-
Tierärztliche Hochschule Hannover
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
-
Einleitung 1
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
-
2 Einleitung
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.
-
Wissenschaftliches Schrifttum 3
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 %)
-
4 Wissenschaftliches Schrifttum
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
-
Wissenschaftliches Schrifttum 5
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.
-
6 Wissenschaftliches Schrifttum
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).
-
Wissenschaftliches Schrifttum 7
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
CholesterolesterApolipoprotein
Phospholipid
Triacylglycerid
-
8 Wissenschaftliches Schrifttum
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
-
Wissenschaftliches Schrifttum 9
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
-
10 Wissenschaftliches Schrifttum
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.
-
Wissenschaftliches Schrifttum 11
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:
-
12 Wissenschaftliches Schrifttum
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).
-
Wissenschaftliches Schrifttum 13
Abbildung 3: Eigelbseparationsschema (Becherzentrifuge) für 1 kg flüssiges, pasteurisiertes (past.) Eigelb
mit Angabe der Trockenmassengehalte [%] der Eigelbfraktionen (ULRICHS u. TERNES, 2010)
EG, pasteurisiert1 kg
TM: 0,500 kg (100,0%)
l
s
Granula0,368 kg
TM: 0,159 kg (31,8 %)
Plasma1,632 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 mLdestilliertem 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 kgTM: 0,297 kg (59,4 %)
Livetine,wässrige Phase
1,927 kgTM: 0,046 kg (9,1 %)
s
Plasma rühren
Prozentuale Anteile bezogen auf die Trockenmasse (TM)
1. Zentrifugation: 2 800 × g, 10 Min., 5 °C
-
14 Wissenschaftliches Schrifttum
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
-
Wissenschaftliches Schrifttum 15
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
-
16 Wissenschaftliches Schrifttum
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 31,7 a ** 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
-
Wissenschaftliches Schrifttum 17
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.
-
18 Wissenschaftliches Schrifttum
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
-
Wissenschaftliches Schrifttum 19
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.
-
20 Wissenschaftliches Schrifttum
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.
-
Wissenschaftliches Schrifttum 21
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
-
22 Wissenschaftliches Schrifttum
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.
-
Wissenschaftliches Schrifttum 23
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 90 100°CTemperatur T
Eigelb, past.
Granula, past. ggt.
LDL, past. ggt.
Livetine, past. ggt.
A B
-
24 Wissenschaftliches Schrifttum
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 90 100°CTemperatur T
LDL, nativ
LDL, past. ggt.
-
Wissenschaftliches Schrifttum 25
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 90 100°CTemperatur T
Granula, nativ
Granula, past. ggt.
-
26 Wissenschaftliches Schrifttum
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
-
Wissenschaftliches Schrifttum 27
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
-
28 Wissenschaftliches Schrifttum
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
-
Wissenschaftliches Schrifttum 29
und geringe Hydrophobizität eine hohe Löslichkeit zur Folge haben (TERNES u. ACKER,
1994). Die Löslichkeit eines Proteins nimmt aber im Verlauf der Denaturierung ab, jedoch
nimmt die Hydrophobizität zu, sodass durch bestimmte Prozesse, die der Haltbarmachung
dienen (Tiefgefrieren, Trocknung), die Löslichkeit und Struktur der Proteine verändert und
die funktionellen Eigenschaften, wie der emulgierende Effekt, beeinflusst werden kann
(TERNES u. ACKER, 1994). NAKAI (1983) beobachtete, das die emulgierende und
stabilisierende Kapazität von Ovalbumin, wie auch das Schaumbildungsvermögen durch eine
hitzeinduzierte Zunahme der Oberflächenhydrophobizität des Proteins erheblich verbessert
werden kann sowie der Anteil der hydrophoben Gruppen eines Proteins dessen
Hydrophobizität bestimmt. Jedoch zeigte sich, dass die effektive Hydrophobizität
entscheidender ist, denn bei den meisten Proteinen befinden sich die hydrophoben Gruppen
im Inneren des Moleküls (TERNES u. ACKER, 1994). Die Hydrophobizität kann im Verlauf
einer Denaturierung durch Entfalten der Polypeptidkette zunehmen, da zusätzlich hydrophobe
Gruppen an die Moleküloberfläche treten und so letztendlich auch die Grenzflächenaktivität
zunimmt (TERNES u. ACKER, 1994).
Eigelb besitzt hervorragende Emulgiereigenschaften und wird daher als ein natürlicher
Emulgator, insbesondere für die Herstellung von Lebensmittelemulsionen wie Mayonnaise
oder Salatdressing, die zu den Öl/Wasser-Emulsionen gehören, verwendet (FORD et al.,
1997). Maßgebend für die Emulsionswirkung des Eigelbs sind die Lipoproteine, v. a. die
Low-Density-Lipoproteine mit ihrem hohen Anteil an Lipiden (fast 90 %) (ANTON et al.,
2003). Von den LDL Komponenten haben sowohl die Apolipoproteine, die dank ihrer
amphiphilen Natur an der Grenzfläche Öl/Wasser adsorbiert werden, und Phospholipide
emulgierende Eigenschaften (KIOSSEOGLOU u. SHERMAN, 1983). KIOSSEOGLOU und
SHERMAN (1983) vermuteten, dass LDL an der Öl/Wasser-Grenzfläche aufbricht und als
Apolipoprotein-Phospholipidkomplex die Grenzflächen stabilisiert, wohingegen neutrale
Lipide in Koaleszenz mit den Öltropfen treten.
Die Livetine scheinen besonders für die Emulsionsstabilität verantwortlich zu sein (TERNES
u. ACKER, 1994, NAVIDGHASEMIZAD et al., 2014). NAVIDGHASEMIZAD et al. (2014)
bestimmten den Koaleszenzindex von Emulsionen aus Eigelb und Eigelb nach Entfernung der
-
30 Wissenschaftliches Schrifttum
Livetine, wobei das Eigelb einen geringeren Koaleszenzindex aufwies, welches auf eine
geringere Emulsionsstabilität durch den Livetinverlust verweist.
Die LDL-, aber auch die Granulaproteine, bewirken eine Verkleinerung der Partikelgröße in
der Emulsion, wobei die LDL-Proteine eine größere Oberflächenaktivität aufweisen
(TERNES, 2008a). Kleinere Partikelgrößen korrelieren mit einer geringeren
Verschmelzungswahrscheinlichkeit der Partikel in Emulsionen und somit einer höheren
Emulsionsstabilität (NAVIDGHASEMIZAD et al., 2014). Die Granula zeigt aufgrund der
aggregierten Struktur und einer sehr niedrigen Löslichkeit im natürlichen Milieu des Eigelbs
(pH 6,5-7 und Ionenstärke < 0,3 M NaCl) eine schwache Emulgieraktivität. Erst durch eine
Erhöhung der Ionenstärke auf > 0,3 M NaCl bzw. des pH-Wertes auf > 7 und des damit
verbundenen Aufbrechens der Calciumbrücken sowie Freisetzung von HDL und Phosvitin,
steigt die Löslichkeit der Granula (CAUSERET et al., 1991).
Die emulgierenden Eigenschaften der Lipoproteine der Granula können also besser
ausgenutzt werden, wenn durch Zugabe von Kochsalz die Granula aufgelöst und so
oberflächenaktives Material freigesetzt wird (TERNES u. ACKER, 1994). Dies wird bei der
kommerziellen Herstellung der Mayonnaise angewendet. Durch Zugabe von Kochsalz am
Beginn des Emulsionsprozesses tritt die Spaltung der Granula ein, sodass mehr
oberflächenaktives Material an der Grenzfläche Öl/Wasser adsorbiert wird (TERNES, 2008a).
Mittlerweile lassen sich aus der partikulären Granula-Fraktion des Eigelbs (hoher
Proteinanteil mit etwa 30 % Fettgehalt) Mayonnaisen herstellen, die weniger Cholesterin
enthalten (LACA et al., 2010).
Durch den Einsatz von Phospholipasen können die technofunktionellen Eigenschaften von
Eigelb verändert werden. Die so entstehenden Lysophospholipide weisen eine erhöhte
Emulgierkapazität gegenüber den Phospholipiden auf (DAIMER u. KULOZIK, 2008).
-
Wissenschaftliches Schrifttum 31
2.3.4 Bedeutung der funktionellen Eigenschaften des Eigelbs für die Qualität Feiner Backwaren
Die Qualität Feiner Backwaren steht eng mit den funktionellen Eigenschaften (Gelbildung
(Kap. 2.3.1.2, Seite 22), Schaumbildungsvermögen (Kap. 2.3.2, Seite 26), emulgierenden
Eigenschaften (Kap. 2.3.3, Seite 28)) des Eigelbs in Verbindung. Sie definiert sich neben dem
Geschmack und dem Nährwert v. a. über die Volumenausbeute, Porenstruktur und Zartheit
der Krume. Eine hohe Volumenausbeute bedeutet einen hohen Anteil von Gasblasen, die
während des mechanischen Aufschlags in den Teig inkorporiert werden (SAHI u. ALAVA,
2003). Sowohl Biskuit- als auch Sandmassen werden durch eingeschlagene Luft physikalisch
gelockert. Die Lockerung ist ausschlaggebend für eine hohe Gebäckqualität. Sie führt zum
erwünschten hohen Kuchenvolumen und einer geringen Kuchendichte. Hierbei spielt
besonders das Schaumbildungsvermögen der Eiklar- und Eigelbproteine (Kap. 2.3.2, Seite 26)
eine entscheidende Rolle.
Die Effizienz der Gashaltung hängt von verschiedenen Faktoren, wie der Film-Formungs-
Kapazität (Grenzflächenaktivität) und der Geschwindigkeit mit der die Gasblasen aus dem
Teig entweichen, ab (SAHI u. ALAVA, 2003). Der Gasblasenauftrieb wiederum wird durch
die Blasengröße und die Teigviskosität beeinflusst (HANDLEMAN et al., 1961), wobei eine
große Blasengröße und geringe Teigviskosität den Auftrieb und somit das Entweichen von
Gas begünstigen (vgl. Stokes´sche Sedimentationsgleichung Kap. 2.2.1, Seite 11). Die
Blasengröße steigt an, wenn die Grenzflächen einzelner Blasen nicht ausreichend stabilisiert
sind, sie reißen ein und fließen zusammen (Koaleszenz), welches zur Phasentrennung führt.
In Feinen Backwaren wird eine besonders gleichmäßige Porenstruktur angestrebt. Diese lässt
sich durch eine möglichst dichte Packung kleiner Gasblasen erreichen. Für eine zarte Krume
spielt eine geringe Dichte und gleichmäßige Porenstruktur eine entscheidende Rolle. Die
Qualität ist im Wesentlichen das Resultat der Veränderungen der Eibestandteile (Verhältnis
Eigelb/Eiklar) sowie auf die technofunktionellen Eigenschaften einzelner Eigelbfraktionen
und deren Wechselwirkungen mit den anderen Rezepturkomponenten (Zucker, Fett, Mehl
-
32 Wissenschaftliches Schrifttum
bzw. Stärke) im Verlauf des Herstellungsprozesses von Feinen Backwaren
(Biskuit/Sandkuchen) zurückzuführen.
Bei Backversuchen, in denen unterschiedliche Anteile an Eigelb verwendet wurden, konnten
Wissenschaftler zeigen, dass mit steigendem Eigelbanteil, das Gebäckvolumen ansteigt und
die Krume eine gleichmäßige, lockere Porung (KAMAT et al., 1973, TERNES u. ACKER,
1994) sowie ausgeprägte Feuchtigkeit, Farbe und Geschmack erhält, während mit
zunehmenden Eiklaranteilen der Feuchtigkeitsgehalt im fertigen Gebäck abnimmt
(MOHAMED et al., 1995).
Biskuitkuchen, welche unter der Verwendung von Plasma, in seinem natürlich im Eigelb
vorkommendem Anteil hergestellt wurden, zeigten, im Vergleich zur Verwendung von Vollei,
ein geringeres Kuchenvolumen, während der Gebrauch von Granula ein hohes
Aufschlagvolumen, aber ein 20 % geringeres Backvolumen ergab (KAMAT et al., 1973). Die
Granula sind ausschlaggebend für ein geringes Gebäckvolumen mit krümeliger
Krumenstruktur und eignen sich bei alleiniger Verwendung nicht zur Herstellung von
Biskuitkuchen (KAMAT et al., 1973, TERNES u. ACKER, 1994). Nach Mehlzugabe konnte
die eingeschlagene Luft im Teig nicht gehalten werden. TERNES und ACKER (1994)
erfassten die LDL-Proteine des Plasmas als Hauptverantwortliche für ein hohes
Gebäckvolumen und eine zarte Krumenstruktur. Speziell beim Biskuit wurde, in späteren
Versuchen von GRAHAM und KAMAT (1977), während des Backprozesses eine
Destabilisierung der LDL-Micellen beobachtet, welches eine Freisetzung von Lipiden
bewirkt, die in der Kuchenmatrix dispergiert oder an Carbohydrat-Proteinnetzwerken
adsorbiert vorliegen und das Gebäck vermutlich zarter und qualitativ hochwertiger machen.
Die Lipoproteine, besonders die während des Backprozesses aus ihnen freigesetzten
Phospholipide (Lecithine und Chephaline), wurden als die Proteine identifiziert, die den
größten Beitrag zu den Emulgiereigenschaften des Eigelbs leisten (KAMAT et al., 1973). Sie
unterstützen beim Aufschlag den Lufteintrag und die Schaumbildung (KAMAT et al., 1974)
und beteiligen sich während des Backvorgangs an der Stabilisierung der Poren (TERNES u.
ACKER, 1994), sodass Gebäcke mit einer hohen Volumenausbeute entstehen. Um bestimmte
Effekte in Bezug auf die Gebäckqualität (Volumenausbeute, Krumenstruktur) den
-
Wissenschaftliches Schrifttum 33
Eigenschaften einzelner Eigelbfraktionen zuordnen zu können, fehlen systematische
Untersuchungen der Eigelbfraktionen (LDL, Granula, Livetine) in definierten
Modellsystemen. Bisher ist nur bekannt, dass vermutlich das LDL verantwortlich für ein
hohes Kuchenvolumen ist, jedoch wurde für bisherige Backversuche kein isoliertes LDL
sondern nur Plasma verwendet. Ebenso liegen keine Ergebnisse vor, die die Rolle der Livetine
im Biskuitgebäck beschreiben.
Zur optimalen Lockerung der Masse werden bei Biskuit Eigelb und Eiklar getrennt
aufgeschlagen (TERNES u. ACKER, 1994). Aus Zeitgründen wird in der Industrie jedoch
überwiegend ein einstufiges „All-in“-Verfahren angewendet, bei dem sämtliche Rohstoffe in
einer Misch- und anschließenden Aufschlagphase verarbeitet werden. Dies erfordert den
Zusatz von Emulgatoren (Mono- oder Diacylglyceride, Lecithine) oder Backpulver, um den
gewünschten Volumenanstieg zu erreichen (TERNES u. ACKER, 1994, MOHAMED et al.,
1995).
Durch Wechselwirkungen verschiedener Rezepturkomponenten untereinander, wie
beispielsweise Zucker (Saccharose (Rüben- oder Rohrzucker)) mit den Ei- oder den
Mehl/Stärkeproteinen, entstehen Verschiebungen der Koagulationstemperaturen der Proteine
in höhere Temperaturbereiche, so dass eine isothermale Verkleisterung der Stärke und
Denaturierung der Eiproteine entsteht (TERNES u. WERLEIN, 1987, TERNES u. ACKER,
1994, DONOVAN, 1977). Aufgrund der höheren Koagulationstemperaturen der Eiproteine
bleibt das Gebäck länger elastisch, die Denaturierung tritt erst am Ende des Ofentriebs ein,
wodurch ein maximales Gebäckvolumen erzielt wird. Das in der Industrie häufig verwendete
Verfahren, in die aufgeschlagene Ei-Zucker-Mischung Mehl- und Stärkepartikel
einzuarbeiten, dient der Stabilisation der gebildeten Schaumstruktur. Diese Partikel sind als
verkleisterte Stärke und später als geronnenes Klebereiweiß an der Krumenstruktur von
Gebäcken beteiligt (SKOBRANEK, 1991).
Sandkuchen unterscheidet sich auch in seiner Zusammensetzung von Biskuit. Er enthält
zusätzlich Butter- oder Fettstoffe. Auch sie werden durch eingeschlagene Luft physikalisch
gelockert (SKOBRANEK, 1991). Durch Aufschlagen des Fett-Weizenpuder-Gemisches
-
34 Wissenschaftliches Schrifttum
werden die Stärkekörnchen vollständig mit Fett umschlossen, die Oberfläche der Fettphase
wird so vergrößert (SKOBRANEK, 1991). Für Sandkuchen steht eine feine und gleichmäßige
Porung sowie ein sandiger bis leicht trockener auch krümelnder Kaueindruck im Vordergrund
(LUDEWIG, 2010). KAMAT et al. (1973) zeigten, dass ein Ersetzen des Eigelbs in
Sandkuchen durch frisches Plasma oder frische Granula akzeptable Kuchen hervorrief,
welche den Kontrollkuchen ähnlich waren. Die Gran