Untersuchungen zur Technofunktionalität von Eigelbfraktionen in Feinen Backwaren am
Beispiel von Biskuit und Sandkuchen
INAUGURAL – DISSERTATION zur Erlangung des Grades einer Doktorin
der Veterinärmedizin
– Doctor medicinae veterinariae – ( Dr. med. vet. )
vorgelegt von Katrin Ursula Dietrich
Heilbad Heiligenstadt
Hannover 2015
Wissenschaftliche Betreuung: Prof. Dr. Waldemar Ternes
Institut für Lebensmitteltoxikologie und Chemische Analytik
1. Gutachter: Prof. Dr. Waldemar Ternes 2. Gutachter: PD Dr. Gerhard Glünder
Tag der mündlichen Prüfung: 13.05.2015
Teile dieses Forschungsvorhabens 16246N wurden im „Programm zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (via AiF) über den Forschungskreis für Ernährungsindustrie e. V. (FEI)“
gefördert.
Meiner Familie
Teile dieser Arbeit sind in der internationalen Fachzeitschrift Baking & Biscuit, der nationalen Fachzeitschrift Brot & Backwaren sowie der internationalen Fachzeitschrift Journal of Food Chemistry veröffentlicht worden:
DIETRICH, K. & TERNES, W. (2011).
Positively influencing quality parameters.
Baking & Biscuit, 2, 16-20.
DIETRICH, K. & TERNES, W. (2011).
Qualitätsparameter positiv beeinflussen.
Brot & Backwaren, 6, 34-37.
BLUME, K., DIETRICH, K., LILIENTHAL, S., TERNES, W. & DROTLEFF, A. M. (2015).
Exploring the relationship between protein secondary structures, temperature-dependent viscosities, and technological treatments in egg yolk and LDL by FTIR and rheology.
Food Chemistry, 173, 584-593.
DOI: 10.1016/j.foodchem.2014.10.084
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ... 1
2. Wissenschaftliches Schrifttum ... 3
2.1 Zusammensetzung des Eigelbs ... 3
2.1.1 Proteine der Granula ... 4
2.1.2 Proteine des Plasmas ... 6
2.1.3 Lipide des Eigelbs ... 8
2.1.4 andere Inhaltsstoffe ... 9
2.2 Gewinnung von Eigelbfraktionen ... 10
2.2.1 Theoretische Grundlagen ... 11
2.3 Technofunktionelle Eigenschaften von Eigelb bei der Verarbeitung in Lebensmitteln ... 17
2.3.1 Viskosität und Gelbildung durch thermische Einflüsse ... 18
2.3.1.1 Rheologische Grundlagen ... 19
2.3.1.2 Temperaturabhängige Viskosität von Eigelb ... 22
2.3.2 Schaumbildungsvermögen ... 26
2.3.3 Emulgierende Eigenschaften ... 28
2.3.4 Bedeutung der funktionellen Eigenschaften des Eigelbs für die Qualität Feiner Backwaren ... 31
2.3.4.1 Volumenausbeute und Krumenfestigkeit ... 34
2.4 Immunchemische Methoden zur Bestimmung von Immunglobulin Y (IgY) und Ovalbumin ... 35
2.4.1 Immunglobulin Y (IgY) und sein Nachweis durch den enzymgekoppelten Immunadsorptionstest (ELISA) ... 35
2.4.2 Bestimmung von Ovalbumin mit der Rocket-Immunelektrophorese nach Laurell ... 37
3. Material und Methoden ... 38
3.1 Versuchsziel ... 38
3.2 Material ... 40
3.2.1 Chemikalien ... 40
3.2.1.1 Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC) ... 40
3.2.2 Probenmaterial ... 41
3.3 Probenvorbereitung ... 42
3.3.1 Herstellen der Reagenzien ... 42
3.3.2 Backversuche ... 45
3.3.3 Rheologische Messungen ... 46
3.3.4 Rocket-Immunelektrophorese ... 48
3.3.5 Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) ... 49
3.4 Methoden ... 52
3.4.1 Backversuche mit Eigelbfraktionen ... 52
3.4.1.1 Kuchenmodellsystem A: Biskuit (Eiprodukt und Zucker + Mehl/Stärke) ... 54
3.4.1.1.1 Biskuit unter Verwendung von VOLLEI, EIGELB und EIGELB PAST GGT... 58
3.4.1.1.2 Biskuit unter Verwendung der drei Eigelbfraktionen (LDL PAST GGT, GRANULA PAST GGT, LIVETINE PAST GGT) ... 58
3.4.1.1.3 Biskuit unter Verwendung der LDL-Fraktion (LDL PAST GGT) in verschiedenen Anteilen ... 59
3.4.1.1.4 Biskuit unter Verwendung der LDL-Fraktion (LDL PAST GGT) in Kombination mit der Livetin-Fraktion (LIVETINE PAST GGT) ... 59
3.4.1.1.5 Biskuit aus einer Kombination von LDL- (LDL PAST GGT) und Granula-Fraktion (GRANULA PAST GGT) ... 60
3.4.1.1.6 Biskuit nach dem „All-in“-Verfahren ... 61
3.4.1.2 Kuchenmodellsystem B: Sandkuchen (Eiprodukt und Zucker + Mehl/Stärke + Fettzusatz) ... 61
3.4.1.2.1 Sandkuchen unter Verwendung von VOLLEI, EIGELB oder aus past. ggt. Eigelbfraktionen rekonstruiertem Eigelb (LDL + GRANULA + LIVETINE (alle PAST GGT)) ... 64
3.4.1.2.2 Sandkuchen unter Verwendung von EIGELB und Palmin® ... 65
3.4.1.2.3 Sandkuchen unter Verwendung der drei Eigelbfraktionen (LDL
PAST GGT, GRANULA PAST GGT, LIVETINE PAST GGT) ... 65
3.4.1.2.4 Sandkuchen unter Verwendung der Granula-Fraktion (GRANULA PAST GGT) in verschiedenen Anteilen ... 66
3.4.1.2.5 Sandkuchen aus einer Kombination von LDL- (LDL PAST GGT) und Granula-Fraktion (GRANULA PAST GGT) ... 67
3.4.1.3 Penetrometrie, Kuchendichtebestimmung und Sensorik ... 67
3.4.2 Rheologische Messungen ... 69
3.4.2.1 Begriffsdefinition ... 70
3.4.3 Immunchemische Bestimmung des Ovalbumingehaltes mit der Rocket-Immunelektrophorese ... 72
3.4.3.1 Auswertung der Rocket-Immunelektrophorese ... 75
3.4.4 Einfluss der CMC-Viskosität bei der Fraktionierung von Eigelb nach der Methode von ULRICHS und TERNES (2010) ... 77
3.4.4.1 Bestimmung der Restfeuchte ... 79
3.4.4.2 Bestimmung der Auswaagen nach Gefriertrocknung ... 79
3.4.4.3 Gravimetrische Bestimmung des Fettgehaltes nach Säureaufschluss ... 80
3.4.4.4 Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl ... 81
3.4.4.5 Immunchemische Bestimmung des IgY-Gehaltes mittels ELISA ... 82
3.4.4.5.1 Auswertung ELISA ... 86
3.4.5 Statistische Auswertung ... 88
4. Ergebnisse und Diskussion ... 89
4.1 Technofunktionelle Eigenschaften der Eigelbfraktionen ... 89
4.1.1 Backversuche ... 89
4.1.1.1 Kuchenmodellsystem A: Biskuit (Eiprodukt und Zucker + Mehl/Stärke) ... 89
4.1.1.1.1 Vergleich von VOLLEI, EIGELB oder EIGELB PAST GGT in Biskuit ... 89
4.1.1.1.2 Vergleich der drei Eigelbfraktionen (LDL PAST GGT,
GRANULA PAST GGT, LIVETINE PAST GGT) in Biskuit ... 93
4.1.1.1.3 LDL-Fraktion (LDL PAST GGT) in Biskuit ... 98
4.1.1.1.4 LDL-Fraktion (LDL PAST GGT) in Kombination mit der Livetin- Fraktion (LIVETINE PAST GGT) in Biskuit ... 102
4.1.1.1.5 LDL- (LDL PAST GGT) und Granula-Fraktion (GRANULA PAST GGT) als Kombination in Biskuit ... 104
4.1.1.1.6 „All-in“-Verfahren bei Biskuit ... 107
4.1.1.1.7 Diskussion ... 109
4.1.1.2 Kuchenmodellsystem B: Sandkuchen (Eiprodukt und Zucker + Mehl/Stärke + Fettzusatz) ... 120
4.1.1.2.1 Vergleich von VOLLEI, EIGELB oder aus past. ggt. Eigelbfraktionen rekonstruiertem Eigelb (LDL + GRANULA + LIVETINE (alle PAST GGT)) in Sandkuchen ... 120
4.1.1.2.2 Palmin® in Sandkuchen ... 125
4.1.1.2.3 Vergleich der drei Eigelbfraktionen (LDL PAST GGT, GRANULA PAST GGT, LIVETINE PAST GGT) in Sandkuchen ... 125
4.1.1.2.4 Granula-Fraktion (GRANULA PAST GGT) in Sandkuchen ... 130
4.1.1.2.5 LDL- (LDL PAST GGT) und Granula-Fraktion (GRANULA PAST GGT) als Kombination in Sandkuchen ... 135
4.1.1.2.6 Diskussion ... 138
4.1.1.3 Zusammenfassung ... 145
4.1.2 Rheologische Untersuchungen – Effekt der Ionenstärke ... 149
4.2 Ovalbumingehalt in den verschiedenen Eigelbfraktionen ... 157
4.3 Eigenschaften separierter Eigelbfraktionen unter Verwendung von CMC´s unterschiedlicher Viskositäten ... 159
4.3.1 Vergleich der Auswaagen ggt. LDL- und Livetin-Fraktionen (TM) ... 162
4.3.2 Gesamtproteingehalt, Gesamtfettgehalt ... 165
4.3.3 IgY-Gehalt im Eigelb und seinen Fraktionen ... 168
4.3.4 Zusammenfassung und Diskussion ... 175
5. Zusammenfassung ... 179
6. Summary ... 184
7. Literaturverzeichnis ... 189
8. Anhang ... 203
8.1 Chemikalienverzeichnis... 203
8.2 Abbildungsverzeichnis... 205
8.3 Tabellenverzeichnis ... 209
8.4 Abkürzungs- und Symbolverzeichnis ... 218
8.5 Glossar ... 221
8.6 Statistik ... 223
8.6.1 Rheologische Untersuchungen ... 223
8.7 Restfeuchten ... 226
8.8 Messwerte ... 226
8.8.1 Kuchenmodellsystem A: Biskuit ... 226
8.8.2 Kuchenmodellsystem B: Sandkuchen ... 233
8.8.3 Rocket-Immunelektrophorese ... 239
8.8.4 Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) ... 239
1 laut persönlicher Mitteilung von C. Amling, Bundesverband der Deutschen Eiprodukten-Industrie e. V., Hannover am 12.08.2014
1. Einleitung
Das Hühnerei ist eines der vielseitigsten Nahrungsmittel. Es enthält eine Reihe hochwertiger Proteine und Lipide, wertvolle Mineralien und Vitamine. In der Nahrungsmittelindustrie wird es aufgrund seiner drei herausragenden technofunktionellen Eigenschaften, wie der thermischen Gelbildung, seines Schaumbildungsvermögens und seiner exzellenten emulgierenden Eigenschaften geschätzt. Die Gesamtmenge an Eiprodukten, die in Deutschland hergestellt werden, hat sich in den letzten Jahren kontinuierlich erhöht: von geschätzt 200 000 t (2007) über 250 000 t (2011) auf etwa 350 000 t (2014)1. Sie haben sich mittlerweile gegenüber dem Schalenei als praktische Alternative durchgesetzt. Noch mehr Vorteile bieten getrocknete, pasteurisierte Produkte, die eine absolute Sicherheit vor unerwünschten Keimen und eine problemlosere Handhabung bieten. Bisher sind allerdings nur sprühgetrocknete Eigelbprodukte auf dem Markt. Diese weisen aufgrund der thermischen Schädigung während des Trocknungsverfahrens nur eine eingeschränkte Funktionalität und damit Verwendbarkeit im Vergleich zu frischem Eigelb auf. Durch ein besonderes Verfahren zur Gewinnung gefriergetrockneter Eigelbprodukte (JAEKEL et al., 2008) können Eigelbpulver ohne Verlust ihrer technofunktionellen Eigenschaften produziert werden. Das rehydratisierte Produkt zeigt ähnliche Qualitäten, wie flüssiges, pasteurisiertes Eigelb. Zudem ist es mittlerweile möglich, kostengünstig und im industriellen Maßstab pasteurisiertes Eigelb unter Zuhilfenahme der Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC) in seine drei Hauptfraktionen aufzutrennen: LDL (Low-Density-Lipoproteine), Granula und Livetine (ULRICHS u. TERNES, 2010). Diese gefriergetrockneten Eigelbfraktionen könnten eine neue und wirtschaftlich umsetzbare Alternative zur Verwendung von Volleigelb darstellen.
Die Qualität von Feinen Backwaren, wie Biskuit und Sandkuchen, definiert sich im Wesentlichen über die Eibestandteile. Für die Eiproduktenindustrie könnten sich neue Möglichkeiten ergeben, gefriergetrocknete Eigelbfraktionen gezielt in Feinen Backwaren einzusetzen, um verbesserte und kostengünstigere Produkte zu erzeugen. Die Kosteneinsparungen ergeben sich dadurch, dass Eigelbfraktionen, die für eine gute Gebäckqualität weniger erforderlich sind, gewinnbringend für andere Einsatzmöglichkeiten verwendet werden können. Besonders die Livetin-Fraktion eignet sich durch ihre hohen
Gehalte an Immunglobulin Y (IgY) für Functional-Food-Produkte oder pharmazeutische Anwendungen und könnte gegen eine Reihe bakterieller oder viraler Infektionen, bspw. als anti-E. coli Immunglobulin Y, eingesetzt werden (SHIMIZU et al., 1994). Effizienz und Wirtschaftlichkeit ihrer Gewinnung ließen sich dadurch steigern, dass nicht nur eine einzelne Komponente erfasst wird, sondern anfallende wertvolle Nebenprodukte, wie die LDL- und Granula-Fraktion ebenfalls gewinnbringend eingesetzt werden. Bisher war allerdings kaum bekannt, welche Fraktionen in den unterschiedlichen Feinen Backwaren die jeweils optimalen Gebäckeigenschaften erzielen können.
Die Erfassung der technofunktionellen Eigenschaften pasteurisierter, gefriergetrockneter Eigelbfraktionen erfolgte mithilfe von Backversuchen. Hierbei sollten Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der einzelnen Fraktionen und der Qualität der daraus hergestellten Feinen Backwaren (Biskuit/Sandkuchen) bestimmt werden. Zur Charakterisierung der Gebäcke dienten die Bestimmung der Krumenfestigkeit durch penetrometrische Messungen sowie die Kuchendichte. Ein anderer Schwerpunkt stellte die Untersuchung ihrer Technofunktionalität mittels der Rheologie dar. Hierbei wurden die komplexen Zusammenhänge bei der thermischen Gelbildung von Eigelb, insbesondere seiner Hauptkomponente, dem LDL, in Abhängigkeit unterschiedlicher Ionenstärken untersucht.
Über den genauen Mechanismus in der Ausbildung der charakteristischen Viskositätskurve von Eigelb, in Anwesenheit geringer Ionenstärken, gibt es bisher nur unzureichende Untersuchungen. Seine Aufklärung könnte es möglich machen, diese vorteilhaft in der Nahrungsmittelindustrie einzusetzen. Ein weiteres Ziel dieser Dissertationsarbeit bestand darin, den Einfluss der CMC-Viskosität bei der Fraktionierung von Eigelb zu untersuchen.
Ziel war es, nach Möglichkeit, Fraktionen höherer Reinheit herzustellen, um so die Extraktion einzelner Eigelbbestandteile (z. B. IgY und Lecithine) aus den entsprechenden Fraktionen, so effektiv und wirtschaftlich wie möglich zu gestalten oder sogar überflüssig zu machen. Zur Überprüfung der Fraktionsreinheit wurden neben immunologischen Nachweisverfahren, wie dem Enzyme Linked Immunosorbent Assay (ELISA) und der Rocket-Immunelektrophorese nach Laurell, auch die klassischen Methoden, wie die Bestimmung des Gesamtprotein- und Gesamtfettgehaltes, angewendet.
2. Wissenschaftliches Schrifttum
2.1 Zusammensetzung des Eigelbs
Eigelb besteht etwa zu 50 % aus Wasser, zu etwa einem Drittel (32-35 %) aus Lipiden und zu einem Sechstel (15,7-16,6 %) aus Proteinen (TERNES, 2008a). Die meisten Proteine und Lipide des Eigelbs sind in Form von Lipoproteinen, als Low-Density-Lipoproteine (LDL) und High-Density-Lipoproteine (HDL), miteinander verbunden (ACKER u. TERNES, 1994).
Eigelb wurde erstmals von SCHMIDT et al. (1956) mittels Ultrazentrifugation in zwei Fraktionen unterteilt: in ein dicht gepacktes Sediment (Granula) und eine überstehende, fast klare, gelbe Lösung (Plasma). Später konnte aus dem Plasma durch erneute Ultrazentrifugation eine flotierende Schicht, das Low-Density Lipoprotein (LDL), von der wasserlöslichen (Livetin-) Fraktion abgetrennt werden (BENGTSSON et al., 1977) (Abbildung 1).
Abbildung 1: Überblick über die Zusammensetzung des Eigelbs (bezogen auf die Trockenmasse (TM)) (ANTON, 2007)
Eigelb (TM)
Granula (22 %)
Low-Density- Lipoprotein (LDL)
(2 %)
Lipovittelin (HDL)-Phosvitin-
Komplex
High-Density- Lipoprotein (HDL)
(16 %)
α-Lipovittelin
β-Lipovittelin
Phosvitin (α, β) (4 %)
Plasma (78 %)
Low-Density- Lipoprotein (LDL)
(66 %)
Livetine (α-, β-, γ-Livetin)
(10 %)
2.1.1 Proteine der Granula
Die Granula bestehen aus der Low-Density-Lipoprotein-Fraktion (LDL) und dem Lipovitellin (HDL)-Phosvitin-Komplex (CAUSERET et al., 1991) (Abbildung 1). Kationen, besonders Calcium und Magnesium, sind an der Ausbildung von Ionenbrücken zwischen den Phosphatgruppen des Phosvitins, den Lipovitellinen und LDL beteiligt (CAUSERET et al., 1991). Sie tragen zur kompakten, kaum hydratisierten Struktur der Granula bei, die schlecht angreifbar für Enzyme ist, sowie einen effizienten Schutz vor thermaler Denaturierung und Gelbildung bietet (ANTON, 2007).
Die Mikrostruktur der Granula ist abhängig vom pH-Wert, der Ionenstärke und der Anwesenheit von bi- oder polyvalenten Kationen. Die Änderung einer dieser Parameter kann zur irreversiblen Zerstörung der Granulastruktur führen (CAUSERET et al., 1991). Bei geringer Ionenstärke besitzt die Granula eine geringe Löslichkeit, was die geringen emulgierenden Eigenschaften erklärt (ANTON u. GANDEMER, 1997).
Die Integrität der Granula wird bspw. zerstört, wenn durch Zusatz von NaCl die Ionenstärke ansteigt (CAUSERET et al., 1991). ANTON und GANDEMER (1997) beobachteten bereits bei Ionenkonzentrationen über 0,3 M NaCl eine beginnende Zerstörung der Calcium- Phosphorbrücken, welche HDL und Phosvitin verbinden und somit eine Steigerung der Granula-Löslichkeit um 80 % hervorrufen. Die komplette Auflösung der Granula findet bei Ionenkonzentrationen über 1,71 M NaCl statt (CHANG et al., 1977). Nach Zentrifugation bilden sich zwei Phasen, eine flotierende Schicht, die nach Zugabe einer 0,05 M Magnesiumsulfat-Lösung und anschließender Zentrifugation eine sedimentierende HDL- Fraktion (Lipovitellin) abscheidet sowie ein klarer Überstand aus dem nach Zugabe einer 0,2 M Magnesiumsulfat-Lösung Phosvitin präzipitiert (MCBEE u. COTTERILL, 1979).
Azidifikation oder Alkalisation können ebenso eine Dissoziation und Löslichkeitssteigerung der Granula hervorrufen (CAUSERET et al., 1991). Im sauren pH-Bereich führt eine steigende Anzahl positiver Ladungen (NH3+
) zu elektrostatischer Abstoßung und zum Aufbrechen der Granula-Struktur, während bei basischem pH-Wert entsäuerte
Carboxylgruppen die Abstoßung negativer Ladungen (COO-) und damit die Zerstörung der Granula-Struktur, hervorrufen (ANTON, 2007).
Die Trockenmasse der Granula enthält 64 % Proteine, 31 % Lipide und 5 % Asche (DYER- HURDON u. NNANNA, 1993).
Bei den Lipovitellinen handelt es sich um Lipoproteine hoher Dichte (High-Density- Lipoproteine (HDL)), die einen Anteil von 16,1 % an den Eigelbproteinen der Trockensubstanz ausmachen (TERNES, 2008a). HDL´s besitzen keine sphärische Micellenstruktur, vielmehr eine pseudo-molekulare Struktur, ähnlich globulärer Proteine (ANTON, 2007). Mit elektrophoretischen und chromatographischen Methoden ist eine Trennung in α- und β-Lipovitellin möglich, die sich im Protein-Phosphorgehalt unterscheiden (BERNARDI u. COOK, 1960) (Abbildung 1, Seite 3). Jedes Monomer von HDL besteht aus fünf Apolipoproteinen mit Molekulargewichten von 35 bis 110 kDa (110 kDa: 21 %, 100 kDa: 16 %, 80 kDa: 20 %, 50 kDa: 14 %, 35 kDa: 28 %) (ANTON, 2007).
Phosvitin ist ein Glycophosphoprotein mit einem extrem hohen Anteil an Serin-gebundener Phosphorsäure (ACKER u. TERNES, 1994). Der hohe Phosphorgehalt ist verantwortlich für seine starke Affinität zu Metallionen, besonders zu Eisen: 95 % des im Eigelb enthaltenden Eisens ist an Phosvitin gebunden (ANTON, 2007). Phosvitin besitzt einen Anteil von 4,6 % der Eigelbtrockenmasse (TERNES, 2008a). Es besteht aus zwei Komponenten, dem α- und β- Phosvitin (Abbildung 1, Seite 3), bei denen es sich um Proteinaggregate mit Molekulargewichten von 160 kDa und 190 kDa handelt (ABE et al., 1982), welche sich in ihrem Phosphorgehalt unterscheiden (α-Phosvitin: 3 %, β-Phosvitin: 10 % (ANTON, 2007)).
Phosvitin ist wasserlöslich und lässt sich leicht mit einer 0,1 M Magnesiumsulfat-Lösung ausfällen (ANTON, 2007). Durch seine ungeordnete Struktur tritt unter Einwirkung thermischer Prozesse, bspw. Erhitzung auf 110 °C für 20 Min., keine Proteinaggregation und Löslichkeitsverminderung auf (ALBRIGHT et al., 1984).
Low-Density-Lipoproteine (LDL) und Very-Low-Density-Lipoproteine (VLDL) der Granula sind zu 2,7 % in der Eigelbtrockensubstanz enthalten (TERNES, 2008a). Die VLDL-Fraktion enthält Myelinfiguren, die GARLAND und POWRIE (1978) erstmals nachgewiesen haben.
2.1.2 Proteine des Plasmas
Bei den Proteinen des Plasmas unterschiedet man zwischen den Livetinen und den Low- Density-Lipoproteinen (LDL) (Abbildung 1, Seite 3).
Die wasserlösliche, globuläre Livetin-Fraktion, mit einem Anteil von 9,3 % der Eigelbproteine (TERNES, 2008a), lässt sich elektrophoretisch (BERNARDI u. COOK, 1960) oder durch Präzipitation mit Ammoniumsulfat (NAKAI, 1983) in α-, β- und γ-Livetine trennen. BERNARDI und COOK (1960) bestimmten die relativen Verhältnisse der drei Livetingruppen zueinander mit 2:5:3. Die drei Livetinkomponenten lassen sich auf die Serumproteine des Huhns zurückführen (WILLIAMS, 1962). Die Hauptkomponente des α- Livetins ist das Albumin, die des β-Livetins das α-2-Glycoprotein und das IgY (Immunglobulin Y) stellt die Hauptkomponente des γ-Livetins dar (KOVACS-NOLAN et al., 2005).
IgY wird vom maternalen Blut durch einen speziellen rezeptorvermittelten Membrantransport in die Oozyten aufgenommen (MOHAMMED et al., 1998, MORRISON et al., 2001). Der IgY-Gehalt im Eigelb korreliert eng mit der IgY-Konzentration im Blutserum des Huhnes (MORRISON et al., 2001). ANTON (2007) bezifferte die IgY-Konzentration pro Eigelb auf 100-200 mg. Einige Autoren stellten kaum Unterschiede zwischen den Gehalten im Blutserum oder Eigelb fest, andere detektierten eine höhere IgY-Konzentration im Eigelb (z. B. um das 1,23-fache höher als im Serum) (ANTON, 2007). Die IgY-Konzentration im Eigelb variiert signifikant zwischen verschiedenen Individuen (3-7 mg/mL), genetischen Linien und Rassen (z. B. Single-comb White Leghorn: 2,2 ± 0,4 mg/mL, SLU-1329:
2,0 ± 0,5 mg/mL, Rhode Island Red 1,7 ± 0,5 mg/mL) (ANTON, 2007). Durch eine entsprechende Immunisierung des Huhnes mit spezifischen Antigenen können, mit Hilfe schonender Isolierung aus der γ-Livetin-Fraktion des Eigelbs, Antikörper gegen eine Vielzahl von Viren und Bakterien gewonnen werden (CHALGHOUMI et al., 2009) und diese in pharmazeutischen oder Novel-Food-Produkten eingesetzt werden (DE MEULENAER u.
HUYGHEBAERT, 2001).
Die Lipoproteine niedriger Dichte (Low-Density-Lipoproteine (LDL)) stellen die flotierende Fraktion dar, die sich beim Zentrifugieren nach Zusatz von Magnesiumsulfat aus dem Plasma ergibt (BERNARDI u. COOK, 1960). Sie sind zu einem Anteil von 33,7 % im Eigelb enthalten (TERNES, 2008a) und somit der Hauptbestandteil im Eigelb (2/3 der Eigelbtrockenmasse). Das LDL des Eigelbs weist eine große Ähnlichkeit zu den Very-Low- Density-Lipoproteinen aus dem Hühnerblut auf (ANTON, 2007). Sie werden in der Leber von Legehennen produziert, mit dem Blut zu den Ovarien transportiert und anschließend durch Strukturmodifikationen ins Eigelb übertragen (HOLDSWORTH u. FINEAN, 1972).
Low-Density-Lipoproteine sind sphärische Micellen, bestehend aus einem Kern neutraler hydrophober Lipide (Triacylglyceride, Cholesterol und Cholesterolester), die von einer hydrophilen Membran aus Apolipoproteinen und Phospholipiden (Abbildung 2) umgeben ist (MARTIN et al., 1964), wodurch sie sich in wässrigen Lösungen lösen (hydrophil).
Cholesterol ist zur Erhöhung der Stabilität in diese Membran eingearbeitet (ANTON, 2007).
Abbildung 2: Struktur von LDL (Low-Density-Lipoprotein) (KOSTNER, 2001)
Die geringe Dichte (0,982 g/mL) verdankt die Fraktion ihrem hohen Gehalt an Lipiden, der 81-89 % betragen kann, bestehend aus etwa 70 % Triacylglyceriden, 26 % Phospholipiden und 4 % Cholesterol und einem Proteingehalt von nur 13 % (TERNES, 2008a).
Cholesterol
Cholesterolester Apolipoprotein
Phospholipid
Triacylglycerid
Die Lipoproteine sind maßgebend für die Emulsionswirkung des Eigelbs, was hauptsächlich auf die Interaktion von Apolipoproteinen, die dank ihrer amphiphilen Natur an der Grenzfläche Öl/Wasser adsorbiert werden, und den Phospholipiden zurückzuführen ist (Protein-Phospholipid-Komplex) (KIOSSEOGLOU u. SHERMAN, 1983).
LDL reagiert sensitiv auf technologische Prozesse (ANTON et al., 2003). Eine Erhitzung für 10 Min. auf 75 °C führt zur strukturellen Zerstörung und anschließender Neuordnung der Fragmente zu großen Clustern (ANTON, 2007).
LDL besteht aus sechs großen Apolipoproteinen mit Molekulargewichten von 130 bis 15 kDa (130 kDa, 80 kDa, 65 kDa, 60 kDa, 55 kDa, 15 kDa) (ANTON et al., 2003).
2.1.3 Lipide des Eigelbs
Die Lipide des Eigelbs, welche 31,8-35,5 % des Eigelbs ausmachen (ACKER u. TERNES, 1994), stehen in Form von Lipoproteinen in enger Wechselwirkung mit den Eigelbproteinen.
Die Triacylglyceride bilden mit 62 % die Hauptkomponenten der Lipidfraktion. Die Gruppe der Phospholipide ist mit 33 % vertreten (ANTON, 2007). Ferner enthält die Fettfraktion im Durchschnitt 4 % Cholesterol (TERNES, 2008a).
Unterschiede in der Lipidzusammensetzung sind zum einen genetisch, zum anderen durch das Tieralter und Futter bedingt (ACKER u. TERNES, 1994, ANTON u. GANDEMER, 1997).
Bei üblicher Fütterung der Legehennen ergibt sich folgende Verteilung der Fettsäuren in den Triacylglyceriden: 24,4 % Palmitinsäure, 6,9 % Stearinsäure, 50,7 % Ölsäure und 9,7 % Linolsäure (TERNES, 2008a).
Die Phospholipide der Eigelbs bestehen zu 73 % aus Phosphatidylcholinen (= Lecithinen), 15,5 % aus Phosphatidylethanolaminen (= Chephaline), 5,8 % aus Lysophosphatidylcholinen, 2,5 % aus Spingomyelinen, 0,9 % aus Plasmalogenen und 0,6 % aus Inositol-Phospholipiden (TERNES, 2008a). Strukturell handelt es sich bei den Phospholipiden um eine Veresterung des Glycerols oder Sphingosins mit zwei Fettsäuren und eine über eine Phosphatbrücke verbundene Kopfgruppe. Phospholipide sind amphophile Moleküle, die polare und unpolare
Gruppen besitzen und somit an der Grenzfläche Öl/Wasser adsorbiert werden (ANTON, 2007). Sie besitzen emulgierende Eigenschaften (KIOSSEOGLOU u. SHERMAN, 1983).
Freies Cholesterol (ANTON, 2007) und Cholesterolester beteiligen sich an der Struktur von LDL, wobei Cholesterolester v. a. im Lipidkern vorkommen (KUKSIS, 1992). Sie bestehen zu 35 % aus Ölsäure, 33 % aus Palmitinsäure, 12 % aus Linolsäure und 11 % aus Stearinsäure (KUKSIS, 1992).
2.1.4 andere Inhaltsstoffe
Eigelb enthält, bezogen auf die Trockenmasse, ca. 1 % Kohlenhydrate, von denen 0,2 % an Proteine gebunden sind (BELITZ u. GROSCH, 1987). Zu den freien Kohlenhydraten zählt v. a. die Glucose, welche eine erhebliche Bedeutung als Reaktionspartner der Kohlenhydrat- Maillard-Reaktion (nichtenzymatische Bräunungsreaktion) während der Herstellung und Lagerung von Trockeneiprodukten besitzt (ACKER u. TERNES, 1994).
Eigelb enthält ebenfalls eine Reihe von Mineralstoffen, zu denen besonders Phosphor (0,59 %), Kalium (0,138 %) und Calcium (0,14 %) gehören (SOUCI et al., 2008). Das Phosphat kommt vorwiegend an Phosvitin und Lecithinen gebunden vor (ACKER u.
TERNES, 1994).
Zu den Vitaminen zählen besonders die fettlöslichen Vitamine, die sich ausschließlich im Eigelb befinden. Hierzu zählt das Vitamin A , Vitamin D und Vitamin E (SOUCI et al., 2008). Zudem enthält es noch Vitamin B1, B2, Nicotinamid, Panthothensäure, B6, Biotin, Folsäure und B12 (SOUCI et al., 2008).
Die Farbe des Eigelbs gilt als besonderes Qualitätsmerkmal für unter Verwendung von Eigelb hergestellte Erzeugnisse. Dabei handelt es sich um Carotine und Xanthophylle (Lutein, Cryptoxanthin, Zeaxanthin), welche hauptsächlich an der Farbgebung beteiligt sind und zur Gruppe der Carotinoide gehören (ANTON, 2007). Sie sind besonders in den Eigelblipiden lokalisiert und somit verantwortlich für die gelbe Farbe. Ihr Gehalt beläuft sich auf weniger als 1 % der Eigelblipide (ANTON, 2007). Sie werden vom Huhn aus dem Futter
aufgenommen (ACKER u. TERNES, 1994). Nach der Ingestion von Carotin wird es größtenteils zu Xanthophyllen oxidiert (ANTON, 2007).
2.2 Gewinnung von Eigelbfraktionen
Voraussetzung für die Charakterisierung einzelner Eigelbfraktionen und -proteine ist, dass sie physikalisch getrennt vorliegen.
KAMAT et al. (1973) trennten die Hauptkomponenten des Eigelbs (Granula und Plasma) noch mit präparativer Ultrazentrifugation (60 000 x g, 18 h bei 8 °C) ab. Die Separation von Plasma in eine flotierende LDL-reiche und eine wässrige IgY-reiche Livetin-Phase, ist in der Literatur mehrfach beschrieben (MCBEE u. COTTERILL, 1979, ANTON et al., 2003, LACA et al., 2009). In diesen Prozedere wurde das Plasma mit NaCl-Lösung (10 %) (MCBEE u.
COTTERILL, 1979), Ammoniumsulfatlösung (40 %) (ANTON et al., 2003), Hydrokolloiden (Natriumalginat (1 % (w/v) (LACA et al., 2009)), Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC) (0,05; 0,15 oder 0,25 % (w/w) (SHAH u. SINGH, 1992)) oder Dialyse gegen eine 1 mM EDTA-Lösung (pH-Wert = 7) (BENGTSSON et al., 1977) separiert.
Zentrifugalbeschleunigungen von bis zu 31 000 × g für 18 h (MCBEE u. COTTERILL, 1979), über 17 400 × g für 30 Min. (SHAH u. SINGH, 1992) sowie 10 000 × g für 30 Min.
(ANTON et al., 2003) oder 15 Min. (LACA et al., 2009) bis nur 5 000 × g für 2 h (BENGTSSON et al., 1977) waren dafür notwendig. Zudem verändert die Zugabe verschiedener Ionenkonzentrationen (Na+, Cl-, NH4+, SO42-) die technofunktionellen Eigenschaften von Eigelb (MOHR u. SIMON, 1992) und seinen isolierten Fraktionen. Bei einer Verwendung in Lebensmitteln würden durch die Ionen Geschmacksbeeinträchtigungen auftreten, so dass diese vor einer Verwendung aufwendig dialysiert werden müssten. Insofern erlangen, bei der Auftrennung des Plasmas, die in der EU als Lebensmittelzusatzstoff zugelassenen Hydrokolloide (Natriumalginat, Na-Carboxymethylcellulose) vermehrt an Bedeutung. Sie sind farb-, geruch- und geschmacklos und überzeugen bei der Trennung des Eigelbplasmas.
Die Trennung von pasteurisiertem Eigelb in die drei Hauptfraktionen LDL, Granula und Livetine wurde durch ein spezielles Verfahren kostengünstig und auch industriell umsetzbar möglich (ULRICHS u. TERNES, 2010). Hierfür spielen eine besonders niedrige Zentrifugalbeschleunigung und -dauer, deutlich unter 10 000 × g für wenige Minuten, eine entscheidende Rolle.
2.2.1 Theoretische Grundlagen
Das Grundprinzip der mechanischen Trennung (durch Zentrifugation) von Eigelb beruht auf der thermodynamischen Instabilität einer Eigelbemulsion (Kap. 2.3.3, Seite 28) und der Stokes´schen Sedimentationsgleichung (Formel 1).
Formel 1:
𝑣𝑣𝑝𝑝 = 2 𝑟𝑟2 𝑔𝑔 (𝜌𝜌𝑝𝑝 − 𝜌𝜌𝑓𝑓) 9 𝜂𝜂
vp = Sedimentations-/Flotationsgeschwindigkeit ρp = Dichte der dispersen Phase
ρf = Dichte des Fluids (kontinuierliche Phase) g = Erdbeschleunigung
r = Radius der sinkenden/aufsteigenden Tropfen
η = Dynamische Viskosität des Fluids (kontinuierlichen Phase)
Emulsionen stellen flüssige Dispersionen dar, in denen die Tröpfchen der inneren, dispersen Phase in der äußeren, kontinuierlichen Phase (Dispersionsmittel) verteilt sind. Zerfällt eine Emulsion, so geschieht dies entsprechend der Stokes´schen Sedimentationsgleichung.
Aufgrund der Gravitationskraft erfolgt eine Trennung der gemischten Phasen. Die spezifisch leichtere Phase steigt nach oben (Flotation), während die spezifisch schwerere nach unten absinkt (Sedimentation). Die Sedimentation/Flotation wird nach dem Gesetz von Stokes beschleunigt, wenn:
I. die Größe (Radius) des sinkenden/aufsteigenden Gegenstades (Partikels) zunimmt, II. die dynamische Viskosität der kontinuierlichen Phase abnimmt,
III. die Erdbeschleunigung zunimmt (z. B. durch Zentrifugation).
Das Stokes´sche Gesetz lässt sich nur eingeschränkt auf reale Emulsionssysteme übertragen, da es nur für einzeln vorliegende Tropfen gilt. Es ermöglicht jedoch die Beschreibung von Zusammenhängen zwischen den die Trennung beeinflussenden Faktoren und der Sedimentations-/Flotationsgeschwindigkeit. Bspw. kann die Aufrahmung in der Emulsion beschleunigt werden, wenn z. B. mehrere Öltropfen aggregieren (Flockung, Koaleszenz) und sich dabei wie ein einzelner Öltropfen mit großem Durchmesser verhalten. Ebenfalls kann eine Abnahme der dynamischen Viskosität der kontinuierlichen Phase (z. B. durch Verdünnung) eine Phasentrennung erleichtern.
Das von ULRICHS und TERNES (2010) entwickelte Fraktionierungsschema zur großtechnischen Trennung von Eigelb, welches die Voraussetzung zur Verwendung von Eigelbfraktionen in Lebensmitteln darstellt, wird in der Abbildung 3 (Seite 13) dargestellt.
Im ersten Schritt erfolgt eine Pasteurisation bei 63 °C für 2 Min.. Mithilfe einer anschließenden 1:1 Verdünnung mit destilliertem Wasser wird die dynamische Viskosität der kontinuierlichen Phase (η) herabgesetzt, sodass selbst mit einer geringen Zentrifugalbeschleunigung von 2 800 × g für 8 Min. (5 °C) nach den Gesetzmäßigkeiten von Stokes (Formel 1) eine Trennung des Eigelbs in Granula und Plasma erreicht wird. Die Granula sedimentieren, aufgrund ihres hohen Anteils an Lipoproteinen hoher Dichte (HDL), während das Plasma unter diesen Bedingungen seine Emulsionsstabilität behält. Der anschließende Zusatz einer 0,625 %igen CMC-Lösung zum Plasma führt zur Aggregation der LDL-Micellen (Traubenbildung) (TERNES, 2014). Die aggregierten LDL-Micellen verhalten sich dabei wie eine einzelne LDL-Micelle mit großem Durchmesser. Nach dem Stokes´schen Gesetz erleichtert ein größerer Partikeldurchmesser r die Trennung der Phasen, sodass das Plasma bei einer nur geringen Zentrifugalbeschleunigung und -zeit (2 800 × g, 8 Min., 5 °C) in eine flotierende LDL- und wasserlösliche Livetin-Fraktion getrennt werden kann (ULRICHS u. TERNES, 2010).
Abbildung 3: Eigelbseparationsschema (Becherzentrifuge) für 1 kg flüssiges, pasteurisiertes (past.) Eigelb mit Angabe der Trockenmassengehalte [%] der Eigelbfraktionen (ULRICHS u. TERNES, 2010)
EG, pasteurisiert 1 kg
TM: 0,500 kg (100,0%)
l s
Granula 0,368 kg TM: 0,159 kg (31,8 %)
Plasma 1,632 kg TM: 0,340 kg (68,0 %) TM mit CMC: 0,3435 kg
Eigelb (EG) pasteurisiert bei 63 °C für 2 Min.
gekühltes EG verdünnt mit 1000 mL destilliertem Wasser
Zugabe von 440 mL destilliertem Wasser
2. Zentrifugation:
2 800 × g, 10 Min., 5 °C Plasma rühren
Plasma mit Eis kühlen für 3 h
Zugabe von 560 mL CMC-Lösung (0,625 %ig)
l
LDL, flotierende Phase
0,705 kg TM: 0,297 kg (59,4 %)
Livetine, wässrige Phase
1,927 kg TM: 0,046 kg (9,1 %)
s
Plasma rühren
Prozentuale Anteile bezogen auf die Trockenmasse (TM)
1. Zentrifugation:
2 800 × g, 10 Min., 5 °C
Mit diesem Verfahren, einer Auftrennung von Eigelb in einfachen Becherzentrifugen, wurde die Grundlage geschaffen Eigelb im industriellen Maßstab zu separieren. Diese Fraktionen stellen eine neue, wirtschaftlich umsetzbare Alternative zur Verwendung von Volleigelb dar.
Die Pasteurisation ist notwendig, um auch pathogene Keime, die auf jeder Eischale vorhanden sind und durch den Aufschlagprozess in das Eiprodukt gelangen können, abzutöten.
Ausschlaggebend für eine erfolgreiche Pasteurisation ist die optimale Temperatur/Zeit- Kombination. So kann bspw. auch bei niedrigen Temperaturen (63 °C) eine Abtötung von pathogenen Keimen erfolgen. In der Regel liegen die Pasteurisationstemperaturen zwischen 61 und 68 °C bei einer Heißhaltezeit von 30 bis 120 Sekunden (TERNES, 2008b). Zu hohe Pasteurisationstemperaturen und eine zu lange Dauer beeinflussen maßgeblich die technofunktionellen Eigenschaften von Eigelb, z. B. im Backprozess.
Jedoch hat die Verwendung feuchter past. Eigelbfraktionen aus mikrobiologischer Sicht wenig Aussicht umgesetzt zu werden. Diese müssten zeitnah verarbeitet werden, da Eigelb einen optimalen Nährboden für ubiquitär vorkommende Keime bietet. Gefriergetrocknete Fraktionen, die in ihrer Funktionalität mit frischen Fraktionen vergleichbar sind, bieten eine Möglichkeit, die Haltbarkeit erheblich zu steigern und sind zudem besser zu Handhaben.
Durch die vergleichsweise hohen Trockenmassegehalte der LDL- und Granula-Fraktion (von 42 %/43 %) lässt sich die Gefriertrocknung auch kosteneffizient gestalten.
Beim konventionellen Gefrierprozess gehen die Lipoproteine des Eigelbs (LDL-Micellen des Plasmas) untereinander Wechselwirkungen ein, sodass sich nach dem Auftauen ein puddingartiges Gel bildet (POWRIE et al., 1963, KUMAR u. MAHADEVA, 1970). Dieses besitzt nicht mehr die Eigenschaften von frischem LDL. Durch Zusatz von Zucker (bis 10 %) und Glycerol (bis 10 %) lässt sich der Effekt der Gelbildung nach dem Gefrieren und Auftauen weitgehend verhindern (TELIS u. KIECKBUSCH, 1998). Jedoch schränkt dieser Gehalt an Zucker und Glycerol die Verwendungsmöglichkeiten erheblich ein.
Sprühgetrocknete Eigelbprodukte weisen aufgrund der thermischen Schädigung während des Trocknungsverfahrens (Temperatur der eingeblasenen Heißluft: 165 °C) und der daraus
resultierenden schlechten Löslichkeit nur eine eingeschränkte Funktionalität und damit einen begrenzten Einsatz in Lebensmitteln auf (TERNES, 2008a).
Mit einem von JAEKEL et al. (2008) entwickelten Verfahren (Abbildung 4) ist es möglich, ggt. Eigelbprodukte unter weitgehendem Erhalt der nativen Funktionalität der Inhaltsstoffe zu gewinnen.
Abbildung 4: Fließschema zur Gewinnung gefriergetrockneter (ggt.) Eigelbprodukte (JAEKEL et al., 2008)
Eigelb LDL Granula Livetine
Vorkristallisation im Gefrierschrank
Kontaktplattengefrierverfahren
Gefriertrocknung Zerkleinerung, evtl. Zwischenlagerung
Granulat
Mörsern
Pulver aus Eigelb oder den
Fraktionen
bei ˗ 5,5 °C bis - 7,0 °C, Dauer: ca. 12 h
bei - 42 °C Schockfrostung zwischen zwei waagerechten Metallplatten
bei - 20 °C
bei - 35 °C bis - 20 °C, Dauer: ca. 12 h
Restfeuchte ca. 2,2 bis 4,5 % je nach Eigelbfraktion
In einem technologischen Prozess, bei dem die Gelbildung im Eigelb unterdrückt werden soll, wird das flüssige Eigelb zunächst auf eine Temperatur von ca. ˗ 6 °C vorkristallisiert, so dass die Kristallisationswärme des Wassers (Eisbildung) entzogen wird. Im zweiten Schritt kann so der kritische Temperaturbereich von ˗ 7 °C bis ˗ 14 °C (POWRIE et al., 1963, TELIS u.
KIECKBUSCH, 1997) durch ein Kontaktgefrierverfahren schnell durchlaufen (innerhalb von 5 s) werden. Nach der Vorkristallisations-, Gefrier- und Lagerungsphase wird das gefrorene Eigelb bei ˗ 35 °C bis ˗ 25 °C gefriergetrocknet. Anschließend wird das Granulat gemörsert, sodass ein lagerungsfähiges Pulver aus Eigelb, der LDL-, Granula- und Livetin-Fraktion entsteht.
Die prozentualen Gehalte an Gesamtfett, Gesamtprotein sowie der Restfeuchte entsprechend nach diesem Verfahren gewonnener Eigelbfraktionen werden in der Tabelle 1 aufgelistet.
Tabelle 1: Prozentuale Gehalte an Gesamtfett und Gesamtprotein sowie der Restfeuchte der einzelnen Eigelbfraktionen (past. ggt.) nach ULRICHS und TERNES (2010)
Fraktion n* Fettgehalt [%] Proteingehalt [%] Restfeuchte [%]
Eigelb 6 59,3 a ** 59,4 ± 0,43 31,7a** 32,4 ± 0,32 3,20 ± 0,46 Granula 6 34,3 b ** 34,1 ± 0,59 64,0 b** 57,3 ± 0,25 2,68 ± 0,14 LDL 6 78,9 c **- 86,7 d ** 76,4 ± 2,01 12,0 d** 20,8 ± 0,25 2,21 ± 0,37 Livetine 6 8,7 e ** 10,3 ± 0,60 61,3 e ** 71,7 ± 0,37 4,59 ± 0,17
* : n: Anzahl gemessener Proben (100 Eier pro Versuch)
a : Referenz: SOUCI et al. (2008)
b : Referenz: DYER-HURDON und NNANNA (1993)
c : Referenz: SHAH und SINGH (1992)
d : Referenz: ANTON et al. (2003)
e : Referenz: LACA et al. (2009), bezogen auf TM
**: Angaben beziehen sich auf die Trockenmasse (TM)
Neben der Verwendung von Volleigelb wird zunehmend die Extraktion einzelner Eigelbbestandteile (v. a. Livetine und Lecithine) kommerziell betrieben. Dabei ist es als wirtschaftliches Problem anzusehen, dass bei der Prozessführung verschiedene Branchen jeweils nur eine einzelne Komponente erfassen und so proteinreiche, aber für die menschliche Ernährung derzeit unbrauchbare Nebenprodukte anfallen. In den letzten Jahren ist das
Interesse gewachsen, Fraktionen des Eigelbs so herzustellen, dass die Anteile an nicht verwertbaren Beiprodukten möglichst gering ausfallen. Effizienz und Wirtschaftlichkeit ließen sich also dadurch steigern, dass aus dem Rohstoff nicht nur eine Komponente separiert oder genutzt wird, sondern möglichst alle Bestandteile.
Es ist ein interessanter Ansatzpunkt, Fraktionen des Eigelbs gezielt einzusetzen, um bspw. die Eigenschaften eines Gebäcks zu verbessern oder die Kosten durch eine alternative Verwendung von Eigelbfraktionen (statt Volleigelb) zu verringern. Bei der Gewinnung von Immunglobulinen (IgY) aus dem Eigelb fällt ein über 90 %iger Anteil kaum verwertbarer Eiinhaltsstoffe an. Zwar lassen sich durch die hohen Erlöse für IgY, z. B. als bioaktive Lebensmittelinhaltsstoffe (SHIMIZU et al., 1994) in Bonbons gegen kariesverursachende Bakterien (Streptococcus mutans) oder in Joghurt gegen Helicobacter pylori, wirtschaftliche Präparate herstellen, die in Japan den Markt erobern konnten, doch gehen wertvolle Lebensmittel in einem Nebenstrom dabei verloren. Entsprechende Möglichkeiten könnten sich für Feine Backwaren ergeben.
2.3 Technofunktionelle Eigenschaften von Eigelb bei der Verarbeitung in Lebensmitteln
Die Verarbeitung von Eigelb in Lebensmitteln ist im Wesentlichen auf drei funktionelle Eigenschaften zurückzuführen: auf die thermische Koagulierbarkeit, das Schaumbildungsvermögen und die Wirkung als Emulgator, daneben auch auf Farbe und Aroma. Für die Herstellung von Süßspeisen, wie Speiseeis, warmen aufgeschlagenen Saucen, wie Sauce Hollandaise und Mayonnaisen sowie Gebäck (Biskuit, Sandkuchen) sind die funktionellen Eigenschaften unter thermischer Einwirkung bedeutsam. Die wichtigsten Bestandteile für die funktionellen Eigenschaften von Eigelb sind die Lipoproteine und Livetine des Plasmas (TERNES, 2008a).
Durch thermische Einwirkung treten bei Eigelb irreversible Schäden auf, die die technofunktionellen Eigenschaften, wie Emulgier- und Schaumbildungseigenschaften verändern können.
2.3.1 Viskosität und Gelbildung durch thermische Einflüsse
Die Gelbildung von Eiklar beginnt, in Abhängigkeit vom pH-Wert des Milieus, bei 61 °C (TRZISZKA, 1994), die von Eigelb beginnt bei Temperaturen um 65 °C (TERNES u.
WERLEIN, 1987). Die hauptsächliche Verwendung von Eigelb in der Nahrungsmittelindustrie basiert auf seiner Fähigkeit zur Gelbildung unter thermischer Einwirkung (wichtiges Bindemittel). Diese charakteristische Eigenschaft hat ihre Ursache in der Interaktion von Proteinen (KIOSSEOGLOU u. PARASKEVOPOULOU, 2005) und bestimmt entscheidend den texturalen Charakter der Nahrungsmittel bei der Herstellung von Süßspeisen (Speiseeis), warmen aufgeschlagenen Saucen, wie Sauce Hollandaise, und Gebäck, wie bspw. Wiener Massen. Allerdings tritt in einigen wärmebehandelten Produkten, wie z. B. der Sauce Hollandaise, eine durch Proteindenaturation hervorgerufene Strukturänderung (KIOSSEOGLOU u. PARASKEVOPOULOU, 2005) der Eigelbproteine auf, da diese besonders thermosensitiv sind (ANTON et al., 2001). Strukturänderungen können ebenfalls, meist unerwünscht, bei der Pasteurisation, Lebensmittelverarbeitung und - zubereitung auftreten. Durch verschiedenste technologische Faktoren, wie pH-Wert, Ionenstärke und Gefriertrocknungsprozesse ist es möglich, die hitzeinduzierte Gelbildung von Eigelb zu verändern (CORDOBES et al., 2004, KIOSSEOGLOU u. PARASKEVOPOULOU, 2005) und diese auch vorteilhaft anzuwenden und so Nahrungsmittel mit einer optimalen Textur und langen Haltbarkeit herzustellen.
In den neusten Studien wurde die Eigelbgelbildung mit den verschiedensten Techniken untersucht. LE DENMAT et al. (1999) verwendeten die Polyacrylamidgel-Elektrophorese, um erhitzte, denaturierte Eigelbproteine zu identifizieren. Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) wurde von CORDOBES et al. (2004) benutzt, um thermal induzierte Transitionen von Eigelbproteinen zu beschreiben und Informationen über die Umwandlung von nativen zu denaturierten Stadien zu gewinnen. Die Ergebnisse, die mit den DSC-Messungen gewonnen wurden, zeigen dass über 60 °C die Denaturierung von Eigelb kontinuierlich stattfindet (CORDOBES et al., 2004). KIOSSEOGLOU und PARASKEVOPOULOU (2005) studierten den Effekt von verschiedenen Reagenzien, die zum Aufbrechen von Disulfidbrücken zwischen den Polypeptidketten oder zur Blockade von
Sulfhydrylgruppen führen, auf das Verhalten von Eigelb, Plasma und der Granula-Fraktion während einer Erwärmung auf 90 °C und untermauerten ihre Ergebnisse anhand von Trübungsmessungen und SDS-Page (Sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis). Diese Autoren berichten, dass Erhitzen die oberflächenstabilisierenden Proteinmoleküle der LDL-Mizellen und HDL der Granula denaturiert, was zu einer Destabilisation dieser Partikel führt und somit günstigere Partikelinteraktionen bei relativ niedrigen Temperaturen ermöglichen (64-70 °C). Die Eigelbgelbildung wird von Interaktionen zwischen den LDL Apolipoproteinen und den Livetinkomponenten dominiert.
Die Granula-Proteine sind weniger anfällig gegenüber Molekularinteraktionen und damit weniger entscheidend für die Ausbildung eines Gels bei Erhitzung, da sie bis zu 75 °C relativ stabil sind, eine globuläre Struktur aufweisen und bei geringer Ionenstärke in große Partikel eingebettet sind. Da Eigelb zu einem großen Anteil aus hydrophoben Aminosäuren aufgebaut ist (ANTON et al., 2001), spielen die hydrophoben Interaktionen eine wichtige Rolle in der Gelbildung, gleichzeitig tragen kovalente Disulfidbindungen dazu bei. Generell können bei der Proteindenaturation die Proteinketten ausgiebiger durch Disulfidbindungen interagieren.
Der Mechanismus der Gelbildung kann ebenso ohne großen personellen, finanziellen und technischen Aufwand mit Methoden der Rheologie untersucht werden (IBARZ u. SINTES, 1989, MOHR u. SIMON, 1992, TERNES u. WERLEIN, 1987, ULRICHS u. TERNES, 2010). So können wertvolle Informationen über die temperaturabhängige Gelbildung der Proteine (LOPES DA SILVA u. RAO, 1999) gewonnen werden.
2.3.1.1 Rheologische Grundlagen
Die Rheologie ist die Lehre von der Verformung einschließlich des Fließens fluider und fester Substanzen unter Einwirkung mechanischer Kräfte (von griechisch rheo = fließen und logos = Wissenschaft). Das Fließverhalten von Stoffen ist von deren physikalisch-chemischen Eigenschaften abhängig. Es wird durch die Form und Anordnung der Moleküle, ihre Konzentration, die Temperatur, die Micellenanordnung und ihre Vernetzung bestimmt.
Parameter zur Charakterisierung der rheologischen Eigenschaften eines Stoffes sind die Viskosität η, die Schubspannung τ und die Scherrate γ.
Als Viskosität (Zähigkeit) eines Stoffes wird der durch Reibungskräfte auftretende Fließwiderstand gewertet. Dieser tritt auf, wenn Moleküle eines fließenden Stoffes gegeneinander verschoben werden (
.
MEZGER, 2010b).
Der Erklärung grundlegender rheologischer Parameter dient das Zwei-Platten-Modell, bei dem die obere Platte mit der Fläche A gegen eine untere unbewegliche Platte (v = 0) durch die Kraft F bewegt wird. Die resultierende Geschwindigkeit v wird gemessen. Der Spalt zwischen den beiden Platten besitzt den Abstand h (MEZGER, 2010b).
Die Schubspannung τ ist definiert als Quotient aus Scherkraft F [N] und der Scherfläche A [m2].
Formel 2:
𝜏𝜏 = 𝐹𝐹 / 𝐴𝐴 Die Scherrate γ.
Formel 3:
γ.
= 𝑣𝑣 / ℎ
ist definiert als Quotient aus der Geschwindigkeit v [m/s] und dem Plattenabstand h [m].
Der Quotient aus Schubspannung und Scherrate ist eine wichtige Kenngröße, welche als Viskosität η [Pas], manchmal auch als „dynamische Viskosität“, bezeichnet wird.
Formel 4:
𝜂𝜂 = 𝜏𝜏 / γ.
Grafisch wird das Fließverhalten von Stoffen bei einer konstanten Messtemperatur mit Hilfe der Fließkurve, die die gegenseitige Abhängigkeit von Schubspannung τ und Scherrate γ.
zeigt und der Viskositätskurve dargestellt. Die Viskositätskurve zeigt die Abhängigkeit der Viskosität η von der Scherrate
Hierbei wird im Allgemeinen zwischen idealviskosem (newtonschem: linearer Zusammenhang zwischen τ und
γ. .
γ.
Zur Bestimmung des meist komplexeren, nicht-idealviskosen Fließverhaltens, wie es auch Eigelb aufweist, dienen Rotationversuche. Sie ermöglichen die Einstellung definierter Werte für Scherrate und Schubspannung.
) und nicht-idealviskosem (nicht-newtonschem) Fließverhalten unterschieden. Die Viskosität eines idealviskosen Stoffes ist somit unabhängig von der Höhe und Dauer der Scherbelastung (TSCHEUSCHNER, 1986).
Ein Stoff, bei dem die Viskosität von der Höhe der Scherbelastung (Scherrate bzw.
Schubspannung) abhängt, wird als nicht-newtonsches Fluid bezeichnet. MOHR und SIMON (1992) beschrieben Eigelb innerhalb eines Grenzschergefälles von 100 s-1 als nicht- newtonsches Fluid. Mit steigender Belastung zeigt Eigelb eine abnehmende Viskosität (scherverdünnendes, pseudoplastisches Verhalten), die auch als „scheinbare Viskosität“
bezeichnet wird, um den Unterschied zur konstanten Viskosität eines idealviskosen Stoffes deutlich zu machen (MEZGER, 2010a). Diese Viskositätswerte repräsentieren jeweils nur einen Punkt der Viskositätsfunktion. In Dispersionen, wie dem Eigelb, kann der Schervorgang zu einer Orientierung der Partikel in die Scherrichtung und die Richtung des Schergradienten führen. Agglomerate von Partikeln können so zerstört und Strukturen verändert werden, so dass es zu einer Verringerung der Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und damit auch zur Abnahme der Viskosität kommt (MEZGER, 2010a).
Zur Bestimmung der Sol-/Gel-Übergangstemperatur eines Fluids sind Messungen der Temperaturabhängigkeit der Viskosität besonders interessant (LOPES DA SILVA u. RAO, 1999). Hierbei wird in jedem Versuch bei konstanter Scherbelastung gemessen, sowie ein
zeitabhängiges Temperaturprogramm T(t), z. B. als Aufwärts- oder Abwärtsrampe festgelegt (MEZGER, 2010a). Man erhält als Ergebnis eine Funktion von τ und η in Abhängigkeit der Temperatur. Liegt eine Probe vor, deren temperaturabhängige Viskosität nach Erreichen eines Viskositätsminimums auf einen zuvor definierten hohen Wert ansteigt, ist der sogenannte Gel-Punkt (Gel-Temperatur) erreicht.
2.3.1.2 Temperaturabhängige Viskosität von Eigelb
Bisherige Rheologische Studien haben gezeigt, dass Eigelb eine charakteristische temperaturabhängige Viskositätskurve aufweist. Eigelb wird im Lebensmittelbereich meist unter Rühren verarbeitet, sodass Rotationsversuche im Vergleich zu oszillierenden Messungen dessen Verarbeitungsweise am besten entsprechen. Rotationsmessungen wurden schon erfolgreich von einigen Autoren zur Untersuchung der Eigelbviskosität angewendet (IBARZ, 1993, MOHR u. SIMON, 1992). Schon TERNES und WERLEIN (1987) untersuchten Eigelblösungen, welche im Verhältnis 1 Teil Eigelb und 1,2 Teile Wasser verdünnt wurden, mit einem Rotationsviskosimter mit Temperiergefäß und bestimmten dessen temperaturabhängige Viskosität im Temperaturbereich von 55 °C-95 °C. Hier zeigt Eigelb zwei unterschiedliche Viskositätsmaxima (Abbildung 5) (TERNES u. WERLEIN, 1987). Bei Temperaturen oberhalb des 1. Viskositätsmaximum (75-80 °C, Scherrate 26 s-1) (“Punkt der Rose”, Abbildung 5, A) beginnt die Freisetzung von Lipiden aus den denaturierten Lipoproteinen des Plasmas und bewirkt eine Abnahme der Viskosität (TERNES u. WERLEIN, 1987, JAEKEL u. TERNES, 2009). Die „Rose des Eigelbs“, die auf dem Rücken eines Kochlöffels durch Anpusten der Eigelbmasse erzeugt werden kann, entspricht dem ersten Maximum der Viskosität, dem Punkt der optimalen Konsistenz zur Herstellung verschiedener Cremes und Saucen. Dieses Phänomen basiert auf der Interaktion von LDL, der Hauptkomponente des Eigelbs, mit den anderen Eigelbproteinen, wie den Livetinen (JAEKEL et al., 2008). Beim 2. Viskositätsanstieg (> 85 °C), bildet Eigelb, durch die Aggregation denaturierter Proteine, ein dreidimensional vernetztes, schnittfestes Gel (JAEKEL u.
TERNES, 2009, TERNES u. WERLEIN, 1987) (Abbildung 5, B), wie es beim hartgekochten Eigelb vorkommt.
Abbildung 5: Temperaturabhängiger Viskositätsverlauf nach ULRICHS und TERNES (2010) von past.
Eigelb, Ausbildung einer gelartigen Struktur am „Punkt der Rose“ (A) und eines dreidimensional vernetztem, schnittfesten Gels (B) im Vergleich zu den Fraktionen LDL, Granula und Livetine (past. ggt., in 1 %iger NaCl-Lösung rekonstituiert), Scherrate: 26 s-1
Eigelb kann einfach fraktioniert werden, in drei große technologisch und funktionell wertvolle Fraktionen mit dem zuvor beschriebenen großtechnisch durchführbaren Verfahren (ULRICHS u. TERNES, 2010): die proteinreiche Granula-Fraktion, die fettreiche LDL- Fraktion und die wasserlösliche Livetin-Fraktion.
ULRICHS und TERNES (2010) zeigten erstmals, dass das temperaturabhängige rheologische Verhalten von Eigelb mit dem jeder einzelnen Eigelbfraktion korrespondiert (Abbildung 5).
Die Livetine zeigen bei 64 °C eine beginnende Viskositätsänderung, welche ihr Maximum bei 75 °C erreicht. Diese Änderung tritt bei LDL schon bei 70 °C auf. Ihr Maximum liegt ebenfalls bei 75 °C. Die Viskositätsänderung der Granula-Fraktion beginnt erst bei einer Temperatur von 82 °C und erreicht ihr Maximum bei 88 °C.
10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 Pa·s
η
30 40 50 60 70 80 90 °C 100
Temperatur T Eigelb, past.
Granula, past. ggt.
LDL, past. ggt.
Livetine, past. ggt.
A B
Abbildung 6: Temperaturabhängige Viskosität nach ULRICHS und TERNES (2010) von nicht past. LDL (nativ) im Vergleich zu past. ggt. LDL (in 1 %iger NaCl-Lösung rekonstituiert)
Nach ULRICHS und TERNES (2010) verhalten sich die frische (native) LDL-Fraktion und die technologisch behandelte (past. ggt.), nach Rekonstituierung in 1 %iger NaCl-Lösung, rheologisch verhältnismäßig gleich, so dass der natürliche technofunktionelle Charakter beibehalten wird (Abbildung 6). Nach TSUTSUI (1988) und ULRICHS und TERNES (2010) zeigt die Viskositätskurve von LDL einen plötzlichen Anstieg bei Temperaturen über 70 °C, welches vergleichbar ist mit dem Verhalten von Eigelb und die entscheidende Rolle von LDL in der hitzeinduzierten Gelbildung von Eigelb bestätigt.
10-3 10-2 10-1
Pa·s
η
30 40 50 60 70 80 90 °C 100
Temperatur T LDL, nativ LDL, past. ggt.
Abbildung 7: Temperaturabhängiger Viskositätsverlauf nach ULRICHS und TERNES (2010) von nicht past. Granula (nativ) im Vergleich zu past. ggt. Granula (in 1 %iger NaCl-Lösung rekonstituiert)
Nur bei dem Vergleich der frischen (nativen) Granula mit der technologisch behandelten (past. ggt.) Granula beginnt nach ULRICHS und TERNES (2010) der Viskositätsanstieg bei unterschiedlichen Temperaturen: bei der frischen (nativen) Granula bei ca. 80 °C bzw. bei der behandelten (past. ggt.) Granula bei ca. 77 °C (Abbildung 7). Jedoch zeigen beide einen identischen Bereich der Maximalviskosität.
Der Einfluss von Salzen auf die temperaturabhängige Viskosität von Eigelb wurde schon von zahlreichen Autoren untersucht (TERNES u. WERLEIN, 1987, IBARZ, 1993, PUNIDADAS u. MCKELLAR, 1999). Bspw. beobachteten MOHR und SIMON (1992) anhand rheologischer Messungen der thermischen Proteindenaturierung eine Zunahme der Denaturierungstemperatur von Eigelb um 6-7 K pro 10 Ma.-% NaCl-Zusatz, sodass die Zugabe von Salz eine höhere Pasteurisationstemperatur von Eigelb ermöglicht. Hierbei bleibt der charakteristische rheologische Viskositätsverlauf unbeeinflusst. Ferner studierte IBARZ (1993) das Verhalten von gesalzenem Eigelb (7 und 14 % NaCl) und erfasste mit
10-3 10-2 10-1 100 101 101 Pa·s
η
30 40 50 60 70 80 90 °C 100
Temperatur T Granula, nativ
Granula, past. ggt.
zunehmendem Salzgehalt einen steigenden Konsistenzkoeffizienten (m) und eine damit steigende Viskosität. Zu dieser Ansicht kamen auch PUNIDADAS und MCKELLAR (1999), die eine Viskositätszunahme von Eigelb nach Zusatz von 10 % NaCl verzeichneten. TERNES und WERLEIN (1987) untersuchten Eigelblösungen mit einem NaCl-Anteil von 1 % und beobachteten eine Verdopplung der Viskosität, jedoch keine Verschiebung des 1. Viskositätsmaximums in höhere Temperaturbereiche.
Rheologische Untersuchungen haben ebenso gezeigt, dass es mithilfe eines optimierten Gefriertrocknungsverfahrens für Eigelb, welches eine Prekristallisation und schnelles Kontaktplattengefrieren enthält, möglich ist, die gefrierinduzierte Gelbildung auf ein Minimum zu reduzieren ohne besondere Stoffe zuzugeben (JAEKEL et al., 2008). Zudem konnten keine signifikanten Unterschiede im rheologischen Verhalten von ggt. Eigelb im Vergleich zu frischem Eigelb festgestellt werden (ULRICHS u. TERNES, 2010).
Gleichermaßen zeigte sich unter Anwendung optimierter Pasteurisationsbedingungen (63 °C, 2 Min.), dass die Lage des 1. Viskositätsmaximums („Punkt der Rose“), die hitzeinduzierte Gelstärke und das Fließverhalten von gekühltem flüssigem Eigelb kaum von past. Eigelb unterscheidet, während konventionelle Pasteurisationsbedingungen (Temperaturen über 68 °C) kritisch für den Erhalt der funktionellen Eigenschaften von Eigelb sind (JAEKEL et al., 2008).
2.3.2 Schaumbildungsvermögen
Schäume bestehen aus Agglomeraten von Gasblasen, die voneinander durch eine dünne flüssige Hülle (Film) abgetrennt sind (BIKERMAN, 1973). Sie entstehen durch das Einschlagen von Luft. Hierbei werden Grenzschichten gelockert und das Volumen erhöht. Die Fähigkeit zur Bildung von Schäumen sowie ebenfalls von Emulsionen (Kap. 2.3.3, Seite 28) beruht auf dem gleichen Grundprinzip: dem Herabsetzten der Grenzflächenspannung zwischen Luftbläschen und festen Stoffen (z. B. Mehlbestandteilen) oder Wasser einerseits (Schaumbildung) und zwischen Öl und Wasser andererseits (Emulgierung). Dieser Mechanismus hängt neben der räumlichen Konformationsänderung der Proteine auch mit dem Freilegen hydrophober Gruppen zusammen („teilweise Denaturierung“), die vorher im
Inneren der Proteinmoleküle verborgen waren (TRZISZKA, 1994, TERNES u. ACKER, 1994). Im Verlauf der Denaturierung, also im Zuge des Entfaltens der Polypeptidkette, treten zusätzlich hydrophobe Gruppen an die Oberfläche, die Grenzflächenhydrophobizität nimmt zu (TERNES u. ACKER, 1994, TRZISZKA, 1994). Diese Steigerung der Oberflächenhydrophobie der Proteine resultiert in einer starken Adsorption der Proteine auf der freien Zwischenphasenoberfläche Wasser/Luft, vermindert die Oberflächenspannung und erhöht somit die Beständigkeit des gebildeten Dispersionssystems (TRZISZKA, 1994).
Für das Volumen und die Eigenschaften des Schaumes sind sowohl das Schaumbildungsvermögen als auch die Schaumstabilität wesentlich (SKOBRANEK, 1991).
Das Schaumbildungsvermögen und die -stabilität beruhen neben der Steigerung der Oberflächenhydrophobie noch auf einer zweiten wichtigen Eigenschaft von Proteinen. Hierzu zählt die Flexibilität in der räumlichen Struktur (keine stabilisierenden Disulfidbrücken), d. h.
die Fähigkeit sich der Oberfläche der Tröpfchen anzupassen, wodurch die Effektivität in der Stabilisation von Luftbläschen (und auch von Emulsionen, Kap. 2.3.3) ansteigt (TRZISZKA, 1994, TERNES u. ACKER, 1994). Das gebildete Schaumvolumen von Eigelb ist ein wenig höher, als das von Eiklar (TERNES u. ACKER, 1994). Jedoch ist die Stabilität von Eigelbschäumen bei Raumtemperatur, im Gegensatz zu der von Eiklar, wesentlich geringer (AWAZUHARA u. NAKAMURA, 1986, CUNNINGHAM, 1972). Eigelbschäume zeigen sich weich und viskos und neigen zur Porenvergrößerung und zum Zusammenfließen (TERNES u. ACKER, 1994). Eine effektive Stabilisierung des Eigelbschaumes kann nur durch eine thermische Behandlung (> 70 °C) (beginnende Denaturierung, „Punkt der Rose“
(Abbildung 5, Seite 23)) erreicht werden. Dies entspricht der „teilweisen thermischen Denaturierung“, die noch keine Koagulation verursacht, aber die Hydrophobie der Proteine und somit ihre Oberflächenhydrophobizität steigert. An diesem Punkt der optimalen Stabilität ist die Wasserbindung der Plasmaproteine, die v. a. für den Schaumbildungsprozess verantwortlich sind, maximal, die Drainage minimal und die Lipoproteine behalten dabei noch ihre emulgierenden Eigenschaften (TERNES u. ACKER, 1994). Hierdurch entsteht eine feinporige Schaumstruktur im Bereich des Temperaturoptimums. Im Vergleich dazu besitzt, bei der Schaumbildung und -stabilisation von Eiklar, die „mechanische Denaturierung“ der Proteine an der Grenzschicht Flüssigkeit/Luft eine besondere Bedeutung bezüglich der
Stabilität des Schaumes. KAMAT et al. (1973) zeigten, dass das Eigelbplasma und somit folglich LDL die Hauptaufgabe in der Schaumbildung einnimmt. Zugleich kann, durch den Zusatz von Emulgatoren, das Schaumbildungsvermögen der Eier verbessert und eine Feinstverteilung der Bläschen im Schaum begünstigt werden, welches besonders die Schaumbeständigkeit erhöht (SKOBRANEK, 1991).
2.3.3 Emulgierende Eigenschaften
Emulgatoren (grenzflächenaktive Stoffe/Tenside) haben die besondere Eigenschaft, sich sowohl mit Fett (lipophil/hydrophob) als auch mit Wasser zu verbinden (hydrophil) und dienen in der Nahrungsindustrie der Herstellung einer Fett-Wasser-Emulsion durch das Herabsetzen der Grenzflächenspannung zwischen der Öl- und Wasserphase (Emulgierung).
So erreichen sie eine Feinverteilung der einen in der anderen Phase. Das gleiche Grundprinzip gilt auch für andere Stoffe, die sich nicht ineinander lösen, z. B. gasförmigen Stoffen (Luftbläschen) und festen Stoffen (z. B. Mehlbestandteilen) oder Luft und Wasser (GÖLITZ et al., 2001) (Schaumbildungsvermögen Kap. 2.3.2, Seite 26). D. h. auch zwischen diesen Stoffen gibt es Grenzflächen die bspw. während der Herstellung einer Kuchenmasse eine Rolle spielen.
Die Grenzflächenaktivität von Proteinen (Emulgatorwirkung) lässt sich auf ihren Aufbau, der durch das Vorhandensein von hydrophilen und hydrophoben Bereichen gekennzeichnet ist, zurückführen. Dadurch können sie an der Phasengrenzfläche adsorbiert werden und so die Grenzflächenspannung herabsetzen. Für eine gute Wirkung von Proteinen als Emulgator sind eine gewisse Flexibilität der räumlichen Struktur, ihre Löslichkeit und die Hydrophobizität von Bedeutung (TERNES u. ACKER, 1994). Unter Flexibilität versteht man die Fähigkeit, sich der Tröpfchenoberfläche anzupassen, d. h. ein Molekül ist flexibel, wenn es nicht durch Disulfidbrücken stabilisiert wird (TERNES u. ACKER, 1994). Die Belegung der Grenzfläche durch flexible Proteine wird durch das Auffalten des Proteins und damit der Änderung seiner Tertiärstruktur erreicht (BUXMANN, 2009). Dieser Effekt wird als Grenzflächendenaturierung bezeichnet. Die Löslichkeit eines Proteins wird durch seine Ladungshäufigkeit und Hydrophobizität bestimmt, wohingegen eine hohe Ladungshäufigkeit
