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Gewinnung ß-Lactoglobulin-freier Molkenerzeugnisse mittels selektiver thermischer Aggregation und Fraktionierung der entstandenen Komponenten
Projekt
Förderkennzeichen: AiF 18126 N
Laufzeit: 01.01.2014
- 31.12.2016
Fördersumme: 298.100 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Molkenproteinkonzentrate (WPC) und zu 90 % demineralisierte Molken sind die wich-tigsten Milchrohstoffe zur Herstellung von humanmilchangenäherten Säuglingsnah-rungsprodukten und anderen diätetischen Molkenprodukten. Der weltweite Bedarf an diesen Rohstoffen nimmt stetig zu, diese Produkte weisen zudem für viele molkenver-arbeitende Unternehmen die höchste Wert-schöpfung auf. Grundsätzlich kommt β-Lactoglobulin (β-Lg) in Humanmilch nicht und Kaseine nur zu einem wesentlich geringeren Anteil als in Kuhmilch vor. Da Kasein in Mol-ke nicht enthalten ist, muss zur Annäherung an Humanmilch der molkenbasierten Nahrun-gen β-Lg möglichst vollständig abgereichert werden.
Ein Weg zur Abtrennung von β-Lg aus Molke und Molkenkonzentraten ist die gezielte thermische Aggregation einer der Molkenpro-teinhauptfraktionen β-Lg und α-Lactalbumin (α-La). Die entstandenen Aggregate können mittels absatzweise arbeitender Zentrifuga-tion oder Membranfiltration im Diafiltrations-modus abgetrennt werden. Für dieses Ver-fahren ergeben sich aber Limitierungen, so dass eine industrielle Umsetzung bislang nicht erfolgt ist. Die Diafiltration umfasst zehn Schritte, um eine gute Ausbeute der α-La-Fraktion zu erzielen, woraus ein hoher Zeit- und Wasserbedarf resultiert. Die Ab-trennung von Molkenproteinaggregaten wur-de bisher nur in absatzweise arbeitenden Laborzentrifugen untersucht. Voraussetzung für eine industrielle Umsetzung ist jedoch ein kontinuierlich arbeitendes Zentrifugationssys-tem. Die zur Auslegung eines solchen Pro-zesses notwendigen Sedimentationsbedin-gungen sind nicht bekannt. Ferner ist nicht bekannt, ob die sich ergebenden Sedimente in verfügbaren Systemen austragbar sind. Ein zusätzlicher Nachteil bei der thermischen Aggregation kann ein Verlust der nativen Proteinstruktur der nicht aggregierten Protei-ne sein, wodurch die Ausbeute gemindert wird.
Chromatographische Verfahren sind bisher auf den Labormaßstab beschränkt und damit im Durchsatz stark limitiert. Neuere Arbeiten mit Membranadsorbern zeigen, dass chromatographische Prozesse bevorzugt unter Um-ständen, welche die Bindungskapazität von Adsorbern nicht überlasten, industriell An-wendung zur Fraktionierung von Molkenpro-teinen finden können. Das Erreichen der ma-ximalen Bindungskapazität bereits nach kur-zer Standzeit ist ohne vorgeschaltete Schritte bei dem relativ hohen Anteil des in Molke mengenmäßig dominierenden β-Lg aber kaum zu vermeiden.
Es besteht Bedarf an einem neuen Fraktionie-rungsprozess, welcher die Wirtschaftlichkeit existierender Verfahren übersteigt und der zum Erhalt der nativen Eigenschaften der nicht abgereicherten Proteine in der Lage ist. Dieser Prozess sollte die Stärken der o.g. Trennmethoden nutzen, deren Limitationen jedoch eliminieren oder durch jeweils metho-dengerechten Einsatz umgehen. Dies kann durch eine geeignete Kombination von Pro-zessbedingungen bzw. von sich ergänzenden Trennmethoden erreicht werden.
In der Zusammenschau ist festzustellen, dass eine β-Lg-Abreicherung drei wesentliche Vor-teile mit sich bringt: Eine Reduktion der Prä-gung auf Fettleibigkeit, eine Möglichkeit der besseren Annäherung an das Aminosäurepro-fil in Humanmilch sowie an das Protein-Kohlenhydrat-Verhältnis und darüber hinaus einen Beitrag zur Reduktion der Allergiehäu-figkeit.
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ent-wicklung eines neuen Kombinationsprozesses zur Herstellung eines β-Lg-freien Molkenpro-teinkonzentrats, bestehend aus den Elemen-ten thermische Aggregation, zentrifugale Abtrennung und durch konvektive Strömung intensivierte Ionenaustauschchromatographie. Es soll dabei eine innovative, flexible nutzba-re prozesstechnische Plattform entstehen, die grundsätzlich auch für den Einsatz bei ande-ren Produktgruppen geeignet ist.
Wirtschaftliche Bedeutung:
Der Umsatz an Säuglingsmilchnahrung betrug in Deutschland im Jahr 2009 252 Mio. € und verzeichnete trotz Geburtenrückgang einen Zuwachs im Vergleich zu 2007 in Höhe von
10 %. An diesem Wachstum beteiligt sind in erheblichem Maße kleinere Unternehmen der milch- und molkenverarbeitenden Industrie. Auch der Bedarf an Milchproteinfraktionen nimmt global zu, das Marktwachstum weist Steigerungsraten von ca. 20 % p.a. auf. Das enorme Wachstum betrifft in noch ausge-prägterem Maß den rasanten Anstieg des Marktvolumens von Babymilch in China, der sich in einer exponentiellen Entwicklung be-findet. Allein von 2013 bis 2016 wird ein Zuwachs des Umsatzes für milchbasierte Säuglingsnahrungsprodukte von ca. 13 auf fast 21 Mrd. US-Dollar prognostiziert (Zu-wachs von ca. 60 %). Der Markt für milch-proteinbasierte Spezialnahrungen für Säuglin-ge, Sportler und für die klinische Ernährung hat ein Volumen von 20 Mio. t/a.
Das Vorhaben soll durch Aufzeigen neuer Wege der Molkenbehandlung einen Beitrag nicht nur für innovative Säuglingsnahrungen, sondern auch für die ähnlichen Produktseg-mente Sportlernahrung und klinische Ernäh-rung sowie für funktionelle Lebensmittel lie-fern, so dass dieser Markt von deutschen Unternehmen besser genutzt werden kann. Von den Ergebnissen werden nicht nur die Hersteller und Anwender neuer Molkenpräpa-rate sondern auch der Maschinen- und Anlagenbau profitieren.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik Lebensmittel
