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Anwendung nativer Casein-Micellen als Biotransporter für natürliche lipophile Lebensmittel-Inhaltsstoffe

Projekt

Ernährung und Verbraucherschutz

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Ernährung und Verbraucherschutz


Förderkennzeichen: AiF 18320 N, MRI-MF-08-132
Laufzeit: 01.09.2014 - 30.06.2017
Fördersumme: 437.900 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung

Das Ziel des Projekts besteht in der Schaffung der Voraussetzungen für ein industrietaugliches Verfahren zur Integration von lipophilen Lebensmittelinhaltsstoffen in natürliche Casein-Micellen (CM). Die zu entwickelnden Systeme sollen als Biotransporter zur Anwendung in fettreduzierten oder praktisch fettfreien Lebensmitteln dienen oder die Integration von lipophilen nutritiven Inhaltsstoffen in Säuglingsnahrungsmitteln vereinfachen.

In eigenen vorlaufenden Untersuchungen wurden die Möglichkeiten einer gezielten chemisch-physikalischen Desintegration und Reassoziation von natürlichen CM ohne Beladung mit einem lipophilen Inhaltsstoff untersucht. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf eine Kombination von Kühlung und auf eine moderate Ansäuerung gelegt. Die Caseine von CM sollten durch pH-Absenkung desintegrieren und im Anschluss wieder in ihre Ursprungsformation reassoziieren. Dabei zeigte sich, dass die CM nicht zerfallen, sondern aufgelockert werden und auf diese Weise das Potential zur Beladung mit hydrophoben Substanzen entsteht. In weiteren Untersuchungen wurde die Beladung dieser CM mit der hydrophoben Modellsubstanz beta-Carotin erprobt. Dabei wurden Magermilch, die Retentate aus Mikrofiltrationen und Ultrafiltrationen sowie ein durch Sprühtrocknung hergestelltes CM-Produkt (Handelsprodukt) für die Umsetzung mit ethanolischer beta -Carotin-Lösung verwendet. Bei der angewendeten Umsetzungsmethode, bei der native CM durch Tiefkühlung und vorübergehende Absenkung des pH-Wertes zunächst desintegriert, mit beta-Carotin beladen und anschließend durch Anheben des pH Wertes auf den Ausgangswert wieder reassoziiert werden, kam es bei allen untersuchten Ausgangssubstanzen zu einer deutlichen Steigerung des beta-Carotingehaltes in der micellenhaltigen Phase im Vergleich zur Umsetzung bei Tiefkühlbedingungen und nativem pH. In den bei abgesenktem pH umgesetzten nativen CM wurden höhere beta -Carotin-Gehalte nachgewiesen als in den aus Na-Caseinat hergestellten artifiziellen CM. Die Umsetzung bei abgesenktem pH führte jedoch zur Bildung größerer Caseinassoziate und veränderte somit die Größenverteilung der nativen CM, d.h. neben nanopartikulären beladenen Micellen wurden auch submikropartikuläre CM durch Laserbeugung detektiert. Die durch Tiefkühlung bei nativem und abgesenktem pH mit beta-Carotin umgesetzten CM wurden einer Gefriertrocknung unterzogen. Bei der Rehydratisierung und anschließenden Quantifizierung konnte gezeigt werden, dass nach dem Trocknungsprozess das beta Carotin nahezu unverändert nachweisbar war.

Um erstmalig frisch isolierte, native Caseinmicellen mit lipophilen Substanzen zu beladen, wurde Magermilch mikrofiltriert und dreimal diafiltriert, um Caseine an- und Molkenproteine abzureichern. In Vorbereitung auf die Beladung mit lipophilen Lebensmittel-Inhaltsstoffen wurde die Öffnung der Micellen durch Temperatur- und pH-Wert-Einstellungen untersucht. Dabei wurden im Rahmen des Projekts ein pH-Wert von 5,5 und eine Temperatur von 2 °C als optimale Parameter ermittelt. Ein Anheben der Temperatur und des pH-Wertes führte zu erneuter „Schließung“ der CM. Konditionierte CM-Suspensionen wurden erfolgreich mit Vitamin D2 (Vit. D2), β-Carotin und Docosahexaensäure (DHA) beladen. Im Vergleich zu Studien mit artifiziellen CM hat sich gezeigt, dass Vit. D2 und β-Carotin zu vergleichbaren und/oder höheren Gehalten in native CM eingelagert werden konnten. Versuche mit DHA haben hingegen zu deutlich geringeren Wiederfindungen geführt. Wie sich DHA in die micellare Phase einlagert hing außerdem wesentlich von der Darreichungsform ab. Ob native CM möglicherweise kein optimales Trägersystem für DHA darstellen oder das Setup und die Analyse angepasst werden müssten, konnte im Rahmen dieses Projektes nicht erarbeitet werden. Des Weiteren konnte ermittelt werden, dass die Zugabe von Molkenproteinen zu mit Vit. D2 beladenen CM und eine Erhitzung (85°C/ 2 min) einen stabilisierenden Effekt auf die Beladung ausübte. Für die praktische Anwendung beladener CM ist die Herstellung von Trockenprodukten und deren Stabilität wichtig. Hierzu wurden mit Vit. D2 beladene CM-Suspensionen sprüh- bzw. gefriergetrocknet und die erhaltenen Trockenprodukte charakterisiert. Die so produzierten Pulver wiesen alle einen vergleichbaren Vit. D2-Gehalt auf und waren lagerstabil: innerhalb von 3 Monaten blieb der Gehalt des lipophilen Stoffes in allen Pulvern konstant. In einem letzten Arbeitspaket wurde ein ausgewähltes Pulver einem Magermilch-Joghurt zugesetzt. Die Zugabe richtete sich dabei nach der DGE-Empfehlung für die tägliche Vit. D2-Aufnahme. Im Rahmen einer sensorischen Prüfung konnte das Panel keinen Unterschied zum nicht-zugesetzten Joghurt erkennen. Weiterhin wurde Magermilch-Joghurt mit Vit. D2 beladenen CM und mit reinem Vit. D2 angereichert. Im Rahmen einer in vitro-Verdauung hat sich gezeigt, dass noch 90% des verkapselten Vit. D2 nach der Proteolyse quantifiziert werden konnten und somit theoretisch den Dünndarm erreicht. Bei der Zugabe von reinem und daher ungeschütztem Vit. D2 waren es nur 59%, d. h. CM üben einen protektiven Einfluss auf Vit. D2 im Verlauf einer in vitro-Verdauung aus. In diesem Projekt wurden somit a) erstmals native CM mit den aufgeführten lipophilen Lebensmittel-Inhaltsstoffen mit Hilfe der beschriebenen Verfahrensschritte erfolgreich beladen und b) wichtige Informationen zur Stabilität der beladenen CM erhalten. Die beladenen CM stehen somit als Bio-Transporter für lipophile Lebensmittel-Inhaltsstoffe in fettfreien bzw. fettarmen Lebensmitteln zur Verfügung.

 

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