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TU Berlin

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Forschung

Die Verpackungskünstler*innen

Wie Lebensmitteltechnolog*innen Substanzen so „verpacken“, dass sie ihre Wirkung dort entfalten, wo sie gebraucht werden

Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera werden Veränderungen an den Grenzflächen zwischen der einzuschließenden Substanz und dem Kapselmaterial untersucht: die Tropfenkonturanalyse
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Was verbindet probiotische Mikroorganismen in Joghurt oder Kakaopulver auf Desserts mit Aromen in Kaugummi? Sie alle benötigen eine bestimmte Art der „Verpackung“ – eine sogenannte Mikrokapsel, die die Inhaltsstoffe schützt beziehungsweise gezielt an ihrem vorgesehenen Wirkungsort freisetzt. Mit den zugehörigen „Verpackungsmaterialien“ beschäftigen sich Prof. Dr. Stephan Drusch, Leiter des Fachgebiets Lebensmitteltechnologie und -materialien an der TU Berlin, und sein Team.

Die Cellulose-Fasern werden in einem sogenannten Mikrofluidizer aufgebrochen
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Dabei sind die Wissenschaftler*innen nicht mit Packpapier unterwegs. Stattdessen „verpacken“ sie verschiedenste Substanzen in nur wenige Mikro- bis Millimeter große Kapseln, die aus Biopolymeren wie Pektin oder pflanzlichen Proteinen hergestellt werden. „Pektin, ein Polysaccharid aus Pflanzenzellen, können wir enzymatisch modifizieren oder mit Proteinen verbinden, um so spezielle funktionelle Eigenschaften des Kapselmaterials zu erzeugen. Das kann zum Beispiel Säureempfindlichkeit, bestimmte Barriere-Eigenschaften oder auch die Konsistenz – fest oder gelartig – je nach Anwendung betreffen“, so Stephan Drusch. Die Arbeiten sind Teil des vom Fachgebiet initiierten EU-Verbundprojektes „ENCAP4HEALTH“.

„Unser Ziel ist es, das Verhalten der einzelnen Kapselbausteine und die Prozesse an den Grenzflächen so gut zu verstehen, dass wir am Ende eine Art Bausatz zur Verfügung stellen, um Mikrokapseln mit den unterschiedlichsten Eigenschaften herzustellen“, so Dr. Hanna Kastner. Anwender können diese Kapseln dann nutzen, um zum Beispiel probiotische Substanzen geschützt vor dem sauren pH im Magen in den Darm zu geleiten.

Hier wird Pektin ausgefällt
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Aber das Wissen um diese nachhaltige Art der Verpackung ist nicht nur in der Lebensmitteltechnologie gefragt. Anfragen reichen von der Aquakultur über Pharmazie bis hin zur Baustoffindustrie und Biotechnologie.

„Generell beschäftigt sich mein Team mit der chemischen Grundstruktur von Lebensmittelinhaltsstoffen, deren Verhalten bei der Verarbeitung und den resultierenden funktionellen Eigenschaften. Die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung nutzen wir, um einzelne Substanzen gezielt zu modifizieren oder in bestimmte Strukturen zu bringen, die besondere technologische und/oder physiologische Eigenschaften haben“, so Stephan Drusch. „Viele Verbraucher wollen sich gesund ernähren und mehr pflanzliche Proteine zu sich nehmen. Erbsen- oder Kartoffelproteine sind allerdings häufig schlecht löslich und bringen Geschmacksnoten mit. Unser Augenmerk liegt auf einer schonenden Gewinnung dieser Proteine und einer Anpassung der Herstellungsverfahren“, so Martina Klost, wissenschaftliche Mitarbeiterin in dem Projekt.

Getrocknetes und nasses Pektin
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In Deutschland werden jährlich mehr als 150 000 Tonnen Erbsen für die Produktion von Stärke verwendet. Die Erbsenschalen werden häufig schlicht entsorgt, dabei ließen sich daraus wertvolle Inhaltsstoffe wie Pektin oder Cellulose gewinnen. „Beides sind wichtige Ballaststoffe, deren Anteil in unserer Ernährung deutlich zu niedrig liegt“, so Dr. Rocío Morales, Postdoktorandin im Fachgebiet. „Wir arbeiten daran, Cellulose-reiche Pflanzenfasern so zu optimieren, dass ihr Anteil in Joghurt, Brot oder auch Milchshakes auf relevante Mengen erhöht werden kann, ohne geschmackliche Einbußen oder Veränderungen der Konsistenz.“ Cellulose besteht aus langen Fasern, die vielen Vollkornprodukten ein „sandiges“ Mundgefühl verleihen. Diese Fasern müssen aufgebrochen und verkürzt werden.

Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera werden Veränderungen an den Grenzflächen zwischen der einzuschließenden Substanz und dem Kapselmaterial untersucht: die Tropfenkonturanalyse
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„Neben der Verkapselung von wertvollen Inhaltsstoffen ist die nachhaltige Nutzung pflanzlicher Materialien, die bislang eher zu den Neben- beziehungsweise Abfallprodukten in der Lebensmittelproduktion gehören, ein wichtiger Fokus meines Teams. So verbinden wir in der Forschung die beiden großen gesellschaftlichen Herausforderungen einer nachhaltigen Lebensmittelproduktion und einer gesunden Ernährung“, so Stephan Drusch.

Prof. Dr. Stephan Drusch

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„Ich bin immer neugierig, wenn es um Lebensmittel geht – sei es privat im Alltag oder in der Wissenschaft. Ich habe Ökotrophologie an der Christian-Albrechts-Universität Kiel studiert, erste Berufserfahrungen dann im Bereich der Säuglingsnahrung gesammelt. Daher stammt auch mein Interesse an der Verkapselung von Inhaltsstoffen, ein Thema, zu dem ich dann habilitiert habe. Nach zwei Auslandsjahren an der Universität in Mailand bin ich als Professor an die Beuth-Hochschule in Berlin gekommen. Seit 2011 leite ich das Fachgebiet an der TU Berlin.“

Dr. Hanna Kastner

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„Als Nachwuchsgruppenleiterin forsche ich mit meinem Team auf dem Gebiet der Mikroverkapselung. Unser Ziel ist es, neue Ideen zu entwickeln, zu testen und in den unterschiedlichsten Lebensmittelsystemen umzusetzen. Das Projekt ,ENCAP4HEALTH‘ ermöglicht es uns, im internationalen Austausch Erfahrungen und Ergebnisse zu Pektin-Protein-basierten Mikrokapseln zu generieren und die Freisetzung der verkapselten Inhaltsstoffe im Detail zu untersuchen. Die Förderung junger Wissenschaftler*innen liegt mir dabei besonders am Herzen.“

Dr. Rocío Morales

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„Ich habe Chemieingenieurwesen in Granada, Spanien, studiert und bin im Rahmen meiner Promotion das erste Mal zur Lebensmitteltechnologie an der TU Berlin gekommen. Nach der Promotion wechselte ich ganz an die TU Berlin, um über Ballaststoffe zu forschen. So bekomme ich eine globalere Expertise in der Lebensmittelverarbeitung. Das Interessanteste an meiner Arbeit ist, dass ich jeden Tag etwas Neues lerne, weil sich immer wieder neue Fragen stellen – Studierende sind da wirklich kreativ. Forschung ist ein kontinuierlicher Prozess, der auf Neugier, Kreativität sowie sozialen und industriellen Herausforderungen basiert.“

Martina Klost

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„Mir gefällt an der Lebensmitteltechnologie vor allem die Arbeit mit regionalen und nachhaltigen Rohstoffen an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und Entwicklung. Meine Arbeit ist Teil des BMBF-Projekts ,NutriAct – Ernährungsintervention für gesundes Altern’. In dem interdisziplinären Teilprojekt ,Neue Produkte‘ arbeiten wir an Ballaststoffen, ungesättigten Fettsäuren und pflanzlichen Proteinen. Mein Schwerpunkt liegt auf den funktionellen Eigenschaften von Erbsenprotein, einer regionalen und somit nachhaltigeren Alternative zu tierischen Proteinen.“

TU intern 1/2020, Katharina Jung

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