Durch die verschiedenen Forschungsplattformen verfügt das DIL über herausragende F&E Kapazitäten, die mit Unterstützung der Geschäftsbereiche effektiv umgesetzt werden können. Das facettenreiche Forschungsspektrum des Instituts wird kontinuierlich vertieft und um neue Kompetenzen ergänzt.
Im Mittelpunkt steht dabei die Schaffung anwenderdefinierter Funktionalität, also die Herstellung von Lebensmitteln mit bestimmten Qualitätsmerkmalen. Weitere Forschungsschwerpunkte sind die Aufdeckung und Behebung von Qualitätsmängeln sowie die Forschung zu Grenzflächen und Emulgatoren.
Ein wesentlicher Vorzug der Forschungsplattform besteht in ihrem apparativen und methodischen Potenzial. Sie ermöglichen die Untersuchung eines breiten Spektrums physikalischer und physikochemischer Stoffeigenschaften. Auch die hierfür erforderliche chemische und mikrobiologische Analytik wird in den Labors des DIL durchgeführt. Das bei der Entwicklung notwendige Scale-up wird in Zusammenarbeit mit den übrigen Bereichen realisiert.
Die Plattform Biotechnologie hat ihren Schwerpunkt in der Forschung und Entwicklung zum Thema Nutzung biologischer Ressourcen für nachhaltige Produkte und Prozesse, die zur Gestaltung attraktiver und sicherer Lebensmittel beitragen. Im Fokus der Arbeiten stehen innovative Konzepte zur biologischen Kontrolle („biocontrol“) entlang der gesamten Lebensmittelkette („vom Acker bis zum Teller“), um letztlich die Sicherheit unserer Lebensmittel zu gewährleisten.
Im Fokus zum Beispiel die Anwendung nützlicher Mikroorganismen in sogenannten Lebensmittelkulturen (Starter- oder Schutzkulturen) oder die Inhibierung bzw. Reduzierung unerwünschter Organismen (Krankheits- und Verderbniserreger) durch lebende Mikroorganismen und/oder deren Stoffwechselprodukte. Durch die Nutzung besonderer Eigenschaften von fermentativen Mikroorganismen kann die sensorische Qualität der Lebensmittel verändert und somit die Attraktivität der Produkte erhöht werden.
Biotechnologie bedeutet aber auch die Nutzung von Teilen der lebenden Organismen zur Herstellung von innovativen Produkten. So stellen z.B. Algen eine Alternative zur Gewinnung von Proteinen dar, aus denen in Zukunft proteinreiche Lebensmittel u.a. im Analog zu Fleischerzeugnissen hergestellt werden. Die Nutzung isolierter Enzyme (Polymerasen) ermöglicht den Aufbau schneller und sicherer Nachweismethoden für Krankheitserreger in Lebensmitteln auf genetischer Basis.
Der Sicherstellung einer dauerhaften Proteinversorgung liegen Innovationen zugrunde, die auf Forschungsaktivitäten im Bereich der Materialwissenschaft sowie auf der Entwicklung neuer Technologien zur Verarbeitung von Rohstoffen basieren. Die Forschungsplattform Proteintechnologie vereint diese Kompetenzen.
Seit der Gründung des Fachbereiches Bioökonomie in 2012 wurde eine umfangreiche Neuausrichtung und Erweiterung der Forschungsplattformen vorgenommen. Die Entwicklungsschwerpunkte am DIL werden seit der Neuausrichtung in den Fachbereichen Petfood-Technologie, Futtermittel- und Fleischtechnologie gesetzt. Diese drei Bereiche bilden zusammen das Mosaik des Forschungsbereiches Proteintechnologie.
Diese neu geschaffenen Kapazitäten bilden den Schlüssel zur integralen Bearbeitung globaler Fragestellungen die innerhalb des Themenfeldes Bioökonomie aufkommen.
Der Fachbereich Petfood-Technologie beschäftigt sich vor dem Hintergrund der Ressourcenverfügbarkeit schwerpunktmäßig mit der Entwicklung neuer Produktkonzepte auf Basis alternativer Proteinquellen. So wird im Rahmen von Forschungsvorhaben derzeit die extrusionsgestützte Substitution pflanzlicher Rohstoffquellen durch Insektenmehl erprobt. Diese könnten aufgrund der effizienten Zuchtmöglichkeiten schon bald eine nachhaltige Lösung im Bereich der Tierernährung darstellen.
Hierbei verknüpft der Fachbereich die am Institut vorhandenen prozesstechnischen Kompetenzen mit dem Know-how im Bereich der Funktionalitäten von Rohmaterialien und den Möglichkeiten der Analytik. Im weiteren Verlauf ist die Umsetzung von neuartigen Apparatekonzepten im hauseigenen Sondermaschinenbau des DIL möglich. Die Aktivitäten im Bereich Petfood sollen weiter intensiviert werden, sodass bedarfsgerechte Lösungen in Industriekooperationen umgesetzt werden können.
Im Bereich Futtermittel werden verfahrenstechnische sowie analytische Problemstellungen bearbeitet. Neben Vermahlung, Mischung und Dosierung der verschiedenen Komponenten sind strukturgebende Prozesse ein wichtiges Instrument, um den Einsatz von Energie, Protein und Fett optimal an die Bedürfnisse des Tieres anzupassen.
Durch das Überwachungsaudit der Deutschen Akkreditierungsgesellschaft (DAKKS) konnten neue Methoden in den Prüfungsumfang aufgenommen werden. Die Zertifizierung gemäß DIN EN ISO/IEC 17025:2005 ermöglicht nun eine noch effizientere und flexiblere Anwendung von Analyseverfahren.
In enger Kooperation mit den Forschungsplattformen des DIL werden hier neuartige Möglichkeiten zur Aufbereitung, Anreicherung und Stabilisierung der landwirtschaftlichen Rohstoffe entwickelt. Insbesondere Methoden zur Verkapselung von Flüssigkeiten und Feststoffen werden erforscht, um die Effizienz der eingesetzten Rohstoffe zu verbessern.
Die Forschungsplattform kann auf eine gefestigte Expertise in den unterschiedlichen Bereichen der Futtermittelkunde zurückgreifen. Neue Erkenntnisse werden in Zusammenarbeit mit Unternehmen und über am DIL stattfindende Industrieseminare zur Mischfutterherstellung anwenderorientiert aufbereitet und weitergegeben.
Das Kompetenzspektrum der Forschungsplattform reicht von der Entwicklung und Anwendung neuer Technologien – wie Hochdruck, ohmsches Erhitzen und gepulste elektrische Felder – über die Produktentwicklung bis hin zu einer umfangreichen Analytik. Insbesondere durch den Einsatz innovativer Technologien konnten verschiedene Konzepte etabliert werden, die die Effizienz und Qualität der Verarbeitungsprozesse in der Fleischproduktion maßgeblich steigern. Durch die Erfahrung mit Strukturbildungs-, Verpackungs- und Haltbarmachungsverfahren werden neue Möglichkeiten für eine rationalisierte Produktion von Fleischwaren unter den Gesichtspunkten Qualität, Effizienz und Nachhaltigkeit aufgezeigt und umgesetzt.
Ein Beispiel dafür ist die Fertigstellung eines Anlagenprototyps zur kontinuierlichen Stoßwellenbehandlung von Fleischstücken. Die Technologie ermöglicht die Zartmachung von Fleischstücken binnen Sekunden, spart dadurch Energie und Kosten und steht kurz vor der Industriereife. Neben den unmittelbaren Aktivitäten in Forschung und Entwicklung (F&E) wurde die Kooperation mit den Partnern des DILs im vergangenen Jahr deutlich intensiviert.
Am Institut werden zahlreiche Seminare, Demonstrationen und Workshops mit in der Region ansässigen sowie international agierenden Unternehmen aus der Fleischbranche ausgerichtet. Ziel dieser Aktivitäten ist es, den direkten Dialog zwischen Entwickler und Anwender zu stärken und auf dieser Basis Know-how effektiv in die Branche zu transferieren. Die Resonanz zeigt, dass sich das DIL über regionale Grenzen hinaus als Kompetenzzentrum für den Bereich der Fleischtechnologie etabliert hat.
Food Data Group bildet die Schnittstelle zwischen Forschungsplattformen und Geschäftsbereichen. Durch themen- und sektorenübergreifende Forschungsaktivitäten soll der Strukturwandel von einer erdöl- zu einer bio-basierten Industrie gefördert werden, verbunden mit großen Chancen für Wachstum und Beschäftigung. Zugleich soll international Verantwortung für die Welternährung, die Rohstoff- und Energieversorgung aus Biomasse sowie für den Klima- und Umweltschutz übernommen werden. Das DIL arbeitet kontinuierlich daran, einer biobasierten Lebensmittelproduktion den Weg zu ebnen. Dabei sollen natürliche Ressourcen genutzt und neue Möglichkeiten zur Verwendung nachwachsende Rohstoffe erschlossen werden. Dies wird durch die Entwicklung neuer, biobasierter Produktionsprozesse ermöglicht. In diesem Zusammenhang konnte der Fachbereich Bioökonomie seine Forschung in den Feldern der alternativen Proteinquellen, der Analysetechnik und der Lebenszyklusanalyse intensivieren.
Darüber hinaus beschäftigt sich das DIL gemeinsam mit internationalen Partnern im Rahmen eines AiF/FEI-geförderten Forschungsvorhabens mit der Entwicklung einer neuartigen Algenverarbeitungstechnologie. Dieses Vorhaben dient nicht nur dem Erhalt unserer Lebensräume, sondern führt auch zu einer Qualitätsverbesserung der Produkte und wirkt sich gesundheitsfördernd aus.
Unsere Ziele
Der Bereich Advanced Research am DIL widmet sich seit Jahren der Entwicklung neuer Technologien sowie deren maßgeschneiderter Implementierung in der Produktion. Grundlegend hierfür sind das erprobte verfahrenstechnische Know-how des DIL und die Möglichkeit zur Realisation neuer Anlagen im industriellen Maßstab durch den hauseigenen Sondermaschinenbau.
Die Entwicklungsschwerpunkte setzt das Institut insbesondere auf schonende Anwendungen zur Inaktivierung von Mikroorganismen (Haltbarmachung) sowie auf physikalische Möglichkeiten zur Optimierung von Strukturen für die Weiterverarbeitung von Rohstoffen. Durch die Verbindung der technologischen Kapazitäten mit einer umfassenden Beratung des Kunden ermöglicht der Bereich Advanced Research einen zielgenauen Technologietransfer aus der Forschung in die Praxis der Lebensmittelproduktion.
Im Rahmen des vom DIL koordinierten EU-Projektes ShockMeat wurde eine neue Technologie zur effizienten Zartmachung von verpackten Fleischwaren entwickelt. Das DIL stellte sich dieser Herausforderung und übernahm den Part der verfahrenstechnischen Entwicklung sowie den anschließenden Bau einer Stoßwellenanlage zur kontinuierlichen Anwendung.
In einem aktuellen Folgeprojekt wird die Stoßwellentechnologie nun zur industriellen Reife weiterentwickelt. Die Stoßwellentechnologie ermöglicht es, die Zartheit von Fleisch durch eine rein physikalische Behandlung zu erhöhen. Der Vorteil: Deutliche Einsparungen von Energie durch die Verkürzung der Reifezeit (von gewöhnlich rund 14 Tagen in der Kühlung auf zwei Tage).
So ist es Herstellern möglich, qualitativ hochwertige Fleischwaren ressourceneffizient zu produzieren und diesen Mehrwert direkt an den Konsumenten weiterzugeben. Bei der Anwendung entlädt sich ein mit Hochspannung von rund 40.000 Volt aufgeladener Energiespeicher in ein Wasserbad und erzeugt eine durch das Wasser und das verpackte Produkt laufende Stoßwelle.
Im Rahmen eines Forschungsvorhabens wird am DIL der Einsatz von gepulstem Licht und Infrarotstrahlung zur Oberflächenentkeimung untersucht. Derzeit wird die Möglichkeit der Entkeimung und Verbesserung der Produktsicherheit bei Fleischwaren bewertet. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich bei Obst und Gemüse, Saaten oder Backwaren. Im Rahmen des Vorhabens wird eine Demonstrationsanlage entwickelt.
Ziel ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Oberflächendekontamination von Lebensmitteln. Wesentliche Verfahrensvorteile sind ein geringer Energiebedarf, kurze Einwirkzeiten und die Möglichkeit zur trockenen Entkeimung. Zukünftig sollen die Anwendungsmöglichkeiten auch auf verpackte Produkte wie Fleisch- und Fleischwaren ausgedehnt werden.
Neben dem Einsatz von gepulstem Licht stehen auch Systeme zur Behandlung mit Infrarot oder Elektronenstrahl zur Verfügung.
Der Einsatz von Druck erlaubt vielfältige Möglichkeiten zur Haltbarmachung und Strukturmodifikation von Lebensmitteln. Das Hochdruckanwendungszentrum des DIL unterstützt Lebensmittelhersteller aber auch Rohstoff- und Anlagenlieferanten im Rahmen von Studien zur Bewertung der Einsatzfähigkeit und erzielbaren Entkeimung, den Auswirkungen der Prozessbedingungen auf Produkteigenschaften und Anlagenlebensdauer sowie der Möglichkeit zur Durchführung von Lohnbehandlungen.
Für die Behandlung mit hydrostatischem Hochdruck steht ein System mit einer Behandlungskapazität von bis zu 2 t/Tag zur Verfügung. Es eignet sich insbesondere zur Verlängerung der Haltbarkeit verpackter Produkte wie Frucht- und Gemüsesäfte, Feinkostartikel, Meeresfrüchten sowie Fleisch- und Wurstwaren. Für eine kontinuierliche Behandlung unverpackter Produkte wurde am DIL eine Pilotanlage mit einem Durchsatz von 380 l/h bei einem Maximaldruck von 3.800 bar entwickelt.
Der Einsatz des als Ultrahochdruckhomogenisation bezeichneten Verfahrens ermöglicht die Funktionalisierung und Haltbarmachung pumpfähiger Produkte in einem Verfahrensschritt. So lässt sich etwa eine fettreduzierte Mayonnaise unter Nutzung von Eigelb als natürlichem Emulgator ohne Zusatz weiterer Zusatzstoffe oder Verdickungsmittel herstellen.
Durch kurze Hochspannungsimpulse (Pulsed Electric Fields, PEF) kann ein schonender Zellaufschluss bei pflanzlichen und tierischen Zellen erreicht werden. Das DIL konnte durch die Identifikation geeigneter Anwendungen und die Entwicklung von industriellen Anlagen das in der Biotechnologie und Medizin unter dem Begriff Elektroporation eingesetzte Verfahren erfolgreich in die Lebensmittelindustrie überführen.
Das Verfahren findet derzeit vor allem bei der Verarbeitung von Kartoffeln bei der Herstellung von Pommes und Snacks sowie zur Haltbarmachung von Fruchtsäften Anwendung. Bei der Verarbeitung von Kartoffeln konnte eine wesentliche Reduktion des Energieverbrauchs (bis 90 %) und des Wasserbedarfs (bis 80 %) im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erreicht werden. In Kooperation mit der Ausgründung ELEA GmbH erforscht der Bereich Advanced Research derzeit weitere Anwendungsfelder in der Lebensmittelverarbeitung sowie der Bioökonomie und (Ab-)wasserbehandlung.
Neben der Nutzung gepulster Felder als nicht-thermisches Verfahren werden weitere Einsatzmöglichkeiten elektrischer Energie zur gezielten und schnellen Erhitzung von Lebensmitteln (Ohmsches Erhitzen) bewertet.
c.hertel@dil-ev.de