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Novel strategies and predicitive models to enhance food quality
Tobias Pointner
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Chemie
Betreuer*in
Marc Pignitter
DOI
10.25365/thesis.80288
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30077.15802.590161-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Kaltgepresste Pflanzenöle zeichnen sich durch ihre hohe ernährungsphysiologische Qualität und ihren Gehalt an bioaktiven Inhaltsstoffen aus, sind jedoch aufgrund ihres hohen Anteils an mehrfach ungesättigten Fettsäuren (MUFS) besonders anfällig für oxidative Zersetzung. Diese Dissertation befasst sich mit Strategien zur Verbesserung der Oxidationsstabilität – von der Saatvorbehandlung und grünen Extraktionsverfahren bis hin zu innovativen Verpackungslösungen und der Modellierung von Abbauprozessen. Teil I untersuchte natürliche und prozessbezogene Ansätze zur Qualitätssteigerung durch Keimung und grüne Extraktion. Die Keimung von Leinsamen und Sonnenblumenkernen erhöhte die antioxidative Kapazität und den Polyphenolgehalt im Öl um das bis zu 37-fache, insbesondere durch eine Anreicherung von Secoisolariciresinol, was zu einer 4,1-fach längeren prognostizierten Haltbarkeit führte. Darüber hinaus ermöglichte ein neuartiger Ansatz zur Verwertung von Presskuchen durch grüne Extraktion die Herstellung von trübem Leinöl, das einen Teil suspendierte, antioxidantienreiche Partikel enthält. Diese Öle zeigten einen 6,3-fach höheren Polyphenolgehalt, eine um 52% verlängerte Oxidationsinduktionszeit und um 93% niedrigere Hexanalgehalte. Dies belegt, dass ungefilterte, partikelhaltige Öle einen nachhaltigen Ansatz mit verbesserter Oxidationsstabilität verbinden können. Teil II widmete sich der Stabilisierung durch biobasierte Verpackungsmaterialien und funktionellen Zusätzen. Eine 56-tägige Lagerstudie zeigte, dass Sonnenblumenöl in Flaschen aus Polymilchsäure (PLA) eine vergleichbare Oxidationsstabilität wie in Polyethylenterephthalat (PET) und recyceltem PET aufwies, während konventionelles Polyethylen (PE) und bio-PE zu einer schnelleren Oxidation führten. In PLA wurden keine schädlichen nicht absichtlich eingebrachten Stoffe (NIAS) nachgewiesen, was den Einsatz als nachhaltige Verpackungsalternative unterstützt. Ergänzend führte die Anreicherung PUFA-reicher Öle mit 1-Palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamin (PE(16:0/18:1)) zu einer um bis zu 50% verlängerten Oxidationsinduktionszeit, einer Reduktion von Hydroperoxiden und ungesättigten Aldehyden während der Lagerung sowie zu einer teilweisen Erhaltung von Tocopherolen. Mechanistische Untersuchungen zeigten, dass PE(16:0/18:1) Hydroperoxide abbaut und Carbonylverbindungen abfängt und somit temperaturabhängige antioxidative Effekte entfaltet. Teil III konzentrierte sich auf die Identifizierung robuster Biomarker. Sechs kaltgepresste Öle wurden dafür über sechs Monate unter haushaltsnahen Bedingungen gelagert. Durch die Kombination von GC-FID-, LC-MS/MS- und GC-MS-Datensätzen mit statistischen und maschinellen Lernverfahren (LASSO, Random Forest, Korrelationsanalyse) konnten ölspezifische Abbaumuster („Degradationsfingerabdrücke“) identifiziert werden. Der Abbau ungesättigter Fettsäuren, insbesondere von Linol- und α-Linolensäure, erwies sich als konsistente Treiber der Oxidation, während der Abbau bestimmter Polyphenole (z. B. p-Cumarsäure, Sinapinsäure) und die Bildung flüchtiger Verbindungen (z. B. Hexanal, 2,4-Decadienal) substanz- und matrixspezifische Oxidationspfade aufzeigten. Dieser Multi-Marker-Ansatz stellt die erste systematische Studie dar, die zeigt, dass eine zuverlässige Vorhersage der Haltbarkeit nur durch die Integration mehrerer molekularer Indikatoren möglich ist. Zusammengefasst leisten die vorgestellten Studien durch natürliche und nachhaltige Prozessoptimierung, Materialinnovationen und datengetriebene Biomarkeridentifizierung einen Beitrag zu einem tieferen mechanistischen Verständnis der Lipidoxidation sowie zu praktischen Strategien zur Valorisation von Nebenströmen und Verlängerung der Haltbarkeit kaltgepresster Öle.
Abstract
(Englisch)
Cold-pressed vegetable oils are valued for their nutritional quality and bioactive minor compounds but are highly susceptible to oxidative deterioration due to their high polyunsaturated fatty acid (PUFA) content. This dissertation addresses strategies to enhance oxidative stability, from seed pretreatment and green extraction processes to packaging and predictive modeling of degradation. In Part I, natural and process-level quality enhancement was investigated through germination and green extraction. Germination of linseed and sunflower seeds substantially increased antioxidant capacities and up to 37-fold more polyphenols, especially enhanced levels of secoisolariciresinol and a 4.1-fold longer predicted shelf-life. Furthermore, a novel approach to valorize press cake via green extraction produced cloudy linseed oil retaining suspended particles rich in antioxidants. These oils exhibited 6.3-fold higher polyphenol content, improved oxidative induction time (+52%) and lower hexanal levels (-93%), demonstrating that unfiltered, particle-enriched oils can combine sustainability and superior oxidative stability. Part II explored packaging and additive-based stabilization. A 56-day storage study revealed that sunflower oil in polylactic acid (PLA) bottles showed comparable oxidative stability to polyethylene terephthalate (PET) and recycled PET, while conventional polyethylene (PE) and bio-PE led to faster oxidation. No harmful non-intentionally added substances were detected in PLA, supporting its use as a sustainable packaging alternative. Complementarily, fortification of PUFA-rich oils with 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (PE(16:0/18:1)) increased oxidation induction time by up to 50%, reduced hydroperoxides and unsaturated aldehydes during storage and partially preserved tocopherols. Mechanistic experiments indicated that PE(16:0/18:1) decomposes hydroperoxides and traps carbonyls, exerting temperature-dependent antioxidative effects. Part III focused on identifying robust biomarkers of oil deterioration from six cold-pressed oils over six months of storage under household conditions. Combining GC-FID, LC-MS/MS and GC-MS datasets with statistical approaches as LASSO, Random Forest and correlation analysis enabled the identification of degradation fingerprints. Fatty acid depletion, particularly of linoleic and α-linolenic acid, emerged as the most consistent deterioration driver, while polyphenol degradation (e.g., p-coumaric acid, sinapic acid) and volatile formation (e.g., hexanal, 2,4-decadienal) revealed compound- and matrix-specific oxidation pathways. This multi-marker approach was the first to systematically evaluate oil-type-specific biomarkers to further prediction of shelf-life. In conclusion, the combined approaches of natural and sustainable process optimizations, material innovation and advanced data-driven biomarker identification, this thesis contributes to a deeper mechanistic understanding of lipid oxidation and provides practical strategies for the valorization of by-products and extension of the shelf-life of vegetable oils.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Kaltgepresste Pflanzenöle Oxidationsstabilität Polyphenole Fettsäuren Lipidoxidationsprodukte Grüne Extraktion Keimung Nachhaltige Verpackung Polymilchsäure (PLA) Phospholipid-Fortifizierung Biomarker-Identifikation Maschinelles Lernen (ML) Haltbarkeitsvorhersage Lebensmittel
Schlagwörter
(Englisch)
Cold-pressed vegetable oils Oxidative stability Polyphenols Fatty acids Lipid oxidation products Green extraction Germination Sustainable packaging Polylactic acid (PLA) Phospholipid fortification Biomarker identification Machine learning (ML) Shelf-life prediction Food processing
Autor*innen
Tobias Pointner 
Haupttitel (Englisch)
Novel strategies and predicitive models to enhance food quality
Paralleltitel (Deutsch)
Neue Strategien und Vorhersagemodelle zur Verbesserung von Lebensmittelqualität
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
VII, 164 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Benedikt Warth ,
Henry Jäger
AC Nummer
AC17779489
Utheses ID
78716
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 419 |