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Orientierende Versuche zur Beladung von resuspendierten Casein-Micellen mit lipophilen Aromen
Projekt
Förderkennzeichen: MRI-MF-08-164 1050 CM Biotransporter
Laufzeit: 01.06.2018
- 31.12.2019
Forschungszweck: Experimentelle Forschung
Im Rahmen des abgeschlossenen AiF/FEI-Projektes 18320 N wurde ein Verfahren zur Beladung frisch isolierter Casein-Micellen (CM) mit lipophilen Stoffen (β-Carotin, Docosahexaensäure, Vit. D) entwickelt. Hierbei wurden optimale Bedingungen für die Konditionierung der Micellen vor der eigentlichen Beladung erarbeitet. Nachfolgende Untersuchungen haben gezeigt, dass der Großteil dieser Naturstoffe in der micellaren Phase nachzuweisen war. Aufgrund der CM-Struktur und der Hydrophobizität der Stoffe wird von einer Verkapselung ausgegangen. CM zeigten auch eine protektive Wirkung für enkapsuliertes Vit. D, wie u. a. Trocknungs- und Lagerungsversuche gezeigt haben. Um nun weitere Erkenntnisse zur Beladung von CM mit lipophilen Naturstoffen zu erhalten, sollen nunmehr CM mit lipophilen Aromen umgesetzt werden; Hintergrund sind die Tatsachen, dass CM eine gute physiologische Wertigkeit haben und den GRAS-Status (generally recognized as safe) besitzen. Mit Aromen beladene CM könnten somit zur Aromatisierung in z. B. proteinhaltigen Trockenprodukten angewendet werden. In diesem Zusammenhang sind eine mögliche protektive Wirkung im Verlauf der Herstellung, eine Resolubilisierung des Trockenprodukts und die gezielte Freisetzung der enkapsulierten Aromen zu evaluieren. Um nun CM als Transporter für Aromen zu entwickeln, ist erstmal die Kenntnis der optimalen Beladungsbedingungen von CM mit lipophilen Aromastoffen erforderlich. Im vorliegenden Projekt soll hierfür micellares Casein-Pulver (Handelsprodukt) als Ausgangsmaterial dienen. Außerdem sollen sowohl das Resolubilisierungsverhalten der CM als auch deren Aromabindungsvermögen untersucht werden; hiernach werden die Herstellung und Charakterisierung von Trockenprodukten sowie erste Untersuchungen zur Aromenfreisetzung angestrebt.
Nach Literaturrecherche wurde Vanillin als Modell-Aroma festgelegt und eine Methode zur Bestimmung des Vanillins mittels HPLC installiert und etabliert. Nach üblichen Vorar¬beiten konnten Kalibriergeraden generiert werden, so dass Vanillin-Konzentrationen in den nachfolgenden Proben bestimmt werden konnten. In anschließenden orientierenden Vorversuchen erfolgten Umsetzungen von Magermilch, beta-Lactoglobulin, beta-Casein und micellarem Caseinpulver (eigene Herstellung und Handelsprodukt) mit ethanolischer Vanillinlösung. Hierbei wurden die Beladungen bei unterschiedlichen Temperaturen und pH-Milieus durchgeführt, um einen möglichen Einfluss der variierenden Parameter be¬obachten zu können. So wurde z. B. bei der Umsetzung von kurzzeiterhitzter Magermilch mit ethanolischer Vanillin-Lösung bei natürlichem pH und bei pH 5,5 bei 2°C Umsetzungs¬temperatur 42 – 51 µg/g Vanillin im Sediment (feucht) nachgewiesen. Tendenziell wurde Vanillin vom Milcheiweiß bei nativem pH besser gebunden als bei pH 5,5. Auch bei der Umsetzung bei Raumtemperatur wurden 40 – 51 µg/g Vanillin im Sediment (feucht) nach¬gewiesen, auch hier wurde tendenziell Vanillin vom Milcheiweiß bei nativem pH besser gebunden als bei pH 5,5. Auch nach 2 stdg. Rühren einer beta-Lactoglobulin-Lösung mit ethanolischer Vanillin-Lösung bei Raumtemperatur konnte nach Zentrifugation und Sepa¬ration in Sediment und Überstand gezeigt werden, dass das Molkenprotein Vanillin bindet. Auch mit beta-Casein (Handelsprodukt) wurden Vorversuche bei Raumtemperatur und 2°C durchgeführt. Hierbei wurde gezeigt, dass bei nativem pH Vanillin von beta-Casein bei Raumtemperatur und bei 2°C gebunden wurde; die erhaltenen Messwerte streuten jedoch, was auf eine Probeninhomogenität schließen ließ. Micellare Caseinmicellen (Eigenher¬stellung aus Vorläuferprojekt) wurden resuspendiert und bei den bekannten Bedingungen mit ethanolischer Vanillin-Lösung umgesetzt. Bei diesen Vorversuchen wurde gezeigt, dass bei Beladung bei Raumtemperatur bei nativem pH 69 - 72 µg/g Vanillin im Sediment (feucht), bei pH 5,5 und Raumtemperatur 64 –78 µg/g vorlagen. Bei Beladung bei 2°C wurden bei nativem pH 58 - 61 µg/g Vanillin im Sediment (feucht) nachgewiesen, bei pH 5,5 und 2°C 42 –46 µg/g. Demnach binden Caseinmicellen das Vanillin in größerem Maß als die Milchproteine in Magermilch (siehe oben). In diesen orientierenden Vorversuchen konnte prinzipiell gezeigt werden, dass nach Um¬setzung des jeweiligen Milchproteins mit ethanolischer Vanillin-Lösung das Aroma vom Protein gebunden wurde. Für das weitere Vorgehen zur Umsetzung von Caseinmicellen mit Vanillin wurde die Nut¬zung eines standardisierten Handelsprodukts (MCC 8000) festgelegt. Hierbei wurden Ver¬suche zur Resuspendierung und anschließender Beladung mit Vanillin durchgeführt: So wurden z. B. die Caseinmicellen (Trockenprodukt) über Nacht bei 4°C bzw. bei Raumtem¬peratur unter Rühren resuspendiert. Die anschließende Umsetzung mit ethanolischer Va¬nillin-Lösung erfolgte bei nativem pH bei Raumtemperatur bzw. 2°C. Bei dem durch Rüh¬ren über Nacht bei 4°C resuspendierten CM wurden nach Beladung bei 2°C Vanillin-Ge¬halte im Sediment im Bereich 67 – 76 µg/g bestimmt, wohingegen nach Beladung bei Raumtemperatur Gehalte im Bereich 79 – 81 µg/g nachgewiesen wurden. Hiernach wird Vanillin bei Raumtemperatur geringfügig besser gebunden als bei 2°C Umsetzungstempe¬ratur. Bei dem durch Rühren über Nacht bei Raumtemperatur resuspendierten CM wurden nach Beladung bei 2°C Vanillin-Gehalte im Sediment im Bereich 65 – 81 µg/g bestimmt, wohingegen nach Beladung bei Raumtemperatur Gehalte im Bereich 74 – 82 µg/g nach¬gewiesen wurden. Auch hier wurde Vanillin bei Raumtemperatur geringfügig besser ge¬bunden als bei 2°C Umsetzungstemperatur. Diese Versuche zeigten auch, dass die „Vorbehandlung“ des MCC-Pulvers, d. h. bei welcher Temperatur das Pulver resuspendiert wurde, keinen auffälligen Einfluss auf die Beladung mit Vanillin auszuüben scheint. Dies war auch der Fall, wenn die Beladungen bei pH 5,5 sowie bei Raumtemperatur resp. bei 2°C durchgeführt wurden. Um nunmehr nach Beladung der Caseinmicellen mit Vanillin ein Trockenprodukt zu erhal¬ten, wurde nach Zentrifugation das erhaltene Sediment ausgewogen und einer Gefrier¬trocknung (Lyophilisation) zugeführt. Nach 72 stdg. Gefriertrocknung unter laborüblichen Bedingungen wurden gefriergetrocknete, mit Vanillin beladene Caseinmicellenpulver-Pro¬ben (n= 4) erhalten, in denen Vanillin-Gehalte im Bereich 340 – 363 µg/g Trockenprodukt nachgewiesen werden konnten. Die erhaltenen Trockenprodukte konnten in Reinstwasser gut resuspendiert werden. In weiteren Versuchen wurden diese Trockenprodukte in Reinstwasser aufgenommen und kräftig mixomatiert. Nach Zentrifugation und Zugabe von Ethanol zum erhaltenen Über¬stand erfolgte die jeweilige Vanillin-Bestimmung mittels HPLC. Diese „Auswaschungen“ wurden insgesamt 5-mal durchgeführt. Hierbei wurde deutlich, dass die freigesetzten Va¬nillinmengen mit Zunahme der Extraktionen abfielen (Auswaschungen 1-5: 242 µg/g, 91 µg/g, 39 µg/g, 24 µg/g, 21 µg/g). Dieses Freisetzungsverhalten der mit Vanillin beladenen Caseinmicellen wurde in drei nachfolgenden Versuchsreihen bestätigt. Daher bleibt fest¬zuhalten, dass durch kräftiges Mixomatieren mit Reinstwasser Vanillin aus den lyophili¬sierten Vanillin-beladenen Caseinmicellen herausgewaschen wird. Zur weiteren Betrachtung der Freisetzung des Vanillins wurden mehrere Versuche ausge¬führt, bei denen bis zu 4 h Vanillin-beladene Caseinmicell-Suspensionen bei Raumtempe¬ratur bzw. auch bei 37°C gerührt wurden. Prinzipiell konnte beobachtet werden, dass nach 1 stdg. Rührzeit das Vanillin freigesetzt wurde. Um die Aromenfreisetzung in einem Produkt zu überprüfen, wurden in mehreren Ansätzen Magermilchjoghurt (0,1 % Fettgehalt) mit Vanillin-beladenen Caseinmicellen versetzt und über mehrere Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Nach 1, 2, 3 und 4 h wurden jeweils Proben gezogen und das freigesetzte Vanillin bestimmt. Hierbei wurden nur sehr geringe Unterschiede bei den Vanillin-Konzentrationen bestimmt; nach derzeitigem Kenntnisstand ist eine Gleichgewichtseinstellung zwischen freigesetztem und wieder gebundenem Va¬nillin zu vermuten. Prinzipiell läßt sich festhalten, dass micellares Casein mit Vanillin beladen werden kann. Der Bindungsmechanismus ist nach derzeitigem Kenntnisstand nicht mit der Beladung von Caseinmicellen mit lipophilen Lebensmittelinhaltsstoffen vergleichbar (siehe AiF/FEI-Projekt 18320 N). Caseinmicellen sind geeignet, um das Aroma Vanillin in ein Lebensmit¬tel zu integrieren. Weitere Versuche zur Beladung, (Lager)-Stabilität und Freisetzung, auch unter sensorischen Aspekten, sollten noch in einem Folgeprojekt überprüft werden.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Lebensmittelchemie
- Verfahrenstechnik Lebensmittel
Rahmenprogramm
Förderprogramm
Ausführende Einrichtung
MRI - Institut für Sicherheit und Qualität bei Milch und Fisch (MRI-MF)
