Einfluss der Proteinquelle auf die Struktur und Technofunktionalität elektrogesponnener Protein-Polysaccharid-Konjugate

Forschungsziel:

Weltweit werden Proteinisolate und -konzentrate als Emulgatoren, Schaum- oder Gelbildner bei der Herstellung von Lebensmitteln, wie z.B. Backwaren, Suppen, Soßen, Aufstrichen und Wurstwaren, eingesetzt. Dabei werden derzeit vorwiegend Proteine tierischen Ursprungs, wie z.B. Gelatine, Casein, Molkenproteine und Eiweiß- oder Eigelbproteine genutzt. Aufgrund von Veränderungen des Verbraucherverhaltens, wachsenden Engpässen in der Verfügbarkeit und Kostensteigerungen ist der Einsatz pflanzlicher Proteine von zunehmendem wirtschaftlichem Interesse. Nutzpflanzen, wie z.B. Soja, Raps, Erbsen, Weizen, Sonnenblumen und Kartoffeln, stellen nachhaltige und wirtschaftlich attraktive Rohstoffquellen dar. So lag im Jahr 2012 der Weltmarktanteil für Pflanzenproteine mit ca. 1,7 Mio. Tonnen zwar noch unter dem tierischer Proteine (2,3 Mio. Tonnen), jedoch sind bis zu 10 % steigende jährliche Absatzzahlen zu erwarten. Hierbei spielen Nachhaltigkeitsaspekte eine große Rolle. Neben einer verbesserten CO2-Bilanz werden zur Erzeugung pflanzlicher Proteine bis zu 80 % weniger Agrarflächen benötigt.

Das zentrale Problem, das derzeit einen umfassenden Einsatz pflanzlicher Proteine in Lebensmitteln begrenzt, ist deren unzureichende technofunktionelle Eigenschaften. So sind viele pflanzliche Proteine nur gering löslich und bilden bei pH-Wert- und Temperaturänderungen rasch Präzipitate, was mit einem Verlust ihrer emulgierenden und stabilisierenden Wirkung verbunden ist. Für gesäuerte und/oder hitzebehandelte Getränkeapplikationen werden daher neue Wegen gesucht, die einen breiten Einsatz pflanzlicher Proteine in diesen Produkten ermöglichen. Zwar können chemische oder enzymatische Hydrolyseverfahren eine Löslichkeitsverbesserung bewirken, jedoch weisen die so gebildeten Proteinhydrolysate einen starken Fehlgeschmack (bitter, adstringierend) auf.

Als alternativer Ansatz zur Hydrolyse bietet sich der Einsatz von Protein-Kohlenhydrat-Konjugaten, die durch nicht-enzymatische Kopplung von Proteinen und Polysacchariden im Zuge der MAILLARD-Reaktion gebildet werden.

Vorarbeiten weisen darauf hin, dass die Konjugation von Proteinen mit Polysacchariden (Dextranen) mittels eines Elektrospinnprozesses, gefolgt von einer thermischen Behandlung stabile, wasserlösliche Endprodukte generiert. Um diese Hypothese zu überprüfen, ist es Ziel des Forschungsvorhabens, den Einfluss des Herstellungsprozesses auf die physikochemischen und technofunktionellen Eigenschaften, wie z.B. die Emulgierfähigkeit, das Hydratisierungsverhalten bzw. die Benetzbarkeit der erzeugten Glykokonjugate, zu untersuchen. Parallel hierzu sollen anhand strukturanalytischer Untersuchungen (LC- MS/MS, TOF-MS, 1/2D NMR) Einblicke in die kovalenten Verknüpfungspunkte der Protein- Polysaccharid-Konjugate auf molekularer Ebene erhalten werden. 

Wirtschaftliche Bedeutung:

Die Entwicklung neuer leicht löslicher, emulgierender und stabilisierender Protein-Kohlenhydrat-Konjugate ist in mehrfacher Hinsicht von wirtschaftlicher Relevanz. Die Verwendung von Protein-Kohlenhydrat-Konjugaten kann zum einen für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie ein Mittel sein, um den pflanzlichen Proteingehalt in ihren Produkten zu erhöhen und bietet zum anderen Herstellern von Pflanzeneiweiß durch die verbesserten technofunktionellen Eigenschaften der Konjugate die Möglichkeit, in neue Märkte vorzustoßen. Da in den letzten Jahren verschiedene pflanzliche Proteine, wie z.B. Raps, als Novel Food zugelassen wurden, eröffnen sich neue Absatzmärkte; zugleich kann der ständig vorherrschende hohe Innovationsdruck in der Lebensmittelindustrie bedient werden. Es ist zu erwarten, dass Proteinkonjugate gegenüber den bislang verfügbaren Produkten zu einem konkurrenzfähigen Preis angeboten werden können, da der notwendige zusätzliche Elektrospinnschritt mit nur geringen Investitions- und Betriebskosten (Stromverbrauch) verbunden ist. Der weltweite Umsatz von Proteinpräparaten lag allein im Jahr 2012 bei ca. 10 Mrd. US-Dollar. Am umsatzstärk- sten sind die Segmente „Sport- und Fitness-Ernährung“ und „medizinische Ernährung“ mit jeweils ca. 30 %, gefolgt von Milchprodukten (25 %).

Die im Rahmen des Vorhabens anvisierten Protein-Polysaccharid-Konjugate eröffnen den Herstellern die Möglichkeit, neue wohlschmeckende vegetarische und vegane Produkte mit höheren Proteinanteilen zu entwickeln, die unter verschiedenen Lagerbedingungen langfristig stabil bleiben. Zudem bietet der Einsatz pflanzlicher, technologisch optimierter Proteinpräparate die Möglichkeit, die mit pflanzlichen Produkten verbundenen ethisch-ökologischen Vorteile sowie den Aspekt der Nachhaltigkeit auszuloben. Die im Gegensatz zur traditionellen Glykosylierung in trockenen oder wässrigen Systemen im Zuge des Elektrospinnens pflanzlicher Glykoproteinkonjugate zu erwartende geringere Schädigung essentieller Aminosäuren lässt zudem eine erhöhte ernährungsphysiologische Wertigkeit elektrogesponnener Protein-Glykokonjugate erwarten. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass das allergene Potential pflanzlicher Proteine (z.B. von Lupinenproteinen) durch die MAILLARD-bedingte Umsetzung reduziert wird.

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