Forschung
Aktuelle Nachwuchsgruppen
Forschung an der LVT: Prozesse verstehen, Strukturen gestalten, Lebensmittel neu denken
Die nachhaltige Herstellung von Lebensmitteln zählt zu den zentralen Herausforderungen unserer Zeit. Bei der Lebensmittelverfahrenstechnik am KIT entwickeln wir innovative verfahrenstechnische Ansätze, um Lebensmittel ressourcenschonend zu produzieren und neue Rohstoffe gezielt nutzbar zu machen. Im Zentrum steht dabei eine ingenieurwissenschaftliche Leitfrage: Wie lassen sich durch gezielte Prozessführung und geeignete Formulierung definierte Lebensmittelstrukturen erzeugen, die gewünschte Produkteigenschaften ermöglichen?
Unsere Forschung folgt konsequent den Prinzipien der Prozess–Struktur–Eigenschafts-Beziehungen. Wir untersuchen, wie Verarbeitungsprozesse und Rohstoffsysteme zusammenwirken, welche Mikro- und Makrostrukturen daraus entstehen und wie sich diese gezielt einstellen lassen. Als zweiten Schritt erforschen wir die Zusammenhänge zwischen diesen erzeugten Strukturen und den vom Kunden wahrgenommenen Produkteigenschaften. Dieses Verständnis ist insbesondere entscheidend, um mit schwankenden, weniger aufgereinigten oder neuartigen Rohstoffen reproduzierbare und qualitativ hochwertige Lebensmittel herzustellen.
Schlüsseltechnologien der Lebensmittelstrukturierung
Die gezielte Gestaltung von Lebensmittelstrukturen erfordert ein tiefes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse. Unsere Forschung konzentriert sich auf zentrale Technologien, die maßgeblich bestimmen, wie sich Struktur und Funktion von Lebensmitteln ausbilden.
Emulgieren: Strömung gezielt nutzen
Emulsionen sind zentrale Strukturelemente vieler Lebensmittel. Wir untersuchen Emulgierprozesse über verschiedene Längenskalen hinweg – von technischen Anlagen bis hin zu mikrofluidischen Systemen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Hochdruckhomogenisation, bei der Strömungsbedingungen experimentell und simulativ analysiert werden. Ziel ist es, den Einfluss von Strömungsformen und Kavitationseffekten zu verstehen und darauf aufbauend angepasste Zerkleinerungsgeometrien zu entwickeln, die vorteilhafte Strömungsbedingungen ermöglichen. Ergänzend werden Rotor-Stator-Systeme betrachtet. Mikrofluidische Systeme dienen darüber hinaus als präzises Werkzeug zur Herstellung definierter, monomodaler Tropfen, Kapseln und Partikel, die sowohl für die Verkapselung funktioneller Inhaltsstoffe als auch als Modellsysteme für grundlegende Untersuchungen, z.B. bezüglich der Effektivität unterschiedlicher Emulgatoren, eingesetzt werden.
Extrusion: Strukturierung unter komplexen Fließbedingungen
Die Extrusion ist ein Schlüsselverfahren zur Strukturierung von Lebensmitteln, insbesondere im Kontext pflanzenbasierter Fleischalternativen. Untersucht werden sowohl Trocken- als auch Nassextrusionsprozesse mit dem Ziel, die Ausbildung anisotroper, fleischähnlicher Strukturen besser zu verstehen und gezielt steuern zu können. Da der Extruder selbst messtechnisch nur eingeschränkt zugänglich ist, werden experimentelle Untersuchungen mit rheologischen Charakterisierungen und Simulationen kombiniert, um die zugrunde liegenden Strömungs- und Strukturierungsmechanismen in dieser „Black Box“ aufzuklären.
Sprühtrocknung: Energieeffizienz und Partikeldesign
Trocknungsprozesse gehören zu den energieintensivsten Verfahrensschritten in der Lebensmittelproduktion. Unsere Forschung zielt darauf ab, diese Prozesse effizienter zu gestalten und gleichzeitig Produkteigenschaften gezielt einzustellen. Im Fokus steht die Entwicklung und Optimierung von Sprühdüsen auf Basis von Modellstoffsystemen. Durch ein verbessertes Verständnis der Tropfenbildung und -verteilung lässt sich der Energieverbrauch reduzieren und Partikeleigenschaften gezielt beeinflussen. In der aktuellen Forschung fokussieren wir uns auf die Trocknung herausfordernder Rohstoffe, wie beispielweise viskoelastisches Gummi arabicum oder temperaturempfindliche Proteine und Mikroorganismen.
Nachhaltige Rohstoffe gezielt erschließen
Neben der Prozessentwicklung spielt die Formulierung eine zentrale Rolle. Im Fokus stehen nachhaltige und alternative Rohstoffe, darunter pflanzliche Proteine aus Erbse oder Ackerbohne, Stärke sowie Hydrokcolloide wie Gummi arabicum. Darüber hinaus werden funktionelle Komponenten aus Neben- und Restströmen der Lebensmittelindustrie, beispielsweise Pektine, sowie weniger stark aufgereinigte Rohstoffe wie Leguminosenmehle untersucht. Ergänzt wird dieses Spektrum durch mikrobielle Rohstoffe, insbesondere Single-Cell-Proteine aus Mikroorganismen wie Saccharomyces cerevisiae oder Koji-Kulturen. Ziel ist es, sowohl tierische Produkte durch pflanzliche Alternativen zu ersetzen als auch bislang wenig genutzte Rohstoffe als funktionale Bestandteile von Lebensmitteln zu erschließen. Gleichzeitig ist ein fundiertes Verständnis klassischer Rohstoffsysteme essenziell, um grundlegende Strukturierungsmechanismen zu identifizieren und auf neue Systeme zu übertragen.
Von der Grundlagenforschung zum Produkt
Das gewonnene Prozess- und Formulierungsverständnis wird gezielt an exemplarischen Produktsystemen validiert. Dazu zählen unter anderem Fleischersatzprodukte und texturierte Pflanzenproteine sowie Milch und daraus hergestellte Produkte und deren pflanzliche Alternativen. Diese Systeme stehen stellvertretend für ganze Produktklassen und ermöglichen es, die Übertragbarkeit der entwickelten Ansätze systematisch zu prüfen.
Interdisziplinär und anwendungsnah
Die Bearbeitung dieser Fragestellungen erfolgt interdisziplinär in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus der Lebensmittelchemie, Polymerchemie und Ernährungswissenschaft. Gleichzeitig werden Synergien durch Kooperationen mit anderen verfahrenstechnisch orientierten Instituten genutzt. Als ingenieurwissenschaftlich geprägte Disziplin legt die Lebensmittelverfahrenstechnik am KIT zudem großen Wert auf die praktische Anwendung seiner Forschung. Ein breites Netzwerk an Industriepartnern ermöglicht es, neue Ansätze unter realen Bedingungen zu testen und weiterzuentwickeln. Auf diese Weise trägt die Forschung dazu bei, Lösungen für eine nachhaltige, sichere und qualitativ hochwertige Lebensmittelversorgung zu entwickeln.
Grenzflächenfunktionalität von Biopolymeren auf Pektinbasis
Unsere Forschungsarbeiten werden motiviert durch die Möglichkeit, Emulsionen mit spezifischen Morphologie-, Stabilitäts- und Freisetzungseigenschaften nur unter Verwendung natürlicher Biopolymere als Additive herzustellen. Wir entwickeln analytische Werkzeuge, um Stabilisierungsmechanismen von Biopolymeren und Mikrogel-Partikeln auf Pektinbasis grundlegend zu verstehen und zu untersuchen.
Verkapselungsmethoden für Lebensmittel- und Biotechnologieanwendungen
Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Verkapselung von Ölphasen mit verschiedenen Prozessen vorantreiben. Dabei steht die Emulgiertechnologie im Vordergrund. Das Verständnis der Auswirkungen der Prozessführung auf die Struktur und die Endprodukteigenschaften soll geschaffen werden und damit verbesserte Produkte zu ermöglichen. Die Zielanwendungen liegen dabei hauptsächlich im Lebensmittel- und Life-Science-Bereich.