Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5709
Main Title: Cold atmospheric pressure plasma treatment of food matrices
Subtitle: tailored modification of product properties along value-added chains of plant and animal related products
Translated Title: Behandlung von Lebensmittelmatricen mit kaltem Atmosphärendruckplasma
Translated Subtitle: gezielte Modifikation von Produkteigenschaften entlang der Wertschöpfungskette pflanzlicher und tierischer Produkte
Author(s): Bußler, Sara
Advisor(s): Methner, Frank Jürgen
Referee(s): Rauh, Cornelia
Jäger, Henry
Knorr, Dietrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The application of cold atmospheric pressure plasma (CAPP) was suggested as an innovative nonthermal technology for inactivating undesirable microorganisms on the surface of heat-sensitive food products. Moreover, CAPP may offer a promising approach for the tailored modification of product properties along value-added chains of plant and animal related products. Therefore, this thesis puts emphasis on providing evidence for the possible utilization of plasma-induced surface and ingredient interactions as a tool for the selective modification of secondary metabolite profiles in plants and techno-functionality of flours and proteins from peas. Further, the knowledge gained on plasma assisted modification of plant-based materials was transferred to animal-based materials from edible insects taking additionally into account microbial decontamination as another key issue in insect processing. The thesis imparts the detailed characterization of selected raw materials, the identification of proper CAPP setups and corresponding product-specific process parameters by performing process accompanying monitoring of plasma characteristics required to achieve desired modifications. Detailed investigations of the plasma-induced effects were conducted following a top-down approach by using suitable analytical methods providing insights into possible underlying mechanisms from macroscopic to molecular level. The macroscopic level of analysis included quality (color/texture), compositional (protein/fat/dry matter contents) and microbial (surface/overall total viable counts) methods, followed by determining techno-functional (water/fat binding/emulsification) and protein (solubility/water/fat binding/emulsification) properties, as well as protein structure (surface hydrophobicity/fluorescence properties/CD spectroscopy) on the microscopic and structural level, down to analysis of the protein composition (SDS-PAGE/tryptophan content/amino acid composition) on the molecular level. The results provide a scientific basis regarding the targeted use of the CAPP technology for functionalization and modification of high-protein food components and could therefore contribute to the bio-economic and resource efficient production of dry high-value protein products, as protein functionality plays a key role in improving existing products, developing new products, and utilizing alternative protein sources as new ingredients. Consequently, feedback on the applicability of CAPP for tested raw materials was derived by evaluating the effectiveness of the treatment regarding the desired process goal, and by identifying product-specific characteristics allowing transferability of the CAPP process with the long-term goal of combining plasma treatments with existing unit operations in established product-specific process lines. Initial approaches regarding the CAPP treatment of complex food matrices by using a plasma device, which is promising for the application in industrial scale, aimed at the development of innovative process combinations with focus on “plasma-drying” as a prospective future unit operation, which may contribute to reducing the expected costs of CAPP treatments. The potential of CAPP processing to become a routine tool for the food industry in the coming years is also reflected throughout all parts of this work, and thus, it provides a substantial contribution to promoting the successful admission of the CAPP technology in the food sector.
Kalte Atmosphärendruckplasmen (KADP) gelten als innovative nichtthermische Technologien zur Inaktivierung unerwünschter Mikroorganismen auf Oberflächen hitzeempfindlicher Lebensmittel. Darüber hinaus bietet die KADP-Technologie ein vielversprechendes Konzept zur gezielten Modifikation von Produkteigenschaften entlang Wertschöpfungsketten pflanzlicher und tierischer Produkte. Die vorliegende Arbeit untersucht schwerpunktmäßig den möglichen Einsatz plasma-induzierter Oberflächen- und Inhaltsstoffinteraktionen zur selektiven und gezielten Modifikation von Sekundärmetabolitprofilen in Erbsenpflanzen und technofunktionellen Eigenschaften von Erbsenmehlen und –proteinen. Weiterhin wurden die über die plasma-gestützte Modifikation pflanzlichen Materials gewonnenen Erkenntnisse übertragen auf tierische Rohstoffe aus essbaren Insekten und zusätzlich die mikrobielle Dekontamination, als ein weiterer Schwerpunkt bei der Insektenverarbeitung, mit einbezogen. Die Arbeiten zur Erzeugung gewünschter Modifikationen umfassen die detaillierte Charakterisierung ausgewählter Rohstoffe, die Auswahl geeigneter KADP-Anlagen und korrespondierender produktspezifischer Prozessparameter, sowie die prozessbegleitende Erfassung notwendiger Plasmaeigenschaften. Die hierzu notwendigen detaillierten Untersuchungen der plasma-induzierten Effekte wurden nach einem Top-down- Ansatz unter der Nutzung geeigneter analytischer Methoden, die Einblicke in mögliche zugrundeliegende Mechanismen liefern, von der makroskopischen zum molekularen Ebene durchgeführt. Das makroskopische Untersuchungslevel beinhaltete Methoden zur Erfassung der Qualität (Farbe/Textur), Zusammensetzung (Protein-/Fett-/Trockensubstanzgehalt) und Mikrobiologie (Oberflächen-/Gesamtkeimzahl), begleitet von Untersuchungen technofunktioneller (Wasser-/Fettbinde-/ Emulgiereigenschaften) und Proteineigenschaften (Löslichkeit, Wasser-/Fettbinde-/Emulgiereigenschaften) als auch der Proteinstruktur (Öberflächenhydrophobizität/Fluoreszenzeigenschaften/CD-Spektroskopie) auf der mikroskopischen und struktureller Ebene, bis hin zur Proteinzusammensetzung (SDSPAGE/ Tryptophangehalt/Aminosäurezusammensetzung) auf der molekularen Ebene. Die Ergebnisse liefern eine wissenschaftliche Grundlage zur gezielten Nutzung der KADP-Technologie zur Funktionalisierung und Modifizierung proteinreicher Lebensmittelkomponenten und könnten folglich zur bioökonomischen und ressourceneffizienten Produktion hochwertiger trockener Proteinprodukte beitragen, da Proteinfunktionalität eine wesentliche Rolle in Produktverbesserung und -entwicklung und der Nutzung alternativer Proteinquellen spielt. Aus der Identifizierung produktspezifischer Eigenschaften und der Beurteilung der Behandlungseffektivität hinsichtlich des gewünschten Prozessziels wurden wichtige Erkenntnisse zum langfristigen Ziel der Kombination von KADP mit Prozessschritten etablierter Verarbeitungsketten gewonnen. Erste Versuche zur Behandlung komplexer Lebensmittelmatrices unter Nutzung einer Plasmaanlage, die sich zum Einsatz im industriellen Maßstab eignen würde, zielten auf die Entwicklung innovativer kosteneffizienter Kombinationen aus Plasma- und Trocknungsverfahren ab. Das Potential des KADP-Verfahrens in Zukunft zu einem Routineprozess der Lebensmittelindustrie zu werden zeigt sich in allen Teilen der Arbeit, die folglich einen wesentlichen Beitrag zur erfolgreichen Zulassung der KADP-Technologie im Lebensmittelsektor beiträgt.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6144
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5709
Exam Date: 1-Sep-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 3-Feb-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::660 Chemische Verfahrenstechnik::664 Lebensmitteltechnologie
Subject(s): nonthermal processing
food processing
cold atmospheric pressure plasma
innovative technologies
nichtthermische Verfahren
Lebensmittelverarbeitung
kaltes Atmosphärendruckplasma
innovative Technologien
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