Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Hochporöse Aerogele in Partikel- und Riegelform aus Molken- und Kartoffelprotein

Physiologisch wirksame bzw. sensitive Stoffe in Lebensmitteln erfordern zum Erhalt ihrer Funktionalität den Schutz vor Wechselwirkungen mit der Umgebung oder der Produktmatrix. Auch die Maskierung unerwünschter Aromen und die gezielte, kontrollierte Freisetzung am Zielort sind oft erforderlich. Bekannte Transport- und Schutzmatrizes weisen häufig eine begrenzte Beladungskapazität auf. Überkritisch getrocknete Aerogele aus Protein bieten hingegen eine große spezifische Oberfläche und hohe Beladungskapazität, z.B. für empfindliche oder sensorisch störende Stoffe. Es handelt sich bei Proteinaerogelen um hochporöse Feststoffe, welche nicht nur biologisch abbaubar sind, sondern je nach Herstellungsverfahren auch für den menschlichen Verzehr geeignet sind.

Als Proteinmatrix wurden bisher nur tierische Proteine in Betracht gezogen. Auch ist die Aerogelherstellung noch sehr zeitintensiv. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach Produkten auf Basis pflanzlicher Rohstoffe soll im Rahmen des Projekts das Potenzial pflanzlicher Proteine zur Herstellung von Aerogelen untersucht und der Herstellungsprozess verkürzt und vereinfacht werden. Ziel des Vorhabens ist es, eine Basistechnologie zur Herstellung von biokompatiblen, lebensmitteltauglichen, hochporösen Aerogelstrukturen auf Basis von Molken- und Kartoffelprotein zu entwickeln.

Verfahren zur Herstellung von biopolymerbasierten Aerogelen sind zurzeit noch nicht etabliert und eröffnen einer Vielzahl von Unternehmen der Lebensmittel-, der Kosmetik- und der Pharmaindustrie die Möglichkeit, neue Marktpotentiale zu erschließen. Hiervon können insbesondere innovative KMU profitieren. Das gezielte Erzeugen von Aerogelen mit spezifischen Eigenschaften eröffnet vielfältige Möglichkeiten zur Entwicklung und Gestaltung neuer funktioneller Produkte.

KMU können im Idealfall durch die Verfügbarkeit verbesserter und voll im Trend liegender Aerogele ihren Marktanteil steigern.

Ergebniszusammenfassung:

Mittels thermischer Denaturierung wurden Hydrogele aus konzentrierten Molken- (WPI) und Kartoffelproteinlösungen (KPI) erzeugt. Durch Waschen mittels Ethanol (EtOH) wurde das Wasser in dem Gelnetzwerk vollständig durch das Lösungsmittel ersetzt. Diese ethanolischen Gele konnten dann mittels überkritischer CO2 Extraktion zu Aerogelen verarbeitet werden. Es bildeten sich unterschiedlich starke Gelnetzwerke. KPI bildete Gele schneller und bei niedrigeren Temperaturen als WPI. Das Gelnetzwerk war nicht über kovalente Disulfidbrücken vernetzt. Trotzdem, konnten bei neutralem pH Wert KPI Aerogele mit hohen spezifischen Oberflächen erzeugt werden. Der Einsatz von EtOH, während der Erhitzung, ermöglichte Gelbildung bei geringen Proteinkonzentrationen und niedrigen Temperaturen. Außerdem konnten KPI und WPI gezielt in ihren Gelbildungseigenschaften beeinflusst werden. Gelstärke und Aussehen konnten durch den Einsatz von EtOH reguliert werden. Verschiedene verfahrenstechnische Lösungen zur Herstellung von Aerogelen mit unterschiedlicher Größe wurden etabliert. Besonders der Einsatz der Kolloidmühle erlaubt die Produktion von großen Mengen mikroskopischer Aerogelpartikel. Diese Aerogele konnten mit Menthol und Vanillin als Modelaroma Stoffe beladen werden. Es konnte gezeigt werden, dass hohe Beladungskapazitäten von bis zu ~40 wt% erreichbar sind. Insgesamt können lange Freisetzungszeiten aus Mikropartikeln erreicht werden. Die hohen Beladungsdichten in Kombination mit langen Freisetzungszeiten machen WPI und PPI zu vielversprechenden Trägermatrizes für die untersuchten Beladungskomponenten. Mit Aromen beladene pulverförmige, mikroskopische Aerogelkapseln konnten zu Dragees verpresst werden. Darüber hinaus konnten diese Aerogele auch eingesetzt werden, um ein intensives Aroma in Schokoladen- und Riegelprodukten ein zu bringen. Außerdem zeigte sich, dass Aerogele fähig waren, Sonnenblumenöl so zu strukturieren, dass bei Raumtemperatur feste Öl entstanden.