Struktur und Bildung von Kasein-Mizellen-Ablagerungen auf porösen Oberflächen während der Mikrofiltration
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kasein-Mizellen in komprimierten Deckschichten zeigen strukturelle Änderungen auf molekularer Ebene, die bisher kaum erforscht wurden. Die neuartigen Erkenntnisse zur Transformation der kugeligen und locker-gepackten Mizellen während des Filtrationsprozesses konnten mehrfach anhand unabhängiger Experimente und Simulationen der Resultate bestätigt werden und könnten weitreichende Konsequenzen für das Verständnis der Mikrofiltration von Milch haben. Die oberflächensensitive Röntgenstreuung unter streifendem Einfall wurde als analytische Methode der Wahl identifiziert und im Rahmen dieses Projekts eingesetzt. Es wurde eine cross-flow Mikrofiltrationszelle entwickelt, die den Anforderungen eines oberflächensensitiven Röntgenkleinwinkelstreuexperiments genügt. Da die Deckschichtbildung während der Überströmung an der Membran erfolgt, musste ein Röntgenstreuexperiment an der Flüssig-Festgrenzfläche realisiert werden. Um ausreichend Kleinwinkelstreuung von der Grenzfläche zu gewährleisten, mussten die Filtrationszelle miniaturisiert und Silizium-Mikrosiebe anstelle von konventionellen Membranen eingesetzt werden. Um Röntgenstreuung im wenige millimeter-großen Überstromkanal zu gewährleisten, wurden mikrometer-große, fokussierte Röntgenstrahlen eingesetzt. Die Analyse der experimentellen Ergebnisse ergab, dass sich kugelige Kasein-Mizellen in komprimierten Deckschichten zu Ellipsoiden verformen. Die Verformung ist umso ausgeprägter, je stärker der angelegte Transmembrandruck die Deckschicht komprimiert. Zusätzlich zur Gesamtverformung kommt es auch zu Veränderungen in der inneren Struktur der Kasein-Mizellen während der Mikrofiltration. Im Laufe des Deckschichtaufbaus verkleinern sich die 1-2 nm großen Inhomogenitäten im Inneren der Mizelle. Somit können Kasein-Mizellen in komprimierten Deckschichten als ellipsoidal verformte Körper mit dichter, homogener Konsistenz aufgefasst werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013) X-ray scattering on Casein Micelles and High Density Lipoprotein (HDL) Granules during Processing of Foods, Advances in X-ray Analysis, 57, 1-8
Gebhardt, R.
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(2014) Effect of Filtration Forces on the Structure of Casein Micelles, Journal of Applied Crystallography, 47, 29-34
Gebhardt, R.
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(2014) Simulation of the Shape and Size of Casein Micelles in a Film State, Food & Function, 5, 780-785
Gebhardt, R.; Kulozik, U.
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(2014) Structure of Milk Protein Deposits formed by Casein Micelles and β-Lactoglobulin during Frontal Microfiltration, Journal of Membrane Science, 468, 126-132
Steinhauer, T.; Kulozik, U.; Gebhardt R.
