Potential hoher isostatischer Drücke und gepulster elektrischer Felder für die Verarbeitung von Kartoffel- und Erbsenproteinen : strukturelle und techno-funktionelle Charakterisierung in Modelllösungen und in pflanzlichem Gewebe

The aim of this thesis was to evaluate the potential of high isostatic pressure and pulsed electric fields for the production of high quality plant proteins. Induced changes in protein solutions and plant tissue of potato and pea were analyzed by means of structural and techno-functional characterization as well as by investigation of diffusion and extractions procedures. The application of high isostatic pressure provides a gentle alternative to conventional heat preservation. Especially for the pasteurization of potato protein solutions the technology offers significant benefits as structural and functional changes due to pressures up to 600 MPa were minimal in contrast to thermal treatments between 60 and 80 °C. High pressure furthermore led to modifications of proteins and starch in peas differing from those of a thermal processing. Pressure led to an aggregation of pea globulins, whereas high temperatures mostly affected the albumin fraction PA2. Protein concentrates with unique functional properties and flours with modified starch digestibility could be produced by the application of high pressure. Pulsed electric fields can permeabilize biological membranes without causing extensive heat damage of sensitive food ingredients. Local pH changes or enhanced oxidation activity in the electric field modified proteins in potato tissue already at an electric field strength of 1 kV/cm and led to the recovery of protein concentrates with improved foaming behaviour (24 % higher foam volume). However, the responsible structural alterations could not be completely clarified. Pulsed electric field treatments up to 10 kV/cm enhanced the efficiency of pea drying and rehydration as well as the release of raffinose equivalent sugars. Pea proteins were not affected by an electric field of this intensity and its side reactions. Thereby, this technology can be used to improve mass transport within pea tissue or to extent shelf-life of protein solutions by inactivation of vegetative microbial cells without altering protein recovery or quality. Pulsed electric fields and high isostatic pressure are thereby suitable to make a unique contribution to the processing of vegetable proteins. Further research is needed to completely exploit their potential for this food sector and to exactly figure out application possibilities for innovative plant protein products.Ziel dieser Arbeit war das Potential isostatischen Hochdrucks und gepulster elektrischer Felder für die Produktion hochwertiger Pflanzenproteine zu bewerten. Die Charakterisierung der in Proteinlösungen und pflanzlichem Gewebe von Kartoffel und Erbse hervorgerufenen Veränderungen erfolgte anhand struktureller und techno-funktioneller Merkmale sowie durch die Untersuchung von Diffusions- und Extraktionsvorgängen. Die Anwendung isostatischen Hochdrucks stellt eine schonende Alternative zu konventionellen thermischen Haltbarmachungsverfahren dar. Insbesondere für die Pasteurisation von Kartoffelproteinlösungen bietet die Technologie deutliche Vorteile, da strukturelle und funktionelle Änderungen bei Drücken bis zu 600 MPa im Gegensatz zu einer thermischen Behandlung zwischen 60 und 80 °C minimal ausfielen. Hochdruck bewirkte des Weiteren eine Modifizierung der Proteine und Stärke in Erbsen, die sich klar von denen einer Hitzebehandlung unterschied. Druck führte zu einer Aggregation der Erbsenglobuline während hohe Temperaturen vor allem die Albuminfraktion PA2 beeinflussten. Mithilfe der Hochdruckbehandlungen konnten Proteinkonzentrate mit besonderen funktionellen Eigenschaften sowie Mehle mit veränderter Stärkeverdaubarkeit gewonnen werden. Gepulste elektrische Felder ermöglichen eine Permeabilisierung biologischer Membranen ohne gleichzeitige Hitzeschädigung empfindlicher Lebensmittelinhaltsstoffe. Lokale pH-Änderungen oder verstärkte Oxidationsvorgänge im elektrischen Feld modifizierten das Protein im Kartoffelgewebe bereits bei einer Feldstärke von 1 kV/cm und verbesserten die Schaumeigenschaften der hergestellten Proteinkonzentrate (24 % höheres Schaumvolumen). Die dafür verantwortlichen strukturellen Veränderungen konnten jedoch nicht vollständig aufgeklärt werden. Hochspannungsimpulsbehandlungen von bis zu 10 kV/cm erhöhten die Effizienz von Erbsentrocknung und -rehydratation sowie die Ausschleusung von Raffinose-äquivalenten Oligosacchariden. Die Erbsenproteine wurden durch ein elektrisches Feld dieser Intensität oder seine Nebenreaktionen nicht beeinflusst. Folglich kann diese Technologie genutzt werden um den Stofftransport im Erbsengewebe zu verbessern oder die Haltbarkeit der Proteinlösung durch Inaktivierung vegetativer Mikroorganismen zu verlängern ohne die Proteingewinnung oder -qualität zu beeinträchtigen. Hochspannungsimpulse und isostatischer Hochdruck können somit einen wertvollen Beitrag zur Prozessierung pflanzlicher Proteine liefern. Weitere Forschung ist erforderlich um ihr Potential für diesen Lebensmittelsektor vollständig auszuschöpfen und konkrete Anwendungsmöglichkeiten für innovative Pflanzenproteinprodukte aufzudecken