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Texturdesign von Lebensmittel-Biopolymeren mittels 3D-Druck zur Modulation der Aroma/Geschmackswahrnehmung

Fachliche Zuordnung Bioverfahrenstechnik
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Förderung Förderung von 2018 bis 2022
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405072578
 
Erstellungsjahr 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Für die Untersuchung des Zusammenspieles von Textur und sensorischer Wahrnehmung in cerealen Schäumen, wurde im Rahmen des Projektes 3D Drucktechnologie verwendet. Um den 3D Druck von cerealen Materialien zu ermöglichen, wurde zunächst die Modifizierung eines Druckers durchgeführt. Ausgehend von einer kommerziellen Druckerumgebung wurden geeignete Doppelextruder integriert, um den Druck mehrerer Materialien (neutral/geschmacksaktive) zu ermöglichen. Mittels zweier Kameras wurden die Geometrien der gedruckten Objekte bewerten und Defekte detektiert. Die ermittelten Daten dienten gemeinsam mit rheologischen Versuchen als Basis für die Identifizierung und Optimierung cerealer Druckmaterialien. Die erfolgreiche Charakterisierung von insgesamt 50 verschiedenen getreide- und stärkebasierten Materialien zeigte eine Bandbreite an Stabilitäts- und Fehlverhalten während des Druckes. Am besten geeignet zeigten sich Mischungen aus Weizenstärke und Hühnereiweiß bzw. Sojaprotein. In einem weiteren Schritt wurde ein NIR Strahler in die Druckumgebung implementiert, um die gedruckten Strukturen zu stabilisieren. Die Auswirkungen der NIR Strahlung auf die Materialeigenschaften wurden bezüglich auftretender Stärkeverkleisterung und Trocknungsverluste charakterisiert. Darauf basierend wurde eine Methode zur Feuchtestandardisierung entwickelt und ein mathematisches Modell zur gezielten Einstellung der Produktfeuchte entwickelt. Zudem wurde ein materialabhängiges Regressionsmodell zur gezielten Einstellung des Young’s Modulus (E) des Basismaterials erarbeitet. Durch die erfolgten Modifikationen des Druckers und der Optimierung des Druckmaterials konnten im Rahmen des Projektes standardisierte und präzise Texturen mittels 3D Druck geschaffen werden. Es konnten periodische 2D Strukturen, einzelne kugelförmige Gasblasen und 3 verschiedene Gasblasenkonfigurationen erfolgreich gedruckt werden. Bei der Charakterisierung der Textur der 3D-gedruckten Schäume im (nicht-)linearen Deformationsbereich zeigten sich der Gasvolumenanteil, der Wassergehalt und E des Druckmaterials als entscheidend für die resultierende Härte und E der 3D-gedruckten Schäume. Mittels FEM Simulation konnte abschließend ein phänomenologisches Modell für die Struktur-Textur-Beziehung von 3D-gedruckten Schäumen erstellt und validiert werden, welches dazu genutzt werden kann, Schäume mit gewünschter Textur zu entwerfen. Die nicht-flüchtigen Geschmacksstoffe einer Sauerteigbrotkrume wurden identifiziert und quantifiziert. Dabei tragen vornehmlich Salze und bei der Sauerteigfermentation gebildete Säuren, wie Milch- und Essigsäure, zum Geschmack der Krume bei. Mit lediglich 10 Schlüsselgeschmacksstoffen und 11 Schlüsselaromastoffen lässt sich die authentische Geschmacks- und Geruchssignatur von Sauerteigbrotkrume nachbilden. Basierend auf den finalen Geschmacks- und Aromarekombinaten wurde eine LC-MS/MS-Quantifizierungsmethode entwickelt. Diese ermöglicht, mit Ausnahme der Salze, eine robuste schnelle und präzise Quantifizierung aller Schlüsselaromastoffe und -geschmacksstoffe der Brotkrume in einer einzigen Methode. Erstmals konnten gezielt Konzentrationsgradienten von Brotkrume-Geschmacksstoffen ortsaufgelöst in cerealien-basierten Lebensmitteltexturen eingebracht werden. Hierbei zeigte sich, dass eine inhomogene Verteilung von sowohl Salz als auch des gesamten Geschmacksrekombinats die sensorische Wahrnehmung im Vergleich zu einer homogenen Probe verstärkt. Die Art des Verteilungsmusters hatte dabei keinen Einfluss auf die sensorische Wahrnehmung. Voraussetzung für eine signifikante Verstärkung der Geschmackswahrnehmung war, ein ausreichend großer Konzentrationsunterschied zwischen den Schichten und dass der Gesamtgehalt der sensorisch aktiven Verbindungen auf einem geringen Niveau war. Dieses Prinzip des „sensorischen Kontrasts“ kann zukünftig angewendet werden, gesündere Lebensmittel zu entwickeln, da es z. B. eine Salzreduktion ermöglicht, ohne dass der Geschmack des Lebensmittels beeinträchtigt wird.

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