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Antioxidant verträgt keinen Sauerstoff: Haltbarkeit von pflanzlichem Carotin leidet stark unter Luftsauerstoff

Hightech-Geräte der EQ BOKU an der Universität für Bodenkultur Wien erlauben genaue Analyse der Einflussfaktoren auf die Haltbarkeit färbender Pflanzenkonzentrate.

Wien, 31. Juli 2019 – Die Haltbarkeit von pflanzlichen Carotinoiden wird bei Lagerung in Pulverform unerwartet stark durch Sauerstoff aus der Umgebung beeinflusst – ein Faktor von großer Bedeutung für die Nahrungsmittelindustrie, dessen Auswirkung sich aber durch optimierte Produktionsprozesse drastisch reduzieren ließe. Dies sind die klaren Ergebnisse einer aufwendigen Studie mit Know-how und Geräten der EQ BOKU, einer Einrichtung, die Angehörigen der Universität für Bodenkultur Wien und externen Kunden wissenschaftliche Präzisionsinstrumente und Kompetenz zur Verfügung stellt. In der vom weltweit führenden Hersteller färbender Pflanzenkonzentrate unterstützten Arbeit wurden verschiedene Prozesse und Formulierungen bei der Produktion von pigmentreichen Karottenkonzentrat-Pulvern verglichen und ihr Einfluss auf deren Haltbarkeit untersucht. Die Ergebnisse haben große Bedeutung für die Nahrungsmittelindustrie, in der färbende Konzentrate aus Obst und Gemüse zunehmend als Farbstoffersatz Verwendung finden. Die Ergebnisse der Studie wurden jetzt in Food Research International veröffentlicht.

Gemüsekonzentrate statt künstlicher Farbstoffe

Karottenkonzentrate sind reich an wertvollen Carotinoiden (speziellen Pigmenten mit antioxidativer Wirkung) und als Färbemittel in der Nahrungsmittelindustrie heiß begehrt. Doch um das satte Orange der Karotte auf Speis & Trank zu übertragen, muss die Struktur der natürlichen Pigmente bewahrt und der Kontakt mit Sauerstoff bis zur Verwendung vermieden werden. Wie das für Pulverprodukte durch eine optimierte Produktion besser als bisher erreicht werden kann, hat nun ein Team um Prof. Henry Jäger vom Institut für Lebensmitteltechnologie der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) ermittelt. Dabei nutzen sie den bestens ausgestatteten Gerätepark der dortigen EQ BOKU, der im Bereich der Lebensmitteltechnologie Prozessschritte und Analysen entlang ganzer Produktionszyklen erlaubt.

Vom Ende bis zum Anfang

Das Team gewann neue Erkenntnisse über den Einflussweg des Sauerstoffs, die es ermöglichen, die Haltbarkeit der Carotinoide im gelagerten Endprodukt massiv zu erhöhen. Dazu gilt es jedoch bereits am Anfang des Herstellungsprozesses von Pflanzenkonzentrat-Pulvern Möglichkeiten zu nutzen, die Struktur des Lagerguts zu beeinflussen. „Tatsächlich ist das Eindringen von Luftsauerstoff in das pigmentreiche Pulverpartikel der größte Einflussfaktor auf die Haltbarkeit des Färbemittels, den wir identifizieren konnten“, führt Klara Haas, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Arbeitsgruppe, die Ergebnisse aus. „Doch durch geschickte Steuerung des Trocknungsprozesses bei der Produktion kann die Gestalt der Pulverpartikel dahingehend beeinflusst werden, dass diese Diffusion von Sauerstoff in das Lagergut stark reduziert wird“.

Einen wichtigen Beitrag zu dieser Struktur liefern sogenannte Trägermaterialien, die bei der Produktion von Pulvern für eine stabile Struktur sorgen. Maltodextrin ist ein oftmals eingesetztes Trägermaterial, das in der nun veröffentlichten Studie durch Gummi arabicum oder modifizierte Stärke ersetzt wurde. Und das mit gutem Grund, wie die Ergebnisse belegen: „Das Trägermaterial kann zwar einen großen Teil des Carotins einschließen und so vor Sauerstoff schützen, doch ein gewisser Teil verbleibt auf der Oberfläche und ist dem Sauerstoff ausgeliefert“, erklärt Prof. Jäger. „Bei Maltodextrin, so fanden wir heraus, befindet sich nach einem Trocknungsschritt über ein Drittel des sensiblen Carotins ungeschützt an der Oberfläche der Pulverpartikel während es bei modifizierter Stärke oder Gummi arabicum nur ein Viertel bzw. ein Fünftel sind. Letztere sind also Trägermaterialien, die besser vor Sauerstoff schützten können.“ Auch die Art der Pulverherstellung beeinflusst die Haltbarkeit enorm – wobei wieder die physische Barriere, die dem Sauerstoff geboten wird, ausschlaggebend ist. Werden die Pulver mittels Gefriertrocknung produziert, befinden sich im Pulverpartikel Mikro- und Nanoporen, die ein schnelles Eindringen von Sauerstoff erlauben. Durch einen optimierten Sprühtrocknungsprozess, bei dem hingegen dichte Partikel mit kleiner Oberfläche produziert werden, kann die Sauerstoffdiffusion während der Lagerung reduziert und damit die Stabilität der färbenden Pflanzenkonzentrate massiv erhöht werden. Dabei sind die optimalen Partikel bis zu über 90 Mikrometer groß. „Größere Partikel bedeuten vor allem, dass proportional mehr Carotinoide innerhalb des Partikels als auf der Oberfläche sitzen und liefern damit einen besseren Schutz vor Sauerstoff“, erläutert Prof. Jäger das Ergebnis.

Antioxidantien – nomen est omen

Zu einem gewissen Maß kann die Oxidation von pflanzlichen Carotinoiden auch durch das Hinzufügen von Antioxidantien wie Tocopherol, Ascorbylpalmitat oder Natriumascorbat reduziert werden. Doch die neuen Ergebnisse zeigen nun aber auch die Grenzen dieser kostentreibenden Maßnahmen, wie Klara Haas ausführt: „Natürlich helfen die Antioxidantien, aber ohne eine entsprechende Mikrostruktur der Pulverpartikel bleibt ihre Wirkung gering. Erst wenn diese Struktur die Diffusion von Sauerstoff durch das Pulver physisch behindert, können diese Zusatzstoffe ihr Schutzpotenzial entfalten. In einem Partikel mit der richtigen Struktur reichen die schon vorhandenen Antioxidantien aus der Karotte aus, um die Carotinoide zu schützen. “

Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse, dass die Haltbarkeit von färbenden Gemüsekonzentraten bei Lagerung als Pulver deutlich erhöht werden kann, wenn in der Produktion ein optimierter Trocknungsprozess sowie modifizierte Stärke oder Gummi arabicum zum Einsatz kommen. Verliert man im Extremfall – ohne diese Maßnahmen – fast 90 % des Carotins innerhalb von 3 Monaten, so reduziert sich dieser Wert bei optimaler Produktion auf unter 10 %. Die genaue Analyse der Haltbarkeit pflanzlicher Carotinoide und verschiedener Produktionsvarianten gelang dem Team der BOKU dabei durch die umfassende Geräteausstattung der EQ BOKU. Hier konnten alternative Produktionsprozesse im Pilotmaßstab durchgeführt und deren Ergebnisse direkt mit modernsten Analysegeräten ausgewertet werden.

Originalpublikationen:

Stabilization of Crystalline Carotenoids in Carrot Concentrate Powders: Effects of Drying Technology, Carrier Material, and Antioxidants. K. Haas, P. Robben, A. Kiesslich, M. Volkert, H. Jaeger. Foods 2019, 8(8), 285. https://doi.org/10.3390/foods8080285

Impact of powder particle structure on the oxidation stability and color of encapsulated crystalline and emulsified carotenoids in carrot concentrate powders. K. Haas, J. Obernberger, E. Zehetner, A. Kiesslich, M. Volkert, H. Jaeger. Journal of Food Engineering 2019. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2019.07.025

Über EQ BOKU

EQ bietet Forschungsorganisationen, Firmen und Hochschulen die kostengünstige Nutzung von state-of-the-art Geräten und Services. Die Expertise und Ausstattung von EQ ist dabei besonders geeignet für folgende Bereiche: Chemie, Biochemie, Genetik, Zellbiologie, Molekularbiologie, Biotechnologie, Nanobiotechnologie, Bioinformatik, Lebensmittelwissenschaften und -technologie, Enzymtechnologie sowie Wasser und Abwasser. EQ ist eine unabhängige Tochtergesellschaft der Universität für Bodenkultur Wien. W: http://eq-vibt.boku.ac.at/

Rückfragehinweis:

Wissenschaftlicher Kontakt
Prof. Henry Jäger
Universität für Bodenkultur Wien
Institut für Lebensmitteltechnologie
Muthgasse 18
1190 Wien
T +43 / 1 / 47654-75233
E henry.jaeger@boku.ac.at
W https://boku.ac.at/

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Posted by on 31. Juli 2019.

Categories: Vermischtes

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