Exploring the use of currant pomace in foods is favourable due to its nutritional profile but also for economic and sustainability aspects. This by-product of fruit juice processing contains in addition to the dominating dietary fibre fraction considerable amounts of fat, protein, and polyphenols that are lost when the pomace is disposed of. Regardless of the intended use, the perishable material must be dried immediately or alternatively preserved. Three processing strategies (A, B, C) with different energy input and impact were outlined and related applications were implemented. The minimal (A) and intensive scenario (B) were examined comprehensively, whereas the complex processing (C) was considered only theoretically. For a prospective use in low-cost products (A), whole dry pomace was ground using various technologies. Ready-to-use powders were obtained by impact milling below 1 mm or simultaneous drying and grinding in a turbo rotor mill. A wide range of applications is possible, especially in baked products. The powder was used to partially replace flour in bread by considering its high water-binding capacity. In the example of wheat bread, 10% flour were simply replaced with pomace and dough handling properties (reduced stickiness) as well as bread quality parameters (lower baking loss, moister crumb) were improved by pre-hydration of the pomace in hot water. To expand the applicability of the pomace in the intensive scenario (B), the seeds were separated prior to milling and the remaining fibre fraction was treated thermomechanically either by planetary ball milling or extrusion cooking. This processing resulted in high fibre material with increased swelling capacity and water solubility. Based on the micronised seedless pomace, sweet creamy spreads were designed as an application example and the effects on rheology and physical stability were characterised. The pomace below 30 μm performed very well in spreads where it decreased oil separation. When it comes to zero-waste concepts, the seeds can be used for oil extraction whereas the stabilising effects of the fibre fraction may also be exploited to counteract sedimentation in aqueous suspensions and emulsions after pressure homogenisation.:1 Motivation 2 Literature review 2.1 Cultivation and processing of currants 2.2 Composition of currant pomace 2.2.1 Dietary fibre 2.2.2 Lipophilic components 2.2.3 Proteins, sugars, and minerals 2.2.4 Polyphenols and antioxidant capacity 2.3 Residues of toxicological importance 2.4 Preservation and comminution of food processing by-products 2.4.1 Drying 2.4.2 Particle size reduction 2.5 Extraction and fractionation of selected pomace components 2.5.1 Soluble and insoluble dietary fibre 2.5.2 Seed oil 2.5.3 Proteins 2.5.4 Anthocyanins 3 Objectives of the thesis 4 Materials and Methods 4.1 Origin of currant pomace 4.2 Processing of pomace 4.2.1 Minimal processing: Drying and milling 4.2.2 Intensive processing: Thermo-mechanical treatment of dried pomace 4.3 Pomace analysis 4.3.1 Proximate composition 4.3.2 Contamination analysis 4.3.3 Physical properties 4.3.4 Techno-functional properties 4.4 Food applications: Preparation and analysis 4.4.1 Preparation of wheat bread 4.4.2 Dough expansion, pH, and rheology 4.4.3 Bread appearance and texture 4.4.4 Preparation of sweet spreads 4.4.5 Spread analysis 4.5 Statistics 5 Results and discussion 5.1 Natural variation of currant pomace composition 5.2 Minimal processing scenario 5.2.1 Preservation of fresh pomace by convection drying 5.2.2 Milling techniques to obtain ready-to-use pomace powder 5.2.3 Hydration properties of pomace powders 5.3 Application of minimally processed pomace powder in wheat bread 5.3.1 Hydration properties and rheology during simulated baking 5.3.2 Changes in dough properties during proofing 5.3.3 Effects on bread characteristics 5.4 Intensive processing scenario 5.4.1 Composition of seedless currant pomace 5.4.2 Impact of HTST-extrusion 5.4.3 Influence of planetary ball milling on particle size 5.4.4 Modified functionality after thermo-mechanical treatments 5.5 Application of intensively processed pomace in fat-based spreads 5.5.1 Wet ball milling in oil-suspension 5.5.2 Rheological properties and physical stability of sweet spreads 5.5.3 Sensory attributes of pomace spreads 5.6 Concepts for the implementation of zero-waste strategies 6 Conclusions Bibliography List of figures List of tables Appendix List of publications / Die Verwertung von Johannisbeertrester in Lebensmitteln bietet sich nicht nur aufgrund seines Nährstoffprofils an, sondern ist auch im Sinne der Nachhaltigkeit und unter wirtschaftlichen Aspekten vorteilhaft. Das bei der Fruchtsaftherstellung anfallende Nebenprodukt besteht überwiegend aus Ballaststoffen sowie nennenswerten Mengen an Fett, Protein und Polyphenolen, welche im Falle einer Entsorgung für die menschliche Ernährung verloren gehen. Ganz unabhängig von der weiteren Nutzung muss der leicht verderbliche Trester zunächst getrocknet oder alternativ haltbar gemacht werden. Es wurden drei Aufarbeitungsstrategien (A, B, C) entworfen, welche sich in Energieaufwand und Intensität unterscheiden. Davon wurden das sogenannte minimale (A) und das intensive Szenario (B) inklusive entsprechender Anwendungen umfassend untersucht, während eine komplexe Verarbeitung (C) nur theoretisch betrachtet wurde. Für den Einsatz in niedrigpreisigen Lebensmitteln wurde getrockneter Trester im Gesamten (A) unter Anwendung verschiedener Technologien vermahlen. Direkt verwendbare Tresterpulver unter 1 mm wurden durch Vermahlung in einer Prallmühle oder mittels Mahltrocknung hergestellt. Es bieten sich eine ganze Reihe von Anwendungen, vor allem im Bereich der Backwaren, an. Unter Berücksichtigung der hohen Wasserbindekapazität erfolgte der Einsatz des Pulvers als Mehlsubstituent in Brot. Im Fall von Weizenbrot konnten 10% Mehl problemlos durch Trester ersetzt werden, wobei die Verarbeitungseigenschaften des Teigs (verminderte Klebrigkeit) und qualitätsbestimmende Broteigenschaften (geringerer Backverlust, feuchtere Krume) durch Vorquellen in heißem Wasser verbessert werden konnten. Um die Einsatzmöglichkeiten des Tresters zu erweitern, wurden im intensiven Verarbeitungsszenario (B) die Samen abgetrennt und die verbleibende Faserfraktion thermo-mechanisch behandelt, zum einen in einer Planetenkugelmühle, zum anderen durch Extrusion. Die intensive Aufarbeitung resultierte in einer ballaststoffreichen Faserfraktion mit erhöhtem Quellvermögen sowie höherer Wasserlöslichkeit. Als Einsatzbeispiel wurden ausgehend von der feinstvermahlenen Faserfraktion süße Streichcremes entwickelt, und die Auswirkungen des Tresters auf Rheologie und physikalische Stabilität charakterisiert. Der Trester unter 30 μm eignete sich hervorragend in der Herstellung von fettreichen Aufstrichen, da die Ölseparation vermindert wurde. Eine möglichst umfassende, reststofffreie Verwertung des Tresters (zero-waste) kann durch Nutzung der Samen zur Ölgewinnung erfolgen, wohingegen die stabilisierenden Eigenschaften der Faserfraktion nach Hochdruckhomogenisierung auch in wässrigen Suspensionen und Emulsionen ausgeschöpft werden könnten.:1 Motivation 2 Literature review 2.1 Cultivation and processing of currants 2.2 Composition of currant pomace 2.2.1 Dietary fibre 2.2.2 Lipophilic components 2.2.3 Proteins, sugars, and minerals 2.2.4 Polyphenols and antioxidant capacity 2.3 Residues of toxicological importance 2.4 Preservation and comminution of food processing by-products 2.4.1 Drying 2.4.2 Particle size reduction 2.5 Extraction and fractionation of selected pomace components 2.5.1 Soluble and insoluble dietary fibre 2.5.2 Seed oil 2.5.3 Proteins 2.5.4 Anthocyanins 3 Objectives of the thesis 4 Materials and Methods 4.1 Origin of currant pomace 4.2 Processing of pomace 4.2.1 Minimal processing: Drying and milling 4.2.2 Intensive processing: Thermo-mechanical treatment of dried pomace 4.3 Pomace analysis 4.3.1 Proximate composition 4.3.2 Contamination analysis 4.3.3 Physical properties 4.3.4 Techno-functional properties 4.4 Food applications: Preparation and analysis 4.4.1 Preparation of wheat bread 4.4.2 Dough expansion, pH, and rheology 4.4.3 Bread appearance and texture 4.4.4 Preparation of sweet spreads 4.4.5 Spread analysis 4.5 Statistics 5 Results and discussion 5.1 Natural variation of currant pomace composition 5.2 Minimal processing scenario 5.2.1 Preservation of fresh pomace by convection drying 5.2.2 Milling techniques to obtain ready-to-use pomace powder 5.2.3 Hydration properties of pomace powders 5.3 Application of minimally processed pomace powder in wheat bread 5.3.1 Hydration properties and rheology during simulated baking 5.3.2 Changes in dough properties during proofing 5.3.3 Effects on bread characteristics 5.4 Intensive processing scenario 5.4.1 Composition of seedless currant pomace 5.4.2 Impact of HTST-extrusion 5.4.3 Influence of planetary ball milling on particle size 5.4.4 Modified functionality after thermo-mechanical treatments 5.5 Application of intensively processed pomace in fat-based spreads 5.5.1 Wet ball milling in oil-suspension 5.5.2 Rheological properties and physical stability of sweet spreads 5.5.3 Sensory attributes of pomace spreads 5.6 Concepts for the implementation of zero-waste strategies 6 Conclusions Bibliography List of figures List of tables Appendix List of publications

Nach den Ergebnissen der zweiten Nationalen Verzehrsstudie sind in Deutschland bereits 66 % der Männer und 51 % der Frauen übergewichtig (BMI > 25) oder adipös (BMI > 30) [BMELV, 2008]. Bisher auf dem Markt befindliche „Light-Lebensmittel“ mit Fettaustausch- bzw. Fettersatzstoffen weisen jedoch häufig sensorische Mängel auf. Im Kooperationsprojekt „Pflanzliche Fettaustauschstoffe aus sphärischen Proteinmizellen“ (Universität Leipzig: Institut für Lebensmittelhygiene; Freising: Fraunhofer IVV) wurde ein Lupinenproteinisolat entwickelt, welches micellare Strukturen mit hydrophober Oberfläche ausbilden kann und sich aufgrund seiner fettähnlichen Eigenschaften als neuer proteinbasierter Fettaustauschstoff in Lebensmitteln eignet. Aufgrund der geringen mikrobiologischen Stabilität und einer hohen Belastung mit sporenbildenden Bakterien, z. T. Bacillus cereus, waren jedoch Maßnahmen zur Entkeimung der Rohstoffe sowie des Proteinisolats notwendig. Die Arbeit stellt diese Maßnahmen und deren Einfluss auf die mikrobiologische Beschaffenheit sowie sensorische, technofunktionelle und ausgewählte ernährungsphysiologische Eigenschaften dar. In der vorliegenden Arbeit wurde eine physikalische Methode der Saatgutentkeimung etabliert (130 °C/60 min), welche die mikrobielle Stabilisierung des lupinenproteinbasierten Fettaustauschstoffes sicherstellte, wobei die sensorische Qualität (Geschmack, Cremigkeit, Farbe) nur minimal, die ernährungsphysiologische (in-vitro-Verdaubarkeit, Maillard-Produkte, Polyphenolgehalt) jedoch nicht beeinflusst wurde. Starke Veränderungen der technofunktionellen Eigenschaften (z. B. Gelbildung, Wasserbindung, Emulgierbarkeit, Schaumbildung etc.) konnten sowohl im positiven als auch im negativen Sinne nicht beschrieben werden. Lichtmikroskopische Aufnahmen und Untersuchungen der Proteine mittels SDS-PAGE und DSC bestätigten eine nur geringfügige Beeinflussung der micellaren Struktur und Proteinzusammensetzung. Die Anwendung als Fettaustauschstoff in Lebensmitteln würde somit nicht beeinträchtigt. Der Einfluss der Saatgutbehandlung auf das Protein war wesentlich geringer als eine direkte thermische Behandlung des Proteinisolats. Im Hinblick auf den Gesamtprozess sollte eine Pasteurisierung der feuchten Proteinisolate im nichtproteinschädigenden Temperaturbereich (75 °C/5 min) dennoch durchgeführt werden, um während des Prozesses eingetragene Mikroorganismen zu inaktivieren.

Nach den Ergebnissen der zweiten Nationalen Verzehrsstudie sind in Deutschland bereits 66 % der Männer und 51 % der Frauen übergewichtig (BMI > 25) oder adipös (BMI > 30) [BMELV, 2008]. Bisher auf dem Markt befindliche „Light-Lebensmittel“ mit Fettaustausch- bzw. Fettersatzstoffen weisen jedoch häufig sensorische Mängel auf. Im Kooperationsprojekt „Pflanzliche Fettaustauschstoffe aus sphärischen Proteinmizellen“ (Universität Leipzig: Institut für Lebensmittelhygiene; Freising: Fraunhofer IVV) wurde ein Lupinenproteinisolat entwickelt, welches micellare Strukturen mit hydrophober Oberfläche ausbilden kann und sich aufgrund seiner fettähnlichen Eigenschaften als neuer proteinbasierter Fettaustauschstoff in Lebensmitteln eignet. Aufgrund der geringen mikrobiologischen Stabilität und einer hohen Belastung mit sporenbildenden Bakterien, z. T. Bacillus cereus, waren jedoch Maßnahmen zur Entkeimung der Rohstoffe sowie des Proteinisolats notwendig. Die Arbeit stellt diese Maßnahmen und deren Einfluss auf die mikrobiologische Beschaffenheit sowie sensorische, technofunktionelle und ausgewählte ernährungsphysiologische Eigenschaften dar. In der vorliegenden Arbeit wurde eine physikalische Methode der Saatgutentkeimung etabliert (130 °C/60 min), welche die mikrobielle Stabilisierung des lupinenproteinbasierten Fettaustauschstoffes sicherstellte, wobei die sensorische Qualität (Geschmack, Cremigkeit, Farbe) nur minimal, die ernährungsphysiologische (in-vitro-Verdaubarkeit, Maillard-Produkte, Polyphenolgehalt) jedoch nicht beeinflusst wurde. Starke Veränderungen der technofunktionellen Eigenschaften (z. B. Gelbildung, Wasserbindung, Emulgierbarkeit, Schaumbildung etc.) konnten sowohl im positiven als auch im negativen Sinne nicht beschrieben werden. Lichtmikroskopische Aufnahmen und Untersuchungen der Proteine mittels SDS-PAGE und DSC bestätigten eine nur geringfügige Beeinflussung der micellaren Struktur und Proteinzusammensetzung. Die Anwendung als Fettaustauschstoff in Lebensmitteln würde somit nicht beeinträchtigt. Der Einfluss der Saatgutbehandlung auf das Protein war wesentlich geringer als eine direkte thermische Behandlung des Proteinisolats. Im Hinblick auf den Gesamtprozess sollte eine Pasteurisierung der feuchten Proteinisolate im nichtproteinschädigenden Temperaturbereich (75 °C/5 min) dennoch durchgeführt werden, um während des Prozesses eingetragene Mikroorganismen zu inaktivieren.:1 Einleitung und Zielstellung 1 2 Stand des Wissens 4 2.1 Die Lupine 4 2.1.1 Anbau und Verbreitung 4 2.1.2 Einsatz von Lupinenprodukten und -proteinen in der Humanernährung 5 2.1.3 Inhaltsstoffe und deren Verteilung 5 2.1.4 Lupinenproteine 10 2.1.4.1 Einteilung und Struktur der Lupinenproteine 10 2.1.4.2 Lupinenproteine und Allergenität 12 2.1.5 Eigenschaften der verschiedenen Lupinenproteinfraktionen 13 2.1.5.1 Ernährungsphysiologische Eigenschaften 13 2.1.5.2 Funktionelle Eigenschaften 15 2.1.5.3 Modifikation der Proteinstruktur 15 2.1.5.4 Herstellung verschiedener Lupinenproteinpräparate 16 2.1.5.5 Micellare Proteine 17 2.2 Möglichkeiten der Fettreduktion in Lebensmitteln 18 2.2.1 Fettaustauschstoffe 18 2.2.1.1 Fettaustauschstoffe auf Proteinbasis (Mikropartikulierte Proteine) 18 2.2.1.2 Fettaustauschstoffe auf Kohlenhydratbasis 19 2.2.1.3 Quellstoffe 19 2.2.2 Fettersatzstoffe 19 2.2.2.1 Spezielle Triglyceride 20 2.2.2.2 Kohlenhydratpolyester 20 2.2.2.3 Retrofette 20 2.3 Herstellung des lupinenproteinbasierten Fettaustauschstoffes 20 2.4 Saatgutbehandlung 21 2.4.1 Methoden der Lebensmittelkonservierung 22 2.5 Proteinfunktionalität 25 2.5.1 Definition und Zusammenhang zu Proteinen 25 2.5.2 Ausgewählte funktionelle Eigenschaften 26 2.5.2.1 Wasserbindevermögen 26 2.5.2.2 Ölbindevermögen 26 2.5.2.3 Löslichkeit 27 2.5.2.4 Emulgiervermögen 27 2.5.2.5 Schaumbildungsvermögen 28 2.5.2.6 Gelbildungsvermögen 29 2.5.2.7 Oberflächenhydrophobität 30 2.5.2.8 Bedeutung für die Lebensmittelentwicklung 30 3 Material und Methoden 32 3.1 Material 32 3.1.1 Saatgut 32 3.1.2 Geräte, Chemikalien, Verbrauchsmaterial, Software 32 3.1.3 Pufferlösungen 39 3.1.4 Herstellung Bradford-Reagenz, 5-fach 39 3.1.5 Auswahl der Vergleichssubstanzen 39 3.2 Methoden 40 3.2.1 Herstellung der Proteinisolate 40 3.2.2 Mikrobiologische Analysen 41 3.2.3 Bestimmung der Trockenmasse 41 3.2.4 Bestimmung des Proteingehalts 42 3.2.5 Thermische Behandlungsmethoden im Prozess 42 3.2.5.1 UHT-Erhitzung des Extraktes 42 3.2.5.2 Pasteurisierung des Isolats 44 3.2.6 Saatgutentkeimung 44 3.2.6.1 UVC-Bestrahlung 44 3.2.6.2 Trockene Erhitzung 45 3.2.6.3 Autoklavieren 46 3.2.7 Sensorische Untersuchungen 46 3.2.8 Proteinfunktionalität 47 3.2.8.1 Ölbindevermögen 47 3.2.8.2 Wasserbindevermögen 47 3.2.8.3 Gelbildungsvermögen 47 3.2.8.4 Emulgiereigenschaften 47 3.2.8.5 Schaumbildungsvermögen 48 3.2.8.6 Proteinlöslichkeit 48 3.2.8.7 Oberflächenhydrophobität 49 3.2.9 Ernährungsphysiologische Eigenschaften 50 3.2.9.1 in-vitro-Verdaubarkeit 50 3.2.9.2 Maillard-Produkte 50 3.2.9.3 Nachweis reduzierender Zucker .50 3.2.9.4 Nachweis von Glykoproteinen 50 3.2.9.5 Polyphenolgehalt der Lupinenflocken und Proteinisolate 51 3.2.10 Proteincharakterisierung 51 3.2.10.1 Lichtmikroskopie 51 3.2.10.2 Dynamische Differenzkalorimetrie 51 3.2.10.3 Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamidgelelektrophorese 52 4 Ergebnisse und Diskussion 54 4.1 Thermische Behandlungsmethoden im Prozess 54 4.1.1 UHT-Erhitzung des Extraktes: Einfluss auf Mikrobiologie und Proteinausbeute 54 4.1.2 Pasteurisierungsversuche: Einfluss auf Mikrobiologie und Proteinqualität 55 4.2 Saatgutentkeimung - Mikrobiologie und Proteinausbeute 56 4.2.1 Versuchsreihe I 56 4.2.2 Versuchsreihe II 61 4.3 Sensorische Untersuchungen 63 4.3.1 Verkostungen 64 4.3.2 Farbmessung der Proteinisolate und Flocken 65 4.4 Proteinfunktionalität 69 4.4.1 Wasser- und Ölbindevermögen 69 4.4.2 Gelbildungsvermögen 72 4.4.3 Emulgiereigenschaften 74 4.4.4 Schaumbildungsvermögen 78 4.4.5 Proteinlöslichkeit 81 4.4.6 Oberflächenhydrophobität 83 4.5 Ernährungsphysiologische Eigenschaften 86 4.5.1 Maillard-Produkte 86 4.5.2 Nachweis reduzierender Zucker 87 4.5.3 Nachweis von Glykoproteinen 87 4.5.4 Verdaubarkeit 88 4.5.5 Polyphenolgehalte 89 4.6 Proteincharakterisierung 91 4.6.1 Lichtmikroskopie 91 4.6.2 Dynamische Differenzkalorimetrie 95 4.6.3 Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamidgelelektrophorese 98 5 Zusammenfassung 105 Anhang 109