Die Expertise des Fachgebietes „Food Colloids“ umfasst die Aufklärung mechanistischer Vorgänge von Hydrokolloiden in verdünnten kolloiddispersen Modellsystemen und realen Lebensmittelmatrices im Kontext von lebensmitteltechnologischen Prozessen. Diese Herangehensweise ermöglicht Prozesse zu optimieren und Ressourcen in Form von Zeit, Energie und Rohware effektiver zu nutzen und hochwertige, innovative Produkte mit gezielten Funktionalitäten herzustellen. Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf hochfunktionellen und neuartigen Proteinen und Polysachariden, da sie als Hauptkomponenten vieler Lebensmittel einen bedeutenden Einfluss auf deren Technofunktionalität ausüben, in ihrer Struktur und Funktionalität modifiziert werden können und aus alternativen Ressourcen für nachhaltigere Produkte gewonnen werden können. Die grundlagenorientierte Betrachtung und Charakterisierung der Interaktionen von Proteinen und Kohlenhydraten in wasserbasierten Systemen bildet dabei die Basis um Lebensmittel als komplexe Mehrphasensysteme bestehend aus Lösungen, Gelen, Dispersionen, Emulsionen und/oder Schäume umfassend beschreiben zu können, da diese Hydrokolloide mit Wasser interagieren und verhältnismäßig große Mengen an Wasser binden. Zur Charakterisierung der Hydrokolloide und deren Interaktionen werden Analysen wie Membranosmometrie, FTIR-Spektroskopie, Fluoreszenz-Spektroskopie, Isoelektrische Fokussierung und rheologische Untersuchungen herangezogen.

Struktur-Funktionalitäten und Phasenverhalten von Hydrokolloiden in der additiven Fertigung von Organmodellen

Projektbearbeiterin: M.Sc. Sabrina Bäther [1]

Das 3D-Bioprinting ist eine vielversprechende Technologie im Bereich der Biowissenschaften, da die Herstellung von lebendem Gewebe und Organmodellen für die regenerative Medizin, für pharmazeutische Anwendungen und für andere biologische Studien ermöglicht wird. So können Organmodelle als Alternative zu Tierversuchen in der Zulassung von Pharmaka, Kosmetika und Lebensmittelinhaltstoffen eingesetzt werden. Bislang werden jedoch tierische Komponenten zur Herstellung von Organmodellen benötigt, da sie über die geeigneten Materialeigenschaften verfügen.

Die mechanistische Aufklärung der materialwissenschaftlichen Funktion der Hydrokolloide in der additiven Fertigung von Organmodellen ermöglicht den Austausch von tierischen Komponenten durch alternative Hydrokolloide und eröffnet neue Möglichkeiten zur nachhaltigen und zukunftsorientierten Forschung in medizinischen und pharmazeutischen Applikationen. Darüber hinaus können neue Möglichkeiten im Bereich des 3D-Bioprintings von nicht-tierischen Gewebekonstrukten wie beispielsweise Stützstrukturen zur in-vitro-Kultivierung von pflanzlicher Biomasse realisiert werden.

Zur Aufklärung der Strukturfunktionalitäten der, in der additiven Fertigung verwendeten, Kompositgele werden Phasenverhalten, rheologische Eigenschaften sowie die Stabilität und Porösität der Hydrogele untersucht.​

Bedeutung und Kontrolle der mechanischen Beanspruchung stress-sensitiver Proteine bei der Formulierung im Premix-Emulgierprozess (DFG-Schwerpunktprogramm SPP1934 „Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen; 2016-2022)

Projektbearbeiterinnnen: M.Sc. Anja Heyse [2] (Lebensmitteltechnologie und Materialwissenschaften), Dipl.-Lebensmittelchemikerin Helena Schestkowa [3]

Die hohe Sensitivität biologischer Systeme (z.B. Proteine und Bio-Agglomerate) gegenüber mechanischer, thermischer und stofflicher Einwirkung erfordert eine stressreduzierte Steuerung bei der Downstream-Prozessierung. Das fundierte Verständnis der prozesstechnischen Beanspruchung von Proteinen und Protein-Agglomeraten und ihrer strukturellen Reaktion auf die Beanspruchung ist erforderlich. Ziel des Vorhabens ist die Ableitung von Schädigungsmechanismen auf der Basis des Stress-Verweilzeit-Verhaltens bei mechanischer Beanspruchung der biologischen Strukturen in Downstream-Prozessen am Beispiel des Premix-Membranemulgierens. Auf der Prozessebene wird die mechanische Beanspruchung der Proteine während des Premix-Emulgierens charakterisiert und durch Anpassung der Prozessumgebung reduziert. Der Dehn- und Schereinfluss und die Mikrofluiddynamik während des Membranemulgierprozesses werden betrachtet. Die Anlagerung der Proteine an der fluiden Phasengrenze und ihre Belastung werden in Modellversuchen und im Prozess ermittelt. Auf der Strukturebene werden die Auswirkungen der mechanischen Beanspruchung auf die Protein- und Agglomeratstrukturen sowie ihre Funktionalität und Qualität betrachtet. Die Stabilität von Proteinstrukturen unter Dehn- und Scherbelastung beim Membranemulgierprozess wird auf molekulardynamischer Ebene untersucht. Dabei wird die Änderung in der Proteinstruktur qualitativ und quantitativ beschrieben.

Phasenverhalten und intermolekulare Wechselwirkungen komplexer Biopolymersysteme

Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Christoph Hundschell [4] (Lebensmitteltechnologie und Materialwissenschaften)

Polysaccharide und Proteine werden einzeln oder in Kombination in zahlreichen Lebensmittelsystemen gezielt als Zutaten mit funktionellem Mehrwert genutzt. Dabei können mit ihrer Hilfe das Mundgefühl, die Struktur, die Stabilität und die Haltbarkeit der Produkte positiv beeinflusst werden. Je nach Molekülaufbau und umgebender Lebensmittelmatrix können die Biopolymere Gele ausbilden, die Viskosität erhöhen oder durch ihre oberflächenaktive Wirkung Emulsionen und Schäume stabilisieren. Um die funktionellen Eigenschaften der Biopolymere optimal ausnutzen zu können, müssen sowohl die Wechselwirkungen zwischen Protein und Polysaccharid als auch die Interaktionen zwischen den Biopolymeren und ihrer Umgebungsmatrix verstanden werden.

Daher sollen gezielt Mischungen aus Modellproteinen und bisher weitgehend ungenutzten mikrobiellen Polysacchariden analysiert werden, die neben ihren funktionellen Eigenschaften zusätzlich eine prebiotische Wirkung und somit einen ernährungs-physiologischen Mehrwert aufweisen. Es sollen verschiedene Konzentrationen und Volumenfraktionen der Hydrokolloide unter Variation des Molekulargewichts, des pH-Werts, der Ionenstärke und der Temperatur untersucht werden. Neben dem Phasenverhalten, den rheologischen Eigenschaften und den ausgebildeten Mikro- und Molekularstrukturen, sollen vor allem die Beschreibung der Polymerinteraktionen im Vordergrund stehen um die grundlegenden Eigenschaften der Biopolymere aufzuklären und so auch ihre potentiellen Einsatzgebiete aufzuzeigen.