FEI-Projekt: OligoBack

Forschungseinrichtung(en): Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der Technischen Universität München AG Food Biopolymer Chemistry Prof. Dr. Corinna Dawid/Astrid Fischer/Prof. Dr. Katharina Scherf

Technische Universität München TUM School of Life Sciences Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie AG Getreidetechnologie und -verfahrenstechnik Prof. Dr. Thomas Becker/Dr. Thekla Alpers

Projektansprechpartner: Prof. Dr. Katharina Scherf Tel.: +49 8161 71-2719 E-Mail: k.scherf.leibniz-lsb@tum.de

Projektlaufzeit: 30 Monate

Summe: ca. € 525.000,--

Ausgangssituation/Problemstellung: Pflanzliche Speicherproteine werden traditionell anhand ihrer Löslichkeit klassifiziert und in die folgenden Fraktionen eingeteilt: die wasserlösliche Albuminfraktion, die salzlösliche Globulinfraktion, die in wässrigem Alkohol lösliche Prolaminfraktion und die unlösliche Glutelinfraktion, die erst unter reduzierenden und disaggregierenden Bedingungen und erhöhter Temperatur in wässrigen Alkoholen in Lösung gebracht werden kann. Bei Weizenmehl werden hauptsächlich die oligomeren und polymeren Glutenproteinfraktionen mit den Teig- und Backeigenschaften in Verbindung gebracht, da sie die hochmolekularen Gluteninuntereinheiten (HMW-GS) enthält, die für die Glutennetzwerkbildung und damit einhergehende Gashaltefähigkeit des Teigs verantwortlich sind. Allerdings zeigen verschiedene Studien je nach untersuchtem Weizensortiment teilweise eine Korrelation zwischen dem Gehalt an Gluten oder HMW-GS und dem Brotvolumen; teilweise aber auch nicht. Während dies an den jeweils untersuchten Sorten bzw. kommerziell relevanten Sortenmischungen liegen kann, zeigt sich zunehmend, dass die Klassifizierung der Weizenproteine nach klassischem Schema anhand ihrer Löslichkeit keine ausreichenden Aussagen im Hinblick auf die zu erwartende Funktionalität im Teig liefert. Vor dem aktuellen Hintergrund volatiler Ernten gewinnt die Möglichkeit zur akkuraten Vorhersage der Backqualität allerdings zunehmend an Bedeutung.

Forschungsziel: Während Versuche zur Korrelation der Gehalte an verschiedenen Osborne-Fraktionen oder einzelner Proteingruppen in Weizenmehlen und dem Backvolumen bisher keine konsistenten Zusammenhänge zeigten, fokussiert sich das Vorhaben stattdessen auf oligomere Glutenproteine und deren strukturelle Charakterisierung.

Projektkurzbeschreibung:
Mittels alternativer Extraktionsmethoden, welche eine Solubilisierung oligomerer Fraktionen anstrebt, werden miteinander vernetzte oligomere Vorstufen des Polymernetzwerks erhalten, welche anschließend strukturell charakterisiert werden. Entgegen bestehenden Ansätzen sollen somit keine vereinzelten Proteine oder Proteingruppen quantifiziert werden, sondern gezielt polymerisierte Proteine analysiert werden. Eine multivariate Analyse der Ergebnisse der strukturellen Charakterisierung und der Teig- und Backeigenschaften der zugrundeliegenden Mehle soll abschließend die Entwicklung einer photometrischen, spektroskopischen oder elementaranalytischen Schnellmethode zur Vorhersage des Backvolumens ermöglichen.

Die Ziele des Vorhabens basieren auf den Hypothesen, dass (i) die miteinander vernetzten oligomeren Vorstufen des Polymernetzwerks eine bessere Vorhersage der Teig- und Backeigenschaften ermöglichen als monomere Proteine und (ii) nicht-lineare Modelle die Zusammenhänge zwischen dem Gehalt an Oligomeren und der Backqualität eine bessere Modellgüte aufweisen als lineare Vergleichsmodelle, da die zugrundeliegenden Prozesse durch Interaktionen geprägt sind.

Lösungsweg: In AP1 werden zwei verschiedene sortenreine Weizenmehle, eins mit guter und eins mit schlechter Backfähigkeit und vergleichbarer Zusammensetzung an HMW-GS (Dx5+Dy10) beschafft. Diese werden in den Verhältnissen 100+0, 80+20, 60+40, 40+60, 20+80 und 0+100 gemischt, um Korrelationen zwischen der Proteinzusammensetzung und dem Brotvolumen aufzustellen. In einer weiteren Versuchsreihe werden zwei sortenreine Weizenmehle mit den HMW-GS Dx2+Dy12 entsprechend gemischt und untersucht. Die Charakterisierung dieser Mischungen erfolgt zunächst mit dem traditionellen Ansatz, bei dem Albumine/Globuline, Prolamine und Gluteline gewonnen werden, die mittels RP-HPLC analysiert werden. Zudem werden die Teig- und Backeigenschaften (Gashaltefähigkeit, Brotvolumen, Textur) ermittelt. Dies dient als Standardverfahren. Die einzelnen Sorten werden ergänzend mittels SDS-PAGE und GP-HPLC zur Bestimmung der Molekulargewichtsverteilung charakterisiert.

Anschließend werden in AP2 verschiedene neuartige Ansätze zur Trennung von Pflanzenproteinen getestet. Das primäre Ziel der Extraktionsansätze besteht darin, oligomere Vorstufen/Fragmente des Polymernetzwerks zu lösen. Dazu sollen unter anderem mechanisch unterstützte (Ultraschall) und enzymunterstützte Extraktionen aus Teig (unter-, optimal und überknetet) durchgeführt werden. Desweiteren sollen alternative Lösungsmittel zum Einsatz kommen, welche in der klassischen Mehlanalytik bereits genutzt werden, um Aussagen über die Glutenqualität zu erzielen (Milchsäure, SDS, alkalische Lösung).

In AP3 werden die erhaltenen oligomeren Fraktionen mittels Feldflussfraktionierung größenbasiert fraktioniert und mittels eines Multidetektorsystems (MALS-DLS-RI-UV) makromolekular charakterisiert (Molekulargewicht, hydrodynamischer Radius, Konformation). Neben der rein analytischen Fraktionierung soll diese zudem präparativ durchgeführt werden, um die Zusammensetzung der Oligomere mittels untargeted Proteomics-Methoden zu analysieren (AP4). Hierbei werden die Peptidasen Trypsin und Thermolysin eingesetzt, sowie nicht-reduzierende und reduzierende Bedingungen, um Disulfidbindungen vergleichend zu analysieren und überlappende Peptide zu generieren.

In AP5 soll der resultierende Datensatz über Teig- und Backeigenschaften sowie die Quantität und Struktur der (Oligomer)Fraktionen mittels multivariater Methoden ausgewertet werden.

Neben klassischen linearen Ansätzen wie linearer Regression, Elastic Net oder Partial Least Squares Regression sollen zudem nicht-lineare Methoden wie Entscheidungsbäume oder Multivariate Adaptive Regression Splines Einsatz finden, welche komplexe nichtlineare Zusammenhänge in den Daten adäquat erfassen können. Mittels der multivariaten Analyse sollen geeignete Extrakte identifiziert werden, welche eine Modellierung der Teig- und Backeigenschaften erlauben.

Basierend auf den Ergebnissen der multivariaten Analyse soll eine geeignete photometrische, spektroskopische oder elementaranalytische Schnellmethode entwickelt werden, welche eine wissensbasierte Prädiktion der Teig- und Backeigenschaften ermöglicht (AP6). Dazu sollen geeignete Extrakte identifiziert werden, über deren Proteingehalt das Backvolumen modelliert werden kann. Die entwickelte Schnellmethodik soll in AP7 anhand eines kommerziell relevanten Weizensortimentes (20 sortenreine Weizenmehle und 30 kommerzielle Sortenmischungen) validiert werden. AP8 umfasst Projektadministration und -management.

Wirtschaftliche Bedeutung für KMU: Der aktuell beobachtete Rückgang im Rohprotein- und Feuchtklebergehalt bewirkt eine gesteigerte Fokussierung auf Sorteneigenschaften von Winterweizen. Winterweizensorten, welche bei moderaten Proteingehalten ein hohes Backvolumen erzielen, erfahren vor dem Hintergrund der erneuten Novellierung der Düngeverordnung aktuell einen Aufschwung. Die Gründe hinter der gesteigerten Backqualität können allerdings bisher nur bedingt analytisch erfasst werden. Folglich bedarf es alternativer Proteinanalysemethoden, um (i) die strukturellen Ursachen für die bisher mangelnde Korrelation und (ii) eine verbesserte Vorhersagekraft für die Backqualität von Weizen zu entwickeln. Eine kostengünstige, verlässliche Schnellmethode, welche auf strukturell verständlichen Grundlagen aufbaut, ist für die zukünftige Qualitätsbewertung entlang der gesamten Wertschöpfungskette erforderlich, da bislang etablierte Qualitätsparameter wie Rohproteingehalt und Feuchtkleberanteil an Aussagekraft verloren haben. Für Mühlen würde eine verbesserte Rohstoffbewertung und -selektion eine präzisere Klassifizierung und gezieltere Verwertung von Weizenpartien ermöglichen. Die resultierende erhöhte Standardisierung von Weizenmehlen ist für Bäckereien von hoher Relevanz, da die Teigstabilität, Gärtoleranz und das erzielbare Backvolumen durch die funktionellen Eigenschaften des Glutennetzwerks bestimmt sind. Eine verbesserte Standardisierung der Backqualität würde folglich zu einer höheren Prozessstabilität beitragen. Neben der Bedeutung für die Wertschöpfungskette des Weizens könnte dieses Vorhaben mit der Entwicklung neuartiger Proteinanalysemethoden generell zu einer verbesserten Vorhersage des funktionellen Verhaltens pflanzlicher Proteine beitragen. Obwohl die Methode für Weizenmehlproteine entwickelt wird, soll sie perspektivisch auch auf andere pflanzliche Speicherproteine übertragbar sein, um deren Funktionalität vorherzusagen.

Wenn Sie Interesse an einer Mitarbeit im projektbegleitenden Ausschuss haben, wenden Sie sich gerne an: k.scherf.leibniz-lsb@tum.de