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Hochporöse Aerogelpartikel aus Protein als Trägermatrix für sensitive und sensorisch störende Stoffe in Lebensmitteln
Projekt
Förderkennzeichen: AiF 17485 N
Laufzeit: 01.01.2013
- 31.12.2016
Fördersumme: 524.250 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
In der Lebensmittelindustrie besteht Bedarf an Transport- bzw. Schutzmatrices für sensitive Substanzen, die vor Umgebungseinflüssen ge-schützt bzw. für sensorisch störende Stoffe, die maskiert werden müssen. Die Anforderungen an die in diesen Bereichen verwendeten Matrices sind eine hohe Biokompatibilität, eine gute bio-logische Abbaubarkeit sowie Tauglichkeit für den humanen Konsum. Diesen Anforderungen werden Gele aus Hydrokolloiden, wie Proteine, in hohem Maße gerecht. Bisher bekannte Ver-fahren des Verkapselns sensitiver Inhaltsstoffe in Milchprotein-Hydrogelen weisen jedoch eine eingeschränkte Beladungskapazität auf, weil hier die Zugabe des Kernmaterials vor der Gelbildung erfolgt und durch dessen Konzentration stark beeinflusst werden kann. Im Gegensatz dazu können Aerogelsysteme nach vollständig abge-schlossener Gelbildung beladen werden und die Gelbildung somit uneingeschränkt von Sensitivi-tät und Konzentration des Kernmaterials ablau-fen.
Vorarbeiten zeigten, dass Protein-Hydrogele er-folgreich in eine Aerogelform überführt werden können. Während bei Trocknung unter Umge-bungsbedingungen sowie bei der Gefriertrock-nung der Strukturerhalt wegen unvermeidbarer Spannungen (Schrumpfen, Zerbrechen) in der Matrix sowie das Bereitstellen von großen ad-sorptiven Oberflächen unüberwindbare Limitie-rungen aufweisen, kann bei der überkritischen Trocknung die Struktur des Gels mit extrem ho-her innerer Oberfläche (bis 490 m2 g-1) bewahrt werden. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die erreichbare Konzentration des Kernmaterials bei einer adsorptiven Beladung wegen der gro-ßen inneren Oberfläche in Aerogelsystemen we-sentlich höher ist als in Hydrogelen oder gefrier-getrockneten Proben. Bei der überkritischen Imprägnierung mit einem Modellwirkstoff konnte eine Beladungskapazität von 9,1 % (w/w) festgestellt werden, wohingegen bei gefriergetrockneten Cryogelen maximal 0,4 % (w/w) Ketoprofen
adsorptiv gebunden wurden. Die für
die Beladung notwendige Stabilität des Kernmaterials
in überkritischem CO2 ist auch für Substanzen
wie Fischöl und Coffein gegeben und
konnte selbst für solche Stoffe wie Enzyme belegt
werden.
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung
einer Basistechnologie zur Herstellung von
biokompatiblen, lebensmitteltauglichen Aerogelen
auf der Basis von Proteinen als Matrices zur
Verkapselung sensitiver oder sensorisch störender
Stoffe. Als Modellsubstanzen werden hierbei
Fischöl (enthält mehrfach ungesättigte ω-3-
Fettsäuren) und Coffein eingesetzt. Es sollen die
Verfahrensabläufe in Wechselwirkung mit unterschiedlichen
Proteinmatrices soweit verstanden
werden, dass Aerogele als Verkapselungssysteme
mit unterschiedlichen Eigenschaften für eine
Vielzahl unterschiedlicher Stoffe angewendet
werden können. Auf dieser Basis sollen Auslegungswerkzeuge
für die spätere Anwendung in
einer breiten Produktpalette geschaffen werden.
Der angestrebte Schutzeffekt soll zusätzlich
durch eine Beschichtung der Aerogelmikropartikel
verstärkt werden, wodurch außerdem eine
kontrollierte Freisetzung des Kernmaterials erreicht
werden kann. Es soll ein Verfahren entwickelt
werden, dass eine Beschichtung dieser besonders
leichten und kleinen Partikel zulässt und
dabei deren inhärente Eigenschaften erhält.
Wirtschaftliche Bedeutung:
Die im Rahmen des Vorhabens gewonnenen nanoporösen
Strukturen können in erster Linie als
Trägermaterialien für sensitive oder sensorisch
störende Substanzen (Fischöl (ungesättigte Fettsäuren),
Coffein, Vitamine, Anthocyane, Xanthohumol),
aber auch für andere niedermolekulare,
z.T. auch bioaktive Substanzen fungieren.
Von den Ergebnissen profitieren vor allem die
Hersteller von Nahrungsergänzungsmitteln sowie
die Produzenten spezieller funktioneller Lebensmittel.
Aerogelmikrokapseln sind in verschiedensten
Produkten, wie Joghurt, Buttermilch/Molkedrinks,
Getränken, Getränkepulvern (z.B. im
Sportbereich) oder auch in Backwaren, einsetzbar.
Genauso kann die Technologie auch neue
Absatzmärkte für die Zulieferer der Lebensmittelindustrie
schaffen. Die Resultate sind außerdem
für Maschinen- und Anlagenbauunternehmen
von Relevanz, da diese die Ergebnisse in die
Weiterentwicklung von CO2-Hochdruckanlagen
und Strahlschichtbeschichtungsanlagen einfließen
lassen können. Das Verwenden der hochporösen,
wasserunlöslichen Aerogele auf Basis von
Proteinen ermöglicht neuartige Einsatzgebiete
oder verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu
den bisher bekannten hydrogelbasierten Verkapselungssystemen.
Hieraus ergibt sich ein breites
Anwendungsspektrum für Mikroverkapselungssysteme
sowohl in Bezug auf die Kernmaterialien
als auch für Lebensmittel, in denen Mikrokapseln
zum Einsatz kommen.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik Lebensmittel
- Lebensmittelmikrobiologie
Ausführende Einrichtung
Zentralinstitut für Ernährungs- und Lebensmittelforschung (ZIEL)
