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Entwicklung eines Verfahrens zur simultanen Extraktion von Proteinen und Arabinoxylanen aus glutenfreiem Getreide für die Verwendung in Backwaren
Tanja Kastenhofer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Ernährungswissenschaften
Betreuer*in
Regine Schönlechner
DOI
10.25365/thesis.77575
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-26695.01760.502214-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Nachfrage nach glutenfreien (GF) Produkten steigt stetig, doch trotz Ersatzstoffen wie Hydrokolloide, Fett, Emulgatoren oder alternative Proteinquellen bleibt die Qualität technologisch und ernährungswissenschaftlich unzureichend. Proteinen und Arabinoxylanen (AX) wurden bereits als strukturgebende Zutaten genutzt, da sie ein Polymernetzwerk bilden, dessen Eigenschaften stark von der Polymerstruktur und den Extraktionsbedingungen abhängen. Ziel dieser Masterarbeit war daher die Implementierung eines simultanen Extraktionsverfahrens zur schonenden Extraktion der Zielkomponenten Protein und AX aus GF-Getreide (Mais, Hafer), wobei der Schwerpunkt auf der Ausbeute bei gleichzeitiger Erhaltung der Funktionalität der hergestellten Extrakte lag. Unter den GF-Getreiden bietet Mais den höchsten AX-Gehalt und Hafer ist reich an Proteinen. Zunächst wurden Vorversuche im Labormaßstab unter verschiedenen Extraktionsbedingungen mit Maisvollkornmehl durchgeführt, um hohe Ausbeuten an Protein und AX zu erzielen. Dabei spielten die Konzentration der Stärke-depolymerisierenden Enzyme, der pH-Wert (9, 11) der AX-Extraktion sowie der pH-Wert des zuvor bestimmten isoelektrischen Punktes (IEP) der Proteine eine entscheidende Rolle. Nach der Ermittlung der effizientesten Verarbeitungsbedingungen (pH 11, 300-fache Enzymkonzentration nach Herstellerangaben) wurden AX aus Mais und Hafer mit Calciumhydroxid (Ca(OH)2)-Lösung (pH 11) und Proteine durch Fällung am isoelektrischen Punkt (Mais bei pH 8, Hafer bei pH 5) extrahiert, anschließend Protein- (DUMAS) und AX-Quantifizierung (HPAEC) durchgeführt und das am besten geeignete Rohmaterial für einen nachfolgenden Extraktionsprozess im Pilotmaßstab ermittelt. Im Vergleich zum Verfahren im Labormaßstab erfolgte die Trennung der beiden extrahierten Zielverbindungen im Pilotmaßstab auf der Grundlage der Molekulargröße durch Ultra-/Diafiltration, wobei 7,05 ± 0,04 g/100 g Protein (Ausbeute 0,324 %) und 16,62 ± 0,42 g/100 g AX (Ausbeute 15,08 %) aus Mais zurückgewonnen wurden. Um die AX-Gewinnung zu erhöhen, wurden die Kleie-Rückstände mit faserabbauenden Xylanasen weiter behandelt/extrahiert, gefolgt von einer weiteren Ultra-/Diafiltration, bei der weitere 28,38 ± 1,53 g/100 g AX (Ausbeute 8,83 %) gewonnen wurden. In dieser Studie wurde ein optimiertes AX-Extraktionsverfahren für GF-Mehle entwickelt, wobei die Herausforderungen einer gleichzeitigen Proteinextraktion hervorgehoben wurden.
Abstract
(Englisch)
The demand for gluten-free (GF) products is steadily increasing, but despite substitutes like hydrocolloids, fats, emulsifiers, or alternative protein sources, their quality remains technologically and nutritionally inadequate. Proteins and arabinoxylans (AX) have already been used as structure-forming ingredients, as they form a polymer network whose properties strongly depend on the pol-ymer structure and extraction conditions. Therefore, the aim of this master's thesis was the implementation of a simultaneous extraction process to mildly extract the target components protein and AX from GF cereals (maize, oat), with focus on recovery yield maintaining the functionality of the produced ex-tracts. Among GF cereals maize offers the highest arabinoxylan content and oat is rich in proteins. First, preliminary tests were carried out at a laboratory scale under various extraction conditions using maize wholemeal flour in or-der to achieve high yields in protein and AX. The concentration of starch-depolymerizing enzymes, the pH value (9, 11) of the AX extraction as well as the pH of the previously determined isoelectric point (IEP) of proteins played a crucial role. After determining the most efficient processing conditions (pH 11, 300-fold enzyme concentration acc. to the manufacturer’s instructions), AX of maize and oat fiber-rich fraction were extracted using calcium hydroxide (Ca(OH)2) solution (pH 11) and proteins via precipitation at the isoelectric point (maize at pH 8, oat at pH 5), followed by protein (DUMAS) and AX (HPAEC) quantification and evaluation of the most suitable raw material for a subse-quent pilot-scale extraction process. Compared to the lab-scale process, pilot-scale separation of both extracted target compounds was based on molecular size using ultra-/diafiltration, recovering 7,05 ± 0,04 g/100 g protein (Yield 0,324 %) and 16,62 ± 0,42 g/100 g AX (Yield 15,08 %) from maize. In order to increase AX recovery, bran residues were further treated/extracted using fiber-degrading xylanases, followed again by ultra-/diafiltration, in which further 28,38 ± 1,53 g/100 g AX (Yield 8,83 %) were recovered. This study developed an optimized AX-extraction process for GF flours, highlighting the challenges of a simultaneous protein extraction.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Simultane Extraktion Arabinoxylane AX Proteinextraktion glutenfreie Produkte Maiskleie alkalische Behandlung Ultrafiltration Diafiltration
Schlagwörter
(Englisch)
simultaneous extraction arabinoxylans AX proteinextraction glutenfree products corn bran alkaline treatment ultrafiltration diafiltration
Autor*innen
Tanja Kastenhofer
Haupttitel (Deutsch)
Entwicklung eines Verfahrens zur simultanen Extraktion von Proteinen und Arabinoxylanen aus glutenfreiem Getreide für die Verwendung in Backwaren
Paralleltitel (Englisch)
Development of a simultaneous extraction process of proteins and arabinoxylans from gluten free cereals for application in baking products
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
93 Seiten : Illustrationen
Sprache
Deutsch
Beurteiler*in
Regine Schönlechner
AC Nummer
AC17415147
Utheses ID
74235
Studienkennzahl
UA | 066 | 838 | |