TU Berlin

Lebensmitteltechnologie und -materialwissenschaftenForschung

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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

  • Entwicklung mechanisch-enzymatischer Verfahren zur Herstellung niedrigviskoser Ballaststoffkonzentrate (2021-2023, AiF 21616N)
    Projektbearbeiter*innen: Dr. Rocio Morales, Prof. Dr. Stephan Drusch

    Die in Lebensmitteln enthaltenen Faserstoffe werden unter dem Begriff „Ballaststoffe“ als nicht verwertbare Lebensmittelinhaltsstoffe zusammengefasst und als wichtiger Faktor für die Gesundheit angesehen.Bei der Anreicherung von Lebensmitteln mit Ballaststoffen existieren jedoch noch Limitationen. Zellulose und hemizellulosereiche Ballaststoffe aus Getreide oder Leguminosen können zwar in festen Lebensmitteln wie z.B. Backwaren eingesetzt werden, eine Anreicherung von gelartigen oder flüssigen Lebensmitteln ist jedoch aufgrund der sensorischen Veränderungen nur bedingt möglich. Hier werden eher Rohstoffe mit einem hohen Anteil an löslichen Ballaststoffen wie z.B. β-glukanreiche Getreidefraktionen oder pektinreiche Apfelfasern eingesetzt. Diese haben (teils durch mechanischen Aufschluss) eine hohe Wasserbindekapazität und unterstützen die Strukturausbildung in diesen Lebensmitteln. Aufgrund dieser Eigenschaft können jedoch häufig nicht die für eine Auslobung notwendigen Mengen von 3 bzw. 6 g/100 g in Lebensmittel eingebracht werden , damit das Produkt als „Ballaststoffquelle“ bzw. „reich an Ballaststoffen“ beworben werden kann. Daher existiert aus Sicht der Anwender ein hoher Bedarf an niedrigviskosen, partiell abgebauten Ballaststoffkonzentraten, die sich in entsprechenden Mengen in gelartige und flüssige Lebensmittel einbringen lassen, ohne die Produkteigenschaften zu verändern. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, kombinierte mechanisch-enzymatische Verfahren zur Herstellung niedrigviskoser Ballaststoffkonzentrate mit erhöhtem Anteil an niedermolekularen Ballaststoffkomponenten (Oligosacchariden) zu entwickeln und deren grundsätzliche Eignung zum Einsatz in gelartigen und flüssigen Lebensmitteln aufzuzeigen. Hierbei ist das Profil der erhaltenen Ballaststoffkonzentrate abhängig von der Faserzusammensetzung des Ausgangsstoffes sowie der Auswahl an Prozessparametern und eingesetzter Enzyme sowie dem Zeitpunkt des Enzymeinsatzes.
  • InSect PRO HEALING (2021-2023)

    Projektbearbeiterin: M.Sc. Martina Klost

    Vor dem Hintergrund des Klimawandels ist ein Umdenken in vielen Bereichen des täglichen Lebens notwendig. Einer dieser Bereiche ist unser Gesundheitssystem, das einerseits stark von den gesundheitlichen Folgen des Klimawandels betroffen ist, und andererseits durch Produktion, Transport, und Entsorgung von Gütern mit 4,4% der weltweiten Treibhausgasemissionen selbst einen nicht unerheblichen Anteil am Klimawandel hat. Ein Ansatz diese Emissionen zu reduzieren ist der Aufbau nachhaltiger Produktionsketten in denen der Einsatz funktionell gleichwertiger Medikamente und Medizinprodukte mit geringer CO2 Emission im Mittelpunkt steht. Im Bereich der Wundbehandlung haben sich natürliche Polymere in diesem Zusammenhang als vielversprechende Materialien erwiesen. Allerdings werden hierbei bislang hauptsächlich Rohstoffe tierischen Ursprungs eingesetzt, deren Gewinnung mit einem erhöhten Verbrauch an Ressourcen (wie z.B. Futtermitteln) und einer in Vergleich zu anderen Rohstoffen deutlich höheren CO2 Emission assoziiert ist. Eine ressourcenschonende Rohstoffquelle, die zudem aufgrund ihres im Vergleich zur Rinderproduktion 70-fach geringeren CO2-Fußabdrucks immer mehr an Bedeutung gewinnt sind Insekten.

    Ziel von InSect PRO HEALING ist es Insektenproteine als ökoinnovative nachhaltige Ressource für Wundverbandsmaterialien zu untersuchen und funktionalisieren. Am Fachgebiet Lebensmitteltechnologie und -materialwissenschaften liegt der Schwerpunkt in InSect PRO HEALING hierbei auf der grundlegenden Charakterisierung des Rohstoffs und auf der Untersuchung der Gelbildungseigenschaften des Proteins. In diesem Zusammenhang sollen insbesondere Wechselwirkungen mit weiteren Inhaltstoffen untersucht und Parameter identifiziert werden, anhand derer die Geleigenschaften gezielt beeinflusst werden können. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Lebensmittelchemie und Toxikologie, der internationalen Forschungsgemeinschaft Futtermitteltechnik e.v. / Hochschule Bremerhaven, dem Leibnitz Institut für Agrartechnik und Bioökonomie und dem Forschungszentrum für Haut und Haarforschung / Charité Universitätsmedizin Berlin durchgeführt.

      • Technofunktionelle Mischfraktionen aus Raps für den Einsatz in dispersen Lebensmittelsystemen (2020-2023, AiF 21442N)

        Projektbearbeiter*innen: Julia Drzazgowska, Dr. Monika Brückner-Gühmann

        Nach wie vor bleiben Pflanzenproteine aus Ölsaaten als Nebenprodukt der Ölgewinnung in der Humanernährung weitestgehend ungenutzt. Eine Aufbereitung des im Presskuchen oder Extraktionsschrot enthaltenen Proteins ist in der Form von Mehlen, Konzentraten oder Isolaten denkbar. In der Vergangenheit fokussierte die Forschung dabei auf einen hohen Veredelungsgrad, d.h. (begleitstoff-freie) Proteinisolate. Allerdings benötigt die Herstellung von hoch reinen Zutaten bei komplexen Materialien große Mengen an Wasser und/oder Lösemitteln, sowie eine aufwendige gerätetechnische Ausstattung. Neben den aufwendigen Bearbeitungsschritten, die zur Herstellung von Proteinisolaten zum Einsatz kommen, findet fast immer auch eine erhebliche Beanspruchung des Proteins statt. Die intensive, insbesondere thermische Behandlung, der Proteine während der Gewinnung ausgesetzt sind, bewirkt unter Umständen eingeschränkte Technofunktionalitäten.

        Ziel des Forschungsprojektes ist die Erweiterung des Anwendungsspektrums der Nebenprodukte Rapspresskuchen und Rapsextraktionsschrot bzw. daraus gewonnener Produkte und Fraktionen. Durch Anwendung milder Fraktionierungsverfahren wie einer wässrigen Direktextraktion sowie einer trockenen Fraktionierung (Vermahlung, Sichten) und einer Kombination eines trockenen und wässrigen Fraktionierungsverfahrens, können funktionelle Mischfraktionen gewonnen werden, die als funktionelle Inhaltsstoffe in Modellsystemen eingesetzt werden können. Das Projekt fokussiert neben Öl-in-Wasser-Emulsionen (Ö/W-Emulsionen) auf feste Schäume (Backwaren) und Gele (säure-induzierte Gele). Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem ILU (Institut für Lebensmittel- und Umweltforschung e. V.) durchgeführt.

      • Fettkristallinität in Emulsionen: Einfluss des molekularen Aufbaus von Emulgatoren, Fettkugelgröße und Temperaturführung im Abkühlschritt auf die Fettkristallinität und Texturstabilität von Produkten aus emulgierten Triglyceriden (2020-2023, AiF 21099N)

        Projektbearbeiter*innen: M.Sc. Kerstin Risse, Prof. Dr. Stephan Drusch

        H-Milch- und Sahneprodukte, klassische Trockenmilcherzeugnisse wie Instantgetränke, Toppings, Kaffeeweißer, oder diätetische Lebensmittel wie flüssige und sprühgetrocknete Säuglingsanfangs- und Folgenahrung zählen zu den Milchprodukten, bei denen die Triglyceride in proteinreichen kontinuierlichen Phasen emulgiert sind. Für stabile Produkttexturen werden hohe Festfettgehalte benötigt, was durch Wahl von hochschmelzenden Triglyceriden lösbar ist. Da dies allerdings aufgrund des hohen Anteils an gesättigten Fettsäuren ernährungsphysiologisch wenig sinnvoll ist, müssen Lösungen gefunden werden, um bei gleichbleibenden Produktstabilitäten Triglyceride mit niedrigeren Schmelzpunkten einsetzen zu können.

        Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher aufzuzeigen, wie hohe Anteile an stabilen Kristallmodifikationen in emulgierten Triglyceridtropfen erreicht werden können. Die Kristallisation von emulgierten Triglyceriden wird u.a. stark durch die Molekülstruktur der an der Grenzfläche adsorbierten Emulgatoren beeinflusst, welche als Kristallisationskeim dienen können. Es soll ermittelt werden, wie durch eine Kombination eines strukturell ausgewählten Emulgators und eine an die Fettkugelgröße angepasste Temperaturführung auch bei niederschmelzenden Triglyceriden ein hoher Anteil an stabilen kristallinen Fettpartikeln erreicht werden kann. Dies wird an Produkten, die aus Triglycerid-Mischungen bestehen, überprüft. Abschließend werden Handlungsempfehlungen für Formulierung und Prozessdesign abgeleitet. Das Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem KIT (Institut für Lebensmittelverfahrenstechnik Karlsruhe) durchgeführt.

      • Horizon2020-Marie Curie Projekt "ENCAP4HEALTH" - Innovative sustainable ENCAPsulation systems for improving human HEALTH and well-being (2020-2023)

        Projektbearbeiter*innen: Dr. Rocio Morales, Prof. Dr. Stephan Drusch

        Funktionelle Lebensmittel werden mit wertvollen Nährstoffen angereichert oder sind frei von bestimmten Bestandteilen wie Laktose oder Gluten. Unter funktionellen Inhaltsstoffen versteht man bioaktive Substanzen, die zur Herstellung funktioneller Lebensmittel verwendet werden. Das EU-finanzierte Projekt ENCAP4HEALTH will mit einem Verfahren zur Herstellung von Mikrokapseln auf Biopolymerbasis die Funktionalität, Verdaulichkeit und Aufnahme solcher bioaktiver Substanzen verbessern. Das Projekt vereint 50 internationale Fachleute aus 12 Einrichtungen zusammen (technische, medizinische und universitäre Hochschulen, KMU und multinationale Unternehmen), um an neuen Biopolymeren zu forschen und effiziente und nachhaltige Verkapselungstechnologien zu entwickeln. Die Ergebnisse sollen die Kosten verschiedenster Anwendungen im Gesundheits- und Lebensmittelbereich senken und Marktchancen im Lebensmittelsektor öffnen, was vor allem für die Lebens- und Futtermittelerzeugung, die Pharmaindustrie und den biomedizinischen Sektor von Bedeutung sein dürfte.

        Basierend auf den drei Bereichen der Forschung und Innovation:

        Identifizierung von innovativen Materialien, 

        Intelligente Prozesssysteme zur Anpassung von Verkapselungssystemen,

        Bewertung von Formulierung und Funktionalität. 

        ist ENCAP4HEALTH eine einzigartige Gelegenheit und ermöglicht den Aufbau eines nachhaltigen Kooperationsnetzwerks, von sowohl akademischen als auch nicht-akademischen Organisationen.

      • BerryPlus – Wertsteigernde Aufarbeitung von Johannisbeertrester (AiF/FEI AiF 20917 BG,  2020-2022)

        Projektbearbeiter*innen: Dipl.-Lebensmittelchemikerin Vivienne Sankowski, 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, Dr. 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, Dr. 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.

      • 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: Dr. 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.

      • 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/

     

Abgeschlossene Forschungsprojekte

  • 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.

    • Sprühtrocknung von Emulsionen: Untersuchungen zum Öltropfenaufbruch bei der Druckzerstäubung (AiF 19312 N; 2017-2020)
      Projektbearbeiterinnen: M.Sc. Theresia Heiden-Hecht, Dr. Monika Brückner-Gühmann

      Gesamtziel des Projekts war 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 wurde in Zusammenarbeit mit dem KIT (Institut für Lebensmittelverfahrenstechnik) durchgeführt. Der Fokus der Arbeiten an der TU Berlin lag 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) wurden 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. Eine Zusammenfassung der Prjektergebnisse finden Sie hier.

    • 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 Funktionalität 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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