Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8615
Main Title: Rheological characteristics of pectin gelation in sugar-acid systems
Subtitle: insight into structure formation and gel properties
Translated Title: Rheologische Charakteristika der Pektingelierung in Zucker-Säure-Systemen
Translated Subtitle: Einblicke in Strukturbildung und Gel-Eigenschaften
Author(s): Kastner, Hanna
Advisor(s): Drusch, Stephan
Referee(s): Drusch, Stephan
Rohm, Harald
Kroh, Lothar W.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The plant cell wall polysaccharide pectin is a food ingredient with high functionality and good consumer acceptance. It is used in a wide range of food systems and traditionally applied as gelling agent, but it has also relevant properties beside gelation. Pectin forms gels in a sugar- acid environment, like classical jam, by cold-set and ionotropic gelation, acting separately as well as in combination. Structure formation of pectin is strongly determined by several internal and external factors, such as pectin type, molecular characteristics like degree of methoxylation and pattern of free carboxyl groups, or environmental conditions, like pH and calcium ions in the gel system as well as cooling conditions during gelation. Despite of many decades of research, their single effects and interactions are not completely understood. Therefore, this thesis was focused on a systematic examination of some of these factors, in order to clarify their relevance for the pectin gelling process and the final gel properties. A new method for the investigation of pectin gelation was introduced. Characteristic temperatures of the structuring process were calculated from the structuring velocity curve, derived from rheological oscillation measurements. They reflected the typical kinetic of the gelation process. This method allowed the comparison of pectin gelation, independent on pectin type and molecular parameters, and it was a prerequisite for the broad examination of the impact of internal and external factors. The gelation of 15 commercial citrus pectin samples, both high- and low-methoxylated, partly amidated, was examined in several single studies. An investigation of the structuring process of high-methoxylated pectin revealed, that pH as well as cooling conditions affected the gelation kinetics. The pH determined the degree of dissociation and, thus, the number of the formed hydrogen bond, and the cooling rate was crucial for the dominating type of junction zones in the course of the gelling process. The threshold of the change from dominating hydrophobic to hydrogen bond was reflected in the structuring velocity curves. The gelation of low-methoxylated pectin was affected by additional factors and to a different extent, since beside a certain cold-set gelation, the ionotropic gelation is the dominant mechanism. It is less temperature-dependent than cold-set gelation, because of additional formed calcium bridges, which are independent on temperature. The structuring process was affected by added acid (pH) and calcium ions. The structure formation was divided into different phases with varying dominating mechanisms, which were reflected in the structuring velocity curves. Comparing the structure formation kinetics of the low-methoxylated pectin with and without amid groups, amidation supported the gelation due to additional hydrogen bonds formed between the amide groups it was found that additional hydrogen bonds were formed between the amide groups. Thus, structure formation of amidated pectin was less dependent on pH and added calcium ions than that of non-amidated, since the amide group supported the dominating ionotropic gelation. Beside the studies of the commercial pectins, 12 special samples have been prepared in laboratory-scale for a study, that investigated the effect of the pattern of free carboxyl groups on the gelation kinetic of high- and low-methoxylated pectins. The molecular characteristics of one commercial high-methoxylated pectin were modified by three different methods, using acid, microbial or plant pectinmethylesterases. The modified pectin samples of the obtained 3 groups had a comparable degree of methoxylation but differed in their pattern of free carboxyl groups (block-wise or random). Their gelling kinetics as well as gel properties varied during cold-set as well as ionotropic gelation. Independent of the modification method and degree of methoxylation, pectin samples with a random distribution showed similar structure formation kinetics and properties of the resulting gels, that differed from those of pectin samples with a blockwise distribution. The newly developed method for the first time allowed the direct comparison of the gelation of pectins with any degree of methoxylation and with varying gelling mechanisms. The presented work demonstrates the high impact of selected factors on the gelation process. Even moderate deviations from the standard gel composition or gelation procedure significantly affect the structure formation and the properties of the final gels after cooling. The results, obtained with the newly developed method, provide deeper insights into the interactions between molecular properties, gel composition and procedures of pectin gelation.
Das pflanzliche Zellwandpolysaccharid Pektin ist ein Lebensmittelinhaltsstoff mit hoher Funktionalität und guter Verbraucherakzeptanz. Es wird in vielen Bereichen der Lebensmittelindustrie, vor allem traditionell als Geliermittel, eingesetzt. In Zucker-Säure- Systemen, wie den klassischen Konfitüren, bildet Pektin Gele aus. Dies beruht auf zwei unterschiedlichen Mechanismen, der abkühlungsinduzierten und der ionotropen Gelierung, die sowohl separat als auch in Kombination ablaufen können. Die Strukturbildung von Pektin hängt von einer Vielzahl interner und externer Faktoren ab, wie z. B. der Pektinart, den molekularen Eigenschaften, dem pH-Wert und dem Calciumgehalt im Gelsystem sowie den Abkühlungsbedingungen. Trotz jahrzehntelanger Forschung auf diesem Gebiet ist der Einfluss dieser Faktoren und ihrer Wechselwirkungen in Bezug auf die Geliereigenschaften des Pektins noch immer nicht vollständig aufgeklärt. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss ausgewählter interner und externer Faktoren systematisch zu untersuchen und ihre Bedeutung für den Gelierprozess und die Eigenschaften der fertigen Gele aufzuklären. Dazu wurde zuerst eine Methode entwickelt, anhand derer charakteristische Temperaturen des Strukturbildungsprozesses mittels rheologischer Oszillationsmessungen abgeleitet werden können. Diese Parameter bilden den typischen Gelierprozess ab und erlauben den Vergleich der Strukturbildungskinetik unabhängig von Pektintyp und molekularen Eigenschaften. In verschiedenen Einzelstudien wurde diese neue Methode angewendet und die Gelbildung von insgesamt 15 kommerziellen hoch- und niederveresterten (auch amidierten) Pektinproben detailliert untersucht. Die Untersuchung der Gelierung von hochverestertem Pektin zeigte, dass die Kinetik der Gelierung sowohl vom pH-Wert im Gelsystem, als auch von der Abkühlrate, beeinflusst wird. Während der Gelierung bewirken einerseits unterschiedliche pH-Werte eine direkte Veränderung des Dissoziationsgrades der freien Carboxylgruppen und der damit verbundenen Anzahl an Wasserstoffbrückenbindungen zwischen diesen funktionellen Gruppen. Andererseits ist der Beginn der Gelierung in dem diese Wasserstoffbrücken- bindungen verstärkt ausgebildet werden, unmittelbar von der Abkühlrate abhängig. Mithilfe der entwickelten Methodik konnte der Übergang von anfangs auftretenden hydrophoben Wechselwirkungen zu Wasserstoffbrückenbindungen (Gelierung) detailliert abgebildet und entsprechende Strukturbildungsgeschwindigkeiten abgeleitet werden. Die Strukturausbildung der untersuchten niederveresterten Pektinproben wurde zwar ebenfalls von pH-Wert und Abkühlrate beeinflusst, jedoch in geringerem Maße. Hierbei spielt die ionotrope Gelierung über Calciumbrückenbindungen zwischen dissoziierten Carboxyl- gruppen eine wesentlich größere Rolle. Die Ausbildung der Bindungen in diesen Haftzonen war weniger temperaturabhängig, als die der hydrophoben Wechselwirkungen und der Wasserstoffbrückenbindungen. Allerdings zeigte die Änderung der Calciumionen- konzentration einen deutlichen Einfluss auf den Strukturierungsprozess. Auch die Strukturbildung von niederveresterten Pektinen ließ sich in unterschiedliche Phasen einteilen, die in den Kurven der Strukturbildungsgeschwindigkeit identifiziert werden konnten. Beim direkten Vergleich der Strukturausbildung eines niederveresterten nicht amidierten und eines sehr ähnlichen amidierten Pektins wurde deutlich, dass zusätzliche Wasserstoff- brückenbindungen zwischen den Amidgruppen die Gelierung unterstützten. Die Strukturausbildung des amidierten Pektins war deshalb weniger abhängig vom pH-Wert und der Calciumionenkonzentration. Zusätzlich zu den Einzelstudien der kommerziellen Pektinproben wurde eine weitere Studie durchgeführt, in der 12 zusätzliche Proben selbst im Labor hergestellt wurden. In dieser wurde der Einfluss der Verteilung der freien Carboxylgruppen entlang der Pektinhauptkette auf die Gelierung untersucht, sowohl von hochveresterten, als auch von niederveresterten Pektinproben. Dazu wurden die molekularen Eigenschaften eines hochveresterten Pektins mit drei verschiedenen Methoden modifiziert. Das Ausgangspektin wurde sowohl sauer, als auch mit mikrobieller und pflanzlicher Pektinmethylesterase, entestert. Die modifizierten Proben (3 Gruppen mit je 4 Pektinproben unterschiedlichen Veresterungsgrades) unter- schieden sich in der Verteilung der Carboxylgruppen, entweder blockweise oder zufällig. Die Gelierung und die Geleigenschaften dieser Proben variierten bei allen Veresterungsgraden sowohl bei der abkühlungsinduzierten als auch bei der ionotropen Gelierung. Pektinproben mit einer zufälligen Verteilung (sauer und mikrobiell modifiziert) zeigten ähnliche Strukturbildungs- und Geleigenschaften, die sich von denen der Pektinproben mit einer blockweisen Verteilung deutlich unterschieden. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Methode erlaubte erstmals den direkten Vergleich der Gelierprozesse von Pektinen verschiedener Veresterungsgrade, bei denen unterschiedliche Mechanismen dominierten. Im Ergebnis zeigte sich, dass der Strukturbildungsprozess stark von den untersuchten Faktoren und ihren Wechselwirkungen abhängt. Bereits geringe Abweichungen von der Standardgelzusammensetzung oder den Gelierbedingungen beeinflussten sowohl die Strukturbildung als auch die Eigenschaften der gebildeten Gele signifikant. Die Ergebnisse, die mit dieser neuen Methode gewonnen wurden, erlauben einen tieferen Einblick in die Gelbildungsmechanismen und die Wechselwirkungen zwischen molekularen Eigenschaften der Pektine, der Zusammen- setzung des Gelsystems und den Abläufen bei der Herstellung von Pektingelen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9570
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8615
Exam Date: 4-Oct-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 2-Aug-2019
DDC Class: 664 Lebensmitteltechnologie
Subject(s): pectin
gelation
modification
Pektin
Gelierung
Modifizierung
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in Collections:FG Lebensmitteltechnologie und -materialwissenschaften » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
kastner_hanna.pdf17.85 MBAdobe PDFView/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.