Skalenübergreifende enzymatische Quervernetzung von Casein-Nanopartikeln: Fundamentale Mechanismen und technologische Potenziale

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Albena Lederer; Professor Dr.-Ing. Harald Rohm
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281461845

Das Enzym Transglutaminase katalysiert die Bildung von Isopeptidbindungen zwischen proteingebundenem Glutamin- und Lysinresten und damit die Polymerisierung von einzelnen Proteinmolekülen. Im Lebensmittelbereich wird mikrobielle Transglutaminase (mTGase) in der Fleisch- und Fischwirtschaft eingesetzt, zum Beispiel zum „Verkleben“ von Schinkenprodukten oder bei der Herstellung von Surimi. Andere Anwendungsgebiete schließen auch Milchproteine ein, da Caseine ein exzellentes Substrat für mTGase darstellen. In einem kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt haben die Antragsteller gezeigt, dass die Einwirkung von mTGase auf nicht-kovalent zu Nanopartikeln assoziierte Caseinmoleküle zur Bildung von intrapartikulären Quervernetzungen führt. Dies bedingt eine Fixierung der Moleküle und hat signifikante Veränderungen von Form und Dichte der Partikel zur Folge. Das Ausmaß der Quervernetzung selbst hängt stark von Reaktionsbedingungen ab, zum Beispiel der Ionenstärke des Substrats. Mit dem eingereichten Projekt wollen wir den Bereich an Partikelgrößen, der durch Quervernetzung mit mTGase erreicht werden kann, durch Veränderung weiterer Einflussfaktoren deutlich erweitern. Wir wollen die molekularen und kolloidalen Eigenschaften der vernetzten Nanopartikel grundlegend analysieren, und deren Anwendungspotenzial in ausgewählten Beispielapplikationen aufzeigen. Unsere Ergebnisse resultieren in folgender Hypothese: die Selbstassoziation von nicht-micellarem Casein zu Nanopartikeln, die durch Caseinkonzentration, Ionenstärke und Temperatur beeinflusst wird, erlaubt eine Fixierung bzw. Modifizierung der Konformation und die Generierung von Nanopartikeln unterschiedlicher Größe für ausgewählte Anwendungen. Im ersten von vier Arbeitspaketen werden Caseinkonzentration und Lösungsparameter systematisch verändert, um Bereiche zu identifizieren in denen Caseinmoleküle intramolekular zu single-chain Casein-Nanopartikeln verknüpft werden können, oder wo die Partikel so dicht gepackt sind dass interpartikuläre Verknüpfung forciert wird. Nach Abschluss von AP 1 kennen wir die Inkubationsbedingungen für die kontrollierte Herstellung von Caseinnanopartikeln unterschiedlicher Größenordnung, und wir haben genügend Probenmaterial für die weiteren Versuche. In zwei nachfolgenden Arbeitspaketen werden die molekularen und kolloidalen Eigenschaften der vernetzten Nanopartikel umfassend analysiert, zum Teil nach Entwicklung entsprechender Methoden ( AF4-MALS, Suspensionsrheologie, Oberflächenplasmonresonanz-Spektroskopie, und Grenzflächenrheologie). Dies trägt zum Verständnis von Struktur-Funktionsbeziehungen bei und wird im abschließenden Arbeitspaket ergänzt durch die Analyse von möglichen Anwendungsfeldern der definierten Casein-Nanopartikel, zum Beispiel als Nanocarrier oder als Stabilisatoren in Pickering-Emulsionen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Susanne Boye; Dr.-Ing. Doris Jaros