Proteinschichten – Ergebnisse

Zu Beginn des Projekts wurden verschiedene Benchmarkprodukte (u. a. Kollagenhüllen) untersucht und anhand der Ergebnisse ein Anforderungskatalog erstellt. Darauf basierend wurde eine Vorauswahl an theoretisch geeigneten Proteinen getroffen. Kenngrößen waren hierbei deren Zusammensetzung sowie deren funktionelle Eigenschaften wie Denaturierungsverhalten, Proteinlöslichkeit, Wasserbindekapazität und Gelbildevermögen. Im Verlauf der Versuche stellten sich vor allem Soja- und Erbsenproteinisolate als besonders geeignet für die Entwicklung proteinbasierter Filme heraus. 

In der ersten Entwicklungsphase wurden im Labormaßstab Gießfilme zur Bewertung der Filmbildungseigenschaften hergestellt. Daraus resultierte u. a. die Aufgabe zur Verbesserung der Filmstabilität. Dafür kamen verschiedene Möglichkeiten der Quervernetzung (z. B. Flüssigrauch) und Nachvernetzung (z. B. Salzbäder) infrage. Die am stärksten vernetzten und wasserunlöslichsten Filme entstanden durch den Einsatz von Salzbädern. Allerdings hatte dies ein Herauswaschen des zugegebenen Weichmachers und somit eine Versprödung der Filme zur Folge.

Die auf Basis der Gießfilm-Versuche entwickelten Formulierungen dienten als Grundlage für die Entwicklung extrudierter Proteinfilme. Bei der Extrusion stellte die Steuerung des Vernetzungsgrades eine Herausforderung dar: Eine zu starke Vernetzung führte zu inhomogenen Filmen, eine zu schwache Vernetzung zu mechanisch instabilen Filmen mit geringer Zugfestigkeit und Bruchdehnung. Durch Zugabe von Polysacchariden (z. B. Stärke) konnte die thermoplastische Verarbeitung der pflanzlichen Proteine und damit die Homogenität und mechanische Stabilität der Filme verbessert werden.

Im Rahmen der Extrusionsversuche zeigte sich, dass die mechanischen Eigenschaften der extrudierten Filme sowohl von der Formulierung als auch von den Prozessparametern abhängen. So führte z. B. eine höhere Schneckendrehzahl zu einer Abnahme der Bruchdehnung und somit zu instabileren Filmen bzw. einem geringeren Knack/Biss.

Im nächsten Schritt wurde getestet, inwieweit durch physikochemische (z. B. Temperatur, pH-Wert) und enzymatische Vorbehandlungen (z. B. Proteinase) die Filmeigenschaften weiter optimiert werden können. Lediglich die thermische Vorbehandlung der Rohstoffe ergab hier eine deutliche Steigerung der Zugfestigkeit der Proteinfilme. Im Vergleich zu kommerziellen Wursthüllen auf Kollagenbasis war deren mechanische Stabilität jedoch immer noch deutlich geringer.

Die Hüllen-Prototypen wurden im Rahmen erster Anwendungstests mit dem ebenfalls im Projekt entwickelten veganen Brät auf Basis texturierter Erbsenproteinisolate befüllt. Die als Proof-of-Principle-Test für die spätere industrielle Anwendung anzusehenden Füll- und Bratversuche ergaben, dass die Produkteigenschaften der pflanzlichen Proteinfilme durch die geschilderten Rezepturmodifikationen und die gezielten Anpassungen der Prozessparameter optimiert werden konnten, die Hüllen aber im Hinblick auf die Zielsetzung keine ausreichende mechanische Stabilität aufwiesen. 

Ausblick: Durch weitere Arbeiten in diesem Bereich könnte die thermoplastische Verarbeitung weiter verbessert werden. Eine Anwendung z. B. im Bereich plastikfreier Verpackung wäre dann denkbar.