe werden verschiedene Mikroverkapselungstechniken eingesetzt und die Determinanten einer optimalen Funktionalität der Verkapselungssysteme analysiert. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt in der Gewinnung und Charakterisierung von Ballaststoffkonzentraten aus den Nebenprodukten der Lebensmittelverarbeitung (z. B. Fruchttrester oder Leguminosen-Schalen).

Im Bereich der Grundlagenforschung werden Grenzflächenphänomene und Strukturbildung in Modellsystemen untersucht. Diese Arbeiten in den einzelnen Forschungsprojekten bilden die Basis für die zielgerichtete Herstellung technologisch und ernährungsphysiologisch optimierter Lebensmittelzutaten und Lebensmittel. Zur Charakterisierung von Lebensmittelkomponenten und -systemen kann auf eine breite Palette an Methoden der modernen Lebensmittelphysik und Analytik zurückgegriffen und damit Strukturen von der molekularen bis hin zur makroskopischen Ebene charakterisiert werden. Die materialwissenschaftliche Bewertung erfolgt anhand der Bestimmung des Fließ- und Deformationsverhaltens mittels rheologischer sowie texturanalytischer Messverfahren.

Lupe

Laufende Forschungsprojekte

  • BerryPlus – Wertsteigernde Aufarbeitung von Johannisbeertrester (AiF/FEI, Projektstart: 2020)
    Projektbearbeiter*innen: N.N., Dr. Monika Brückner-Gühmann

    Bei der Verarbeitung pflanzlicher Erzeugnisse bleiben in der Regel Teile der Rohstoffe wie Spelzen oder Schalen sowie Nebenprodukte wie Trester oder Presskuchen ungenutzt. Bei der Fruchtsaftherstellung ist der Tresteranteil von der Fruchtart abhängig; dieser beträgt beispielsweise bei Johannisbeeren mehr als 20 %. Der Pro-Kopf-Konsum von Fruchtsaft ist mit ca. 7,5 L pro Jahr bei Apfelsaft und Orangensaft am höchsten, wobei bei Apfel mittlerweile eine nahezu 100 %ige Rohstoffverwertung über die Pektinherstellung erfolgt. Neben diesen Hauptsaftsorten gibt es Pressrückstände von Frucht- und Gemüsesäften, sowie den Traubentrester der Weinherstellung, die trotz wertgebender Inhaltsstoffe wenig für die menschliche Ernährung genutzt werden. Dies betrifft auch alle Strauchbeeren wie Johannisbeeren, Heidelbeeren, Aronia, Brombeeren und Holunderbeeren sowie Sanddorn, aber auch Sauerkirschen oder Gemüse wie beispielsweise Rote Beete. Diesen Trestern ist gemein, dass sie zumeist intervallartig bzw. saisonal anfallen, mikrobiologisch sensibel sind und ihre Inhaltsstoffe und deren Potential für die Humanernährung nur unzureichend erforscht sind.

    Ziel des Forschungsprojektes ist die Nutzbarmachung des Nebenprodukts Johannisbeertrester. Durch gezielte Aufarbeitung, insbesondere Feinvermahlung, und die Isolierung von zwei wertbestimmenden Fraktionen (Ballaststoffe und Protein) soll erreicht werden, dass sowohl Gesamttrester als auch Fraktionen als technofunktionelle Inhaltsstoffe in Lebensmitteln eingesetzt werden können.

  • Bildung von Pflanzenprotein-Polysaccharid-Konjugaten
    Projektbearbeiterinnen: M.Sc. Marina Eichhorn, Dipl.-Ing. Hanna Kastner

    Aufgrund von steigendem bioökonomischen Denken gewinnen alternative Proteinquellen mehr an Bedeutung. Insbesondere die Nebenprodukte der pflanzlichen Lebensmittelverarbeitung, wie bspw. Erbsen-, Soja-, oder Sonnenblumenkernprotein. Pflanzenproteine sind jedoch durch ihre ausgeprägte Hydrophobizität und der damit verbundenen starken pH-Abhängigkeit nur bedingt als natürliche Emulgatoren zur Stabilisierung von Lebensmittelsystemen geeignet.

    Eine Methode zur Verbesserung von Löslichkeit und emulgierenden Eigenschaften pflanzlicher Proteine ist die Konjugation zwischen Protein und Polysaccharid. Die Konjugation basiert auf den Schritten der Amadori-Umlagerung, in der Anfangsphase der Maillard-Reaktion und ist bekannt als nicht-enzymatische Bräunungsreaktion. Die resultierende Steigerung der Grenzflächenaktivität der Proteine ermöglicht die Stabilisierung der Grenzfläche und Reduktion der destabilisierenden Effekte in der Emulsion.

    Die übliche Herstellungsmethode von Konjugaten via Maillard-Reaktion ist die Inkubation der gefriergetrockneten Protein-Polysaccharid-Dispersionen über mehrere Tage. Durch den Prozessschritt der Gefriertrocknung und der dadurch verbundenen zeitlich aufwendigen Herstellung handelt es sich um eine kostenintensive Batch-Prozessierung.
    Ziel dieses Projektes ist es zum einen die Einführung einer neuen ökonomischen Methode zur Herstellung der Protein-Polysaccharid-Konjugaten. Zum anderen werden Einflussfaktoren identifiziert, die die Bildung dieser Konjugate verbessern. Die funktionellen Eigenschaften der gebildeten Konjugate werden in dispersen Modelsystemen untersucht.

  • Entwicklung von pflanzenbasierten Mikrokapseln mittels komplexer Koazervation
    Projektbearbeiter*in: M.Sc. Artwin Archut, Dipl.-Ing. Hanna Kastner

    Ein Verfahren der Mikroverkapselung, um bioaktive Rohstoffe, wie Öle, Aromen, Vitamine und Mineralstoffe vor äußeren Einflüssen, wie Licht, Sauerstoff und Temperatur sowie den damit verbundenen Veränderungen zu schützen, ist die komplexe Koazervation. Auf Grundlage von elektrostatischen Wechselwirkungen zweier entgegengesetzt geladener Polymere können hitzebeständige und wasserfeste Mikrokapseln erzeugt werden.Dazu wird aus dem zu verkapselnden Rohstoff und ausgewählten Biopolymeren eine Öl-Wasser-Emulsion hergestellt. Im Anschluss daran muss eine Phasentrennung erfolgen, die durch das Einstellen des pH-Wertes, der Temperatur oder durch Zugabe von Salzen hervorgerufen wird. Die Phasentrennung lässt die Biopolymere unlöslich werden, sodass diese sich um den zu verkapselnden Stoff legen und Mikrokapseln bilden.

    Im aktuellen Projekt werden unter Verwendung von pflanzlichem Protein und Pektin Koazervate hergestellt. Zum einen wird die Einsatzfähigkeit pflanzlicher Proteine als neuartige Trägersysteme im Verfahren der komplexen Koazervation und zum anderen soll der Einfluss der molekularen Struktur von Pektin auf die elektrostatische Interaktion mit pflanzlichen Protein untersucht werden. Zu diesem Zweck werden die molekularen Eigenschaften von Pektin definiert modifiziert. Mit ausgewählten Methoden sollen die optimalen Parameter analysiert werden, um Koazervate zu bilden. Eine anschließende Simulation der Freisetzung der Koazervate im Magen-Darm-Trakt wird durch ein Freisetzungsprofil beschrieben, um ernährungsphysiologische Aspekte zu betrachten. 

  • Wechselwirkungen von Kaffeesäurederivaten mit Proteinen und deren Einfluss auf die Proteinfunktionalität in mehrphasigen Lebensmittelsystemen
    Projektbearbeiterin: M.Sc. Alina Bock

    Das Projekt wird in Kooperation mit der Universität Hamburg und der Beuth Hochschule für Technik Berlin durchgeführt, mit dem Ziel, die Mechanismen der phenol-induzierten Proteinstabilisierung in mehrphasigen Mikroverkapselungssystemen zu verstehen, die dafür relevanten Strukturmerkmale komplexer phenolischer Verbindungen zu identifizieren und die Auswirkungen auf die technofunktionellen Eigenschaften in proteinbasierten Verkapselungssystemen zu klären. Ausgangspunkt ist die Charakterisierung der kovalenten und nicht-kovalenten Wechselwirkungen eines Modellproteins und ausgewählten Kaffeesäurederivaten in mechanistisch orientierten Modellsystemen. Hierzu werden Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen β-Lactoglobulin und ausgewählten Kaffeesäurederivaten, die sich in ihren Molekülgrößen, in der Anzahl und Position ihrer Dihydroxybenzolstrukturen sowie ihrer Amphiphilie unterscheiden, durchgeführt. Vor dem Hintergrund der beteiligten Phasen wird das Verteilungsverhalten der Kaffeesäurederivate untersucht. Darauf aufbauend werden kompetitive Vorgänge und intermolekulare Wechselwirkungen an der Öl-Wasser-Phasengrenze (Öl/Wasser) untersucht. Zentrales Element ist dabei auch eine umfassende grenzflächenrheologische Charakterisierung der Proteinfilme an der Phasengrenze. In einem proof of concept wird abschließend die Funktionalität der phenolstabilisierten Mikroverkapselungssysteme am Beispiel von emulsionsbasierten Matrixpartikeln und komplexen Koazervaten auf Basis von β-Lactoglobulin und Lactoferrin dargestellt

  • Novel approaches for added-values by optimizing functional and nutritive properties of fibre-rich by-products from pea processing (BLE 2815EPS010; 2017-2020)
    Projektbearbeiter*in: Dr. Rocio Morales, Dr. Sebastian Schalow

    In Germany, more than 150,000 tonnes of peas are processed, being around 20% employed as source of starch. During the starch extraction process,  pea hulls and cotyledon residues are produced as by-products. Hence, this project aims at increasing the added-value of these by-products (rich in dietary fibres and bioactive secondary metabolites).  As a result of the research, new methods for the sustainable use of domestic grain legumes for the production of highly functional, safe and health-promoting food ingredients are presented and thus make an important contribution to healthy and sustainable human nutrition.

    Pea hulls are mainly composed of cellulose (>60 %), hemicellulose and pectin-like substance. In this case, the techno-functional properties are to be improved by combining mechanical (microfluidization) and enzymatic treatments. The impact of the treatment will be conducted by characterizing the water binding capacities and the rheological properties. Pea cotyledon residues contain up to 55% pectin-like substances, hemicelluloses, cellulose and proteins. Pectins present interesting functional properties as gelling agent and emulsion/foam stabilizer. Pea pectins will be quantitatively extracted (chemical and enzymatic methods) and characterized (gelling capability and viscosity behaviour) to study their application as stabilizer for food.

    Moreover, chemical analyses are focused on the determination of saponine and flavonoids within the intermediate and final products in order to evaluate strategies for the recovery and utilization of such potent health-beneficial substances.

  • Bedeutung und Kontrolle der mechanischen Beanspruchung stress-sensitiver Proteine bei der Formulierung im Premix-Emulgierprozess (DFG-Schwerpunktprogramm SPP1934 „Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen; 2016-2022)
    Projektbearbeiterinnnen: M.Sc. Anja Heyse, Dipl.-Lebensmittelchemikerin Helena Schestkowa (FG Food Colloids)

    Die hohe Sensitivität biologischer Systeme (z.B. Proteine und Bio-Agglomerate) gegenüber mechanischer, thermischer und stofflicher Einwirkung erfordert eine stressreduzierte Steuerung bei der Downstream-Prozessierung. Das fundierte Verständnis der prozesstechnischen Beanspruchung von Proteinen und Protein-Agglomeraten und ihrer strukturellen Reaktion auf die Beanspruchung ist erforderlich. Ziel des Vorhabens ist die Ableitung von Schädigungsmechanismen auf der Basis des Stress-Verweilzeit-Verhaltens bei mechanischer Beanspruchung der biologischen Strukturen in Downstream-Prozessen am Beispiel des Premix-Membranemulgierens. Auf der Prozessebene wird die mechanische Beanspruchung der Proteine während des Premix-Emulgierens charakterisiert und durch Anpassung der Prozessumgebung reduziert. Der Dehn- und Schereinfluss und die Mikrofluiddynamik während des Membranemulgierprozesses werden betrachtet. Die Anlagerung der Proteine an der fluiden Phasengrenze und ihre Belastung werden in Modellversuchen und im Prozess ermittelt. Auf der Strukturebene werden die Auswirkungen der mechanischen Beanspruchung auf die Protein- und Agglomeratstrukturen sowie ihre Funktionalität und Qualität betrachtet. Die Stabilität von Proteinstrukturen unter Dehn- und Scherbelastung beim Membranemulgierprozess wird auf molekulardynamischer Ebene untersucht. Dabei wird die Änderung in der Proteinstruktur qualitativ und quantitativ beschrieben.
  • Sprühtrocknung von Emulsionen: Untersuchungen zum Öltropfenaufbruch bei der Druckzerstäubung (AiF 19312 N; 2017-2019)
    Projektbearbeiterinnen: M.Sc. Theresia Heiden-Hecht, Dr. Monika Brückner-Gühmann

    Gesamtziel des Projekts ist es, Herstellern von emulsionsbasierten sprühgetrockneten Pulvern Erkenntnisse an die Hand zu geben, die es Ihnen ermöglichen, durch Anpassung der Formulierung und der Prozessparameter Produkte mit gewünschten Eigenschaften gezielter herstellen zu können und v.a. längere Haltbarkeiten zu erzielen. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem KIT (Institut für Lebensmittelverfahrenstechnik) durchgeführt. Der Fokus der Arbeiten an der TU Berlin liegt auf der molekularen Ebene, v.a. dem Grenzflächenverhalten von Emulgatoren und deren Kombination. Die Zusammenhänge der physikalischen Veränderungen der Öltropfengrößenverteilung während der Zerstäubung, Trocknung und Lagerung (Alterung) werden untersucht. 

    Die im Projekt genutzten Modellsysteme sind repräsentativ in ihrer Zusammensetzung und repräsentieren Produktgruppen aus dem Zielbereich deutscher KMU der Milchindustrie und entsprechender Lohnhersteller, bei denen die Öltropfengrößenverteilung entscheidend für die Qualität des Endprodukts und die Haltbarkeit des Pulvers ist.

  • NutriAct „Ernährungsintervention für gesundes Altern“ (BMBF; 2015-2021)
    Projektbearbeiterin M.Sc. Martina Klost

    Ziele des NutriAct-Kompetenzclusters Ernährungsforschung Berlin-Potsdam sind die Bündelung interdisziplinärer, wissenschaftlicher Kompetenz der Ernährungsforschung in der Region Berlin –Brandenburg und die Zusammenarbeit mit der Ernährungsindustrie. Hierbei sollen Ernährungsempfehlungen für Menschen zwischen 50 und 70 Jahren, mit dem Ziel entwickelt werden, im hohen Alter gesund und fit zu leben. Zudem sollen Strategien zur erfolgreichen Umsetzung der erarbeiteten Ernährungsempfehlungen erforscht und schmackhafte Produkte für eine altersorientierte gesunde Ernährung entwickelt werden. Das FG LMMW ist in das Teilprojekt „Produktentwicklung“ eingebunden. Ziel des Teilprojekts ist die Entwicklung neuer bzw. die Modifikation von vorhandenen Produkten mit regionalen Komponenten sowie der Einbindung regionaler Ernährungswirtschaft zum Produktdesign hinsichtlich des Gehalts an pflanzlichem Protein, Ballaststoffen und Fett. Der Forschungsschwerpunkt am FG LMMW liegt auf der Funktionalisierung von pflanzlichen Proteinen wobei aufgrund der Regionalität der besondere Fokus auf das Erbsenprotein gerichtet wird.

    Weiterführende Informationen unter http://www.nutriact.de/

  • Isolierung und Funktionalisierung von Sonnenblumenproteinen
    Projektbearbeiterinnen: M.Sc. Sabrina Diekmann, Dr. Monika Brückner-Gühmann

    Schätzungen der Vereinten Nationen zu Folge wird in 2050 die Weltbevölkerung auf mehr als 9 Milliarden Menschen ansteigen. Mit der wachsenden Bevölkerung steigt der Bedarf an Nahrung. Insbesondere die Notwendigkeit einer ausreichenden Proteinversorgung rückt hierbei in den Fokus. Allerdings haben schon jetzt Viehzucht und –haltung einen großen Anteil an den steigenden Treibhausgasemmissionen. Neben den hohen Umweltauswirkungen tierischer Lebensmittel, hat der globale Trend zu einer Ernährung mit viel raffinierten Zuckern, raffinierten Fetten, Ölen und Fleisch zu Übergewicht, Insulinresistenz und Diabetes beigetragen. Zunehmend wird der Verzehr von mehr pflanzlichem anstatt tierischem Protein empfohlen. Pflanzliche Proteine aus Leguminosen und Soja finden bereits eine große Verwendung in der Lebensmittelindustrie.

    Um den steigenden Proteinbedarf zu decken, steht insbesondere eine nachhaltigere Nutzung der bestehenden Proteinquellen an vorderster Stelle. Eine Option sind die Pressrückstände aus der Ölgewinnung, die meist einen Proteingehalt von 30-50% besitzen und bisher hauptsächlich als Tierfutter genutzt werden. Mit einer Produktionsmenge von ca. 17 Mio. Tonnen pro Jahr (2016/17, USDA Foreign Agricultural Service) ist Sonnenblumenöl, neben Palm-, Raps- und Sojaöl, das viertwichtigste Pflanzenöl. Sonnenblumen bieten für die Agrar- und Lebensmittelproduktion ein enormes Potenzial. Die bei der Ölproduktion entstehenden Reststoffe wie Proteine, Schalen und sekundäre Pflanzeninhaltstoffe bleiben bisher trotz ihrer ernährungsphysiologischen Wertigkeit für den menschlichen Verzehr ungenutzt.

    Im Projekt steht die schonenden Isolierung der unterschiedlichen Proteinfraktionen und deren Charakterisierung im Fokus. Die funktionellen Eigenschaften der Proteine und ein möglicher Einsatz als natürliche, grenzflächenaktive Substanz in mehrphasigen Systemen, wie Emulsionen und Schäumen, werden untersucht.

  • Phasenverhalten und intermolekulare Wechselwirkungen komplexer Biopolymersysteme
    Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Christoph Hundschell

    Polysaccharide und Proteine werden einzeln oder in Kombination in zahlreichen Lebensmittelsystemen gezielt als Zutaten mit funktionellem Mehrwert genutzt. Dabei können mit ihrer Hilfe das Mundgefühl, die Struktur, die Stabilität und die Haltbarkeit der Produkte positiv beeinflusst werden. Je nach Molekülaufbau und umgebender Lebensmittelmatrix können die Biopolymere Gele ausbilden, die Viskosität erhöhen oder durch ihre oberflächenaktive Wirkung Emulsionen und Schäume stabilisieren. Um die funktionellen Eigenschaften der Biopolymere optimal ausnutzen zu können, müssen sowohl die Wechselwirkungen zwischen Protein und Polysaccharid als auch die Interaktionen zwischen den Biopolymeren und ihrer Umgebungsmatrix verstanden werden.

    Daher sollen gezielt Mischungen aus Modellproteinen und bisher weitgehend ungenutzten mikrobiellen Polysacchariden analysiert werden, die neben ihren funktionellen Eigenschaften zusätzlich eine prebiotische Wirkung und somit einen ernährungs-physiologischen Mehrwert aufweisen. Es sollen verschiedene Konzentrationen und Volumenfraktionen der Hydrokolloide unter Variation des Molekulargewichts, des pH-Werts, der Ionenstärke und der Temperatur untersucht werden. Neben dem Phasenverhalten, den rheologischen Eigenschaften und den ausgebildeten Mikro- und Molekularstrukturen, sollen vor allem die Beschreibung der Polymerinteraktionen im Vordergrund stehen um die grundlegenden Eigenschaften der Biopolymere aufzuklären und so auch ihre potentiellen Einsatzgebiete aufzuzeigen.

Abgeschlossene Forschungsprojekte

  • Strukturabhängige Abbaureaktionen von Pektinen und deren Auswirkungen auf nicht-enzymatische Bräunung und technologische Funktionalität (DFG DR806/4-1; 2015-2018)
    Projektbearbeiterinnen: Dipl.-Ing. Hanna Kastner, Dr. Ulrike Einhorn-Stoll

    Polymere Strukturen in Lebensmitteln unterliegen während der Verarbeitung und Lagerung chemischen und biochemischen Veränderungen. Als Folge kommt es zu nicht-enzymatischen Bräunungsreaktionen und oxidativen Vorgängen, die die Funktionalität der Polymere beeinflussen. Ziel des Projekts ist die Klärung des Reaktionsverlaufs des thermisch induzierten Abbaus von Pektinen in Abhängigkeit von der Struktur und den Abbaubedingungen, die Aufklärung der dabei entstehenden Intermediate und deren Rolle für die Farbbildung durch die nicht-enzymatischen Bräunung (Maillard-Typ-Reaktion). Zum Erreichen des Ziels wird ein rekursiver Ansatz verfolgt, in dem ausgehend von mechanistisch orientierten Modellsystemen unter Verwendung von gesättigten und ungesättigten Galacturoniden die komplexen Reaktionsabläufen den Abbau des Pektins und seine Auswirkungen auf applikationsrelevante physikalisch-chemische Charakteristika und die technologische Funktio
    nalität untersucht werden.

  • Untersuchung physikalisch-materialwissenschaftlicher Aspekte zur Ballaststoffanreicherung von Lebensmitteln (2015-2018)
    Projektbearbeiter: M.Sc. Kenneth Kieserling, Dr. Sebastian Schalow

    Die täglich mit der Nahrung aufgenommene Menge an Ballaststoffen liegt insbesondere in den westlichen Ländern unterhalb der von den nationalen Ernährungsgesellschaften herausgegebenen Verzehrsempfehlungen. Eine Möglichkeit, dieses Defizit zumindest teilweise auszugleichen, ist die Anreicherung von Lebensmitteln mit Nahrungsfasern, d. h. mit Ballaststoffkonzentraten, welche aus unterschiedlichen pflanzlichen Rohstoffen (z. B. Getreide, Früchte oder Leguminosen) gewonnen werden können. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass in Abhängigkeit von den physiko-chemischen Eigenschaften und der Dosierung der Nahrungsfasern zum Teil erhebliche Veränderungen in den Textur- und sensorischen Eigenschaften der angereicherten Lebensmittel hervorgerufen werden, welche in der Regel zu einer geringeren Verbraucherakzeptanz solcher Produkte führen. 
    Das Forschungsvorhaben befasst sich mit der Ermittlung des Einflusses von Struktur und Zusammensetzung von Nahrungsfasern auf die Quell- und Wasserbindungseigenschaften im Faser-Wasser-Modellsystem sowie auf die Textur und die sensorische Wahrnehmung in komplexen Lebensmittelsystemen (z. B. Milchprodukte oder Fruchtzubereitungen). Untersucht werden weiterhin prozesstechnische Einflussgrößen bei der Herstellung von Nahrungsfasern (Pektinextraktion, Nasszerkleinerung, Trocknung der Fasern) auf Struktur und molekulare Parameter am Beispiel der Apfelfaser-Gewinnung
  • OATPRO – Engineering of oat proteins: Consumer driven sustainable food development process (ERA-Net SUSFOOD; BMBF; 2015-2018)    Projektbearbeiterin: Dr. Monika Brückner-Gühmann

    Hafer ist weltweit eine wichtige Nutzpflanze mit einer globalen Produktion von 21 Mio. t pro Jahr, wobei hiervon 62 % in der EU produziert werden.  In der Getreideverarbeitung fallen Neben- bzw. Seitenströme an, die wenig genutzt und trotz ihres hohen Anteils an gesundheitsfördernden Komponenten wie Ballaststoffen, Proteinen und bioaktiven Komponenten entsorgt werden. Auch in der Produktion von β-Glucan fällt eine proteinreiche Fraktion an, die zurückgewonnen und in Lebensmitteln eingesetzt werden kann. Die Verwendung dieser Fraktion in Lebensmitteln ist leider nur wenig untersucht worden. Ziel des vorliegenden Projektes ist die Nutzbarmachung von Haferprotein aus Nebenprodukten, die bei der β-Glucanproduktion anfallen, als Inhaltsstoff für proteinangereicherte Lebensmittel. Durch Konsumentenstudien wird ermittelt, in welchen Lebensmitteln Haferprotein von Konsumenten akzeptiert und favorisiert wird.
    weiterführende Informationen

  • Erhöhung des Nutzungspotentials des Nebenprodukts Erbsenschale (AiF 18678 N; 2015-2017)     
    Projektbearbeiterin: M.Sc. Friederike Gutöhrlein, Dr. Sebastian Schalow

    Die zur Pflanzenfamilie der Leguminosen zählende Erbse (Pisum sativum) gehört zu den wenigen Eiweißpflanzen, welche sich auch in Mitteleuropa erfolgreich kultivieren lassen. Obwohl die Erbse nicht nur eine ernährungsphysiologisch wertvolle Proteinquelle ist, sondern auch aus ökologischen Gründen eine Bereicherung der Kulturlandschaft darstellt, ist der Anbau sowie die Nutzung von Erbsen bisher gering.  Als Hauptursache ist hierfür der niedrige  Marktwert im Vergleich zu üblichen Feldfrüchten zu nennen. Ziel des vorliegenden Projekts ist die Untersuchung des Nutzungspotentials für das Nebenprodukt Erbsenschale für die Lebensmittelindustrie durch Gewinnung von Pektinen und optimierten Faserprodukten. Hierbei sollen auf den bisher üblichen Verfahren aufbauend Methoden zur Extraktion und Aufreinigung der Pektine und Faserprodukte unter Verwendung lebensmitteltauglicher Extraktionsmittel genutzt werden. Basierend auf der chemischen und physikalischen Struktur sollen Kausalzusammenhänge im Hinblick auf die technologische Funktionalität erarbeitet und in Modellsystemen validiert werden.  

    FEI-Kurzbericht
  • Substitution von niedermolekularen Emulgatoren in dispersen Lebensmittelsystemen durch Saponine (Friedrich-Naumann-Stiftung für die Freiheit, 2013-2017)
    Projektbearbeiterin: M.Sc. Sandra Böttcher

    Niedermolekulare Emulgatoren werden in der Lebensmittelindustrie zur Herstellung disperser Systeme wie z.B. zur Herstellung von Schäumen und Emulsionen, so wie zur Mizellierung und Verkapselung von Lebensmittelzutaten eingesetzt. Bedingt durch lebensmittelrechtliche Vorschriften und Veränderungen in der gesellschaftlichen Akzeptanz von bestimmten Zutaten können viele Emulgatoren jedoch nicht bzw. nicht mehr in der vollen Breite ihres möglichen Anwendungsgebiets eingesetzt werden. 

    Im Rahmen des Projekts soll die Eignung von Saponinen als natürliche, grenzflächenaktive Substanzen zur Herstellung disperser Lebensmittelsysteme (Schäume, Emulsionen) untersucht werden. Zu diesem Zweck werden vergleichende Untersuchungen zur physikalisch-materialwissenschaftlichen Charakterisierung von Saponinen des chilenischen Seifenrindenbaums (Quillaja saponaria Molina), Saponinen aus lokal wirtschaftlich nutzbaren Quellen (z.B. Leguminosen) und derzeit genutzten niedermolekularen Emulgatoren (Lecithin, Mono-und Diglyceride, Saccharoseester von Fettsäuren) untersucht. Im Sinne einer orientierenden Risikobewertung wird in Kooperation mit der Universität Hamburg die hämolytische Aktivität der Saponin­extrakte untersucht. Abschließend erfolgt am Beispiel von Emulsionen und Schäumen eine Beurteilung der Funktionalität in dispersen Lebensmitteln. 

  • Optimierung der Prozessstabilität und Funktionalität von saponin-basierten Mizellen als Träger für funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe (Studienstiftung des deutschen Volkes und TUB; 2012-2016)
    Projektbearbeiterin: M.Sc. Janine Tippel

    Es ist heutzutage generell akzeptiert, dass eine Vielzahl von Lebensmittelinhaltsstoffen existieren, die präventiv wirksam sind und somit positive Effekte auf die menschliche Gesundheit ausüben, die über die Abdeckung der grundlegenden physiologischen Bedürfnisse hinausgehen. Zu diesen funktionellen Lebensmittelinhaltsstoffen zählen beispielsweise Phytosterole, Polyphenole (z.B. Anthocyane und Flavonoide), Carotinoide und langkettige mehrfach ungesättigte Fettsäuren. Da es sich bei den funktionellen Inhaltsstoffen um aus pflanzlichen oder tierischen Rohstoffen isolierte Verbindungen handelt, besitzen diese in der Regel eine verringerte Stabilität und eine verminderte Bioverfügbarkeit. Die Bioverfügbarkeit kann im Fall von lipophilen Lebensmittelinhaltsstoffen durch strukturierte Trägersysteme wie z.B. Mizellen erhöht werden. Während diese Formulierungen gängige Technologien in anderen Sektoren wie z.B. der pharmazeutischen Industrie sind, ist ihre Nutzung im Lebensmittelbereich durch die begrenzte Verfügbarkeit lebensmitteltauglicher Tenside limitiert. 
    Das Ziel des Projekts ist es, das Verhalten von unter Verwendung von Quillaja-Saponin mizellierten, lipohpilen Lebensmittelinhaltsstoffen während der Trocknung am Beispiel des Luteins zu charakterisieren. Darauf aufbauend sollen Möglichkeiten, durch Interaktion mit Proteinen/Biopolymeren die Prozessstabilität zu erhöhen sowie die Freisetzung zu beeinflussen, untersucht werden.

  • Funktionalisierung von Mikrokapseln durch Wirbelschichtcoating (2012-2016)
    Projektbearbeiter: MSc. Adrian Kape

    Die Funktionalisierung von Lebensmittelinhaltstoffen dient je nach Anwendung und Art des Überzugs entweder dem Schutz vor äußeren Einflüssen während des Prozesses zur Verarbeitung der Lebensmittel oder der gezielten Freisetzung von Inhaltstoffen während des Transits im menschlichen Körper. Eine Möglichkeit zur Funktionalisierung von Lebensmittelinhaltsstoffen in Pulverform ist das Coaten der Partikel in der Wirbelschicht. Im Rahmen des Projekts  werden Coatingmaterialien hinsichtlich ihres Spreitens und Haftens auf den Primärpartikeln  charakterisiert. Diese Untersuchungen erfolgen über Tropfenkonturanalyse auf  systemnahen Modelloberflächen. In anschließenden Coatingversuchen werden die Prozessfähigkeit und die Qualität der Coatings überprüft. Hierzu zählen sowohl die physikalische Integrität und Homogenität als auch die Funktionalität.

  • Gezielte Grenzflächenstrukturierung zur Mikroverkapselung von lipophilen Wirkstoffen mittels Sprühtrocknung (DFG SPP 1423 "Prozess-Spray"; 2009-2015)
    Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Hanna Kastner; M.Sc. Frederic Tamm

    Gesamtziel des vorliegenden Projektes im SPP1423 war es, elementare strukturelle Veränderungen komplexer Emulsionen bei der Sprühtrocknung zu charakterisieren, Konsequenzen für die materialwissenschaftlichen Anforderungen an die Formulierung und Anforderungen an die Prozessauslegung zu definieren, und damit das Potential der Grenzflächenstrukturierung zur Herstellung mikroverkapselter Wirkstoffe mit modifizierter Phasengrenze zu untersuchen.

    In der ersten Projektphase wurde die Eignung verschiedener Polymer- und Proteinkombinationen zur Modifizierung der Öl-Wasser-Phasengrenze und deren Verhalten während der Sprühtrocknung sowie Möglichkeiten des Einsatzes von Proteinen und Proteinhydrolysaten zur Modifizierung der Partikeloberfläche untersucht. Schwerpunkt der zweiten Projektphase war eine vertiefende Charakterisierung der elementaren Prozesse an den Phasengrenzflächen während der Sprühtrocknung unter Einsatz von strukturell klar definierten Milchproteinen, Milchproteinhydrolysaten und -aggregaten. Das Protein b-Lactoglobulin wurde gezielt modifiziert (Hydrolyse, thermische Denaturierung, Fibrillierung, Bilayerbildung mit Hydrokolloiden), das Verhalten der proteinstabilisierten Emulsionen in Einzelprozessen und Prozessschritten (Homogenisieren, Zerstäubungsexperimente, Einzeltropfenexperimente zur Trocknung) untersucht.  In der dritten Projektphase wurde abschließend der Einfluss molekularer struktureller Parameter der verwendeten Hydrokolloide bzw. Biopolymere auf die Prozessierbarkeit und die Funktionalität der Feststoffpartikel untersucht werden. 
  • Entwicklung neuartiger Mikrokapseln, die für den menschlichen Verzehr geeignet sind, als auch eines industriellen Verfahrens zu deren technischer Herstellung (BMWT, AiF-ZIM; 2013-2015)
    Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Ricarda Wilde, M.Sc. Martina Klost

    Obwohl es bereits verschiedenste Mikrokapseln und Verfahren zu deren Herstellung gibt, so sind jedoch keine flüssig gefüllten Kapseln am Markt etabliert, die einen hohen Diffusionsschutz für flüssige Kernmaterialien, Lebensmitteltauglichkeit und ein einfaches, kostengünstiges Herstellungsverfahren miteinander vereinen. Diese Funktionalitäten sind jedoch entscheidend, um den Anwendungsbereich entlang der Wertschöpfungskette von Lebensmitteln erheblich zu erweitern. Ziel dieses Projekts ist es daher, neuartige, sprühbeschichtete hydrokolloidbasierte Mikrokapseln für den Einsatz im Lebensmittelbereich zu entwickeln, die geeignet sind, ein breites Spektrum an flüssigen Kernmaterialien einzuschließen. Im Rahmen eines ZIM-Kooperationsprojekts wurden neue Verfahren zur Kapselherstellung und Sprühbeschichtung entwickelt und die physikalisch-materialwissenschaftlichen Mechanismen der Wechselwirkungen von Hydrogelen und Coatingmaterialien wissenschaftlich erforscht, um geeignete Kapselmaterialien zu identifizieren.

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