10.02.2026 von Dr. Ligia de Souza
Vorhersage der Proteindenaturierung während der Pasteurisierung mit Kinetics Neo
Erfahren Sie, wie NETZSCH Kinetics Neo mithilfe von DSC und kinetischer Modellierung die Proteindenaturierung bei der Pasteurisierung vorhersagt.
Warum die Denaturierung von Proteinen bei der thermischen Pasteurisierung wichtig ist
Die Pasteurisierung ist eine der wichtigsten Technologien in der Lebensmittelverarbeitung, da sie mikrobiologische Sicherheit gewährleistet und die Haltbarkeit verlängert. Obwohl die thermischen Behandlungen schonend gestaltet sind, wirken sie sich unvermeidlich auf temperaturempfindliche Bestandteile aus, insbesondere auf Proteine. Da Proteine wichtige funktionelle Eigenschaften wie Löslichkeit, Gelierung und Emulgierung aufweisen, ist es für die Entwicklung hochwertiger Lebensmittelzutaten unerlässlich, zu verstehen, wie sie auf Hitze reagieren. Eine Denaturierung der Proteine kann die genannten Eigenschaften beeinträchtigen.
Die verschiedenen traditionellen Pasteurisierungstechniken unterscheiden sich stark in Bezug auf Temperatur und Dauer. Bei Batch- oder LTLT-Behandlungen (Low Temperature, Long Time) werden Produkte über mehrere Minuten langsam erhitzt, während bei HTST-Verfahren (High Temperature, Short Time), Ultra-Pasteurisierung und UHT (Ultra-High Temperature) Lebensmittel für wenige Sekunden höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Jede Methode bietet ein unterschiedliches Gleichgewicht zwischen mikrobieller Kontrolle und Produktqualität. Übermäßige Hitze kann jedoch zu Proteindenaturierung, Verlust des Nährwerts und Veränderungen der Textur oder des Aussehens führen. Trotz des Aufkommens nicht-thermischer Alternativen wie Hochdruckverarbeitung und gepulstes elektrisches Feld bleibt die thermische Pasteurisierung in vielen Industriezweigen vorherrschend. Folglich gewinnen Simulationstools, mit denen thermische Auswirkungen auf Proteine bewertet und optimiert werden können, weiter an Bedeutung.
Von DSC-Kurven zu kinetischen Modellen: Vorhersage von hitzeinduzierten Proteinveränderungen
NETZSCH Kinetics Neo ist eine leistungsstarke Softwareplattform zur Modellierung temperaturabhängiger Reaktionen. Durch die kinetische Analyse von Daten, erzeugt mit thermischen Analysegeräten von NETZSCH, kann die Software sowohl modellfreie als auch modellbasierte Beschreibungen komplexer Reaktionspfade erstellen. Für Untersuchungen zur Proteindenaturierung ermöglicht dies Forschern, über die einfache Betrachtung von DSC-Kurven hinauszugehen und stattdessen genaue kinetische Modelle zu entwickeln, die zeigen, wie sich Proteine unter bestimmten Temperaturprofilen entfalten. Diese Modelle können dann verwendet werden, um das Ausmaß der Denaturierung unter realen Verarbeitungsbedingungen vorherzusagen.
In einer kürzlich erschienenen Studie analysierten wir zur Ermittlung ihres thermischen Verhaltens Hefeproteindispersionen mit Hilfe der dynamischen Differenzkalorimetrie, DSC. Während des ersten Heizzyklus zeigte das Protein eine breite Denaturierung im Temperaturbereich zwischen 44 °C und 78 °C. Ein zweiter Erhitzungszyklus hatte keine thermischen Auswirkungen mehr, was die Irreversibilität der Denaturierung bestätigte. Um die Kinetik dieses Prozesses zu ermitteln, führten wir Messungen bei verschiedenen Aufheizraten durch. Die Auswertung der Datensätze mit der Kinetics Neo-Software ergab sowohl auf der Basis der modellfreien Friedman-Analyse als auch auf der Basis eines dreistufigen modellbasierten Ansatzes eine hervorragende Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den berechneten Daten.
Optimierung von Pasteurisierungsprozessen mit Kinetics Neo-Simulationen
Nach der Ermittlung der kinetischen Parameter wurde Kinetics Neo verwendet, um die Proteindenaturierung unter typischen Pasteurisierungsbedingungen zu simulieren. Die Vorhersagen zeigten erhebliche Unterschiede zwischen den Methoden. Die Batch-Pasteurisierung führte zu einer fast vollständigen Denaturierung, lange bevor die Gesamt-Behandlungszeit abgelaufen war. Im Gegensatz dazu führte die UHT-Behandlung zu einer schnellen und nahezu umfassenden Umwandlung (nach 1 s sind nur noch ca. 10% des nativen Proteins vorhanden). Die HTST-Methode war milder, beeinträchtigte jedoch immer noch einen erheblichen Teil des Proteingehalts. Die Ultra-Pasteurisierung war die einzige Methode, bei der der größte Teil des nativen Proteins erhalten blieb, da die sehr kurze Einwirkzeit die Gesamtdenaturierung begrenzte.
Diese Arbeit zeigt, wie die kinetische Modellierung die Optimierung von Pasteurisierungsstrategien unterstützen kann. Mit NETZSCH Kinetics Neo können Lebensmittelhersteller Verarbeitungsfenster identifizieren, die die Proteinfunktionalität erhalten, den Arbeitsaufwand für Experimente reduzieren und einen kontrollierten Ansatz für die thermische Behandlung verfolgen. Das Ergebnis ist ein datengestützter Ansatz für die Prozessgestaltung, der sowohl die Produktqualität als auch die Entwicklungseffizienz verbessert.
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