Food Process Engineering (LVT)

AiF 18070 N: Entwicklung eines Extrusionsverfahrens zur Herstellung von Emulgatoren für Lebensmittelanwendungen auf Basis von Protein - Polysaccharid Konjugaten

  • contact:

    Dr.-Ing. M. Azad Emin

  • project group:

    Extrusion

  • funding:

    AiF

  • startdate:

    1.3.2014

  • enddate:

    1.12.2016

Fast  alle  Fett  oder  Öl  enthaltende  Lebensmittel  sind  Emulsionen.  Hierbei  liegt  die  Fettphase  in  Formvon sehr kleinen Tropfen vor und trägtzu einer leichteren Verdauung bei. Zudem erlaubt es die Emul-sionsstruktur,  im  Produkt  Eigenschaften  zu  erzeugen,  die  für  Konsumenten  wichtig  sind:  Das  Fettrahmt langsamer oder gar nicht mehr auf, das Produkt bleibt homogen. Die Streichfähigkeit, Schneid-oder  Löffelbarkeit  wird  verbessert,  ein  cremiges  Mundgefühl  erzeugt.  Wurst,  Milch  und  Milchproduk-te,  Margarine,  Mayonnaise  u.a.  streichfähige  Brotbeläge,  viele  Getränke  und  Soft  Drinks,  Dessert-Cremes  oder  auch  die  zahlreichen  kulinarischen  Saucen  am  Marktenthalten  daher  Fett  in  Form  feinemulgierter Tropfen.Emulsionsstrukturen  sind  allerdings  thermodynamisch  nicht  stabil.  Nach  einiger  Zeit  koaleszieren  dieTropfen  und  die  Phasen  entmischen  sich.  Daher  brauchen  alle  Emulsionen  Hilfsstoffe,  s.g.  Emulgato-ren.  Alle  Emulgatoren  sind  Zusatzstoffe  und  als  solche  zu  deklarieren,  oft  mit  E-Nummern.  Sie  sindmeist nur für bestimmte Produktgruppen und/oder in bestimmten Konzentrationen zugelassen.Verbraucher  wünschen  heute  verstärkt  s.g.  „Clean(-er)  Label  Produkte“  mit  natürlichen  Hilfsstoffenohne E-Nummern. Proteine und Polysaccharide stellen solche dar. Proteine, insbesondere Milchprote-ine,  sind  natürliche  Emulgatoren,  die  in  Backwaren,  Fleischwaren,  Milchprodukten  und  anderen  Le-bensmitteln weit verbreitet eingesetzt werden. Allerdings wird die industrielle Nutzung von Proteinenals Emulgatoren durch ihre Empfindlichkeit gegenüber Hitze, Salze und Änderungen im pH-Wert einge-schränkt. Daher werden sie oft mit natürlichen langkettigen Kohlenhydraten o.a. Hydrokolloiden kom-biniert.  Diese  übernehmen  dann  die  Aufgabe  Wasser  zu  binden,  das  Produkt  damit  viskoser  zu  ma-chen, und so die Fettphase gegen ein Aufrahmen zu stabilisieren. Polysaccharide werden in Konfitüren,Getränken, Saucen oder Desserts daher heute schon gerne eingesetzt.Viele Polysaccharide können alsnatürliche „Stabilisatoren“ oder „Dickungsmittel“ eingesetzt werden, aber nur wenige wirken gleichzei-tig als Emulgatoren.Japanische Forschergruppen, die im Bereich der Entwicklung neuartiger, natürlicher Emulgatoren ohneZulassungsbeschränkung arbeiteten, haben Anfang der 1990er Jahre herausgefunden, dass aus Protei-nen und Polysacchariden durch Mischen und Erwärmen ein s.g. Konjugat entsteht, bei dem- laut die-sen Veröffentlichungen– beide Moleküle kovalentgebunden vorliegen, und so beispielsweise allerge-ne  Strukturen  maskiert  werden.  Weitere  Forschergruppen  zeigten  in  den  folgenden  Jahren,  dass  dieKonjugate  besser  in  Lebensmitteln  löslich,  thermisch  stabiler  und  zudem  gegenüber  Änderungen  despH-Wertes und der Salz- bzw. Zuckerkonzentration deutlich insensibler sind als Proteine oder Polysac-charide alleine. Das herausragende Merkmal der Protein-Polysaccharid-Konjugate aber sind die exzel-lenten Eigenschaften als Emulgatoren, die sogar teilweise kommerziellen Emulgatoren überlegen sind.Diese  Molekülgruppe  stellt  damit  für  die  gesamte  Lebensmittelbranche  eine  äußerst  interessante  Al-ternative als naturbasierte, breit einsetzbare Emulgatoren dar.Leider  ist  allerdings  bislang  kein  Herstellverfahren  bekannt,  mitdem  für  eine  kommerzielle  Nutzungausreichende  Mengen  hergestellt  werden  könnten.  Die  bislang  bekannten  Verfahren  beinhalten  einMischen, Einfrieren, Gefriertrocknen und anschließend tagelanges Inkubieren im Trockenschrank. Diesist  nur  im  Labormaßstab  realisierbar.  Die  Kosten  dieses  Verfahrens  erlauben  auf  keinen  Fall  eineMarkteinführung.  Ein  2009  patentiertes  Alternativverfahren  ermöglicht  zwar  die  Herstellung  größererMengen  zu  günstigeren  Kosten,  ist  aber  mit  Prozesszeiten  von  24  Stunden  pro  Batch  immer  noch2schwer technisch umsetzbar. Außerdem liegt die Ausbeute bei den momentan verfügbaren Verfahrenunter 10%.Das hier vorgeschlagene innovative Herstellverfahren würde erstmals die Herstellung solcher Konjuga-te  in  einem  kontinuierlichen  Verfahren  mitdeutlich  geringeren  Prozesszeiten  und  Herstellkosten  er-lauben.  Die  Idee  zu  diesem  Verfahren  kommt  aus  einer  Publikation  einer  brasilianischen  Arbeitsgrup-pe, die zeigen konnte, dass sich die Extrusion prinzipiell als Herstellverfahren für solche Konjugate eig-net. In 2012 erschien eine Publikation einer spanischen Arbeitsgruppe, die zudem die Konjugatbildungbei  Extrusionsbedingungen  nachwies.  Die  emulgierenden  Eigenschaften  der  Produkte  wurden  aller-dings nicht untersucht.Das hier vorgeschlagene Projekt soll diese Lücke im heutigen Wissensstand schließen. Ein Herstellver-fahren  auf  Basis  der  Extrusion  soll  ausgearbeitet  und  gleichzeitig  systematisch  der  Einfluss  der  Her-stellparameter auf die emulgierenden Eigenschaften der Konjugate aufgezeigt werden. So soll der Le-bensmittelbranche  eine  Chance  auf  Einsatz  dieser  Molekülgruppe  in  emulsionsbasierten  Produkteneröffnet werden.