Innovative Wege für die β-Glucan-Extraktion
β-Glucane ohne Säuren oder Laugen gewinnen: DIL und TU Hamburg testen Heißwasserhydrolyse
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In Hafer und Gerste, aber auch in Hefe, Pilzen und Algen stecken wertvolle β-Glucane. Sie sind aufgrund ihrer gesundheitsbezogenen Eigenschaften als funktionelle Lebensmittelzutat oder Nahrungsergänzungsmittel sehr gefragt. Ihre Gewinnung ist jedoch bislang aufwendig. In einem vom FEI koordinierten IGF-Projekt entwickeln Forschende des DIL und der TU Hamburg ein kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung von β-Glucanen mittels Heißwasserhydrolyse. Ziel ist ein kontinuierliches Verfahren, mit dem β-Glucane effizient und möglichst schonend aus unterschiedlichen Biomassen gewonnen werden können – darunter auch Nebenströme wie Biertreber.
In Hafer und Gerste, aber auch in Hefe, Pilzen und Algen stecken wertvolle β-Glucane. Je nach Herkunft unterscheiden sie sich in ihren biologischen Eigenschaften: β-Glucane aus Getreide können beispielsweise die Regulationsmechanismen des Darmmikrobioms positiv beeinflussen, während aus Hefe oder Pilzen gewonnene β-Glucane insbesondere wegen ihrer immunstimulierenden Wirkung von Bedeutung sind. Entsprechend groß ist die Nachfrage nach diesen natürlichen Ballaststoffen – etwa als funktionelle Zutat in Lebensmitteln oder als Nahrungsergänzungsmittel. Doch ihre Gewinnung ist bislang aufwendig: Übliche Verfahren erfordern häufig mehrere Prozessschritte, lange Behandlungszeiten oder den Einsatz von Säuren, Laugen oder Enzymen. Gefragt ist deshalb ein Verfahren, mit dem sich β-Glucane effizienter und zugleich kontinuierlich aus unterschiedlichen Biomassen gewinnen lassen – darunter auch aus Nebenströmen wie Biertreber.
Genau daran arbeiten Forschende des Deutschen Instituts für Lebensmitteltechnik (DIL) und der Technischen Universität Hamburg in einem vom FEI koordinierten Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF). Sie wollen die sogenannte Heißwasserhydrolyse (engl. Liquid Hot Water (LHW)) – den Aufschluss mit heißem Wasser bei Temperaturen über 100 °C und erhöhtem Druck – für die kontinuierliche Gewinnung von β-Glucanen nutzbar machen und dabei möglichst hohe Ausbeuten erzielen.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens: Bei der LHW-Hydrolyse verändern die unter Druck erzeugten, hohen Temperaturen die Eigenschaften des Wassers so, dass sich Bestandteile der Biomasse leichter herauslösen lassen – ohne zusätzliche Säuren oder Laugen. Entscheidend ist, die Prozessbedingungen auf den jeweiligen Rohstoff abzustimmen: Haferkleie verhält sich beim Aufschluss anders als Biertreber, Hefe, Pilze oder Algen. Zudem beeinflussen Partikelgröße, Temperatur und Behandlungsdauer, wie viel β-Glucan extrahiert wird und welche Eigenschaften es anschließend besitzt. Die Forschungsteams untersuchen deshalb systematisch, wie sich unterschiedliche Biomassen und Prozessparameter auf Ausbeute und Qualität der gewonnenen β-Glucane auswirken. Die Molekülstruktur soll dabei möglichst wenig verändert werden, damit relevante Eigenschaften erhalten bleiben. Zunächst werden die Zusammenhänge in kleinen Hochdruckreaktoren untersucht. Anschließend sollen die gewonnenen Erkenntnisse auf eine kontinuierliche Prozessführung übertragen werden, etwa in Extrudern, in denen die Biomasse fortlaufend unter definierten Temperatur- und Druckbedingungen behandelt wird. Im weiteren Verlauf soll in einer Demonstrationsanlage unter industrienahen Bedingungen geprüft werden, ob sich die im Labor ermittelten Prozessbedingungen auch bei größeren Durchsätzen umsetzen lassen.
Besonders relevant ist das Verfahren für kleine und mittlere Unternehmen. Denn β-Glucan-reiche Biomassen fallen in vielen lebensmittelverarbeitenden Betrieben direkt an. So entstehen beispielsweise Biertreber bei der Bierherstellung oder Kleie bei der Getreideverarbeitung als Nebenströme und werden bislang überwiegend als Futtermittel genutzt. Könnten daraus vor Ort höherwertige Inhaltsstoffe gewonnen werden, ließe sich die vorhandene Biomasse besser nutzen und zusätzliche Wertschöpfung erzielen.
Mit Abschluss der Forschungsarbeiten sollen nicht nur die optimalen Bedingungen für eine effiziente Gewinnung von β-Glucanen aus verschiedenen Rohstoffen identifiziert sein. Auch die Wirtschaftlichkeit des kontinuierlichen Verfahrens wird bewertet. Die Ergebnisse sollen Unternehmen helfen abzuschätzen, für welche Biomassen und Anwendungen sich eine Umstellung von der bislang üblichen chargenweisen Verarbeitung auf einen kontinuierlichen Prozess lohnt. Damit könnten sich insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen neue Möglichkeiten zur ressourcenschonenden und wirtschaftlichen Gewinnung gefragter β-Glucane eröffnen.
Weitere Informationen zum Projekt 01IF23926N "Kontinuierliche Biomasse- Heißwasserhydrolyse (LHW) zur Gewinnung von β-Glucanen", das im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert wird, sind unter folgendem Link verfügbar: https://www.fei-bonn.de/01if23926n.projekt .
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