Sorghum-Proteine bieten eine widerstandsfähige Basis für 3D-druckbare Biotinte
Eigenschaften von Sorghum-Protein helfen bei der Herstellung stabiler 3D-Lebensmittelstrukturen
Lebensmittelwissenschaftler ebnen den Weg für 3D-gedruckte Lebensmittel und Arzneimittel auf der Grundlage von trockenheitstolerantem Sorghum-Protein, das sich nicht in einen Klecks verwandelt.
Ali Ubeyitogullari, links, Assistenzprofessor für Lebensmitteltechnik in den Abteilungen Lebensmittelwissenschaft und Bio- und Agrartechnik, und Sorer Barekat, Postdoktorand in der Abteilung Lebensmittelwissenschaft, demonstrieren die Verwendung eines 3D-Lebensmitteldruckers mit ihrer neuartigen "Bio-Tinte" aus Sorghum-Protein.
U of A System Division of Agriculture photo by Paden Johnson, CC BY-NC-SA
Das Getreide, das unter kontrastreichen klimatischen Bedingungen wachsen kann, ist auch für seine gesundheitlichen Vorteile bekannt, wie z. B. die Hemmung von Entzündungen und die Verringerung des Risikos von Herzerkrankungen durch Senkung des Gesamtcholesterinspiegels und die Erhöhung des antioxidativen Potenzials durch einzigartige phenolische Verbindungen. Außerdem ist es ein glutenfreies Getreide.
Ali Ubeyitogullari, Assistenzprofessor für Lebensmitteltechnik in den Abteilungen Lebensmittelwissenschaften sowie Bio- und Agrartechnik, hat bereits gezeigt, dass Sorghummehl als "Bio-Tinte" für den 3D-Druck von Keksen verwendet werden kann. Der nächste Schritt sei die Optimierung von druckbaren Sorghum-Proteinen für die Herstellung neuartiger Lebensmittel und Medikamente, sagte er.
Sorghum-Proteine wurden bereits als Fleischersatz und für den 3D-Druck von Lebensmitteln verwendet, um zum Beispiel Rindersteaks realistischer nachzubilden. Die Proteine aus Sorghumhirse werden auch in Proteinriegeln und Backwaren verwendet.
Was Sorghum-Proteine für den 3D-Lebensmitteldruck besonders nützlich macht, ist ihre Hydrophobie, d. h. ihre Fähigkeit, Wasser abzustoßen, um den Zusammenhalt des Produkts zu unterstützen.
Viele Lebensmittelmaterialien, insbesondere Stärke und Proteine, sind hydrophil und nehmen leicht Wasser auf, was die Einbindung hydrophober Komponenten in die Formulierung einschränkt, erklärt Ubeyitogullari.
"Bisher haben sich die meisten Forschungsbemühungen zu Proteinen für den 3D-Lebensmitteldruck auf hydrophile Proteine konzentriert, und es bestand ein Bedarf an neuen hydrophoben Proteinen, die idealerweise aus kostengünstigen und nachhaltigen Proteinquellen für den 3D-Druck stammen", sagte Ubeyitogullari.
In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit zeigten Ubeyitogullari und Sorour Barekat, ein Postdoktorand in der Abteilung für Lebensmittelwissenschaften, dass optimale 3D-Druckergebnisse mit Getreidesorghum-Protein bei 25 Prozent Protein und einer Druckgeschwindigkeit von 20 Millimetern pro Sekunde mit einer 0,64-Millimeter-Düse erzielt werden. Eine Erhöhung der Proteinkonzentration auf 35 Prozent führte nicht zu einer Verbesserung der 3D-Druckbarkeit.
"Wir haben gezeigt, dass aus Sorghum-Protein ein neuartiges 3D-druckbares Gel hergestellt werden kann, was bisher noch nicht der Fall war", so Ubeyitogullari. "Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur können diese Gele in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie als Biotin zur Verkapselung von Medikamenten oder als Träger von hydrophoben Verbindungen und Nährstoffen verwendet werden."
Barekat war der Hauptautor der Studie mit dem Titel "Maximizing sorghum proteins printability: Optimizing gel formulation and 3D-printing parameters to develop a novel bioink" (Optimierung der Gelformulierung und der 3D-Druckparameter zur Entwicklung einer neuartigen Biotinte), veröffentlicht im International Journal of Biological Macromolecules. Ubeyitogullari, ein Fakultätsmitglied der Arkansas Agricultural Experiment Station, dem Forschungszweig der University of Arkansas System Division of Agriculture, diente als Barekats Berater. Ubeyitogullari gehört auch zum Dale Bumpers College of Agricultural, Food and Life Sciences an der University of Arkansas.
Die Sorghum-Proteinstudie wurde durch das United Sorghum Checkoff Program unterstützt. Ubeyitogullaris Studie über 3D-gedruckte Kekse aus Sorghummehl wurde vom Arkansas Corn and Grain Sorghum Board finanziert.
Optimale Sorghum-Protein-Tinte
Finanzielle Unterstützung für die Studie zum 3D-Drucken von Lebensmitteln mit Sorghumprotein wurde vom United Sorghum Checkoff Program und vom National Institute of Food and Agriculture des US-Landwirtschaftsministeriums unter der AFRI-Preisnummer 2023-67022-40164 gewährt. Ein in der Studie verwendetes Rheometer wurde ebenfalls mit Unterstützung des Arkansas Biosciences Institute erworben.
Barekat und Ubeyitogullari veröffentlichten außerdem im Mai dieses Jahres eine Studie im Journal of Food Engineering, in der sie die Einbindung von Soja- und Sorghum-Proteinen als hydrophile und hydrophobe Proteinstrukturen für den 3D-Lebensmitteldruck untersuchten.
Fortschritte beim 3D-Lebensmitteldruck
Ubeyitogullari und ein Team von Forschern in seinem Labor haben in den letzten zwei Jahren mehrere Studien veröffentlicht, die das Grundlagenwissen über den 3D-Lebensmitteldruck erweitern.
- Die Studie "Enhancing the stability of lutein by loading into dual-layered starch-ethyl cellulose gels using 3D food printing" wurde im Mai 2023 in Additive Manufacturing veröffentlicht.
- "Designing future foods: Harnessing 3D food printing technology to encapsulate bioactive compounds" wurde im Oktober 2023 in Critical Reviews in Food Science and Nutrition veröffentlicht.
- "Verkapselung von Lutein in zweischichtige Stärke/Zein-Gele mittels 3D-Lebensmitteldruck: Improved storage stability and in vitro bioaccessibility" wurde im Mai 2024 im International Journal of Biological Macromolecules veröffentlicht.
Die Hauptautorin dieser Studien war Safoura Ahmadzadeh, ehemals Postdoktorandin in der Abteilung für Lebensmittelwissenschaften mit Ubeyitogullari als Beraterin. Ahmadzadeh ist jetzt Ingenieurin für Schokoladenverarbeitung bei Mars, Inc.
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