Eine natürliche Bleichalternative aus recycelten Lebensmittelabfällen (Sauermolke) und ungenutztem Getreide (Hirse)

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6482 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Milchindustrie steht vor einer gewaltigen Herausforderung bei der Verwaltung von Sauermolke (AW), einem Nebenprodukt der griechischen Joghurtherstellung, dessen Entsorgung kostspielig ist und dessen Einarbeitung in andere Lebensmittelprodukte schwierig ist. Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, dass AW durch Einkapselung in Hirsemehl in ein brauchbares weißes Pulver umgewandelt werden kann. In jüngster Zeit sind Bedenken hinsichtlich der Sicherheit des häufig verwendeten Lebensmittelaufhellers Titandioxid (TiO2) aufgekommen, und die Suche nach einem alternativen Lebensmittelaufheller ist unerlässlich geworden. In dieser Studie wurden das Farbattribut, die unmittelbare Zusammensetzung, das Zuckerprofil, das Aminosäureprofil, der Gesamtphenolgehalt, die antioxidative Aktivität und der Antinährstoffgehalt des neuartigen sauren Molkenhirsepulvers (AWM) bewertet. Die L*-Werte der AWM-Pulver waren deutlich höher als bei TiO2 und den übrigen Hirseformulierungen. Der Rohproteingehalt in den AWM-Pulvern war im Vergleich zum Rohproteingehalt in Hirsemehlen signifikant (p < 0,05) niedriger. AWM-Pulver hatten einen höheren Laktosegehalt und behielten nach der Sprühtrocknung alle wichtigen Aminosäuren. Makromineralien (P, K, Ca und Na) und Mikromineralien (Zn und Cu) stiegen im AWM-Pulver deutlich an, während der Tanningehalt in AWM-Pulvern verringert war. Diese Ergebnisse legen nahe, dass es sich bei AWM-Pulver um ein weißes Pulver handelt, das eine breite Palette an Komponenten mit hohem Nährwert enthält, die problemlos in verschiedene Anwendungen integriert werden könnten. Zusammenfassend stellt diese Studie einen wertvollen Beitrag für die Milchindustrie dar, indem sie das Potenzial von AWM-Pulvern als natürliche Alternative zum Lebensmittelaufheller zu TiO2 hervorhebt.

In jüngster Zeit wurde der beliebteste Lebensmittelaufheller, Titandioxid (TiO2), einer Sicherheitsprüfung unterzogen, was einen alternativen Lebensmittelaufheller erforderlich machte. TiO2 wird auch als E171 bezeichnet, wenn es als Lebensmittelzusatzstoff verwendet wird. Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit gab im Jahr 2021 bekannt, dass E171 als Lebensmittelzusatzstoff nicht mehr sicher ist, und die Europäische Kommission verbot daraufhin die Verwendung des Lebensmittelzusatzstoffs E171 ab 20221. TiO2 ist ein weißes, geruchloses Pulver wird häufig zum Aufhellen oder Erzeugen eines trüben Effekts sowie zur Bereitstellung von Deckkraft und Weißheit für verschiedene Zwecke hinzugefügt. Aus diesem Grund ist es derzeit der wirksamste weiße Farbstoff, der in vielen Lebensmittelanwendungen eingesetzt wird. TiO2 ist in einer Reihe von Lebensmitteln enthalten, darunter Kaugummi, Süßigkeiten, Soßen und Backwaren2,3. Allerdings gibt es zunehmend Bedenken hinsichtlich der Genotoxizität von TiO2-Nanopartikeln und ihrer möglichen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit4. Daher müssen Forscher einen Ersatz für TiO2 finden, da E171 weiterhin auf seine Sicherheit geprüft wird und Verbraucher zunehmend saubere Inhaltsstoffe verlangen.

Die steigende Verbrauchernachfrage nach proteinreichen Milchprodukten hat zu einem Anstieg der Produktion von griechischem Joghurt geführt, was zur Erzeugung großer Mengen saurer Molke führte. Eine Verbraucherstudie ergab, dass der exponentielle Anstieg der griechischen Joghurtproduktion zwischen 2007 und 2015 im Jahr 2015 zur Erzeugung von 1,5 Millionen Tonnen Sauermolke führte5. Sauermolke (AW) ist der gelblich-grüne flüssige Anteil, der bei der griechischen Joghurtproduktion entfernt wird. Die flüssige AW-Komponente zeichnet sich durch erhebliche Mengen an Laktose, Lipiden, Mineralien, Vitaminen, Proteinen und Peptiden aus6. Obwohl es sich bei AW um ein nährstoffreiches Nebenprodukt handelt, erschwert seine Zusammensetzung die weitere Verarbeitung und schränkt seine Verwendung ein. AW hat einen niedrigen pH-Wert (< 4,5) und einen hohen Milchsäuregehalt, was beim Trocknen zu Klebrigkeit führt, und der hohe Mineralstoffgehalt in AW führt zu einer starken Verschmutzung der Verarbeitungsanlagen7. Darüber hinaus hat AW einen hohen biologischen Sauerstoffbedarf, was seine Entsorgung in der Umwelt ohne kostspielige Auswirkungen auf die umliegenden Ökosysteme schwierig macht8. Derzeit wird AW als Düngemittel verwendet, in Tierfutter eingearbeitet und in Biokraftstoff umgewandelt5. Molkereihersteller behandeln AW vor Ort oft als Abfallstrom und dies erfordert vor der Entsorgung Filterschritte, die teuer sein und zur Verschwendung eines reichlich vorhandenen, nährstoffreichen Nebenprodukts führen können. Nach Angaben der Vereinten Nationen trägt die Reduzierung von Lebensmittelverlusten und Lebensmittelverschwendung in allen Lebensmittelsystemen dazu bei, ein nachhaltigeres und widerstandsfähigeres Lebensmittelsystem zu schaffen9. Eine dieser Möglichkeiten ist das Upcycling von Lebensmittelabfällen, bei dem Lebensmittelabfälle in neue, wertschöpfende Produkte umgewandelt werden, die für verschiedene Anwendungen verwendet werden können. Daher kann die Milchindustrie durch das Upcycling von Lebensmittelabfällen wie Sauermolke in ein wertvolles Produkt das Abfallproblem, mit dem sie derzeit konfrontiert ist, effektiv bewältigen.

Hirse ist ein äußerst nährstoffreiches Getreide und ein Grundnahrungsmittel für die meisten Menschen in den trockenen und semiariden tropischen Gebieten der Welt. Sie werden häufig in asiatischen und afrikanischen Ländern sowie Teilen Europas angebaut10. Hirse ist klimaresistent, wächst unter widrigen Umweltbedingungen nahezu ohne Zufuhr, hält unvorhersehbaren Klimaschwankungen stand und hat im Vergleich zu anderen wichtigen Getreidesorten eine kurze Vegetationsperiode11. Hirse ist reich an wertvollen Nährstoffen (Kohlenhydrate, Proteine, Ballaststoffe, Mineralien und Vitamine) und enthält erhebliche Mengen an Aminosäuren, Mineralien und sekundären Pflanzenstoffen, die mit zahlreichen gesundheitlichen Vorteilen verbunden sind12,13. Hirse enthält jedoch auch Antinährstoffe wie Phytate, Tannine und Trypsininhibitoren, die ihren Nährwert und ihre Bioverfügbarkeit verringern12. Hirse ist ernährungsphysiologisch mit anderen häufiger verzehrten Getreidearten wie Mais, Reis und Weizen vergleichbar oder ihnen überlegen. Sie stellen den Armen eine Nährstoffquelle zur Verfügung, wo ein hoher Bedarf besteht14. Obwohl Hirse ein ernährungsphysiologisch überlegenes Saatgetreide ist, wird sie in Industrie- und Entwicklungsländern aufgrund mangelnden Bewusstseins immer noch unzureichend genutzt. In Afrika und Asien wird Hirse hauptsächlich als traditionelles Grundnahrungsmittel verzehrt, und in den meisten westlichen Ländern wird Hirse hauptsächlich als Tierfutter verwendet15. Aufgrund der steigenden weltweiten Hungerzahlen, der Ernährungssicherheit und der Herausforderungen im Ernährungssystem erfreut sich Hirse zunehmender Beliebtheit als nährstoffreiche und nachhaltige Erntealternative. Aufgrund ihres hohen Nährstoffgehalts und ihrer Klimaresistenz eignen sich Hirsen ideal für die Weiterverarbeitung zu nährstoffreichen Funktionsprodukten mit Mehrwert, die in die allgemeine Lebensmittelproduktion integriert werden können16.

Lebensmittelpulver finden breite Anwendung in der Lebensmittelverarbeitung und werden im Allgemeinen durch verschiedene Trocknungsprozesse aus landwirtschaftlichen Rohstoffen gewonnen17. Sprühtrocknung ist eine wirtschaftliche, flexible und effiziente Technik zur Herstellung trockener Pulver aus Flüssigkeiten oder Emulsionen18. Aufgrund seiner Zusammensetzung ist die Sprühtrocknung von AW eine Herausforderung und führt zu schlechten Verarbeitungsbedingungen und der Klebrigkeit der sprühgetrockneten Pulver. Bei der Sprühtrocknung werden Trägermaterialien, die hauptsächlich aus Kohlenhydratpolymeren, Proteinen und Lipiden bestehen, verwendet, um die Qualität des sprühgetrockneten Pulvers zu verbessern. Diese Materialien haben gute Trägereigenschaften, wie z. B. ein hohes Molekulargewicht, eine hohe Löslichkeit und hohe Glasübergangstemperaturen, die die Klebrigkeit der Pulver verhindern19. Laut Bylund20 könnte Getreide aufgrund seiner neutralisierenden Wirkung auf den pH-Wert von AW ein gutes Trägermaterial für AW sein, was die Effizienz des Sprühtrocknungsprozesses verbessern würde. Die Verwendung von Hirse als Trägermaterial könnte eine natürliche Alternative zur Herstellung sprühgetrockneter AW-Pulver mit verbesserten funktionellen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften sein.

In früheren Studien21 verwendeten wir Mehle von Haushirse (Echinochloa-Art) und Kleinhirse (Panicum-Art) als Trägermaterialien zur Kontrolle und Neutralisierung der Milchsäurekonzentrationen in AW und bestimmten die physikalischen Eigenschaften der sprühgetrockneten Pulver. Die resultierenden Pulver waren weiß, mit verbesserten Kristallisationseigenschaften und höheren Pulverausbeuten. Die einkapselnde Wirkung von Hirse auf AW wurde auf die molekularen Wechselwirkungen zwischen den Proteinen und der Partikeloberfläche in der Sauermolke-Hirsematrix (AWM) zurückgeführt, was zur Produktion frei fließender Pulver mit verringerter Klebrigkeit, geringer Hygroskopizität und erhöhtem Ertrag führte21. Abbildung 1. veranschaulicht die Herstellung von AWM-Hirsepulver, mögliche industrielle Anwendungen des Pulvers und seinen Beitrag zur nachhaltigen Lebensmittelproduktion. Ziel dieser Studie war es, die Farb- und Nährwerteigenschaften der neuartigen AWM-Pulver zu bewerten. Der Einfluss der Sprühtrocknung auf die Farbeigenschaften und den Nährstoffgehalt der AWM-Pulver wurde durch den Vergleich der Pulver mit einfachen Hirsemehlen und sprühgetrockneten Hirselöslichen Fraktionen bewertet.

Gesamtzusammenfassung neuartiger weißer Pulver und potenzieller industrieller Anwendungen, die zu nachhaltigen Lebensmittelsystemen beitragen.

Im Handel erhältliche Barnyard- und Little-Hirsekörner wurden von Manna Foods (Chennai, Indien) gekauft. Zum Mahlen der Körner wurde eine Butterfly Matchless 750-W-Mühle verwendet. Für die Fermentation von griechischem Joghurt wurde eine firmeneigene Joghurtkultur verwendet, die vom FEAST Lab an der University of Missouri (Columbia, MO) bezogen wurde. Vollmilch wurde in örtlichen Lebensmittelgeschäften bezogen. Zum Sieben des Mehls wurde ein Sieb verwendet, um Partikel mit einem Durchmesser unter 500 µm zu erhalten.

Folin-Ciocalteu und Thiobarbitursäure (TBA) wurden von Sigma-Aldrich Corp. (St. Louis, MO) bezogen. Essigsäure, Gallussäure und 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) wurden von Acros Organics (Morris Plains, NJ) bezogen. Ethanol wurde von Thermo Fisher Scientific (Hampton, NH) gekauft. Natriumbicarbonat wurde von Duda Energy LLC (Decatur, AL) gekauft.

Die Auswahl der optimalen AWM-Konzentration von 25 % basierte auf einer vorläufigen 2 × 5-Vollfaktoranalyse, die die Wechselwirkungseffekte der Hirseart (Little und Barnyard) und der Konzentration der AWM-Lösung (10 %, 25 %, 50 %, 75 % und 100 %) anhand von Reaktionsvariablen wie pH-Wert, Pulverausbeute, Farbe, Wasseraktivität, Feuchtigkeitsgehalt, Dichte und Fließfähigkeit. Die Ergebnisse zeigten, dass die AWM-Konzentrationen von 10 % und 25 % das gewünschte Pulverergebnis lieferten, was eine Folgestudie21 zur weiteren Charakterisierung ihrer physikalischen und funktionellen Eigenschaften veranlasste. Die Ergebnisse zeigten, dass die AWM-Konzentration von 25 % hinsichtlich Farbe, Glasübergangstemperatur und Partikelmorphologie überlegen war, was auf ein frei fließenderes Pulver hindeutet.

Griechischer Joghurt wurde auf der Grundlage des hauseigenen Laborprotokolls für die Joghurtproduktion hergestellt. Zur Herstellung von griechischem Joghurt wurde Vollmilch (4 l) unter ständigem Rühren auf 82–85 °C erhitzt. Nach dem Abkühlen der Milchbasis auf 40–45 °C wurde die Starterkultur zugegeben. Zur Koagulation ließ man die Mischung 6 bis 10 Stunden lang in einem Inkubator bei 42 °C fermentieren. Nach Abschluss der Fermentation wurde der Joghurt 20 Minuten lang bei 5000 U/min zentrifugiert, um die festen Bestandteile von der Flüssigkeit zu trennen und AW zu erhalten. Das abgekühlte AW wurde dekantiert und zur weiteren Analyse bei 4 °C gelagert. Das Gesamtvolumen an Sauermolke, das bei der Herstellung von 4 l erhalten wurde, betrug etwa 2,2–2,7 l. Zur Herstellung der AWM-Futterlösung wurden Hirsemehle von Barnyard und Little in AW suspendiert, um eine Konzentration von 25 % w/v zu erhalten. Die Suspension wurde 10 Minuten lang bei 200 U/min gerührt, um die Solubilisierung der Proteine ​​zu erhöhen22. Um die in Hirse löslichen Fraktionen herzustellen, wurden 25 % w/v Hirse in destilliertem Wasser suspendiert und 10 Minuten lang bei 3000 U/min homogenisiert. Anschließend ließ man die Lösung 30 Minuten bis 1 Stunde stehen, um das Dekantieren des Überstands zu ermöglichen. Die AWM-Lösung wurde vakuumfiltriert, um die lösliche Fraktion für die Sprühtrocknung zu erhalten. Die Beschreibung für jede Beispielformulierung ist in Tabelle 1 angegeben.

Zum Sprühtrocknen der AWM-Lösung wurde ein Sprühtrockner im Labormaßstab (Büchi B290 Mini-Sprühtrockner, Flawil, Schweiz) mit einem Durchmesser von 0,7 mm und einer peristaltischen Förderpumpe verwendet. Die Eingangstemperatur, der Aspirator, die Förderpumpenrate und die Gasdurchflussrate betrugen 160 °C, 90 %, 15 % bzw. 45 %. Diese Parameter wurden basierend auf zuvor optimierten Parametern aus früheren Experimenten ausgewählt21. Die erhaltenen Pulver wurden bis zur weiteren Analyse bei 4 °C in verschlossenen Glasgefäßen gelagert.

Die Farbeigenschaften des sprühgetrockneten Pulvers wurden mit einem Handchromatometer (Konica Minolta CR-410, Chiyoda, Tokio, Japan) bestimmt. Die Werte wurden in den Koordinaten L* (Helligkeit/Dunkelheit), a* (Rot/Grün) und b* (Blau/Gelb) ausgedrückt und zur Berechnung des Farbunterschieds (∆E), des Chroma (C*) und des Farbtonwinkels verwendet (°) und Weißheitsindex der Pulver gemäß Gl. (1, 2, 3 und 4). Der Farbunterschied wurde als Differenz zwischen den sprühgetrockneten Pulvern und TiO2 berechnet.

Alle sprühgetrockneten Pulver- und Hirsemehlproben wurden an das Chemielabor der University of Missouri Agricultural Experiment Station (Columbia, MO) geschickt, um Näherungs-, Aminosäure- und Zuckerprofile zu erhalten. Proben zur Mineralanalyse wurden an das Soil and Plant Testing Laboratory der University of Missouri Columbia geschickt.

Pulverproben wurden nach der Kjeldahl AOAC-Methode 984.1323 auf Stickstoff analysiert und der Rohproteinwert durch Multiplikation des prozentualen Stickstoffgehalts mit 6,25 berechnet (Rohprotein = %N \(\times\) 6,25). Der Feuchtigkeitsgehalt wurde bestimmt, indem 2 g der Pulverproben in einem Vakuumofen bei 105 °C getrocknet und der Gewichtsverlust beim Trocknen berechnet wurden24. Der Aschegehalt wurde durch zweistündiges Erhitzen von Pulverproben auf 600 °C gemäß der AOAC-Methode 942.0525 bestimmt. Der Rohfasergehalt wurde nach der AOAC-Methode 978.1026 bestimmt. Kurz gesagt wurde die Pulverprobe (2 g) 30 Minuten lang in leicht siedende 200 ml 0,128 M H2SO4 eingetaucht. Dann wurde die gekochte Probe filtriert, um die Säurelösung zu entfernen, und dann 30 Minuten lang in 200 ml 0,313 M NaOH gekocht. Nach der Behandlung wurde das Filtrat mit kochendem Wasser gespült und dann 2 Stunden lang bei 230 °C getrocknet. Die getrocknete Probe wurde 4 Stunden lang in einem Ofen bei 550 °C verascht und gewogen. Rohfaser wurde als Rückstand nach saurem und alkalischem Aufschluss bestimmt. Der Rohfettgehalt wurde durch Säurehydrolyse gemäß der AOAC-Methode 954.0227 bestimmt. Der Kohlenhydratgehalt wurde durch Differenzbildung (100 – Summe aus Feuchtigkeit, Rohprotein, Asche, Rohfett und Rohfaser) ermittelt. Die ungefähre Zusammensetzung wurde in Gramm pro 100 g Trockenbasis ausgedrückt. Zum Vergleich wurden alle diese Bestimmungen auch an einfachen Barnyard- und Little-Hirsemehlen durchgeführt.

Die Aminosäureanalyse wurde mittels Kationenaustauschchromatographie (cIEC-HPLC) in Verbindung mit Nachsäulen-Ninhydrinderivatisierung und Quantifizierung gemäß der offiziellen AOAC-Methode 982.3028 durchgeführt. Die saure Hydrolyse der Probe erfolgte mit 6 N HCL bei 110 °C für 24 Stunden, um Proteine ​​in einzelne Aminosäuren aufzuspalten. Zur Neutralisierung der Lösung wurde eine NaOH-Lösung verwendet, und das Hydrolysat wurde dann durch einen 0,45-μm-Filter filtriert, um jegliche Partikel zu entfernen. Anschließend wurde das gefilterte Hydrolysat in die cIEC-HPLC-Säule injiziert. Anschließend wurden die Aminosäuren mit Ninhydrin-Reagenz in einem Nachsäulenreaktor derivatisiert und mit einem Ultraviolettdetektor nachgewiesen und die Signalintensität aufgezeichnet. Die Aminosäuren wurden durch Vergleich der Signalintensität mit einer Standardkurve quantifiziert, die aus bekannten Standards einzelner Aminosäuren erstellt wurde.

Methionin und Cystein wurden nach kalter Perameisensäureoxidation mit 2 ml Perameisensäure über Nacht bei 0–5 °C vor der Säurehydrolyse analysiert. Die verdauten Proben wurden dann durch Kationenaustausch-Flüssigkeitschromatographie quantifiziert, gefolgt von einer Säulen-Ninhydrin-Derivatisierung zur UV/Vis-Detektion. Tryptophan wurde separat durch alkalische Hydrolyse und anschließende Kationenaustauschchromatographie gemäß der offiziellen AOAC-Methode 988.1529 bestimmt.

Das Zuckerprofil (Glucose, Fructose, Saccharose, Lactose, Maltose, Raffinose, Stachyose und Verbascose) wurde durch chromatographische Methoden nach Churms et al.30 und Honda et al.31 bestimmt. Einzelne Zuckerprofile wurden mithilfe eines HPLC-Systems in Verbindung mit einem Brechungsindexdetektor analysiert. Die Probenextrakte wurden mit 80 % Ethanol hergestellt und dann durch einen 0,45-µm-Membranfilter filtriert, um jegliche Partikel zu entfernen. Die Analyse erfolgte mit einer Bio-Rad HPX 300 × 7,8 mm LC-Säule bei 80 °C. Die mobile Phase bestand aus Acetonitril und gereinigtem Wasser und hatte eine Flussrate von 0,7 ml/min. Zu den verwendeten Identifizierungsstandards gehören D-Glucose, Fructose, Saccharose, Lactose, Maltose, Raffinose, Stachyose und Verbascose.

Die sprühgetrockneten Pulver und Hirsemehle wurden im Labor für Boden- und Pflanzentests der University of Missouri mithilfe von Techniken der induktiv gekoppelten Plasma-optischen Emissionsspektroskopie (ICP-OES) gemäß den in der offiziellen AOAC-Methode 985.0132 beschriebenen Verfahren auf Mineralien analysiert. Pulverproben wurden mit konzentrierter Salzsäure aufgeschlossen und dann filtriert, um etwaige Partikel zu entfernen. Kalibrierungsstandards wurden durch Verdünnen von Multielement-Standardlösungen hergestellt, die das gewünschte Mineral (N, P, K, Ca, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Na) enthielten. Die Ergebnisse wurden anhand der Kalibrierungskurve berechnet und in mg/kg oder ppm ausgedrückt.

Die ethanolischen Extrakte der Proben wurden nach der von Malik et al.33 beschriebenen Methode hergestellt. Kurz gesagt, etwa 1 g jeder Probe wurde mit 10 ml 80 %igem Ethanol 24 Stunden lang bei 25 °C in einem Schüttler extrahiert. Anschließend wurde die Aufschlämmung zentrifugiert (5000 U/min, 20 Min.) und der Überstand gesammelt und 24 Stunden lang bei Raumtemperatur getrocknet. Vor der Analyse wurden die Extrakte mit 5 ml destilliertem Wasser rekonstituiert.

Der TPC der AWM-Pulverproben und der Hirsemehlproben wurde gemäß der von Singleton et al.34 beschriebenen Folin-Ciocalteu-Reagenzmethode mit geringfügigen Modifikationen gemessen. Etwa 2 ml Extrakt wurden mit 1 ml destilliertem Wasser, 0,5 ml Folin-Ciocalteu-Reagenz und 2 ml 20 %igem Natriumbicarbonat gemischt. Nach 25-minütiger Inkubation in einem Wasserbad bei 40 °C wurde der TPC mit einem UV-sichtbaren Spektrophotometer bestimmt und die Absorption bei 765 nm gemessen. Die Ergebnisse wurden in Milligramm Gallussäureäquivalenten pro Gramm Trockenpulver (mg GAE/g) ausgedrückt.

Die antioxidative Aktivität der Probenextrakte wurde mit der von Horvat et al.35 beschriebenen DPPH-Radikalfängermethode gemessen. Der Assay wurde durch Mischen von 0,2 ml Probenextrakt mit 1 ml 0,5 mmol/l 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH)-Lösung und 2 ml Ethanol vorbereitet. Die Mischung wurde 30 Minuten lang an einem dunklen Ort bei Raumtemperatur inkubiert. Die Absorption der Reaktionsmischungen wurde bei 517 nm gemessen. Der Prozentsatz der Hemmung des freien Radikals DPPH (Abnahme der Absorption) wurde im Vergleich zum Blindwert (DPPH + Ethanol) unter Verwendung von Gleichung berechnet. (5).

Dabei ist A0 die Absorption der Blindprobe zum Zeitpunkt = 0 und A1 die Absorption der analysierten Probe nach 30 Minuten.

TBARS wurde wie zuvor von Zeb et al.36 beschrieben berechnet und gemessen. Kurz gesagt wurde eine 4,0 mM Standardlösung von TBA durch Auflösen von 57,66 mg TBA in 100 ml Eisessig hergestellt. Die sprühgetrockneten Pulver und der Hirsemehl-Probenextrakt (1 ml) wurden mit 1 ml TBA-Reagenz gemischt und 1 Stunde lang in einem Wasserbad auf 95 °C erhitzt. Die Mischung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und die Absorption bei 532 nm gemessen. Malondialdehyd-Tetrabutylammoniumsalz (MDA) wurde zur Entwicklung der Standardkurve bei 0,1, 0,2, 0,4, 0,6 und 0,8 mM MDA-Konzentrationen verwendet. Die Konzentrationen von TBARS wurden mit Gleichung berechnet. (6).

Dabei ist Ac die anhand der Kalibrierungskurve ermittelte Konzentration, W das Gewicht der Probe und V das Volumen des hergestellten Gesamtextrakts in ml.

Der Gesamtgehalt an kondensiertem Tannin wurde mithilfe der Vanillin-HCL-Methode nach Burns37 geschätzt. Kurz gesagt, etwa 0,5 ml 10 mg/ml des Probenextrakts wurden mit 3 ml 4 %igem (Gew./Vol.) Vanillin und 1,5 ml Salzsäure kombiniert und anschließend gemischt. Die Mischung wurde 15 Minuten bei Raumtemperatur stehen gelassen und die Absorption wurde bei 500 nm mit einem UV/Vis-Spektrophotometer gemessen. Diese Analyse wurde dreifach durchgeführt. Catechin wurde für die Standardkurve verwendet und der Tanningehalt wurde in mg Catechinäquivalenten/g Trockenextrakt (mg CE/g) ausgedrückt.

Alle Experimente mit Antioxidantien und Antinährstoffen wurden dreifach mit drei unabhängigen Pulverproben durchgeführt. Die Varianzanalyse (ANOVA) der Mittelwerte wurde mit dem Statistiksoftwareprogramm JMP 14.0 (SAS Institute Inc, Cary, NC) durchgeführt. Mittelwerte wurden mit dem Tukey-Test verglichen und Ergebnisse mit einem Konfidenzniveau von 95 % wurden als signifikant akzeptiert (p < 0,05). Die Ergebnisse wurden als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt.

Das visuelle Erscheinungsbild des Hirsemehls (BY, LT), der sprühgetrockneten Hirsefraktion (SD_BY, SD_LT) und der AWM-Pulver (BAW, LAW) im Vergleich zu TiO2 ist in Abb. 2a dargestellt. Das Hirsemehl und das sprühgetrocknete Hirsemehl hatten eine helle bis cremige Farbe und waren deutlich (p < 0,05) weniger weiß als die AWM-Pulver. Visuell wurde kein Unterschied zwischen den beiden AWM-Pulverformulierungen und TiO2 beobachtet. Die vollständigen Farbattribute der Mehl- und sprühgetrockneten Pulverproben sind in Tabelle 2 aufgeführt. Der Farbunterschied (∆E) der Probe wurde durch Vergleich der Farbattribute der Probe mit denen von TiO2 bestimmt. Ein höherer ∆E weist auf einen größeren Farbunterschied zwischen der Probe und TiO2 hin. Die AWM-Pulverproben hatten im Vergleich zu den anderen Proben deutlich niedrigere \(\Delta\) E-Werte, wobei BAW den geringsten Farbunterschied aufwies. Die Zugabe von Sauermolke zu Hirse verbesserte den Weißgrad der AWM-Pulver deutlich (p < 0,05). Wie in Abb. 2b und c zu sehen ist, lagen die Helligkeits- und Weißheitsindexwerte der AWM-Pulver näher an den TiO2-Werten. Obwohl LAW-Pulver deutlich höhere Helligkeitswerte (L*) als BAW aufwiesen, hatten BAW-Pulver einen deutlich höheren Weißheitsindexwert. Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Zugabe von Hirse die Leuchtkraft (L*) der Pulver deutlich verbesserte. Die mit der cremigen Farbe der Hirsemehle verbundenen b*-Werte waren bei den AWM-Pulvern verringert. Ähnliche L*-, b*- und Weißheitsindexwerte wurden für einfache AW- und AWM-Pulver gemeldet21. Diesen Ergebnissen zufolge verbesserte AW, eingekapselt mit Hirse, die Pulverfunktionalität und behielt gleichzeitig den Weißgrad bei.

(a) Hirsemehl und sprühgetrocknete Proben im Vergleich zu TiO2 (b) Helligkeit (L*) und (c) Zeugenindexwerte der Proben. Mittelwerte, gefolgt von einem anderen Buchstaben, unterscheiden sich deutlich. Legende: Bild-, L*- und Weißgradindexwerte der Mehl- und Pulverproben. VON: einfaches Hirsemehl; LT: einfaches kleines Hirsemehl; SD_BY: sprühgetrocknete lösliche Fraktion von Hirse; SD_LT: sprühgetrockneter, wenig in Hirse löslicher Anteil; BAW: 25 % w/v Hühnerhirse + Sauermolke; GESETZ: 25 % w/v Wenig Hirse + Sauermolke.

Die Ergebnisse der ungefähren Zusammensetzungen von BY, LT, SD_BY, SD_LT, BAW und LAW sind in Abb. 3 dargestellt. Der Kohlenhydrat-, Rohprotein- und Lipidgehalt der Hirsemehle wurde mit bereits gemeldeten Werten für Hirsemehl verglichen38. In dieser Studie war der Kohlenhydratgehalt von BY und LT im Vergleich zu den zuvor gemeldeten Werten um 13,7 % bzw. 16 % höher38. Der deutlich (p < 0,05) höhere Kohlenhydratgehalt in den AWM-Pulvern ist auf den hohen Laktosegehalt in Sauermolke zurückzuführen. Der Rohproteingehalt von BY und LT war um 66 % bzw. 29,5 % höher als die zuvor gemeldeten Werte38. Der Rohproteingehalt in den AWM-Pulvern war im Vergleich zum Rohproteingehalt in Hirsemehlen signifikant (p < 0,05) niedriger. Allerdings hatte das AWM-Pulver aus dieser Studie im Vergleich zu den Rohproteinergebnissen für reine AW-Pulver (1,71 bis 3,71 mg/g) einen höheren Rohproteingehalt8. Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen den Rohproteinwerten des einfachen Hirsemehls und der sprühgetrockneten Hirsefraktion. Dies weist darauf hin, dass der Sprühtrocknungsprozess den Proteingehalt der sprühgetrockneten Pulver nicht wesentlich beeinflusste. Der niedrigere Rohproteinwert in den sprühgetrockneten AWM-Pulverproben könnte auf die Hirsekonzentration in der AWM-Futterlösung zurückzuführen sein. Die Rohproteinwerte für BY und LT stimmen mit anderen Berichten überein, die einen höheren Proteingehalt in einigen Hirsesorten im Vergleich zu Reis und Mais zeigten12. Aufgrund des Sprühtrocknungsprozesses hatten AWM-Pulver einen deutlich geringeren Feuchtigkeitsgehalt als Hirsemehl. Allerdings war der Feuchtigkeitsgehalt in der sprühgetrockneten Hirsefraktion deutlich geringer. Dies ist auf den hohen Säuregehalt in Sauermolke zurückzuführen, der zu einem hygroskopischeren Pulver führt. Der Rohfettgehalt in Hirsemehlen war im Vergleich zu bereits gemeldeten Werten für Barnyard- und Little-Hirsemehle in deutlich geringeren Mengen vorhanden. Auch der Fettgehalt war bei den AWM-Pulvern geringer. Der Rückgang des Rohfetts in den AWM-Pulvern könnte auf die Oxidation und den Abbau zurückzuführen sein, die durch die Vergrößerung der Oberfläche der löslichen Fraktionen während der Sprühtrocknung entstehen39. Der Rohfasergehalt der Hirsemehle war in diesem Fall deutlich geringer als bei bereits gemeldeten Werten. Dies könnte an der unterschiedlichen Getreidesorte und den Verarbeitungsbedingungen liegen.

Nahanalyse von Hirsemehlen und Sauermolke-Hirsepulvern (a) Kohlenhydrate (b) Rohprotein (c) Feuchtigkeit (d) Rohfett (e) Rohfaser (f) Asche. Mittelwerte, gefolgt von verschiedenen Buchstaben, unterscheiden sich deutlich (p < 0,05). Legende: Nahanalyse von Pulverproben. VON: einfaches Hirsemehl; LT: einfaches kleines Hirsemehl; SD_BY: sprühgetrocknete lösliche Fraktion von Hirse; SD_LT: sprühgetrockneter, wenig in Hirse löslicher Anteil; BAW: 25 % w/v Hühnerhirse + Sauermolke; GESETZ: 25 % w/v Wenig Hirse + Sauermolke.

In den sprühgetrockneten AWM-Pulvern waren sehr wenig Rohfasern vorhanden, was auf die Entfernung unlöslicher Ballaststoffe (hauptsächlich aus den Samenschalen) beim Filtern der Futterlösung zurückzuführen sein könnte. Im Vergleich zu Hirsemehl hatten die AWM-Proben einen deutlich (p < 0,05) höheren Aschegehalt. Die höhere Aschekonzentration des AWM-Pulvers könnte auf den hohen Mineralgehalt der Sauermolke zurückzuführen sein. Diese Ergebnisse stimmen mit dem für Molkepulver gemeldeten Aschegehalt überein40, der für Sauermolkepulver einen Aschegehalt von 12,93 % ergab. Es wurde berichtet, dass die Hauptmineralien in AW K, Ca und P sind, mit geringeren Konzentrationen an Mg und Na6. In den sprühgetrockneten Hirsefraktionen wurde ein deutlich höherer Aschegehalt beobachtet als im Hirsemehl. Dies könnte auf die Solubilisierung bestimmter Mineralien im Hirsemehl während der Vorbereitung der löslichen Fraktion für die Sprühtrocknung zurückzuführen sein.

Tabelle 3 zeigt die Mengen von acht Zuckern (Fructose, Glucose, Saccharose, Lactose, Maltose, Raffinose, Stachyose und Verbascose), die in den sprühgetrockneten AWM-Pulvern und Hirsemehlproben vorhanden sind. Bei den meisten Zuckern in den sprühgetrockneten Hirsefraktionen kam es im Vergleich zum Hirsemehl zu einem Anstieg, was auf die hohe Konzentration der löslichen Hirsefraktion in der Lösung zurückzuführen sein könnte, die auf den Zubereitungsprozess zurückzuführen ist, der die Solubilisierung der Hirse unterstützt Feststoffe. Das AWM-Pulver enthielt im Vergleich zu den anderen Hirseproben deutlich mehr Glucose und Lactose. Dieses Ergebnis war aufgrund des hohen Laktosegehalts im fermentierten einfachen AW zu erwarten. Laktose ist ein reduzierendes Disaccharid, das aus Glukose und Galaktose besteht. Da es das Hauptkohlenhydrat in AW41 darstellt, wurde erwartet, dass der Glukose- und Raffinosegehalt im AWM-Pulver ansteigt. Im Vergleich zu reinem Hirsemehl wurden in Reis ähnliche Mengen an Saccharose, Glucose, Maltose und Fructose gefunden42.

Die Aminosäureprofile von AWM-Pulvern und reinem Hirsemehl im Vergleich zu Mais, Weizen und Reis sind in Abb. 4 dargestellt. Essentielle Aminosäuren sind entscheidende Bausteine ​​von Körperproteinen, die über die Nahrung zugeführt werden müssen, da sie vom Menschen nicht synthetisiert werden können Körper43. Die Hirsemehle und sprühgetrockneten Hirsefraktionen wiesen einen signifikant (p < 0,05) höheren Gehalt an allen essentiellen Aminosäuren auf als die AWM-Pulver. Dies könnte auf die Hirsekonzentration in der Futterlösung und die Denaturierung von Proteinmolekülen während der Verarbeitung und Sprühtrocknung zurückzuführen sein. Bemerkenswerterweise hatten die AWM-Pulver einen hohen Lysingehalt, was auf den hohen Lysingehalt in AW zurückzuführen sein könnte. Dieser Befund wird durch eine frühere Studie gestützt, die einen hohen Lysingehalt in deproteinisierten Molkepulvern zeigte44. Leucin war die am häufigsten vorkommende essentielle Aminosäure in den Hirsemehlen, und das neu entwickelte AWM-Pulver enthielt auch erhebliche Mengen an Leucin. Leucin, Isoleucin und Valin sind verzweigtkettige Aminosäuren, die wichtige Bausteine ​​von Körperproteinen sind und nachweislich auch therapeutische Wirkungen gegen einige Krankheiten haben, wenn sie als Nahrungsergänzungsmittel eingenommen werden45. Das Vorhandensein dieser verzweigtkettigen Aminosäuren macht AWM-Pulver zu einer hervorragenden Zutat für die Entwicklung funktioneller Lebensmittel, die diese essentiellen Aminosäuren benötigen. Darüber hinaus wurden in den einfachen Hirseproben und AWM-Pulvern höhere Mengen an Tryptophan und Arginin gefunden als in Mais. Das Vorhandensein erheblicher Mengen an Tyrosin, Glycin, Glutamin, Arginin, Prolin und Taurin, bei denen es sich um bedingt essentielle Aminosäuren handelt, weist darauf hin, dass AWM-Pulver auch zur Ernährungsqualität von Lebensmitteln beitragen könnte, die für bestimmte Gesundheitszustände wie Schwangerschaft, Stillzeit, etc. entwickelt wurden. und schwere Krankheit48. Basierend auf diesen Ergebnissen könnte die Verwendung von AWM-Pulver in der Lebensmittelformulierung dazu beitragen, Lebensmittelverschwendung zu reduzieren und den Verbrauchern gleichzeitig nährstoffreiche, funktionelle Lebensmitteloptionen anzubieten.

Aminosäureprofil von AWM-Proben und Hirsemehlproben im Vergleich zu beliebten Getreidekörnern. W/W% = Gramm pro 100 g Probe. Die Daten für Mais, Weizen und Reis wurden von Chandra et al.38 erhalten. Mittelwerte, gefolgt von einem anderen Buchstaben, unterscheiden sich deutlich. Legende: Aminosäureprofil von Pulverproben. VON: einfaches Hirsemehl; LT: einfaches kleines Hirsemehl; SD_BY: sprühgetrocknete lösliche Fraktion von Hirse; SD_LT: sprühgetrockneter, wenig in Hirse löslicher Anteil; BAW: 25 % w/v Hühnerhirse + Sauermolke; GESETZ: 25 % w/v Wenig Hirse + Sauermolke.

Die mineralische Zusammensetzung des AWM-Pulvers und des Hirsemehls ist in Abb. 5 dargestellt. Mineralien sind essentielle Nährstoffe zur Erhaltung und Förderung der körperlichen und geistigen Gesundheit des Menschen. Sie werden in zwei Hauptgruppen (Makromineralien und Mikromineralien) eingeteilt, basierend auf den Mengen, die zur Erhaltung einer guten Gesundheit erforderlich sind. Makromineralien werden in großen Mengen benötigt, während Mikromineralien nur in Spuren benötigt werden, aber beide Gruppen sind für eine gute Gesundheit sehr wichtig47. Die AWM-Pulver hatten signifikant (p < 0,05) höhere P-, K-, Ca- und Na-Werte im Vergleich zu den löslichen Fraktionen (SD_BY und SD_LT) und dem flüssigen AW (Tabelle 4). Der erhöhte Mineralstoffgehalt im AWM-Pulver resultiert aus der Konzentration der großen Mengen an Mineralien, die im flüssigen AW durch den Sprühtrocknungsprozess vorhanden sind. Ähnliche Ergebnisse wurden für den Mineralgehalt trockener AW-Fraktionen6 berichtet. Darüber hinaus waren im Vergleich zu den gemeldeten Werten für Mais, Weizen und Reis38 die P-, K-, Ca-, Mg- und Na-Gehalte im Hirsemehl, den sprühgetrockneten Hirsefraktionen und den AWM-Pulvern viel höher. Der gleiche Trend wurde für das Mikromineral Zn beobachtet, bei dem die einfachen Hirseproben (BY, LT, SD_BY und SD_LT) und AWM-Pulver höhere Zn-Konzentrationen aufwiesen als bereits berichtete Werte für Mais, Weizen und Reis. Die AWM-Pulver wiesen im Vergleich zur einfachen Hirseprobe und zum flüssigen AW einen deutlich höheren Zn- und Cu-Gehalt auf (Tabelle 4). Der Rückgang von Fe und Mg in den AWM-Pulvern könnte auf den Unterschied in der Hirsekonzentration in der AWM- und Hirsefraktions-Zufuhrlösung zurückgeführt werden. Auch der Kleieverlust während der Verarbeitung der Futterlösung könnte zum Rückgang des Fe-Gehalts beitragen, da der Großteil des Eisengehalts in der kleinen Hirse in der Kleie zu finden ist. Der hohe Eisengehalt in AWM-Formulierungen stimmt mit berichteten Ergebnissen eines erhöhten Eisengehalts (um 94 %) durch die Zugabe von wenig Hirsemehl zum Brotteig überein48. Es ist wichtig, die ernährungsphysiologische Qualität der Mineralstoffzusammensetzung von AWM-Pulver zu verstehen und zu verstehen, wie sie zur Entwicklung neuer funktioneller Lebensmittelprodukte und -zutaten beitragen kann.

Mineralstoffprofil von Sauermolken-Hirsepulvern und Hirsemehlen (a) Makronährstoffe (b) Mikronährstoffe. Die Daten für Mais, Weizen und Reis wurden von Chandra et al.38 erhalten. Legende: Mineralstoffgehalt in den Pulverproben. BY: einfaches Hirsemehl; LT: einfaches kleines Hirsemehl; SD_BY: sprühgetrocknete lösliche Fraktion von Hirse; SD_LT: sprühgetrockneter, wenig in Hirse löslicher Anteil; BAW: 25 % w/v Hühnerhirse + Sauermolke; GESETZ: 25 % w/v Wenig Hirse + Sauermolke.

Der Gehalt und der Tanningehalt der Hirse- und AWM-Pulverproben sind in Abb. 6 dargestellt. Der TPC war in den sprühgetrockneten Hirsefraktionen im Vergleich zum Hirsemehl deutlich höher. Dies könnte auf die Solubilisierung phenolischer Verbindungen während der Herstellung löslicher Hirsefraktionen zum Sprühen zurückzuführen sein, was die Empfindlichkeit des TPC-Tests erhöhen könnte. Auch der TPC der AWM-Pulver war deutlich höher als der des Hirsemehls. Der deutlich höhere (p < 0,05) TPC-Gehalt der AWM-Pulver könnte auf die zusätzliche phenolische Verbindung zurückzuführen sein, die in AW vorhanden ist, und/oder auf die Wechselwirkungen zwischen Molkenprotein und phenolischen Verbindungen49,50. Im Fall der DPPH-Aktivität hatten die AWM-Pulver eine ähnliche DPPH-Aktivität wie Getreidemehl. Der Tanningehalt betrug bei Haushirse 3,10 mg CAE/g und bei Kleinhirse 2,34 mg CAE/g. Nach der Sprühtrocknung sank der Tanningehalt in den AWM-Pulvern auf 2,12 mg CAE/g. Dieser Rückgang könnte auf die Auswaschung von Tanninen während der Verarbeitung der Futterlösung und die Synthese makromolekularer Verbindungen aus phenolischen Verbindungen wie Catechinen zurückzuführen sein. Ähnliche Tanningehalte wurden für ganze Fingerhirse- und Perlhirsesorten gemeldet51. Tannine sind Polyphenole, die mit Makromolekülen Komplexe bilden und dadurch die Bioverfügbarkeit und Nutzung dieser Makromoleküle und anderer Nährstoffe beeinflussen. Darüber hinaus verleihen Tannine dem Essen einen adstringierenden Geschmack und können die Aufnahme von Vitamin B12, Eisen und Glukose verringern52. Diese Ergebnisse zeigten, dass die AWM-Pulver nach der Sprühtrocknung ihre antioxidative Aktivität bei deutlich reduziertem Tanningehalt beibehielten.

Antioxidative und antinutritive Eigenschaften von AWM-Pulvern und Hirsemehl (a) Gesamtphenolgehalt (b) Gallussäure-Kalibrierkurve (c) TBARS-Konzentration (d) MDA-Kalibrierkurve (e) Tanningehalt (f) Catechin-Kalibrierkurve (g) DPPH-Aktivität . Signifikante Unterschiede zwischen den Stichproben werden durch unterschiedliche Kleinbuchstaben ausgedrückt. Legende: Antioxidative und antinutritive Eigenschaften der Pulverproben. VON: einfaches Hirsemehl; LT: einfaches kleines Hirsemehl; SD_BY: sprühgetrocknete lösliche Fraktion von Hirse; SD_LT: sprühgetrockneter, wenig in Hirse löslicher Anteil; BAW: 25 % w/v Hühnerhirse + Sauermolke; GESETZ: 25 % w/v Wenig Hirse + Sauermolke.

Diese Studie wurde im Labormaßstab durchgeführt, mit dem Ziel, die Produktion der optimierten neuen weißen Pulver im Pilotmaßstab voranzutreiben. Eine Pilotstudie ist von entscheidender Bedeutung für die Bewertung des Potenzials von AWM-Pulver als Lebensmittelzutat. Diese Studie würde dazu beitragen, die Skalierbarkeit des Produktionsprozesses zu bestimmen, potenzielle Herausforderungen zu identifizieren und die Nährwert- und Funktionsqualitätsparameter des AWM-Pulvers während der Scale-up-Bedingungen aufrechtzuerhalten. Die Durchführung einer Pilotstudie würde sicherstellen, dass AWM-Pulver eine brauchbare Lebensmittelzutat ist, die den Marktanforderungen gerecht wird. Zusätzlich zur Pilotstudie ist eine sensorische Analyse von AWM-Pulver erforderlich, um die Verbraucherakzeptanz zu bewerten. Bei der sensorischen Analyse würde das AWM-Pulver unter anderem auf seinen Geschmack, sein Aroma, sein Aussehen und seine Textur getestet werden. Diese Informationen sind wichtig, um die Marktfähigkeit von AWM-Pulver zu bestimmen, potenzielle Verbesserungsbereiche zu identifizieren und notwendige Änderungen vorzunehmen, um seine Attraktivität für den Verbraucher zu steigern. Die sensorische Analyse des AWM-Pulvers würde auch von seiner beabsichtigten Lebensmittelanwendung abhängen. Daher ist es wichtig, sensorische Tests auf die spezifischen Anforderungen des Ziellebensmittels oder -pharmazeutikums abzustimmen. Dadurch würde sichergestellt, dass das AWM-Pulver die gewünschten sensorischen Eigenschaften für die beabsichtigte Lebensmittelanwendung erfüllt und für Verbraucher akzeptabel ist.

Das neuartige AWM-Pulver ist reich an Nährstoffen, Mineralien (wie P, K, Ca, Zn und Cu) und Antioxidantien und könnte in großem Umfang bei der Formulierung funktioneller Lebensmittel und als Mineralanreicherungsmittel verwendet werden. Frühere Untersuchungen21 haben gezeigt, dass die physikalischen Eigenschaften des AWM-Pulvers zeigen, dass es sich um ein gut lösliches, frei fließendes Pulver mit guten funktionellen Eigenschaften handelt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass AWM-Pulver ein breites Spektrum potenzieller Lebensmittel- und Non-Food-Anwendungen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie bietet (Abb. 7a). Einige dieser Anwendungen im Lebensmittelsektor könnten die Verwendung in Getränkeformulierungen, Soßen oder als Lebensmittelbeschichtung zur Bereitstellung von Opazität und Weißheit umfassen. In der Pharmaindustrie hat AWM-Pulver potenzielle Anwendungen als Vehikel für bioaktive Verbindungen, bei der Entwicklung klinischer Lebensmittel für Menschen mit besonderen Ernährungsbedürfnissen und als Füllstoff in Pharma- und Lebensmittelprodukten53. Angesichts der wachsenden Bedenken hinsichtlich der Sicherheit der Verwendung des Lebensmittelaufhellers TiO254,55 in Lebensmitteln besteht für Lebensmittelhersteller und Forscher ein dringender Bedarf, alternative Lebensmittelaufheller zu erforschen. Das weiße AWM-Pulver ist ein vielversprechender Inhaltsstoff, der eine natürliche, praktikable Alternative zum Aufhellen von TiO2 darstellt und in einer Vielzahl von Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten verwendet werden könnte53. Die Verwendung oder Dosierung von AWM-Pulver in Lebensmittelanwendungen variiert je nach beabsichtigter Anwendung und Zielprodukt. Verschiedene Lebensmittel stellen unterschiedliche Anforderungen an Farbe, Aussehen, Geschmack, funktionelle Eigenschaften und Nährstoffgehalt, die sich auf die benötigte Menge an AWM-Pulver auswirken. Beispielsweise würde sich die Menge an AWM-Pulver, die für die Einarbeitung in eine Getränkeanwendung benötigt wird, von der Menge unterscheiden, die für den Ersatz von TiO2 als Beschichtungsmaterial für Lebensmittel (z. B. in Bonbons, Bonbons, Kaugummis) oder Backwaren (z. B. Donuts, Kuchen usw.) erforderlich ist. Glasur). Daher müsste die Dosierung von AWM-Pulver sorgfältig kalibriert werden, um sicherzustellen, dass das Zielprodukt seine spezifischen Anwendungsanforderungen erfüllt.

(a) Mögliche Anwendungen des neuartigen sauren Hirsemolkenpulvers. (b) Zeigt die potenziellen Forschungsauswirkungen der Herstellung von AWM-Pulver auf, basierend auf Annahmen, die aus internen Laborexperimenten abgeleitet wurden.

Um die Nachhaltigkeitseigenschaften von AWM-Pulver vollständig zu verstehen, wäre eine Ökobilanz (LCA) erforderlich. Eine Ökobilanz ist eine umfassende Methode zur Bewertung der Umweltauswirkungen eines Produkts über seinen gesamten Lebenszyklus, von der Rohstoffbeschaffung bis zur Entsorgung56. Es würde eine ganzheitliche Sicht auf die Nachhaltigkeit von AWM-Pulver bieten, indem Faktoren wie Ressourcenverbrauch, Energieverbrauch und Abfallerzeugung berücksichtigt würden. Die Ökobilanz würde dazu beitragen, Bereiche zu identifizieren, in denen Verbesserungen vorgenommen werden könnten, um die Umweltauswirkungen der AWM-Pulverproduktion und -verwendung zu minimieren und sie auf lange Sicht nachhaltiger zu machen. Zusätzlich zur Ökobilanz wäre eine Vergleichsstudie erforderlich, um die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von AWM-Pulver zu messen. Die Studie würde die Kosten der derzeitigen Verwendung von Sauermolke (z. B. als Tierfutter oder Kosten für die Behandlung vor der Entsorgung) mit den Kosten für die Herstellung von AWM-Pulver für verschiedene Lebensmittel- und Non-Food-Anwendungen vergleichen. Dies würde es Forschern und Herstellern ermöglichen, die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von AWM-Pulver zu ermitteln und festzustellen, ob es eine kostengünstige Alternative zu den derzeitigen Methoden zur Verwendung von Sauermolke wäre. Eine solche Studie würde wertvolle Informationen zur Bestimmung des kommerziellen Potenzials von AWM-Pulver und zur Entscheidungsfindung über seine zukünftige Entwicklung und Produktion liefern.

Der Einsatz von AW in einer dieser Anwendungen könnte als wertvoller Ressourcengenerator für die Milchindustrie vielversprechend sein. Beispielsweise wurden im Jahr 2015 etwa 1,5 Millionen Tonnen AW erzeugt5. Nach unseren hauseigenen Laborversuchen ergibt die Sprühtrocknung von 100 ml einer 25 %igen AWM-Lösung ~ 7,5 g Pulver. Wenn man dies auf die jährliche Produktion von 1,5 Millionen Tonnen AW hochrechnet, lässt sich daraus schließen, dass ca. 112.500 Tonnen 25 % AWM-Pulver produziert werden könnten (Abb. 7b). Dies hat das Potenzial, erhebliche Einsparungen bei den Transportkosten zu erzielen, die Umweltbelastung durch den AW-Entsorgungsprozess zu verringern und eine neue Einnahmequelle für den Milchsektor zu schaffen.

Da die Weltbevölkerung weiter wächst, ist es wichtig, nachhaltige Ansätze bei der Lebensmittelverarbeitung zu verfolgen. Bemühungen zur Verbesserung der Lebensmittelsysteme in der Milchindustrie müssen nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken und Lebensmittelverarbeitungsvorgänge umfassen, die Lebensmittelverschwendung und Lebensmittelverluste minimieren. Verbraucher sind in Bezug auf Lebensmittelzutaten anspruchsvoller geworden und fühlen sich zunehmend zu natürlichen Etiketten hingezogen. AWM-Pulver bietet Verbrauchern in einigen Lebensmittelanwendungen eine potenzielle natürliche Alternative zu TiO2. Die Eignung des AWM-Pulvers als nachhaltige Alternative zu TiO2 hängt jedoch von den beabsichtigten Anwendungen und der zukünftigen Ökobilanz ab. Das AWM-Pulver ist in Wasser gut löslich und könnte einige der für AW charakteristischen charakteristischen Gerüche und Aromen aufweisen, die bei der Entwicklung von AWM-basierten Formulierungen berücksichtigt werden müssen. Daher ist eine sensorische Analyse mit geschulten Verbrauchergremien von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass AWM-Formulierungen den Erwartungen der Verbraucher entsprechen.

Das in dieser Studie entwickelte AWM-Pulver ist ein innovatives weißes Lebensmittelpulver, das aus nicht ausreichend genutztem Getreide und AW hergestellt wird und dem Milchsektor eine mögliche Lösung für das AW-Abfallproblem bietet. Die Zusammensetzungsanalyse des AWM-Pulvers ergab, dass essentielle Nährstoffe aus Hirse und AW erhalten bleiben, was auf sein Potenzial für die Verwendung in verschiedenen Lebensmittelanwendungen hinweist. Die hier präsentierten Farbanalysen und Nährwertinformationen könnten Wissenschaftlern und dem Milchsektor bei der Produktformulierung zugute kommen und gleichzeitig den Nährwert für Verbraucher, den wirtschaftlichen Gewinn für die Industrie und die Umweltvorteile für die Öffentlichkeit berücksichtigen. Insgesamt liefert diese Studie einen wertvollen Beitrag für die Lebensmittelindustrie, indem sie das Potenzial von AWM-Pulvern als Möglichkeit hervorhebt, Milchabfälle in einen wertvollen Lebensmittelbestandteil umzuwandeln und gleichzeitig in einigen Lebensmittelanwendungen eine sicherere und nachhaltigere Alternative zu TiO2 bereitzustellen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Wir sind dankbar für die Unterstützung durch die Hatch Funds (MO-HAFE0003) des US-Landwirtschaftsministeriums (USDA) für das Food Engineering and Sustainable Technologies (FEAST)-Programm der University of Missouri, Columbia, um diese Forschung zu initiieren. Diese Arbeit wird vom USDA National Institute of Food and Agriculture (NIFA) – AFRI – 2023-67017-39466 unterstützt. Die Abbildungen 1 und 7 wurden mit https://biorender.com erstellt.

Diese Arbeit wurde vom US-Landwirtschaftsministerium (USDA), Agricultural Research Hatch Funds (MO-HAFE0003) und dem Food Engineering and Sustainable Technologies (FEAST)-Programm der University of Missouri, Columbia, unterstützt. Diese Arbeit wird vom USDA National Institute of Food and Agriculture (NIFA) – AFRI – 2023-67017-39466 unterstützt.

Abteilung für Lebensmittel-, Ernährungs- und Bewegungswissenschaft, University of Missouri, Columbia, MO, USA

Mercy Nani & Kiruba Krishnaswamy

Abteilung für Biomedizin, Biologie und Chemieingenieurwesen, University of Missouri, Columbia, MO, 65211, USA

Kiruba Krishnaswamy

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MN: formale Analyse, Untersuchung, Methodik, Datenanalyse, Visualisierung und Schreiben (Originalentwurf, Überprüfung und Bearbeitung). KK: Konzeptualisierung, Ressourcenmanagement, Methodik, Schreiben (Überprüfung und Bearbeitung), Überwachung, Finanzierungseinwerbung und Projektverwaltung.

Korrespondenz mit Kiruba Krishnaswamy.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Nani, M., Krishnaswamy, K. Eine natürliche Bleichalternative aus recycelten Lebensmittelabfällen (Säuermolke) und nicht ausreichend genutztem Getreide (Hirse). Sci Rep 13, 6482 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32204-4

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Eingegangen: 30. November 2022

Angenommen: 24. März 2023

Veröffentlicht: 20. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32204-4

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