Anwendung von Gashydraten in der Lebensmitteltechnologie

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Verzeichnis der Abkürzungen

Summary

Zusammenfassung

1. Einleitung und Zielstellung

2. Einführung
2.1 Eigenschaften von Gashydraten
2.2 Fruchtsaftkonzentration
2.3 Gemüsesaftkonzentration

3. Kombinierte Methode der Xenonhydratbildung und des Einfrierens
3.1 NMR-Messung der Menge an Monohydrat
3.1 NMR-Messung des Wassergehalts

4. Apfelsaft
4.1 Polyphenole ( Antioxidans)
4.2 Farbe des Apfelsaftes
4.3 Farbemessung
4.4 Farbe Stabilität von Apfelsaft
4.5 Klarheit von Apfelsaft
4.6 Polyphenole und die Farbe des Apfelsaftes
4.7 Enzyme
4.9 Vitamine

5. Ergebnisse Apfelsaft mit Gashydrate (Vorhersagen)
5.1 Versuchsplanung

6 Methoden
6.1 HPLC-Messung Polyphenole
6.2 Polyphenolgehalte mittels RP-HPLC
6.3 Farbmessungen mittels Spektralphotometers
6.5 Bestimmung von Vitamin C in Apfelsaft mittels RQflex

7. Ergebnisse und Diskussionen
7.1 Bestimmung der Polyphenolmenge
7.2 Gehalt Polyphenole ermittelt mittels HPLC
7.3 Farbmessungen bei 420 nm als Maß für Farbe/Bräunung
7.4 Bestimmung der Gehalt an Ascorbinsäure mittels RQflex

8. Statistische Methoden und Statistische Auswertung
8.1 Hypothese
8.2 Pearson Korrelationskoeffizient
8.3 Der Boxplot
8.4 Diskriminanzanalyse
8.5 Häufigkeitsverteilungen

9. Ausblick

10. References

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Vergleich Gesamtphenolgehalts

Abbildung 2: Producing a Frequency

Abbildung 3: Daten Analyse mit SPSS

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Zusammenfassung

Tabelle 2: Gradienten Profil der HPLC für Polyphenolbestimmung

Tabelle 3: Standardabweichungen der Gesamtphenolgehalte Apfelsäfte

Tabelle 4 Versuchplan

Verzeichnis der Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Summary

In this project, the concentration process via gas hydrate formation of tomato juice and orange juice was considered and the effects of temperature and pressure (Li et al. 2015) examined.

The results showed that the removal of water through the Formation of Co2 hydrate is an efficient technology (Li et al., 2015). In addition, other processes in food technology involving the formation of gas hydrates were also considered. For example CXF, which works differently than the concentration process?

The CXF could maintain apple parenchyma tissue more effectively than FAP. The texture quality and cellular integrity of CXF samples were found to be as good as that of fresh samples (Arunyanart et al. 2014).

In addition, the study by the University of Natural Resources and Life Sciences in Vienna was considered to see what health-related differences there are between organic and conventional apple juice.

In addition, this work provides an overview of various methods for determining the parameters that determine the quality of apple juice (e.g. HPLC method for vitamin analysis or enzymes).

Finally, organic apple juices showed higher concentrations of health-relevant such as vitamin C (Garnweidner, 2006).

Statistical methods and evaluations play an important role in the summary of the experiments and therefore they were also considered in this work.

A test plan was set up to examine two different apple juices. A conventional juice should be compared to an apple juice made with gas hydrates.

Four different examination methods were chosen, which means that each sample should be measured at least 8 times and the results should be statistically evaluated. Apple juice with gas hydrates was suspected to be of better quality than conventional apple juice because it was not thermally treated.

Zusammenfassung

In diesem Projekt wurde das Konzentrationsverfahren über Gashydratbildung von Tomatensaft und Orangensaft betrachtet und die Auswirkungen von Temperatur und Druck untersucht.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Entfernung von Wasser durch Bildung von CO2 Hydrat eine effiziente Technologie ist (Li et al., 2015). Zusätzlich wurden auch andere Verfahren der Lebensmitteltechnologie, die die Bildung von Gashydraten beinhalten, betrachtet. Zum Beispiel CXF, welches anders als die Konzentrationsverfahren funktioniert.

Der CXF könnte das Apfelparenchymgewebe wirksamer erhalten als FAP. Es zeigte sich, dass die Texturqualität und die zelluläre Integrität von CXF-Proben genauso gut waren wie die von frischen Proben (Arunyanart et al. 2014).

Außerdem wurde die Untersuchung von Universität Bodenkultur in Wien betrachtet um zu gucken welche gesundheitsrelevanten Unterschiede es zwischen biologischem und konventionellem Apfelsaft gibt. Schließlich zeigten biologische Apfelsäfte höhere Konzentrationen an gesundheitsrelevanten Inhaltsstoffen, wie z.B Vitamin C (Garnweidner, 2006)

Zusätzlich gibt diese Arbeit einen Überblick über verschiedene Methoden zur Bestimmung der Parameter, die die Qualität des Apfelsaftes bestimmen (z.B. HPLC Methode für Vitamin Analyse oder Enzyme).

Statistische Methoden und Auswertungen spielen eine wichtige Rolle für die Zusammenfassung der Experimente und deshalb wurden sie in dieser Arbeit ebenfalls betrachtet.

Es wurde ein Versuchplan zur Untersuchung zwei verschiedener Apfelsäfte aufgestellt. Ein Konventionelle Saft (Thermisch behandelte Saft) soll mit einem Apfelsaft verglichen werden, der mit Gashydraten hergestellt wurde.

Es wurden vier unterschiedliche Untersuchungsmethoden gewählt, das bedeutet, jede Probe sollte mindestens 8 mal gemessen und die Ergebnisse statistisch ausgewertet werden. Es wurde vermutet, dass Apfelsaft mit Gashydraten eine bessere Qualität als konventioneller Apfelsaft hat, weil er nicht thermisch behandelt wurde.

1. Einleitung und Zielstellung

In Rahmen der innovativen Saftherstellung wird stets nach neuen Möglichkeiten zur Verbesserung der Produkteigenschaften gesucht. Der Fokus liegt dabei auf der Qualität des Saftes und der Kostensenkung. Außerdem soll auch ein Mehrwert generiert werden. Dies geschieht durch die gezielte Verwendung von Gashydraten in der Saft- oder Lebensmitteltechnologie. (Li et al. 2014)

In diesem Projekt werden verschiedene Möglichkeiten und Methoden der Anwendungen von Gashydraten in der Lebensmitteltechnologie betrachtet. Zum Beispiel wurde bei der Frucht- und Gemüsesaftkonzentration die Anwendung von Gashydraten als eine sinnvolle Alternative zur thermischen Saftkonzentrierung betrachtet. Außerdem wurde die kombinierte Methode der Xenonhydratbildung und des Einfrierens mit anderen Methoden bezüglich der Qualität von Obst verglichen.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit soll die Anwendung von Gashydraten zur Herstellung von Apfelsaft stehen.

Epidemiologische Studien zeigen den Äpfeln ein krebsvorbeugendes Potential auf, zum Beispiel bei Lungen und Dickdarmkrebs. Der Verzehr von mindestens einem Apfel pro Tag reduziert das Risiko, an Dickdarm-, Brust- und Kehlkopfkrebs zu erkranken (Hümmer, 2009).

Zielstellung der Untersuchung war es, die Methoden zur Qualitätsbestimmung des Apfelsaftes zu beschreiben und das Potential des gashydrat-behandelten Saftes vorherzusagen und mit dem konventionellen zu vergleichen. Dazu wurden vier verschiedene Parameter (Farbe, Vitamine, Enzyme und Antioxidantien in Apfelsaft) untersucht und mit konventionellem Apfelsaft verglichen. Außerdem wurde der Einfluss von Zeit, Temperatur und Druck während des Prozesses untersucht. Zusätzlich wurden Qualitätsunterschiede zwischen biologischen Apfelsäften und konventionellen Säften betrachtet.

Zur Analyse des Apfelsaftes wurden folgende Methoden gewählt: HPLC, Spektrophotometrischer Bestimmung, Reflectoquant System und RPHPLC. Für die statistische Auswertung wurden zusätzlich die Programme Windows Excel, SPSS 11 sowie SPSS 12 verwendet.

2. Einführung

2.1 Eigenschaften von Gashydraten

Gashydrate sind nichtstöchiometrische kristalline Einschlussverbindungen, die sich durch die Kombination von Wasser und "Gas" -Molekülen geeigneter Größe bilden. Typischerweise bilden sich die Gashydraten unter Bedingungen niedriger Temperatur und erhöhten Drucks in einer exothermen Reaktion (Li et al. 2015). Die Gashydrattechnologie ist seit langem bekannt, aber erst vor kurzem wurde das Interesse der Lebensmitteltechnologie an den Gashydraten geweckt (Claßen, 2019). Im Folgenden werden Anwendung von Gashydraten in Frucht- und Gemüsesaftkonzentration miteinander verglichen.

2.2 Fruchtsaftkonzentration

Die Fruchtsaftkonzentration ist ein Verfahren, um Saft zu konservieren und zu transportieren (Li et al., 2014). Um die Kosten für Verpackung und Lagerung während des Transportes zu senken, werden Fruchtsäfte normalerweise konzentriert (Li et al. 2014). Außerdem sieht man, dass die Konzentrate durch die erhöhte Trockenmasse (60-75%) in chemischer und mikrobiologischer Hinsicht stabiler als die Direktsäfte sind. Die üblichen Prinzipien der Konzentration sind zum Beispiel das Eindampfen, Gefrierkonzentrierung oder Membranfiltration (Belitz et al.,1982). Die Methode für konventionelle Apfelsaft ist das Apfelsaftkonzentrat aus dem Saft durch Entzug von ca. 50 % Wasser mittels Vakuumverdampfer zu produzieren (Töpfer, 1999). Eine neue innovative Methode ist die Konzentrierung der Säfte mit Gashydraten. Da dies ein nicht thermisches Konservierungsverfahren ist (Li, 2015), wird mit niedrigeren Temperaturen gearbeitet, wodurch Kosten gespart werden können (Li, 2014).

2.3 Gemüsesaftkonzentration

Die Tomatensaftkonzentration durch die Bildung von Gashydraten ist eine neuartige Methode. Der Einfluss von Druck, Temperatur und Volumen auf die Aufkonzentrierungseffizienz und die optimalen Betriebsbedingungen wurden von Shifeng et al. 2015 untersucht. Es werden eine bestimmte Temperatur und ein bestimmter Druck verwendet, um die beste Aufkonzentrierung zu schaffen. Im Folgenden wird die Methode beschrieben.

2.4 Saft Konzentrierung

Material und Methoden CO2-Hydratphasengleichgewicht

Der Reaktor wurde für einen Druck von bis zu 25 MPa ausgelegt und die Temperatur des Reaktors wurde durch Thermostat mit einer Stabilität von ± 0,1 K um die Zelle gesteuert. Es wurden zwei Pt100-Widerstandsthermometer mit Genauigkeit von 0,1 K verwendet, um die Temperatur des Reaktors zu kontrollieren. Der Druck wurde also gemessen. Die Hydratgleichgewichtsbedingungen wurden durch isochoren Druck gemessen (Li et al., 2015). Danach wurden die Flüssigkeiten (ungefähr 120 ml) in das temperaturgeregelte Bad eingetaucht. Dann wurde Kohlendioxidgas in die evakuierte Zelle eingeführt bis der gewünschte Druck erreicht wird. Der Rührer wurde gestartet, nachdem sich Temperatur und Druck stabilisiert hatten, wurde anschließend die Temperatur gesenkt, um das Hydrat zu bilden. Die Hydratbildung in der Zelle wurde durch den Druckabfall und Temperaturanstieg festgestellt. Die Temperatur wurde dann in Schritten von 0,1 K erhöht. Es dauert mehrere Stunden, um einen Gleichgewichtszustand in der Zelle zu erreichen (Li et al. 2014).

Safthydratkonzentrationsexperiment:

Der Reaktor wurde bei 275,8 K abgekühlt, nachdem 100 ml Saftlösung in den evakuierten Reaktor eingeführt worden waren. Der Reaktor wurde nach Stabilisierung der Zelltemperatur abgesaugt und dann wurde Gashydrat in die Zelle eingefüllt, bis der gegebene Druck erreicht war (Li et al. 2014). Das Gashydrate-Einlassventil wurde geschlossen und der Rührer wurde gestartet, um die Hydratbildung zu initiieren (500 U / min). Während des Versuchs wurden die Temperatur und der Druck aufgezeichnet. Nachdem die Hydratbildung beendet war, wurde der Rührer angehalten (Li et al., 2015).

Rechenmethode:

Die Molzahl während der Hydratbildung kann so berechnet werden (Li et al., 2015).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.5 Schlussfolgerung

Ein neuartiges trennverfahren für die Tomatenkonzentration ist CO2-Hydratbildung. Die Experimente wurden unter verschiedenen Bedingungen des Einsatzdrucks, des Saftvolumen, der Rührgeschwindigkeit und der Temperatur durchgeführt. Die Ergebnisse des Hydratgleichgewichts zeigen, dass der in dieser Methode verwendete Tomatensaft die CO2-Hydratbildung beschleunigen kann (Li et al., 2015).

Vorteil der Tomatensaftkonzentration mit Gashydraten ist das maximale Dehydratisierungsverhältnis von 63,2 %. Dieses wurde bei einem Druck von 3,95 MPa erreicht. Die Konstanten der CO2-Hydratbildungsrate nahmen mit dem ansteigenden Druck zu (von 1.81 bis 3.95) (Li et al., 2015). Das heißt man kann mit bestimmtem Druck und niedriger Temperatur die optimale Konzentration schaffen.

Durch die Bildung von CO2 wurde bei der Orangensaftkonzentrierung der Einfluss von Speisedruck, Temperatur, Saftvolumen und Rührgeschwindigkeit untersucht (Li et al., 2014).

Die Vitamine werden also nicht durch Hitze beschädigt, weil die Temperatur (274,8 bis 279.8 K) niedrig ist (Li et al. 2015). Materialien und Methode sind für Frucht- und Gemüsesaftkonzentration gleich. Zusätzlich werden beide Verfahren durch die niedrigere Temperatur im Vergleich mit der thermischen Konzentration gekennzeichnet.

Vorteile der Saftkonzentration sind, dass man für die Produktion weniger Energie benötigt und durch den höheren Druck und die niedrigere Temperatur kann man trotzdem eine optimale Konzentration erhalten (Li et al. 2014).

Das Dehydratisierungsverhältnis stieg mit zunehmendem Druck und abnehmender Temperatur. Dadurch braucht man für die Produktion weniger Energie. Die Kosten werden gesenkt und das Vitamin C bleibt erhalten (Li et al. 2015). Es ist davon auszugehen, dass der gashydrat­behandelte Saft gesünder ist als der thermisch behandelte, weil er mehr Vitamine enthält.

Aber ein Nachteil der Saftkonzentration ist, dass die Richtgeschwindigkeit fast keinen Einfluss auf das Dehydratisierungsverhältnis hat. Also mit niedrigen Druck bekommt man nicht das optimale Orangensaftvolumen (Li et al. 2014).

3. Kombinierte Methode der Xenonhydratbildung und des Einfrierens

Eine neue Methode zur Konservierung von Apfelgewebe ist die Xenonhydratbildung kombiniert mit dem Einfrieren. Materialien und Methode unterscheiden sich im Vergleich zu der Frucht- und Gemüsesaftkonzentration. Die Anwendung von Gashydraten in der Lebensmitteltechnologie ist also nicht nur für Saftkonzentration geeignet, sondern hat auch Einfluss auf die Qualität von gefrorenem Obst.

Das Einfrieren ist eine ausgezeichnete Methode zur Konservierung und Lagerung von Früchten in der Lebensmittelindustrie. Die dabei entstehenden Eiskristalle dehnen die Gewebematrix allerdings aus, was zu Veränderungen des Zellvolumens und zu einer Schädigung der Zellstruktur führt (Arunyanart et al. 2015). Die Verwendung von Temperaturen zwischen -18 und -25 °C beschreibt das Gefrieren ( Ferri, 2018). Gefrorenes Wasser ist für Mikroorganismen und chemische Reaktionen nicht verfügbar, diese Reaktionen werden aber nicht vollständig gestoppt (Bahceci et al. 2005). Die Immobilisierung von Wasser zu Eis verringert aber die Wasseraktivität (aw) der Nahrung (Bahceci et al. 2005).

Es wurde bei dieser Methode untersucht, wie die Qualität von gefrorenen Früchten unter Verwendung neuartiger Konservierungstechniken verbessert werden kann (Arunyanart et al. 2014), weil die Qualität von Obst in Bezug auf Farbe, Textur und Geschmack für die Verbraucher wichtig ist (Ferri, 2018). Diese Technik zielt darauf ab, den Wassergehalt in Lebensmittelmaterialien durch Eintauchen in eine wässrige Lösung vor dem Einfrieren zu verringern. Vor kurzem wurde die Xenonhydratbildung als innovative Technik zur Konservierung landwirtschaftlicher Produkte eingeführt. Xenon gas wird aufgrund seiner unpolaren Natur und seiner fehlenden Reaktion mit biologischen Materialien zur Konservierung landwirtschaftlicher Produkte verwendet (Arunyanart et al. 2015).

Die Ergebnisse der Verwendung von Xenonhydrat zur Konservierung von Agrarerzeugnissen hatten eine Einschränkung, da die Erhöhung der Xenonhydratmenge mit der Lagerzeit zu einer Schädigung von Zellen und Gewebe führt (Arunyanart et al. 2015). Das heißt, dass das Verfahren nach einer bestimmten Zeit beendet sein sollte, weil sonst keine optimalen Ergebnisse erzielt werden können.

Die Verringerung der durch die Eiskristalle verursachten Frostschäden ist ein Schlüsselfaktor für die Konservierung von gefrorenen Früchten, da Früchte eine große Menge Wasser enthalten. Die Zellstruktur könnte durch Eiskristalle während des Gefrierens zerstört werden.

Die Xenonhydratbildung wird als innovative Technologie zur Konservierung von Früchten angesehen, die sich voraussichtlich für die Tiefkühlkostindustrie eignet. Ziel der Untersuchung

war ein Vergleich der neuen kombinierten Methode der Xenonhydratbildung und des Einfrierens (CXF) mit dem konventionellen Einfrierverfahren (FAP) (Arunyanart et al, 2014). Das konservierte Obst wird auf Farbe, Gleichmäßigkeit von Größe und Form, Fehlerfreiheit und Textur bewertet (Ferri, 2018).

3.1 NMR-Messung der Menge an Monohydrat

Zuerst wurden die Äpfel gewaschen (Ferri, 2018), dann in einen 4 mm x 4 mm x 10 mm großen Gewebeblock geschnitten. Für die Messung wurde Festecho-NMR verwendet um die Menge an Xenonhydrat in einer Apfelparenchym- Gewebeprobe zu messen (Arunyanart et al. 2014). Für das CXF-Verfahren wurde zuerst die optimale Xenonhydratbildung bestimmt und danach wurde die mit Xenonhydrat behandelte Probe bei -20°C eingefroren. Die Xenonhydratbildung wurde durchgeführt, indem ein Apfelgewebeblock in eine Glasröhre mit kernmagnetischer Resonanz (NMR) gegeben wurde. Das Experiment wurde unter einem Xenon- Druck von 1,0 MPa bei 1°C durchgeführt (Arunyanart et al. 2015). Zur Bestimmung die Textur der Proben wurde der Texturanalysator verwendet. Der Penetrationstest wurde als 20 mm in Proben eingestellt. Die Messung wurde für jede Probe 5 mal wiederholt (Arunyanart et al. 2014).

3.1 NMR-Messung des Wassergehalts

Das Relaxationszeit-NMR wurde verwendet (Götz, 2019), um den Wassergehalt in der Zellstruktur der Proben zu bestimmen, wurde Relaxationszeit-NMR verwendet (Arunyanart et al. 2015). Für die Messung Spin-Spin-Relaxationszeit von Protonen bei 20 °C wurde ein gepulstes 25-MHz-NMR-Spektrometer verwendet (Arunyanart et al. 2014).

3.2 NMR-Messungen des Selbstdiffusionskoeffizienten

Zur Messung Selbstdiffusionskoeffizienten (D) von Wassermolekülen in den Proben wurde Stimuliertes Echo-NMR verwendet und die Messung wurde bei 20 °C unter Normaldruck durchgeführt (Arunyanart et al. 2015) und das Gewebe wurde für 2, 4 und 7 Tage unter einem Xenongasdruck von 1,0 MPa bei 1°C gelagert. Die Ergebnisse zeigen, das Xenonhydrat nach einer Lagerung von 2 Tagen gebildet wurde. Durch die NMR-Technik wurde die Menge an Xenonhydrat im Apfelparenchymgewebe bestimmt (Arunyanart et al. 2014).

3.4 Schlussfolgerung

Vorteile sind, dass der CXF für das Apfelparenchymgewebe wirksamer ist als das FAP. Die Ergebnisse zeigen, dass die Texturqualität und die zelluläre Integrität von CXF-Proben genauso gut wie frischen Proben waren. CXF kann also als innovative Technik zur Konservierung von tiefgefrorenen Obstprodukten eingesetzt werden (Arunyanart et al. 2014).

Ein Nachteil ist, dass die Verwendung von Xenonhydrat zur Konservierung von Agrarerzeugnissen eine Einschränkung hat, da die Erhöhung der Xenonhydratmenge mit der Zeit zu einer Schädigung von Zellen und Gewebe führt (Arunyanart et al. 2015).

Bis jetzt haben wir gesehen, dass Gashydrate mit unterschiedlichen Methoden und Zwecken in der Lebensmitteltechnologie benutzt werden können.

Im Folgenden geht es um die Qualitätsbestimmung von Apfelsaft. Außerdem soll der Apfelsaft, der mit Gashydraten behandelt wurde mit dem thermisch konzentrierten Saft vergleichen werden.

4. Apfelsaft

Im Jahr 2013 war Apfelsaft mit 8,4 Litern Verbrauch pro Kopf der beliebteste Fruchtsaft (Knebel, 2015). Im Vergleich mit Deutschland ist Apfelsaft im Iran nicht beliebt.

Für die Herstellung von Apfelsaft werden Vollreife und gesunde Äpfel verwendet. Unreife Äpfel haben einen schwachen Geschmack (Kahle, 2008). Heutzutage haben Fruchtsäfte in ihrem ernährungsphysiologischen Wert eine wichtige Bedeutung. Die wichtigsten Polyphenole in den Säften sind die Säuren. Die Flavonole sind in Spuren nachweisbar (Hümmer, 2009). In diesem Projekt werden verschiedene Apfelsäfte und Saftgewinnungsmethoden miteinander verglichen, um festzustellen, welcher Saft die beste Qualität hat.

Die Technologie der Saftgewinnung hat einen wichtigen Einfluss auf den Polyphenolgehalt des Saftes. Die Maische wird zur Erhöhung der Saftausbeute mit pektinolytischen Enzymen vermischt, dies führt zur Verringerung des Polyphenolgehaltes und der Flavonoide. Eine andere Abnahme des Flavonoidgehaltes passiert bei der Klärung des Saftes (Hümmer, 2009). Bei trüben Säften konnte ein höherer Polyphenolgehalt im Vergleich zu klaren nachgewiesen werden (Majchrzak, 2009).

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