Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6160
Main Title: Interfacial properties of saponins from Quillaja saponaria Molina and their functionality in dispersed systems
Translated Title: Grenzflächeneigenschaften von Saponinen aus Quillaja saponaria Molina und deren Eigenschaften in dispersen Systemen
Author(s): Böttcher, Sandra
Advisor(s): Drusch, Stephan
Referee(s): Rauh, Cornelia
Wojciechowski, Kamil
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The aim of the present thesis was to connect interfacial properties of saponins at aqueous interfaces with their behavior in dispersed systems. Thereby the influence of changes in pH and ionic strength and interactions with β-lactoglobulin were discussed using spectroscopic equipment and knowledge on molecular structure. Saponins are phytochemicals that can be found in numerous plant species in low concentrations. Due to their amphiphilic structure, saponins are surface active and may be used in dispersed systems like emulsions and foams. Molecular structure of saponins is highly variable as different aglyone types exist to which a varying quantity and type of sugar residues may be linked. Although it is known that saponins with a triterpenoid aglycone form viscoelastic films, knowledge on corresponding foam properties is scarce. In the present thesis six saponins, which differed in molecular structure, were analyzed with respect to interfacial and foam properties. It was shown that high complex dilational and shear moduli were a requirement for stable foams but not a guarantee for high stability. However, it was also shown that the type of aglycone and length of the sugar chains had the highest impact on foam stability. A saponin extract from Quillaja saponaria Molina (QS) is already approved for application in food products in the EU and US. But until now only little is known about interactions between QS and food-relevant ingredients like proteins. There has been evidences that QS and β-lactoglobulin (β-LG) form complexes, which affected interfacial properties. In the present thesis fluorescence experiments showed complex formation in the bulk and interfacial rheology indicated strong interactions at the air/water-interface. The interactions between QS and β-LG tremendously increased foam stability. In contrast mixtures of QS and β-LG negatively affected emulsion stability by inducing aggregation of oil droplets. Food systems may not only contain proteins but may also be a mixture of multiple dispersed phases. It was shown that oil droplet size of the emulsion and pH are key factors in controlling stability of foamed emulsions. Stability may further be enhanced by sequentially adding QS to a β-LG-emulsion. Summarizing the results, experimental data showed that molecular structure of saponins distinctly affects foam stability. In addition, it was shown that mixing QS with β-LG may lead to synergistic or antagonistic effects in dispersed systems. However, it is necessary to perform experiments, which further deepen our understanding on the relationship of molecular structure and interfacial properties as well as behavior in dispersed systems. Furthermore, future research should focus on the underlying intermolecular interactions between proteins and QS to explain interfacial properties of mixtures of both.
Ziel dieser Dissertation war es grundlegende Zusammenhänge zwischen Grenzflächeneigenschaften von Saponinen und deren Verhalten in dispersen Systemen zu verstehen. Zusätzlich wurde auf Grundlage des molekularen Aufbaus der Saponine und mithilfe von spektroskopischen Verfahren der Einfluss von pH und Ionenstärke sowie die Interaktionen mit β-Laktoglobulin (β-LG) auf die Eigenschaften von dispersen Systemen diskutiert. Saponine sind sekundäre Pflanzenstoffe, die in geringen Konzentrationen in einer Vielzahl von botanischen Quellen vorkommen. Durch ihre amphiphile Struktur sind Saponine grenzflächenaktiv und können demnach in dispersen Systemen, wie Schäumen und Emulsionen zur Stabilisierung eingesetzt werden. Es gibt zahlreiche Saponinderivate, die sich in der Art des Aglykongerüsts sowie der Anzahl und Länge der verknüpften Zuckerketten unterscheiden. Der Zusammenhang zwischen molekularer Struktur und Grenzflächeneigenschaften sowie Schaumeigenschaften ist bisher nur wenig erforscht. Es wurden die Grenzflächen- und Schaumeigenschaften von sechs Saponinen aus unterschiedlichen botanischen Quellen untersucht, die sich in der Art des Aglykons und der Länge sowie Anzahl der Zuckerreste unterscheiden. Es wurde gezeigt, dass die Ausbildung eines stark viskoelastischen Films eine notwendige Bedingung aber keine Garantie für eine hohe Schaumstabilität ist. Die Art des Aglykons und die Länge der Zuckerketten waren dabei die strukturellen Merkmale, die den größten Einfluss auf die Schaumstabilität hatten. Im Gegensatz dazu hatte die Anzahl der verknüpften Zuckerketten (Mono- oder Bidesmosidisch) nur einen geringen Einfluss. Bisher ist nur ein saponinreicher Extrakt aus Quillaja saponaria Molina (QS) für den Einsatz in Lebensmitteln zugelassen. Die Wechselwirkungen von QS mit Proteinen sind bisher nur wenig erforscht. Es gab in der Vergangenheit Hinweise auf eine Komplexbildung zwischen QS und β-LG. Fluoreszenzexperimente bestätigten eine Komplexbildung im Bulk und grenzflächenrheologische Untersuchungen zeigten intermolekulare Wechselwirkung an der Luft/Wasser-Grenzfläche. Die Wechselwirkungen zwischen QS und β-LG führten zu einer deutlich erhöhten Schaumstabilität. Im Gegensatz dazu führten Mischungen aus QS und β-LG in Emulsionen zur Aggregation von Öltröpfchen, welche die Stabilität der Emulsionen deutlich erniedrigte. Einige Lebensmittel sind Mehrphasengemische, wie z.B. aufgeschäumte Emulsionen. Es wurden zum ersten Mal Schlüsselfaktoren zur Kontrolle der Stabilität von aufgeschäumten QS-Emulsionen definiert. Dazu zählen die Öltröpfchengröße der Emulsion und der pH-Wert. Die Stabilität kann außerdem durch die sequentielle Zusage von QS zu einer β-LG Emulsion erhöht werden. Es wurde in dieser Dissertation gezeigt, dass die molekulare Struktur von Saponinen einen signifikanten Einfluss auf die Schaumstabilität hat und dass Mischungen mit β-Laktoglobulin zu synergistischen und antagonistischen Effekten in dispersen Systemen führen können. Es wird mehr Forschung benötigt um den Zusammenhang zwischen molekularer Struktur von Saponinen und deren Grenzflächeneigenschaften sowie Eigenschaften in dispersen Systemen zu verstehen. Des Weiteren werden Untersuchungen benötigt um die Interaktionen mit Proteinen auf molekularer Ebene zu erklären.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6734
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6160
Exam Date: 28-Apr-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 25-Sep-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::660 Chemische Verfahrenstechnik::664 Lebensmitteltechnologie
Subject(s): natural emulsifier
foam analysis
emulsion stability
beta-lactoglobulin
interaction
natürlicher Emulgator
Schaumanalyse
Emulsionsstabilität
Interaktion
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