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Innovation Award für Isabelle Bernklau (TU München)

Preisträgerin überzeugte Experten-Jury – Thema: Proteinnetzwerkanalyse, ein neuartiges Bildanalyseverfahren zur Quantifizierung von Mikrostrukturen im Weizenteig – Verleihung des Lebensmitteltechnologiepreises in Frankfurt am Main

(DLG). Isabelle Bernklau vom Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie der Technischen Universität München erhält den Innovation Award „Junge Ideen“ der DLG (Deutsche Landwirtschafts-Gesellschaft). Prof. Dr. Michael Doßmann, Vorsitzender des DLG-Fachzentrums Lebensmittel, überreichte den Lebensmitteltechnologiepreis jetzt im Rahmen des DLG-Forums FoodTec: Robotik in der Lebensmittelherstellung in Frankfurt am Main. Bernklau überzeugte die Experten-Jury mit ihrer Forschungsarbeit über ein neuartiges Bildanalyseverfahren, das die Proteinnetzwerke in Weizenteigen quantitativ charakterisiert. Der mit 2.500 Euro dotierte DLG Innovation Award „Junge Ideen“ fördert herausragende Nachwuchswissenschaftler.
 
Um Brot und Backwaren qualitativ zu optimieren, sind Grundkenntnisse struktureller Zusammenhänge sowie Interaktionen einzelner Inhaltsstoffe notwendig. Die makrostrukturellen Eigenschaften, wie Teigbeschaffenheit, Endprodukt-Textur und Volumen, hängen maßgeblich von den mikrostrukturellen Gegebenheiten ab. Die wichtigste strukturgebende Komponente in Weizenprodukten ist das Glutennetzwerk, das funktionelle Eigenschaften, wie Rheologie (Fließverhalten), Textur und Gashaltefähigkeit maßgeblich beeinflusst.
 
Ziel der Forschungsarbeit von Bernklau war es, die Bildauswertung durch neue Ansätze weiter zu optimieren und das bisher Unsichtbare damit greifbar zu machen. Hierfür entwickelte Bernklau eine neuartige Methode, die sogenannte Proteinnetzwerkanalyse (PNA).

Material & Methoden
Die Nachwuchswissenschaftlerin verfolgte einen neuen Ansatz, indem sie eine Bild-analysenmethode aus dem medizinischen Sektor auf das Teigsystem anwendete. Vorteilhaft bei dieser neuen Methode ist, dass eine präzise Detektion der Proteinfläche sowie Verzweigungsstellen erreicht werden können. Quantitativ wird die Struktur durch Attribute, wie Anzahl und Dichte der Knotenpunkte, die ein Maß für den Verzweigungsgrad darstellen, erfasst. Ebenso kann die Länge der Proteinstränge sowie die Anzahl der Proteinendpunkte, die ein Maß für die Konnektivität des Netzwerkes darstellen, ausgewertet werden. Eine weitere Bewertung der Netzwerkstruktur kann über die sogenannte Lakunarität erfolgen. Diese Größe beschreibt die Unregelmäßigkeit sowie Lückenhaftigkeit einer Struktur.
 
Zur Validierung des neuen Bildanalyseverfahrens für Proteine (Proteinnetzwerkanalyse, PNA) wurden Weizenteige mit sechs unterschiedlichen Schüttwasserkonzentrationen (59.2 - 89.8 ml pro 100 g Mehl) hergestellt, um die Ausbildung des Proteinnetzwerkes zu verändern und die Anwendungsmöglichkeit in einem möglichst breiten Bereich zu testen.
 
Ergebnisse & Diskussion
Die Anwendung des Bildanalyseverfahrens aus dem medizinischen Sektor auf das komplexe Glutennetzwerk im Teig zeigte visuell eine präzise Erfassung der Struktur und Detektion der Verzweigungsstellen. Die durch die Konzentrationsunterschiede im Schüttwasser hervorgerufenen unterschiedlichen Netzwerkstrukturen konnten mittels PNA quantitativ erfasst werden. Zusätzlich wurden drei weitere Attribute zur Netzwerkcharakterisierung entwickelt: der Verzweigungsgrad, Endpunktrate und Proteinstrang-Dicke. Diese Attribute sind auf die Proteinfläche bezogen und somit unabhängig vom gewählten Bildausschnitt beim Mikroskopieren. Hierbei konnte ermittelt werden, dass der Verzweigungsgrad mit steigendem Wassergehalt linear um 37 % abnahm, wohingegen die Endpunktrate um das 2,8-fache und die Lakunarität um das 4,5-fache zunahmen. Dies zeigt eine Abnahme des Zusammenhalts und Konnektivität im Netzwerk sowie eine große Lückenhaftigkeit und Unregelmäßigkeit. Zudem deutete eine Zunahme der Proteinstrang-Dicke um 26 % auf eine Agglomeration der Proteine mit steigendem Wassergehalt hin.
 
Schlussfolgerungen & Empfehlungen
Mit der Anwendung der Proteinnetzwerkanalyse zur Untersuchung der Mikrostruktur von Weizenteigen können in Kombination mit Textur- oder rheologischer Analysen in neuer Weise detaillierte Materialeigenschaften bestimmt sowie Struktur-Funktionsbeziehungen aufgeklärt werden. Somit können der Effekt von Zusatzstoffen (z.B. Enzyme) oder unterschiedlicher Inhaltsstoffe (z.B. Salz) auf die Proteinnetzwerk-Bildung quantitativ erfasst und gezielt gesteuert werden sowie Rückschlüsse auf die Teigfunktionalität gezogen werden. Zudem können dank der Forschungsarbeit von Isabell Bernklau Strukturänderungen, die durch variierende Produktionsbedingungen hervorgerufen werden, gezielt kontrolliert werden. Eine weitere Möglichkeit der Proteinnetzwerkanalyse von Weizenteigen besteht in der Unterstützung von Produktentwicklungen mit gezielten strukturellen Eigenschaften sowie Funktionalitäten.
 
Abschließend lässt sich zusammenfassen, dass durch Visualisierung und Quantifizierung des Proteinnetzwerkes auf mikrostruktureller Ebene gezielt Strukturveränderungen aufgeklärt werden können.
 
DLG Innovation Award „Junge Ideen“
Der DLG Innovation Award „Junge Ideen“ wird jährlich vergeben und ist mit 2.500 Euro dotiert. Der Preis fördert Forschungsarbeiten junger Wissenschaftler, die sich produkt- und branchenübergreifend mit folgenden Themenbereichen befassen: Lebensmitteltechnologie, Verpackung, Abfülltechnologie, Ingredienzien, Produktentwicklung, Automatisierung, Qualitätssicherung, Hygiene, Gesundheit, Ernährung oder Business-Modelle. Unter den Bewerbern ermittelt der wissenschaftliche Beirat des DLG-Hauptausschusses Lebensmittel den Preisträger.
 
 


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