Institut for Fødevarevidenskab (KU FOOD)

Forskning i fødevarekemi på KU FOOD

Forskningen i fødevarekemi på Institut for Fødevarevidenskab ved Københavns Universitet (KU FOOD) har til formål at opnå detaljeret mekanistisk viden om de kemiske reaktioner, der forekommer i fødevarer under forarbejdning og opbevaring.

Forarbejdning af fødevarer sker af flere grunde. Man kan fx opnå en længere holdbarhed, hvilket både er vigtigt i forbindelse med en øget eksport, for at brødføde en verden med stigende befolkning og for at reducere madspild ved bedre udnyttelse af råvarer. Termisk forarbejdning af fødevarer (fx pasteurisering, dehydrering) bliver brugt til at mindske mikrobiologisk vækst og forlænge holdbarheden, men det kan skabe en række kemiske og fysiske ændringer i fødevarer, som påvirker tekstur, smag og funktionalitet, og som kan påvirke næringsværdi og i sidste ende vores sundhed. Ikke-termiske processeringsteknologier kan bruges som mildere konserveringsmetoder, og påvirker fødevarekomponenterne anderledes end en varmebehandling. Desuden kan disse mildere teknologier anvendes til at ændre biomolekylernes struktur og funktionalitet i en positiv retning.

Strategiske forskningsområder

Proteiner i fødevarer

Proteiner er meget modtagelige for kemiske forandringer under forarbejdning og opbevaring, fx oxidation, Maillard-reaktioner (ikke-enzymatisk brunfarvning) og reaktioner med phenolforbindelser. Proteiner er vigtige næringsstoffer, og det er vigtigt, at proteinerne i vores kost er af høj ernæringsmæssig kvalitet og ikke beskadiges under forarbejdning og opbevaring. Forskningsvisionen i vores gruppe er at forbedre fødevarekvaliteten ved at forstå komplekse kemiske interaktioner mellem fødevarekomponenter i en bæredygtig fødevareproduktion og at implementere denne viden i et rationelt design af sunde fødevarer. Fødevareproteingruppen fokuserer på tværfaglig forskning i fødevarevidenskab og anvender avancerede analytiske kemiske og biokemiske teknikker til at forstå og forbedre holdbarheden, den sensoriske kvalitet (smag) og de sundhedsmæssige effekter af fødevarer. Vi ser på den grundlæggende udfordring med at forstå kemiske interaktioner mellem fødevarekomponenter under produktion og opbevaring og implementerer denne viden i produktion af vores fødevarer. Af særlig interesse er at kunne mindske og kontrollere ændringer i proteiner, som forringer fødevarekvaliteten og fremkalder en risiko for inflammatoriske og immunogene reaktioner i mennesker. Dette omfatter proteinmodifikationer forårsaget af forarbejdning og processering såsom termisk forarbejdning og eksponering for lys samt modifikationer forårsaget af oxidatorer (dvs. proteinoxidation), reducerende sukkerarter (Maillard-reaktioner/ikke-enzymatisk brunfarvning), polyphenoler og enzymer (endogene og exogene). Vi undersøger, hvordan disse ændringer påvirker smag, farve, molekylær funktionalitet, ophobning af beskadigede proteiner og tab af næringsværdi. Vi tilstræber at forbedre fødevarekvaliteten ved at udvikle strategier til at kontrollere disse kemiske reaktioner under produktion og opbevaring uden at fremkalde negative effekter på menneskers sundhed. Problemstillingen tilgås via to forskellige forskningsvinkler:

Udvikling af nye skånsomme bioteknologier for at reducere eller undgå de ændringer i proteiner, der er ansvarlige for forringelse af fødevarekvaliteten og som kan forbedre proteinfunktionaliteten.
Forståelse af kemiske mekanismer for hvordan proteinmodifikationer dannes i fødevarer, hvilket giver mulighed for specifikke og skræddersyede løsninger til at forebygge eller kontrollere uønskede ændringer i proteiner.

Gruppens fælles tilknytning til KU-SCIENCE og KU-SUND sikrer tæt samspil med tværfaglige eksperter indenfor fødevare- og biomedicinsk videnskab og faciliterer aktiviteter relateret til forståelse af, hvordan fødevarekvalitet påvirker den generelle sundhed og sygdomsprogression hos mennesker.

Kontakt: Professor Marianne Nissen Lund

Fødevarers fysiske og kemiske stabilitet

Forskningen er centreret omkring oxidative ændringer, der påvirker fødevarekvalitet og stabilitet. Den generelle tilgang er baseret på anvendelse af kombinationer af modelsystemer og reelle fødevaresystemer for at opnå både specifikke oplysninger om – og en mere generisk forståelse af – kinetik og mekanismer for kemiske og fysiske reaktioner, der påvirker fødevarers og drikkevarers stabilitet. Et særligt fokusområde er udvikling og brug af Electron Spin Resonance spektroskopi (ESR) til undersøgelser af fødevaresystemer og radikalers rolle som reaktive intermediater, der igangsætter yderligere oxidative ændringer i fødevarer. Et andet fokusområde er undersøgelser af den rolle, som radikale processer spiller under produktion og opbevaring af øl, vin og andre drikkevarer.

Kontakt: Professor Mogens L. Andersen

Fødevareinnovation

Forståelse af reaktionskinetik og termodynamikken i de enzymkatalyserede processer i fødevare- og modelsystemer ved hjælp af enzymanalyser, spektroskopiske eller kromatografiske teknikker. Erfaring med brug af højtryksteknologi til modificering af makromolekylers rumlige struktur og karakterisering af proteindenaturering ved hjælp af differential scannings calorimetri (DSC). Hovedinteressen er den tværfaglige udnyttelse af fødevarevidenskab og kulinariske teknikker i udviklingen af nye fødevarer i samarbejde med små og mellemstore virksomheder, der er opnået i et lille uddannelseslaboratorium kaldet Gastrolab. Specifik viden om fødevarereaktioner og stabilitet under forskellige betingelser kombineret med en videnskabelig platform af analytiske værktøjer er til rådighed som innovative ressourcer for virksomheder der indgår en fælles aftale med henblik på at optimere projektoutputtet.

Reaktionskinetik og termodynamik af fødevareenzymer.
Spektroskopiske teknikker til undersøgelse af proteiners strukturelle egenskaber og reaktioner, herunder absorption og fluorescensspektroskopi under højt hydrostatisk tryk.
Separationsteknikker i proteinkemi, herunder forskellige kromatografiske metoder.
Karakterisering af proteindenaturering ved differentialscanningscalorimetri.
Enzymatisk ekstraktion af fødevarehydrokolloider ved trykjustering af reaktionsbetingelser

Kontakt: Lektor Karsten Olsen

Enzymologi

Enzymer katalyserer mange kemiske reaktioner, som kan have en positiv eller negativ effekt på fødevarer. Det er nødvendigt at forstå reaktionskinetik og termodynamikken i de enzymkatalyserede processer i fødevaresystemer for at kontrollere reaktionen og opnå det ønskede resultat. Kendskab til den underliggende mekanisme og forholdet mellem koncentrationen af enzym og substrat er de vigtigste faktorer i afstemning af enzymatiske reaktioner som hydrolyse, der er ansvarlig for farve, tekstur og smagsforbedring eller nedbrydning. Vi kan vurdere enzymaktiviteten både kvalitativt og kvantitativt ved hjælp af forskellige enzymanalyser i kombination med spektroskopiske og kromatografiske teknikker. Vi ser på forarbejdningseffektiviteten på enzymer. Ved kinetisk modellering af enzymaktiviteter er vi i stand til at forstå aktiverings- eller inaktiveringsmekanismen i forhold til forarbejdningsbetingelser og matrixvariationer, før implementering i fødevareindustrien.

Kontakt: Lektor Karsten Olsen

Design af funktionelle fødevarer

Forarbejdning af fødevarer indebærer forskellige fysiske og kemiske ændringer, der skal kontrolleres for at opnå det ønskede fødevareprodukt. Kendskab til de underliggende mekanismer og relationer mellem processen, funktionelle egenskaber som gelation, emulgering, skummeevne og vandbinding, samt struktur er meget vigtigt for et vellykket resultat. Da strukturen i et fødevareprodukt er baseret på de enkelte komponenters fysiske eller kemiske egenskaber samt indbyrdes relationer, skal forarbejdningen ændre disse egenskaber for at skabe den rigtige funktionalitet. Når forholdet mellem forarbejdning, funktionelle egenskaber og struktur er kendt, kan forarbejdning og fødevaren designes til at være målrettet et bestemt fødevareprodukt. Indenfor design af funktionelle fødevarer fokuserer vi på proces-egenskab-struktur interaktioner i fødevarer, især proteiner, ved at koble fødevareforarbejdningsteknologi og fødevarekemi. Derfor kan skræddersyede funktionelle egenskaber på grund af velkarakteriserede processer udnyttes i produktudvikling. Gennem vores forskning er vi i stand til at designe unikke fødevarer med forbedret struktur, smag eller ernæringsmæssig kvalitet baseret på fysisk-kemisk forståelse af samspillet mellem fødevarekomponenter og matrixeffekter.

Teamet arbejder for at forankre viden og anvendelse om funktionalitet og egenskaber sammen med produktformulerings- og forarbejdningsteknologier for at løse verdens udfordringer med hensyn til fødevarekvalitet og -sikkerhed, folkesundhed og miljømæssig bæredygtighed.

Vi kan hjælpe fødevareindustrien med rationelt fødevaredesign, der dækker en intelligent og målrettet fødevareformulering og -forarbejdningsordning med fokus på, hvordan opskrifter og forarbejdningsteknologier kan optimeres eller udvikles med henblik på at konstruere en struktur og tekstur, som er velsmagende og sikre det ernæringsmæssige indhold.

Kontakt: Lektor Vibeke Orlien

Ikke-termiske forarbejdningsteknologier

Teknologien udvikler sig hurtigt inden for alle videnskaber. Den stigende efterspørgsel efter bæredygtige, mærkede og naturlige fødevareprodukter øger den industrielle bevidsthed om alternative forarbejdningsteknologier. Vi kan levere det videnskabelige grundlag for brugen af nye, ikke-termiske teknologier og dermed støtte kommercielle aktiviteter til udvikling af bæredygtige, sunde, sikre, velsmagende og innovative fødevarer og ingredienser af høj kvalitet. Vi fokuserer på, hvordan disse teknologier påvirker molekyler i forhold til strukturelle ændringer og kemiske reaktioner fra molekylær størrelse til makroskopiske niveauer baseret på molekylær og mekanistisk forståelse. Kendskab til virkningerne af forarbejdnings- og lagringsparametre giver mulighed for ændring af funktionelle egenskaber af fx proteiner (i forhold til fødevaretekstur) og beskyttelse af følsomme forbindelser som lipider (forbedre den kemiske holdbarhed). Makromolekylernes funktionelle egenskaber kan ændres mere selektivt ved ikke-termiske behandlingsteknologier uden de negative bivirkninger af varmeinducerede ændringer i smag og farve.

Højtryk (HP) er en vigtig termodynamisk parameter (1000 - 8000 bar), der påvirker molekylære systemer. HP er et lovende alternativ til konventionel forarbejdning, da HP's indvirkning på biomolekyler er markant forskellig fra den termiske effekt, da energitilførslen ved tryk er meget lavere. HP påvirker molekylære mængder, som destabiliserer de ikke-kovalente interaktioner i makromolekylet, hvilket resulterer i afbrydelse af den tredimensionelle struktur og i sidste ende fører til ændringer i funktionalitet. HP, også kendt som kold pasteurisering, har et stort potentiale til at producere fødevarer med høj kvalitet og unikke sensoriske egenskaber (de særlige kendetegn i de friske råvarer bevares), opretholder den oprindelige næringsværdi (ødelægger ikke vitaminer og antioxidanter), har forlænget holdbarhed (ødelægger patogener og skadelige mikroorganismer) og er miljøvenlig (behøver kun genanvendt vand og elektricitet). Eksempler herpå er reduktion af saltindholdet i svinekødspølser ved HP og nye typer neutrale mælkegeler dannet under HP.

Ultralyd (US) er en ikke-termisk teknologi, der anvender lydbølger med høj intensitet (10 - 1000 W/cm^2),også kendt som effekt ultralyd. US er baseret på den akustiske kavitation, hvor bobler dannes, vokser og kollapser, hvorved der genereres fysiske effekter såsom chokbølge, microjet, turbulens og forskydningskraft. US kan således forårsage fysiske forstyrrelser og anvendes til mange formål, der kræver forstyrrelser såsom emulgering, enzymaktivering eller inaktivering, mikrobiel inaktivering, ekstraktion, skumdannelse, separation af biokomponenter, masseoverførselsforbedring og skæring. Som eksempel kan nævnes brugen af ultralyd-enzym kombination til at forbedre pilningen af rejer uden at gå på kompromis med farve og tekstur.

Kontakt: Lektor Karsten Olsen og lektor Vibeke Orlien

Forskningsudstyr

KU FOOD har en stærk analytisk platform med forskellige kromatografiske teknikker (HPLC, UHPLC, LC-MS/MS, GC-FID, GC-MS) og spektroskopiske teknikker (UV-Vis, fluorescens, langtidsfluorescens, Elektron Spin Resonans).

Ikke-termisk udstyr; højtryksanlæg (HPP), ultralydudstyr, vakuumtørrer, højtrykshomogenisering (HPH).

Differential Scanning Kalorimetri.

Videnskabelig indvirkning og formidling

Vi bygger bro mellem grundvidenskab og anvendt videnskab inden for fødevarekemi og søger at sikre samfundsmæssige effekter gennem et tæt samarbejde med den danske fødevare- og ingrediensindustri. Samarbejdsprojekter finansieres oftest gennem Innovationsfonden, GUDP – Grønt udviklings- og demonstrationsprogram, Danmarks Frie Forskningsfond og EU.

Mindre samarbejdsprojekter finansieres af CPH-Food med projektpartnerne på DTU, hvor små og mellemstore virksomheder forfølger deres ideer om at udvikle nye løsninger til fødevareindustrien. Disse projekter sikrer, at ekspertisen hos KU FOOD kombineres på en integreret måde med innovative virksomheder, der skaber vækst og nye job i branchen.

https://food.ku.dk/nyheder/2016/koebenhavns-universitet-hjaelper-din-virksomhed-med-foedevareinnovation/?newsletter=1&newsletter_id=6014&sid=