Laserunterstützte Extraktion von Lebensmittelinhaltstoffen aus organischen Mikropartikelsuspensionen mittels gepulster Laserdiffusionsverstärkung in Flüssigkeiten (PUDEL) am Beispiel von Kaffee als Modellmaterial

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Barcikowski; Professor Dr. Torsten Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571997310

Pulsed Laser Diffusion Enhancement in Liquids (PUDEL) ist eine neuartige Methode, bei der ultrakurze Laserpulse eingesetzt werden, um eine lokale Erwärmung und Reorganisation von Oberflächenatomen in Mikro- und Nanopartikeldispersionen zu erzeugen – ohne die Partikelgröße oder -morphologie zu verändern. Während PUDEL bereits vielversprechende Ergebnisse bei der gezielten Modifikation struktureller Defekte in anorganischen Katalysatoren gezeigt hat, ist das Potenzial dieser Methode für organische Mikropartikelsuspensionen – wie sie beispielsweise in der Lebensmittelverarbeitung vorkommen – bislang weitgehend unerforscht. Ziel dieses Projekts ist es, die Auswirkungen von PUDEL auf Fest-Flüssig-Extraktionsprozesse systematisch zu untersuchen, wobei Kaffee als Modellsystem dient. Erwartete Vorteile sind eine beschleunigte Extraktion von Aromakomponenten – mit der Möglichkeit einer schnellen Zubereitung von Cold Brew – sowie die Erzeugung neuartiger Aromaprofile. Die Experimente werden mit größenklassierten Kaffeepartikeln in einem speziell entwickelten Durchflussreaktor mit Flachstrahlgeometrie durchgeführt, der eine präzise Steuerung der Bestrahlungsparameter, wie Laserfluenz und Pulse pro Volumenelement (PPV), ermöglicht. Die wässrigen Extrakte sowie die Gasphase (Headspace) der PUDEL-behandelten Proben werden analysiert, um Verbindungen zu identifizieren und zu quantifizieren, die abgereichert, angereichert oder neu gebildet wurden. Dies erfordert die Anpassung und Weiterentwicklung empfindlicher analytischer Methoden – hauptsächlich basierend auf LC-MS und GC-MS – unterstützt durch fortgeschrittene statistische Auswertungsverfahren, um feine Veränderungen in komplexen Matrizes aufzulösen. Das Projekt gliedert sich in klar definierte, kooperative Arbeitspakete: (1) Untersuchung von Eingangsparametern wie Kaffeesorte und Röstgrad zur Identifikation besonders extraktionssensitiver Substanzen; (2) Korrelation der Extraktionsausbeute mit der Partikelgröße unter Berücksichtigung von Oberfläche und Absorptionsverhalten; (3) Optimierung der Laserfluenz zur Unterscheidung zwischen Abbaueffekten, globaler Erwärmung und spezifischen PUDEL-Effekten; (4) Variation der PPV zur Abklärung, ob Einzel- oder Mehrfacheffekte dominieren; (5) Durchführung kinetischer Studien zur Bestimmung des Einflusses von PUDEL auf die Extraktionsgeschwindigkeit. Obwohl das Projekt auf Kaffee fokussiert ist, sollen die gewonnenen Erkenntnisse auf andere pulverförmige Lebensmittel wie Matcha oder Gewürze übertragbar sein und somit neue Impulse für Extraktionsverfahren in der Lebensmittelwissenschaft und -industrie liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen