Brancheneinblicke von NIZO: Einsatz und Optimierung der Membranfiltration zur Extraktion pflanzlicher Proteine

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26. Januar 2023 – Zuletzt aktualisiert am 26. Januar 2023 um 16:52 GMT

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Um eine Proteinquelle – wie Milchprodukte oder Pflanzenmaterial – in eine brauchbare Proteinzutat umzuwandeln, müssen Sie das gewünschte Protein von den verschiedenen Molekülen trennen, die Sie nicht benötigen. Die Membranfiltration hat sich als Technologie zur Proteinextraktion in der Milchindustrie bewährt; Nun schauen auch Akteure im Bereich Pflanzenproteine, ob Start-ups oder etablierte Hersteller, genauer hin.

Es ist eine Technologie, die klare Vorteile bietet – wenn man die Herausforderungen meistern kann, wie Fred van de Velde, NIZOs Expertise Group Leader Protein Functionality, erklärt.

Rene Floris:​Was ist Membranfiltration und welche Vorteile bietet sie?​

Fred van de Velde: Bei der Membranfiltration filtern Sie Ihren Materialstrom durch eine Polymermembran (oder in manchen Fällen Keramikmembran). Poren in dieser Membran ermöglichen es kleineren Molekülen, durchzutreten und weggespült zu werden, während die größeren Proteinmoleküle zurückgehalten werden. Membranen gibt es in verschiedenen Materialien und Porengrößen und bieten mehrere Vorteile im Vergleich zur Säurefällung – einer weiteren Proteinextraktionstechnologie, die häufig bei der Produktion pflanzlicher Proteine ​​eingesetzt wird.

RF: Welche Vorteile bietet die Membranfiltration?​

FV: Erstens erzielt man mit der Membranfiltration höhere Ausbeuten, da praktisch das gesamte Protein zurückgewonnen wird, was bei der Säurefällung nicht der Fall ist. Zweitens behält Ihr Protein durch die Membranfiltration seine Funktionalität besser. Drittens ist es eine umweltfreundlichere Technik: Bei der sauren Fällung werden sowohl eine Base als auch eine Säure verwendet, was zu einem Salzseitenstrom und einem Produkt mit einem relativ hohen Salzgehalt führt. Bei der Membranfiltration hingegen wird reines Wasser verwendet, um unerwünschte Moleküle auszuspülen. Schließlich erhalten Sie eine hochkonzentrierte Proteinlösung, die in der Endtrocknungsstufe weniger Energie benötigt, was Kosten spart und einen weiteren Vorteil für die Umwelt bietet.

RF: Was sind die Herausforderungen beim Einsatz von Membranfiltration?​

FV: Während der Proteinextraktion bilden sich Rückstände auf der Membran, die deren Filterkapazität verringern. Die Geschwindigkeit dieser Verschmutzung hängt von der Porengröße der Membran und der Wechselwirkung zwischen Ihrem Ausgangsmaterial und dem Membranmaterial ab. Dies geschieht sowohl bei Milch- als auch bei Pflanzenproteinen. In der Milchindustrie sind die Verfahren zur Verschmutzungsminimierung und Reinigung jedoch bereits gut optimiert. In vielerlei Hinsicht ist die Milchwirtschaft ziemlich unkompliziert: Es handelt sich um eine Produktart (Milch), alle Bestandteile der Milch sind gut gelöst und ihr Verhalten ist dank der langen Geschichte der Branche bekannt. Aber bei pflanzlichen Proteinen ist die Komplexität noch viel größer: Es gibt viele verschiedene Proteinquellen, die sich jeweils unterschiedlich verhalten, und diese unterschiedlichen Verhaltensweisen sind noch nicht vollständig verstanden. Wenn wir also die Verschmutzung reduzieren und dadurch die Reinigung, Ausfallzeiten usw. verkürzen wollen, müssen wir viel mehr über die Mechanismen verstehen, die diese Verschmutzungsrückstandsschicht aus Pflanzenproteinen verursachen.

RF: Was verursacht die Verschmutzung von Membranen durch Pflanzenproteine?​

FV: Basierend auf unseren Erfahrungen bei NIZO mit Membranfiltration und Pflanzenproteinen haben wir eine Reihe von Mechanismen identifiziert, die zur Bildung von Rückständen auf Membranen führen können. Das erste sind unlösliche Bestandteile in Ihrem Ausgangsmaterial, die die Membranporen verstopfen können. Bei Milchprodukten, die aus löslichen Bestandteilen bestehen, ist dies natürlich kein Problem. Pflanzenmaterial enthält auch Nicht-Proteinfasern, die ebenfalls die Poren verstopfen können. Ein weiterer möglicher Mechanismus ist die Proteinadsorption oder sogar die Entfaltung der Proteine ​​auf der Membran, was zu Fouling führen kann. Darüber hinaus können Polyphenole, die auch in pflanzlichen Lebensmitteln reichlich vorkommen, mit Proteinen interagieren und so möglicherweise die Bildung der Bewuchsschichten beschleunigen.

RF: Wie wählt man die „richtige“ Membran aus?​

FV: Bevor Sie mit der Produktion beginnen, können Sie verschiedene Membranen testen, um zu sehen, welche die geringste Verschmutzung verursachen. Obwohl es noch nicht möglich ist zu sagen: „Sie verwenden diese pflanzliche Proteinquelle, daher ist diese Art von Membran wahrscheinlich die beste für Sie“, kann Ihnen das Wissen über Membranen und pflanzliche Proteine ​​einen guten Einstieg in die Auswahl der Optionen erleichtern prüfen. Wir wissen zum Beispiel, dass Ackerbohnen mehr Ballaststoffe enthalten als Erbsen, was zu mehr faserbedingten Verschmutzungen führen kann. Sonnenblumen und Raps hingegen sind reich an Polyphenolen: Dies könnte daher zu mehr Polyphenol-bedingtem Fouling führen.

RF: Wie können Hersteller von Pflanzenproteinen den Einsatz von Membranfiltration optimieren?​

FV: Durch die Analyse der Verschmutzungsschicht und die Suche nach Strategien zur Minimierung der Auswirkungen in der vorgelagerten Verarbeitung. Wenn das Hauptproblem beispielsweise unlösliche Bestandteile sind, kann es entweder durch Zentrifugation oder Mikrofiltration gelöst werden. Wenn die Schmutzschicht überwiegend aus Kohlenhydraten besteht, können Sie Enzyme verwenden, um sie abzubauen. Die entstehenden kleineren Elemente werden dadurch leichter weggespült. Es gibt jedoch noch viel zu tun, um die Produktionsprozesse pflanzlicher Proteine ​​mithilfe der Membranfiltration zu optimieren.

RF: Welche Auswirkungen kann diese Optimierung auf die Verarbeitung haben?​

FV: Wir haben hervorragende Ergebnisse bei der Optimierung von Prozessen mithilfe der Membranfiltration in der Milchindustrie erzielt – obwohl dies bereits eine etablierte Branche ist. So haben wir beispielsweise eine Optimierung für milchbasierte Säuglingsnahrung vorgenommen und konnten das Verhältnis zwischen Laufzeit und Reinigungszeit deutlich verbessern. Dadurch erhöhte sich die Produktionskapazität der Fabrik um 40 %. Aufgrund solcher Ergebnisse sind wir zuversichtlich, dass der Aufwand und die Investition zur Optimierung der Pflanzenproteinverarbeitung mittels Membranfiltration ebenfalls zu erheblichen Verbesserungen führen werden.

RF: Was sind die nächsten Schritte zur Verbesserung des Einsatzes der Membranfiltration für Pflanzenproteine?​

FV: Wir haben bereits mehrere potenzielle Fouling-Mechanismen identifiziert, aber um die beste Membran auszuwählen und Gegenmaßnahmen zu entwickeln, müssen wir verstehen, welcher bei der Verarbeitung eines bestimmten Pflanzenmaterials dominant ist. NIZO unterstützt unsere Kunden nicht nur bei der Auswahl und Optimierung spezifischer Protein-/Membrankombinationen, sondern arbeitet auch daran, ein Konsortium aus Industriepartnern aufzubauen, um fundierteres Wissen aufzubauen und bestimmte Hypothesen zu testen. Tritt eine bestimmte Art von Verschmutzung bei allen Pflanzenproteinen auf oder nur bei bestimmten Pflanzenproteinen? Welche Rolle spielt das Nicht-Protein-Material im Pflanzenprodukt? Wir brauchen mehr wissenschaftliche Erkenntnisse, damit wir dann beispielsweise Proteine ​​nach möglichen, durch die Forschung validierten Mechanismen aufteilen können. Das ist der entscheidende nächste Schritt.

Im nächsten Artikel von NIZO wird sich die Forschungsorganisation mit dem Umgang mit „Mitreisenden“ wie Polyphenol bei der Isolierung alternativer Proteine ​​befassen.​​

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