Dubbele emulsies voor vetreductie, ingedriënt-afscherming en bescherming van wateroplosbare componenten
Opportuniteit en probleemstelling
Dit project heeft de focus op het verhogen van de kennis aangaande meervoudige W/O/W-emulsies. Met de opgebouwde achtergrond-kennis als basis, kunnen vervolgens toepassingen worden uitgewerkt. Deze technologie opent twee belangrijke perspectieven. Vooreerst laat deze benadering toe een deel van de vetfase te substitueren met water, waardoor verlaagd vet-toepassingen mogelijk worden met behoud van functionaliteit (zoals textuur van sauzen, evenals viscositeit en opklop van room). Door incorporatie van water wordt immers een ontkoppeling mogelijk tussen de volumefractie aan bolletjes (de meest bepalende factor; liefst zo groot mogelijk) en het oliegehalte (liefst zo klein mogelijk). Anderzijds laat deze benadering ook toe wateroplosbare verbindingen af te schermen waardoor niet compatibele componenten in één systeem kunnen worden gebruikt. Verder kan ook effectieve encapsulatie worden nagestreefd door vernetting van eiwit in de uitwendige W/O emulsie. De vernetting die in dit project wordt beschouwd gebeurt op basis van eiwit gebonden fenolen..
Vetreductie is een belangrijk streven binnen de huidige voedingsindustrie gezien de gezondheidsaspecten die aan een verminderde vetconsumptie verbonden worden. Maar vet heeft in vele voedingsmiddelen (met als typevoorbeelden mayonaise en slagroom) ook een belangrijke functie in de smaak en tevens in de functionaliteit van het product. Denk maar aan de viscositeit, opklopgedrag, textuur, theologie en in de voeding zeer belangrijk, de smaak.
Inkapselen van hoogwaardige nutriënten in de veevoederindustrie is van belang in voeder voor herkauwers. In de pensmaag van herkauwers worden door de zeer intense microbiële activiteit vele nutriënten in meer of mindere mate afgebroken. Het voorkomen van de afbraak van deze nutriënten, waardoor ze meer beschikbaar komen voor het dier, kan een verhoging van de (re)productie van het dier en/of van de kwaliteit van het eindproduct bewerkstelligen. Recent onderzoek naar de toepassingen van polyfenol oxidase heeft aangetoond dat dit enzym kan gebruikt worden voor de bescherming tegen pensafbraak van vetzuren in enkelvoudige emulsies. Een uitbereiding van deze technologie naar meervoudige emulsies zou de bescherming van wateroplosbare nutriënten mogelijk maken.
Echter zowel voor de vetreductie als voor de inkapseling is er een zeer brede achtergrondkennis vereist.
Inhoud voorgesteld onderzoek
De bedoeling van het project is vooral om een ‘proof of principle’ te leveren van de mogelijkheden van multipele emulsies aan de hand van een aantal specifieke toepassingen, die gekozen worden op basis van de interesses van deelnemende bedrijven.
Opbouw van (basis)kennis rond meervoudige W/O/W-emulsies is dan ook een belangrijk deel van dit project. Er kan immers maar doelgericht aan een toepassing gewerkt worden indien er voldoende kennis voorhanden is om de technologie te ondersteunen. Hierbij zal het onderzoek zich in eerste instantie richten op de aanmaak, waarbij formuleringsaspecten zoals type en concentratie aan oppervlak-actieve verbindingen (zowel laag HLB-emulgatoren voor de primaire W/O emulsie als hoge-HLB emulgatoren of eiwitten voor de uiteindelijke W/O/W) en procescondities belangrijk zijn. Een tweede belangrijk aspect is de karakterisering van de gemaakte producten, teneinde hun stabiliteit te kunnen nagaan. Naast microscopische technieken, zal hierbij vooral pfg-NMR geëvalueerd worden als niet-destructieve techniek voor het bepalen van de hoeveelheid en de grootte van de interne waterige fase. Recent eigen onderzoek op liposomale dispersies heeft duidelijk de mogelijkheden van deze techniek aangetoond. Een belangrijk aspect van de stabiliteit van multipele emulsies is de migratie van zowel water als opgeloste componenten tussen de inwendige en uitwendige waterfase en dit niet enkel onder stationaire omstandigheden, maar ook bij processing (zoals bijvoorbeeld opklop). Zowel de fysische toestand van de oliebarrière (vast of vloeibaar, afhankelijk van gebruikte olie en bewaartemperatuur) als van de interne waterfase (al dan niet gegeleerd) zal hierbij een belangrijke invloed hebben. Ook osmotische effecten moeten bestudeerd worden. Tenslotte dient ruim aandacht besteed te worden aan de functionele eigenschappen. De output van dit kennisopbouwende deel zal vooral bestaan uit noodzakelijke knowhow om doelgericht problemen op te lossen bij het uitwerken van toepassingen. Knowhow aangaande de te gebruiken stabilisatoren in de verschillende fases, effect van gebruikte vetfase, effect van gelering, watergehalte in de oliefase, deeltjesgrootte,… op stabiliteit en functionele eigenschappen.
Deze opgebouwde kennis zal vervolgens gebruikt worden om over te gaan naar een “proof-of-principle” voor de verschillende toepassingen. Doel hiervan is aantonen dat, en hoe, meervoudige emulsies bruikbaar kunnen zijn in diverse toepassingen. In het kader van vetreductie wordt enerzijds gedacht aan slagroom en anderzijds aan koude sauzen. Naast functionele eigenschappen, zal hierbij natuurlijk ook aandacht moeten besteed worden aan het smaakaspect, waarbij de vraag rijst of de smaakperceptie louter bepaald wordt door het gehalte aan vet, of ook ten dele door de volumefractie aan gedispergeerd vet (inclusief het ingesloten water). Hierbij wordt verwacht dat de smaakervaring vooral zal bepaald worden door de stabiliteit van de uitwendige O/W film en minder door de inwendige film. De output zal dus vooral bestaan uit knowhow aangaande de bruikbaarheid van meervoudige emulsies als vetreducerende technologie en het effect hiervan op, voor deze toepassingen, belangrijke aspecten zoal:, opklopbaarheid, smaak, textuur, theologie.
Voor encapsulatie voor toepassingen in de diervoedingssector, zal worden nagegaan aan de hand van “in vitro” experimenten of de nutriënten in de interne waterige fase beschermd zijn tegen afbraak in de pens. Anderzijds is het belangrijk dat zij terug vrijgesteld worden in de maag en dunne darm (beperkte overbescherming) en toch bestand zijn tegen temperatuurs- en durkbehandelingen (pelleteren, extruderen). Een belangrijk aspect in deze toepassing zal bestaan uit het op punt stellen van het beschermingsprotocol. Dit bestaat uit het optimaliseren van de deeltjesgrootte in de emulsie, het toevoegen van het enzym (polyfenol oxidase), het substraat (difenolen) en eventuele hulpstoffen voor het verbeteren van de inkapseling. De output zal bestaan uit verschillende procedés en de daaraan gekoppelde graad van bescherming en overbescherming “in vitro”
Werkpakketten
n WP1 – Fundamenteel onderoek
n DP1.1 – State of the art
n DP1.2 – Formulatie
n DP1.3 – Karakterisatie-druppelgrootte analyse via pfg-NMR
n DP1.4 – Karakterisatie-permeabiliteit van de oliefase
n DP1.5 – Stabiliteit-Oswaldrijping en osmotische effecten
n DP1.6 – Stabiliteit-Fysicochemische stabiliteit bij thermische behandeling
n WP2a – Toepassingen in de voedingsindustrie
n DP2a.1 – (Controle over) rheologisch gedrag
n DP2a.2 – Light slagroom
n DP2a.3 – Sensorische aspecten
n DP2a.4 – Encapsulatie van enzymen of micro-organismen
n WP2b – Toepassingen in de veevoederindustrie
n DP2b.1 – Pensbestendigheid van beschermde meervoudige emulsies
n DP2b.2 – Maag en dunne darm afbreekbaarheid van pensbestendige meervoudige emulsies
n DP2b.3 – Duurzaamheid van bescherming na technologische behandeling
Verwachte resultaten en toegevoegde waarde voor bedrijven
a) Deze W/O/W technologie laat toe een aanzienlijke vetreductie te realiseren met behoud van de fractie aan gedispergeerde fase en dus minimaal verlies aan functionaliteit;
b) anderzijds maakt deze technologie vloeibare, watergedragen ingrediënt-mixen mogelijk van componenten die in een 1-fasig systeem zouden reageren;
c) tot slot is dit een mogelijke strategie om nutriënten vertraagd vrij te stellen gedurende verteringsprocessen, wat rumen-bypass mogelijk maakt.
Doelgroepbedrijven
a) Zuivelsector of sauzensector voor wat aspect vetreductie betreft;
b) ingrediënt-toeleveraars (of eindgebruikers) voor wat inkapseling betreft;
c) veevoeder- en premixensector voor bescherming van wateroplosbare nutriënten (rumen bypass)
Projectbudget
n Projectbudget: 350 064 Euro
n Personeelsbezetting: 2 VTE
n Duur: 2 jaar
Uitvoerders
De Onderzoekseenheid Deeltjes- en Grensvlaktechnologie spitst zich toe op de bereiding, karakterisatie en stabilisatie van uiteenlopende disperse sytemen, zoals emulsies, suspo-emulsies, (nano)suspensies en liposomale dispersies. De eenheid beschikt daarvoor over state of the art apparatuur voor bereiding (laboschaal hoge druk homogenisator tot 2000 bar; microfluidiser M110S tot 1000 bar; Ultra-Turrax) en karakterisatie. Naast klassieke deeltjesgrootte-apparatuur (o.a. dynamische lichtverstrooiing en laser diffractie) heeft de eenheid ook toegang tot gevorderde microscopie (o.a. CSLM) en pfg-NMR. Met deze laatste techniek werd de afgelopen uitgebreid ervaring opgedaan in het kader van de karakterisatie van W/O (boter) en liposomale dispersies; de fundamentele aspecten van deze techniek maken trouwens de basis uit van een reeds lopend doctoraat dat ook voor dit project de nodige theoretische ondersteuning zal voorzien. Via een gemeenschappelijk doctoraat met de Vakgroep Organische Chemie heeft de eenheid trouwens ook toegang tot hoge-resolutie (tot 700 MHz) NMR apparatuur, die kan ingeschakeld worden voor de initiële verificatie van de lage resolutie appartuur.
Anderzijds beschikt het Labo voor Levensmiddelentechnologie en –Proceskunde over een uitgebreid gamma aan toestellen voor het karakteriseren van (micro)structuur en hebben ze ook een uitgebreide expertise opgebouwd rond vetkristallisatie (ook in ge-emulgeerde toestand). Ook smaaktesten zijn mogelijk via het zogenaamde Sensolab.
Het laboratorium voor diervoeding en kwaliteit van dierlijke producten beschikt over een grote expertise aangaande in vitro systemen voor het testen van afbraak van componenten in de pens en de dunne darm. Tevens werd gedurende een Flanders’ Food project (RedProteX) cruciale ervaring opgedaan in het beschermen tegen oxidatie en pensbestendig maken van enkelvoudige emulsies met behulp van encapsulatie in eiwit-fenol complexen.
Samenvattend kan gesteld worden dat de onderzoekspartners sterk complementair zijn en een solide basis vormen voor de succesvolle uitbouw van dit project. Deze complementariteit heeft zich een aantal jaar geleden trouwens reeds geconcretiseerd in een gezamenlijk STWW project omtrent eiwit-polysaccharide interacties onder invloed van processing.
