Einfluss thermomechanischer Beanspruchungen auf die strukturellen und funktionalen Veränderungen hochkonzentrierter Proteine während des Extrusionsverfahrens

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Heike Karbstein, seit 4/2022
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315094045

Im Bereich Extrusion steht heutzutage die Herstellung nachhaltiger und funktioneller Lebensmittel im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung aufgrund des steigenden Bewusstsein von Verbraucher für den Umwelt-, Tierschutz und die Gesundheit. Während des Extrusionsprozesses werden Proteine thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, dadurch verändert sich die native Proteinstruktur und dies kann zur Denaturierung und Aggregation führen. Aus diesen Grund dienen Extruders auch als Bioreaktoren und können somit für die Herstellung proteinbasierter Emulgatoren, Stabilisatoren, biologisch abbaubarer Verpackungsmaterialien und Fleischersatzprodukten eingesetzt werden. Die Performance solcher Produkte ist hauptsächlich durch die resultierenden funktionellen Eigenschaften von Proteinen beeinflusst, welche unter anderem durch das Denaturierungs- und Aggregationsverhalten während des Extrusionsprozesses bestimmt werden. Daher sind Informationen über die Kinetik der Proteindenaturierung und -aggregation zwingend notwendig, um die Strukturierungs- und Funktionalisierungsmechanismen von proteinbasierten extrudierten Produkten besser zu verstehen.Bisherige Forschung beschäftigte sich mit dem Einfluss thermischer Beanspruchung auf die Strukturänderungen von Proteinen in verdünnten Modelllösungen, welche grundlegende Informationen über diese Systeme lieferte. Die in der Extrusion verwendeten Proteinsysteme unterscheiden sich jedoch durch hohe Proteinkonzentrationen (> 40 Gew%) und die dadurch resultierende hohe Matrixviskosität (> 1000 Pa · s) signifikant von verdünnten Proteinmodellsystemen. Darüber hinaus werden Proteine während des Extrusionsprozesses nicht nur thermischen, sondern auch mechanischen Beanspruchungen bei relativ hohen Scherspannungen (> 100.000 Pa) ausgesetzt. Folglich ist das Reaktionsverhalten von Proteinen unter solchen Bedingungen nur in sehr begrenztem Umfang untersucht.Das Hauptziel der ersten Phase dieses Projekts ist daher die Untersuchung des Einflusses definierter extrusionsähnlicher Bedingungen (z.B. hohe Temperaturen, hohe Scherung, kurze Beanspruchungsdauer) auf das Denaturierungs- und Aggregationsverhalten von hochkonzentrierten Modellproteinsystemen (z.B. β-Lactoglobulin) und die resultierende Proteinfunktionalität.In Phase II werden diese grundlegenden Informationen verwendet, um die Strukturierung von Proteinen bei instationären Strömungsbedingungen im gleichläufigen Doppelschneckenextruder zu charakterisieren. Dafür werden die bereits in unserer Forschungsgruppe etablierte optische, rheologische und numerische Methoden verwendet. Zusätzlich dazu wird auch die Komplexität des Modellsystems erhöht. Das einkomponentige System (β-Lactoglobulin, α-Lactalbumin) wird zu einem industrienäheren Mehrkomponentensystem (Mischung dieser Proteine).

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1934: Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. M. Azad Emin, bis 3/2022