Gelatine
Gelatine ist ein Proteinpolymer, das durch Heißwasserextraktion aus tierischen und Fischnebenprodukten gewonnen wird. Dieses multifunktionale und essbare Protein zeichnet sich durch seine durchscheinende, farblose und spröde Natur (im trockenen Zustand) sowie seine geschmacksneutralen Eigenschaften aus.
Die bei der Gelatineherstellung verwendeten Rohstoffe stammen aus verschiedenen tierischen Quellen wie Schweinehäute, Rinderhäute, Rinder- und Schweineknochen (Ossein) sowie Fischhäute.
Die Ausgangsproteine, aus denen Gelatine entsteht, sogenannte „Kollagene“, gehören zur Familie der Kollagenproteine, die etwa 30 % des gesamten Proteingehalts des tierischen Körpers ausmachen.
Kollagene sind essentielle Strukturproteine, die in verschiedenen Bindegeweben vorkommen, darunter Haut, Knochen, Sehnen, Bänder, Hornhäute, Knorpel, Blutgefäße und Eingeweide. Während des Gelatineherstellungsprozesses werden diese Kollagenproteine teilweise hydrolysiert.
Die bei der Herstellung von Gelatine verwendeten Hauptmaterialien sind tierische und fischbezogene Nebenprodukte, darunter Schweinehäute, Rinderhäute, Rinder- und Schweineknochen (Ossein) sowie Fischhäute.
Inhaltsverzeichnis
1. Herstellung von Gelatine
Gelatine ist ein im Handel erhältliches Protein, das aus tierischem Kollagen gewonnen wird, das in Haut und Knochen vorkommt. Die wichtigsten Rohstoffquellen für die Gelatineproduktion sind Rinderhäute, Rinder- und Schweineknochen sowie Schweinehäute.
Um das Kollagen in heißem Wasser löslich zu machen, benötigt jeder Rohstoff einen spezifischen Vorbehandlungsprozess.
Während des Vorbehandlungsverfahrens erfährt das kollagenhaltige Material eine Reihe von Veränderungen, wie z. B. Schwellung und Erweichung, Vernetzung und Hydrolyse der Peptidbindungen nicht kollagener Proteine. Darüber hinaus werden dem Material verschiedene Verunreinigungen entzogen.
Es gibt zwei Haupttypen von Gelatine: Typ A, der aus mit Säure vorbehandelten Rohstoffen hergestellt wird, und Typ B, der durch alkalische Verarbeitung hergestellt wird.
1.1. Saurer Prozess
Das Säureverfahren wird typischerweise für Schweinsleder und gelegentlich auch für bestimmte Arten von Ossein verwendet. Gewaschene Schweinshäute werden bei niedrigen Temperaturen etwa 24 Stunden lang mit verdünnten Mineralsäuren behandelt.
Diese Vorbehandlung reicht aus, um im Schweinehautkollagen vorhandene säurelabile Peptidbindungen zu spalten. Nach teilweiser Neutralisation wird die Gelatine mit heißem Wasser extrahiert.
Die Extraktion von Gelatine erfolgt normalerweise schrittweise mit sukzessiven Temperatur- und Zeiterhöhungen. Gelatine aus aufeinanderfolgenden Extraktionen weist unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften auf.
Der Ausgangsextrakt hat die höchste Gelstärke und Molekularmasse und ist sehr farblos.
Nachfolgende Extraktionen, die bei erhöhten Temperaturen durchgeführt werden, enthalten einen höheren Anteil an Peptiden mit niedrigem Molekulargewicht, was zu einer geringeren Gelfestigkeit führt und eine intensivere Farbe und Trübung aufweist.
1.2. Alkali-Prozess
Gelatine vom Typ B wird durch Vorbehandlung von Rinderhäuten, Rinder- und Schweineknochen mit Alkali wie Kalk oder Natriumhydroxid bei Umgebungstemperatur hergestellt.
Der Kalkungsprozess dauert mehrere Wochen bis mehrere Monate und entfernt Verunreinigungen, Vernetzungen und Peptide, vor allem solche nicht kollagenen Ursprungs.
Die Äscherzeit ist ein entscheidender Faktor bei der Weiterverarbeitung. Durch Heißwasserextraktion werden verdünnte Lösungen mit 3-10 % Gelatine gewonnen.
Die Lösungen werden filtriert, um Schwebstoffe zu entfernen, deionisiert, um anorganische Ionen zu entfernen, und dann durch Ultrafiltration und Vakuumverdampfung auf 25–35 Gew.-% konzentriert, filtriert und sterilisiert.
Die konzentrierte Lösung wird schnell abgekühlt, um ein Gel zu bilden, und in Form von Nudeln extrudiert, die zum Trocknen mit heißer, sauberer Luft auf ein Edelstahlnetz gelegt werden.
Das Netz durchläuft langsam eine Trockenkammer mit zahlreichen Zonen, in denen Temperatur und Luftfeuchtigkeit kontrolliert werden. Der typische Temperaturbereich variiert zwischen etwa 30 °C und 70 °C in der Endzone.
Die getrocknete Gelatine mit einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 10 % wird gebrochen und gemahlen.
2. Chemische Eigenschaften von Gelatine
Bei der Gelatineproduktion wird das tierische Rohmaterial entweder einer Behandlung mit verdünnter Säure (Verfahren Typ A) oder einer Alkalibehandlung (Verfahren Typ B) unterzogen, um die Vernetzungen zwischen den Ketten, die die thermische Toleranz der Kollagenfibrillen definieren, teilweise zu spalten.
Dieser Abbau führt zur Bildung von „heißwasserlöslichem Kollagen“ oder Gelatine, die mit heißem Wasser extrahiert wird, wodurch die Kollagenfibrillen in ihre einzelnen α-Ketten geschmolzen werden.
Gelatine ist eine polydisperse Mischung aus Proteinfragmenten unterschiedlicher Molekularmasse im Bereich von 15.000 bis >400.000 Dalton.
Seine Zusammensetzung hängt vom Grad der chemischen/thermischen Hydrolyse der α-Ketten und dem Grad der Hydrolyse der Vernetzung zwischen den Ketten ab. Seine Aminosäurezusammensetzung entspricht bis auf Glutamine und Asparagine der des posttranslational verarbeiteten Kollagens, aus dem es gewonnen wird.
Säure- und basenkatalysierte Desamidierungsreaktionen wandeln einige Glutamine/Asparagine für eine vom Typ A verarbeitete Gelatine und die meisten Glutamine und fast alle Asparagine für eine vom Typ B verarbeitete Gelatine in ihre sauren Gegenstücke um.
Aus Schweine- oder Rinderrohmaterial gewonnene Gelatine enthält typischerweise mindestens 11 % Hydroxyprolin, das zur Identifizierung und Quantifizierung verwendet wird.
Die quantitative Analyse von Gelatine zeigt etwa 50,5 % Kohlenstoff, 25,2 % Sauerstoff, 17,0 % Stickstoff und 6,8 % Wasserstoff. Der Aschegehalt variiert je nach Herkunft des Rohstoffs und Art der Verarbeitung.
Aus Schweinsleder gewonnene Gelatine enthält geringe Mengen an Chloriden und Sulfaten aus der Säurebehandlung vor der Extraktion, während aus Knochen und Häuten gewonnene Gelatine Calcium- und Natriumsalze aus dem bei der Vorbehandlung verwendeten Kalk enthält.
Trockene Gelatine, die in luftdichten Behältern bei Raumtemperatur gelagert wird, bleibt über lange Zeiträume stabil, in der Lösung kann es jedoch aufgrund extremer pH-Werte, Temperaturen und proteolytischer Enzyme wie Papain oder Trypsin zu einer Zersetzung kommen.
Gelatine kann chemisch modifiziert werden, um ihre Eigenschaften zu verändern, beispielsweise durch Acylierung, Carbamylierung, Succinylierung, Phthalierung oder Carbamylierung. Diese modifizierten Produkte werden für spezielle pharmazeutische und fotografische Anwendungen verwendet.
Methacrylierte Gelatine ist ein neues Derivat, das für technische Anwendungen geeignet ist. Gelatine kann auch dauerhaft vernetzt werden, indem man sie mit Aldehyden wie Formaldehyd, Glyoxal oder Glutaraldehyd umsetzt.
3. Verwendung von Gelatine
Obwohl Gelatine in erster Linie ein Lebensmittel ist, wird sie nicht nur wegen ihres ernährungsphysiologischen Beitrags, sondern auch wegen ihrer funktionellen Eigenschaften geschätzt. Seine Anwendungen reichen über die Lebensmittelindustrie hinaus und sind in den Bereichen Pharmazie, Kosmetik, Fotografie und Technik wichtig.
Aufgrund ihrer molekularen Struktur und Struktur-Funktions-Beziehung weist Gelatine eine Reihe von Eigenschaften auf, darunter Gelbildung, Wasserbindung, Verdickung, Emulsionsbildung und -stabilisierung, Schaumbildung und -stabilisierung, Filmbildung, Adhäsion/Kohäsion, Schutzkolloidfunktion und Inhibition der Eiskristallbildung.
3.1. Nahrungsmittelindustrie
In der Lebensmittelindustrie werden Speisegelatine und Gelatinehydrolysat häufig als Zutaten für die Herstellung verschiedener Lebensmittelprodukte verwendet.
Unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen erfordern die Herstellung spezifischer Gelatinetypen.
Blattgelatine wird aufgrund ihrer einfachen Abmessung häufig für Haushaltszwecke verwendet.
Für die Zubereitung von Sahnetorten und Desserts ohne Erhitzen stehen spezielle Instantgelatinen zur Verfügung, während Gelatinepulver und Gelatinehydrolysat bei der Verarbeitung von Süßwaren, Milchprodukten, Desserts, Fleischprodukten, Getränken und mehr eingesetzt werden.
3.2. Pharmazeutische Anwendungen
In der pharmazeutischen Industrie wird Gelatine häufig zur Herstellung von Weich- und Hartkapseln, als Füllstoff, zum Überziehen wasserunlöslicher Vitamine, als Hauptbestandteil für chirurgische Schwämme und als Bindemittel in Tabletten verwendet.
Gelatine wird auch als Nahrungsergänzungsmittel zur Linderung von Gelenkschmerzen, zur Verbesserung der Knochengesundheit und zur Verbesserung der Hautschönheit empfohlen.
3.3. Kosmetika
Gelatine und ihre Hydrolysate werden aufgrund ihrer ungiftigen und nicht reizenden Natur häufig in Haut- und Haarpflegeprodukten verwendet.
In Hautreinigungspräparaten reduzieren sie das Reizpotenzial durch anionische Tenside.
In Haarpflegemitteln schützen Gelatinehydrolysate die Haarstruktur und minimieren Schäden an der Haarstruktur und der Haarbiochemie, die durch Dauerwellen, Bleichen oder Färben verursacht werden.
3.4. Fotografie
Gelatine ist ein wesentlicher Bestandteil fotografischer Materialien und macht einen Großteil der Fotoemulsionsfilme aus.
Seine einzigartigen Eigenschaften, wie Sol-Gel-Umwandlung, Interaktivität mit Silberionen, Vernetzbarkeit und Wasserquellfähigkeit, machen es zu einem unverzichtbaren Bestandteil für die Entwicklung latenter Bilder und die Farbstoffbildung während der Verarbeitung fotografischen Materials.
Referenz
- Gelatin; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a12_307.pub2
