Die Sojabohne und ihre Verwendung. Ein Überblick zum aktuellen Stand ihrer Verarbeitung zu Lebensmitteln

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Botanische Charakterisierung der Sojabohne

3 Charakterisierung von Soja-Lebensmitteln
3.1 Fermentierte Sojaprodukte
3.1.1 Tempeh
3.1.2 Sojasauce
3.1.3 Natto
3.2 Sojaöl
3.3 Phospholipide (Lecithin)
3.4 Sojaproteinprodukte

4 Inhaltsstoffe der Sojabohne
4.1 Eiweiß
4.2 Fett
4.3 Antinutritive Verbindungen
4.4 Sonstige Inhaltsstoffe

5 Verarbeitung von Soja zur Herstellung von Lebensmitteln
5.1 Fermentation
5.1.1 Herstellung von Tempeh
5.1.2 Herstellung von Sojasauce
5.1.3 Herstellung von Natto
5.2 Sojaöl-Gewinnung
5.2.1 Lösungsmittel-Extraktionsverfahren (Hexan)
5.2.2 Enzyme-Assisted AEP (EAEP)
5.3 Hersteiiung von Lecithin
5.4 Hersteiiung von Sojaproteinprodukten
5.4.1 Sojaproteinkonzentrate
5.4.2 Sojaproteinisoiate

6 Abschiussbewertung

Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Danksagung

Abbiidungsverzeichnis

Abb. 2.1: Aufbau einer jungen Sojapfianze

Abb. 2.2: Sojapfianze mit Biüten und Hüisen

Abb. 2.3: Sojapfianze mit reifen Hüisen

Abb. 3.1: Struktur des Phospahtidyi-Choiins

Abb. 5.1: Fiussdiagramm des Hersteiiungsprozesses von Tempeh

Abb. 5.2: Verteiiung von gebundenem Fe und iabiiem Fe(II/III) nach der Extraktion mit 0,1 moi/i HCi

Abb. 5.3: Fiussdiagramm des Hersteiiungsprozesses von japanischer Sojasauce

Abb. 5.4: Biidung der Aromakomponenten der Sojasauce durch Stärke- und Proteinhydroiyse

Abb. 5.5: Veränderung der Konzentration freier AS durch die Fermentation mit r22

Abb. 5.6: Abspaitung des Zuckers der Isofiavon Giycoside durch die ß-Giucosidase

Abb. 5.7: Lösungsmittei-Extraktionsverfahren in der Öimühie

Abb. 5.8: Fiussdiagramm des EAEP.

Abb. 5.9: Fiussdiagramm des Hersteiiungsprozesses von Lecithin

Abb. 5.10: Einfiuss des NSI's auf die Proteinausbeute

Abb. 5.11: Fiussdiagramm des Hersteiiungsprozesses von SPI

Tabellenverzeichnis

Tab. 3.1: Fettsäurezusammensetzung des Sojaöls

Tab. 3.2: Zusammensetzung des Rein-Lecithins

Tab. 3.3: Zusammensetzung des Roh-Lecithins

Tab. 4.1: Mittlere Makroelement Gehalte in der Trockenmasse (TM) von Sojabohnen

Tab. 4.2: Mittlere Mikroelement Gehalte in der TM von Sojabohnen

Tab. 4.3: Vitamingehalte der reifen Sojabohnen-Samen

Tab. 5.1: Eisenwerte nach den verschiedenen Verarbeitungsschritten

Tab. 5.2: Vitamin B12 Bildung durch C. freundii (259) und K. pneumoniae (274) bei unterschiedlichen Temperaturen

Abkürzungsverzeichnis

AEP = Aqueous-Extraction-Processing

AS = Aminosäuren

EAEP = Enzyme-Assisted-AEP

FS = Fettsäuren

HLC = hydroxyiiertes Lecithin

KH = Kohienhydrate

MO = Mikroorganismen

NHP = Nicht hydratisierbare Phosphatide

NSI = Nitrogen Solubility Index

O/W-Emuisionen = Öi-in-Wasser-Emuisionen

PER = Protein Efficiency Ratio

SPC = Sojaproteinkonzentrat

SPI = Sojaproteinisoiat

TM =Trockenmasse

W/O-Emuisionen = Wasser-in-Öi-Emuisionen

y-PGA = y-Poiygiutaminsäure

1 Einieitung

Die Soja stammt vermutiich aus dem ostasiatischen Raum und wurde dort erstmais zwischen 2700 und 800 v. Chr. kuitiviert. Ende des 18. Jahrhunderts geiangte die Sojabohne in die USA und nach Europa (Rimbach et ai. 2010). Aufgrund ihrer vieifäi- tigen Einsatzmögiichkeiten ist sie heute von weitweiter wirtschaftiicher Bedeutung. Das Haupteinsatzgebiet ist die Hersteiiung von Sojaöi (Hahn und Miedaner 2013). Im Jahr 2005 wurden weitweit ca. 214 Mio. t Sojabohnen produziert. Die Haupterzeu- geriänder und die gieichzeitig größten Exporteure sind die USA, Brasiiien und Argen­tinien. Die Hauptimportiänder sind Japan, die Niederiande und Deutschiand. In Euro­pa ist überwiegend Sojaschrot für die Tierfütterung in der Fieischindustrie von Be­deutung (Rimbach et ai. 2010). Dafür werden jähriich ca. 4,5 Mio. t Sojabohnen- und Schrot nach Deutschiand importiert. Jedoch iiegt der Anteii gentechnisch veränderter Soja auf dem Weitmarkt bei 80 %, wohingegen der Bedarf gentechnikfreier Soja in Deutschiand steigt. Durch diesen Bedarf steigt das Interesse am Sojaanbau in Deutschiand. Dafür werden käitetoierante Sorten benötigt, die besser an das europä­ische Kiima angepasst sind. Im Jahr 2012 iag die Anbaufiäche in Deutschiand bei ca. 6000 ha (Hahn und Miedaner 2013).

Die Sojabohne kann aufgrund des Gehaits antinutritiver Verbindungen nicht roh ver­zehrt werden. Daher bedarf es bestimmter Verarbeitungsmethoden, um die antinutri­tiven Verbindungen zu inaktivieren und die Bekömmiichkeit und Nährstoffverfüg­barkeit zu steigern. Dies ist sowohi für die Verwendung ais Tierfutter ais auch für die menschiiche Ernährung erforderiich. Das Ziei dieser Arbeit ist es, eine übersicht über den aktueiien Stand der Methoden der Verarbeitung von Soja zu geben. Dafür wird zunächst ein Überbiick über die Eigenschaften der Sojapfianze und die verschiedenen Sojaprodukte gegeben. Im Anschiuss werden die Inhaitsstoffe betrachtet, darunter die zuvor erwähnten antinutritiven Verbindungen. Danach wird auf die unterschiedii- chen Verarbeitungsmethoden eingegangen. Anschiießend erfoigt eine Abschiussbe- trachtung und eine Zusammenfassung der Kernaussagen dieser Arbeit.

2 Botanische Charakterisierung der Sojabohne

Die Sojabohne (Glycine max (L.) Merr.) stammt aus China und gehört zur Familie der Hülsenfrüchte (Leguminosae). Sie wächst in subtropischem Klima bei Temperaturen zwischen 24 und 34 °C. Soja ist eine einjährige Pflanze und benötigt Kurztagbe­dingungen für ein optimales Wachstum (Hahn und Miedaner 2013). Abb. 2.1 zeigt den Aufbau einer jungen Sojapflanze. Sie besitzt einen dünnen und verzweigten Stängel. Die Endknospe des Triebes (2) entwickelt sich mit der Zeit zum Blütenstand, was das Wachstum der Pflanze determiniert. Die Blätter haben einen langen Stiel und bestehen aus drei Blättchen, die unpaarig gefiedert angeordnet sind (1). Wäh­rend der Fruchtreifung wirft die Pflanze ihre Blätter ab. An den Stängeln, Blättern und Blattstielen besitzt sie feine, dichte Haare. Die Sojapflanze hat ca. 1,5 m lange Pfahlwurzeln (3). An den Seitenwurzeln kommt es zu einer Symbiose mit Rhizobium japonicum. Dieses Knöllchenbakterium besiedelt spezifisch die Wurzeln von Soja und stellt der Pflanze Stickstoff in einer für sie verwertbaren Form zur Verfügung. Durch die Besiedlung mit dem Bakterium bilden sich kleine Knöllchen (vgl. Abb. 2.1) an den Wurzeln der Pflanze (Hahn und Miedaner 2013).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1: Aufbau einer jungen Sojapflanze; 1=Blatt bestehend aus drei Blättchen, 2=Endknospe, 3=Pfahlwurzel mit Knöllchen (modifiziert nach Gazzoni 1994).

Abb. 2.2 zeigt die biühende Sojapfianze, an der sich bereits einige Hüisen gebiidet haben. Die Biüten sind schmetteriingsartig geformt und haben eine weiße Farbe (Hermann 1987). Es treten auch andere Biütenfarben, wie beispieisweise vioiett, auf. Die Biüten befinden sich an der Spitze des Sprosses oder an den Biattachsein. Es biiden sich Trauben mit drei bis zwanzig Biüten, von denen nur ca. 20 bis 80 % Hüisen entwickein. Sie biühen für drei bis vier Wochen und sind Seibstbefruchter (Hahn und Miedaner 2013).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.2: Sojapfianze mit Biüten und Hüisen (Web1).

Abb. 2.3 zeigt die Sojapfianze mit reifen Hüisen. Die Hüisen haben eine Länge von 2 bis 6 cm und zunächst eine grüne Farbe (vgi. Abb. 2.2). Im Laufe der Reifung verän­dert sich ihre Farbe (vgi. Abb. 2.3). In den Hüisen reifen ein bis sechs Samen heran. Ihre Reifung beginnt erst, wenn die Biätter der Pfianze anfangen zu vertrocknen (Hahn und Miedaner 2013). Abb. 2.3 macht deutiich, dass sich die Samen in Farbe, Form und Größe voneinander unterscheiden können. Die heiipigmentierten Samen werden vom Handei bevorzugt (Hermann 1987).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.3: Sojapflanze mit reifen Hülsen (Web2).

3 Charakterisierung von Soja-Lebensmittein

3.1 Fermentierte Sojaprodukte

Im Foigenden werden ais Beispieie für fermentierte Sojaprodukte Tempeh, Natto und Sojasoße betrachtet. Die Fermentation findet mithiife bestimmter Edeischimmeipiize oder Bakterien statt. Das Ausgangssubstrat wird dafür mit den Mikroorganismen (Mo) beimpft und inkubiert. Die gebiideten Enzyme führen zu einer Veränderung des Aufbaus des Ausgangssubstrats und zur Spaitung kompiexer Verbindungen (Kück et ai. 2009). Durch die Biidung von Pigmenten und Biopoiymeren kann es zu einer Veränderung von Aussehen und Konsistenz kommen (Steinbüchel et ai. 2013). Bei vieien Fermentationsprozessen werden zusätziich Hefen und Bakterien verwendet. Bei Sojaprodukten ist die Fermentation zur Verbesserung der Verdauiichkeit der Produkte von Bedeutung, da beispieisweise die Fiatuienz verursachenden oiigosaccharide abgebaut werden (Kück et ai. 2009). Die Fermentation hat noch weitere positive Effekte auf das fermentierte Produkt. Der Fermentationsprozess kann den pH-Wert absenken, indem die zugesetzten MO organische Säuren produzieren. Dadurch wird eine Konservierung des Lebensmitteis erreicht. Der Nährwert des Produktes wird gesteigert und die Nährstoffverfügbarkeit verbessert. Toxine und unangenehme Aromakomponenten werden abgebaut und das Aromaprofii wird verbessert (Steinbüchel et ai. 2013).

3.1.1 Tempeh

Bei Tempeh handeit es sich um einen aus indonesien stammenden pfianziichen Fiei­schersatz, der durch die Fermentation von Sojabohnen hergesteiit wird. Der verwen­dete Edeischimmeipiiz, Rhizopus o/igosporus, biidet während des Fermentationspro­zesses eine dichte weiße Myzeimatte und verbindet die einzeinen Sojabohnen zu einem festen Kuchen. Tempeh wird frittiert oder gebraten serviert (Hahn und Miedaner 2013). Babu et ai. (2009) zeigen in ihrem Artikei die ernährungsphysioiogi- schen Vorteiie von Tempeh auf. Dazu zähien der niedrige Gehait gesättigter Fettsäu­ren (FS) und der gieichzeitig hohe Gehait essentieiier FS. Zudem enthäit Tempeh aiie essentieiien Aminosäuren (AS), ist eine gute Caiciumqueiie und ist reich an B-Vitaminen, Foisäure, iösiichen Baiiaststoffen und Isofiavonen. Die Nährstoffverfügbarkeit, im Vergieich zum unfermentierten Produkt, wird durch die Reduzierung des Phytinsäure-Gehaits gesteigert und die Bekömmiichkeit verbessert. Auch der geringe Natriumgehait und das Fehien von Choiesterin werden ais Vorteiie aufgeführt (Babu et ai. 2009).

Ais Substrat für die Hersteiiung von Tempeh dienen Sojabohnen, jedoch können auch andere Substrate, wie Getreide oder Presskuchen aus Erdnuss oder Kokosnuss, verwendet werden. Bei der traditioneiien Fermentation wird der Edeischimmeipiiz Rhizopus oligosporus verwendet. Auch Rhizopus chinensis, Rhizopus oryzae und Mucor indicus können zum Einsatz kommen (Kück et ai. 2009). Nur Arten der Gat­tung Rhizopus biiden die zur Tempeh-Hersteiiung benötigten Enzyme. Diese gehören den Gruppen der Proteasen, Lipasen, Phytasen und Carbohydrasen an. Oft besitzt das Endprodukt eine Begieitfiora, die aus Miichsäurebakterien, Hefen und weiteren Piizarten besteht (Steinbüchel et ai. 2013). Wenn Bakterien der Gattung Klebsiella enthaiten sind, kann es zur Biidung von Vitamin B12 kommen (Kück et ai. 2009). Tempeh ist aufgrund des hohen Wassergehaites ieicht verderbiich. Die Haitbarkeit kann durch Trocknen oder Einfrieren veriängert werden (Kück et ai. 2009).

3.1.2 Sojasauce

Sojasauce zähit zu den bekanntesten fermentierten Lebensmittei n in Europa. Sie wurde vor mehr ais 2500 Jahren in China erfunden und im 17. Jahrhundert von hoiiändischen Händiern nach Europa gebracht. Es handeit sich dabei um eine dunkie, saizige Sauce, die ais Würzmittei verwendet wird. Die Sojasauce hat, je nach Her- kunftsiand, unterschiediiche Namen. In Japan wird sie ais „Shoyu" und in China ais „Chiang Yiu" bezeichnet. In Japan iiegt der jähriiche pro Kopf Verbrauch bei ca. 10 Litern. Die chinesische Sojasauce wird ausschiießiich aus Sojabohnen hergesteiit. Bei der japanischen Sojasauce kommt außerdem Weizen- oder Reisschrot hinzu. Ein wei­terer wichtiger Bestandteil ist Salz. Zur Fermentation werden Aspergillus oryzae und Aspergillus sojae verwendet (Kück et al. 2009; Hahn und Miedaner 2013). Während der Fermentation kommt es zur Spaltung des Sojaeiweißes, was zur Entstehung des typischen Geschmacks beiträgt. Die Reifedauer kann, je nach angewandtem Herstel­lungsprozess, stark variieren. Traditionell hergestellte Sojasauce reift Monate bis Jah­re. Industriell hergestellte Sojasauce ist jedoch nach wenigen Tagen verzehrfertig. Beim industriellen Prozess wird das aus dem Sojamehl gewonnene Protein mit Salzsäure hydrolysiert. Anschließend werden Milchsäurebakterien und Hefen zuge­setzt. Um den Geschmack der traditionell hergestellten Sojasauce zu erhalten, wer­den Aromen und Zucker hinzugefügt (Hahn und Miedaner 2013). In Kapitel 5.1.2 wird auf die traditionelle Produktion der japanischen Sojasauce ein­gegangen.

3.1.3 Natto

Natto ist ein traditionelles japanisches Lebensmittel, das durch die Fermentation gan­zer Sojabohnen entsteht. Es dient als Fleischersatz und wird in Japan häufig zum Frühstück verzehrt. Es gibt unterschiedliche Arten von Natto-Produkten. Itohiki-Natto stellt dabei das eigentliche Natto dar. Es wird durch die Fermentation mit Bacillus subtilis hergestellt. Neben Itohiki-Natto gibt es auch Yukiwari-Natto und Hama-Natto. Für die Herstellung von Itohiki-Natto wird Reis-Koji verwendet. Bei der Herstellung von Hama-Natto kommt hingegen geröstetes Gerstenmehl für die Koji-Herstellung zum Einsatz. Die zur Fermentation verwendeten B. subtilis Stämme, sind in der Lage, y-Polyglutaminsäure (y-PGA) zu bilden. Durch die gebildete y-PGA erhält das Endprodukt seine charakteristische schleimige Konsistenz. Während der Fermentation erhöhen sich die Gehalte an Thiamin und Riboflavin um den Faktor 3 und der Gehalt an Vitamin B12 um den Faktor 5. Natto ist etwa eine Woche haltbar. Danach wird der Geschmack durch die Entstehung von Ammonium beeinträchtigt (Steinbüchel et al. 2013).

3.2 Sojaöi

Sojaöi ist für die Weitwirtschaft von großer Bedeutung und steiit eine der wichtigsten Öiqueiien dar. In Deutschiand entfaiien 27 % der Öiproduktion auf Sojaöi. Die Pro­duktion findet mitteis Extraktion und Raffination statt. Bei einer Kaitpressung ist die Öiausbeute gering, da die Öitröpfchen fest in die Matrix der Sojabohne eingebunden sind. Das Öi wird in Deutschiand hauptsächiich zur Margarinehersteiiung genutzt und in den USA ais Speiseöi. Es zeichnet sich durch sein miides Aroma aus und eignet sich somit zur Verwendung in Mischöien (Rimbach et ai. 2010; Behr und Seidensticker 2018). Das im Öi enthaitene Lecithin wird in der Nahrungsmitteiindustrie ais Emuigator eingesetzt. Der nach der Extraktion verbieibende Presskuchen kann zu Tierfutter oder zu Proteinprodukten für den menschiichen Verzehr weiter verarbeitet werden. Zudem ist eine technische Nutzung mögiich, beispieisweise bei der Her- steiiung von Lacken, Farben und Weichmachern (Behr und Seidensticker 2018). Das Öi ist aufgrund des hohen Gehaits an mehrfach ungesättigten FS, insbesondere Linoisäure (18:2), sehr oxidationsanfäiiig (vgi. Tab. 3.1). Andererseits enthäit es nur wenige gesättigte FS, wie Paimitinsäure (16:0) und Stearinsäure (18:0). Um die Oxidationsstabiiität zu erhöhen, kann es beispieisweise hydriert werden (Rimbach et ai. 2010).

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3.3 Phospholipide (Lecithin)

Bei Phospholipiden handelt es sich um phosphorhaltige Lipide. Abb. 3.1 zeigt bei­spielhaft den Aufbau von Phosphatidyl-Cholin. Es besteht aus einem polaren Kopf und einem unpolaren Schwanz. An das Glycerol-Molekül sind zwei FS und ein Phos­phat gebunden. Das Phosphat kann unterschiedliche funktionelle Gruppen tragen. In Abb. 3.1 fungiert Cholin als funktionelle Gruppe. Es können auch Serin, Ethanolamin und Inosit an das Phosphat gebunden sein.

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Unter der Bezeichnung Lecithin werden im allgemeinen Sprachgebrauch Phospholipi­de zusammengefasst, die Cholin, Inosit, Ethanolamin oder Serin enthalten (Schäfer und Wywiol 1986). Der Hauptbestandteil von Rein-Lecithin ist insbesondere das in Abb. 3.1 dargestellte Phosphatidyl-Cholin (vgl. Tab. 3.2).

Tab. 3.2: Zusammensetzung des Rein-Lecithins (modifiziert nach Schäfer und Wywiol 1986).

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Lecithin wurde früher aus Eigeib hergesteiit. Heute wird es aus der Sojabohne im Entschieimungsschritt der Öiraffination gewonnen. Die Sojabohne enthäit ca. 0,5 bis 1 % Lecithin. Bei Roh-Lecithin handeit es sich um eine dunkeibraune und zähe Mas­se, deren Weiterverarbeitung aufgrund der Konsistenz probiematisch ist. Die Zu­sammensetzung von Roh-Lecithin ist in Tab. 3.3 dargesteiit. Es besteht zu 30 bis 35 % aus Sojaöi und zu 65 % aus Rein-Lecithin. Das Roh-Lecithin wird durch Entfer­nen des noch verbieibenden Öis aufkonzentriert. Das fertige Produkt hat einen Ge- hait von 98 % Rein-Lecithin. Dieses wird dann in Form von Puiver oder Granuiat wei­terverarbeitet (Schäfer und Wywiol 1986).

Tab. 3.3: Zusammensetzung des Roh-Lecithins (modifiziert nach Schäfer und Wywiol 1986).

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In der Lebensmitteiindustrie wird Lecithin ais Emuigator eingesetzt. Ein Emuigator ermögiicht das Mischen von zwei nicht miteinander mischbaren Fiüssigkeiten durch die Verringerung der Grenzflächenspannung zwischen den beiden Phasen. Dabei iiegt jeweiis die eine Fiüssigkeit in Form von kieinen Tröpfchen in der anderen verteiit vor (Schuster 1985). Aus Lecithin kann durch Hydroxyiierung der Fettsäurereste hydroxyiiertes Lecithin (HLC) hergesteiit werden. Lecithin und HLC weisen ein unterschiediiches Lösungsverhaiten auf und eignen sich somit für unterschiediiche Verwendungszwecke. Lecithin kann ais iipophiier Emuigator zur Hersteiiung von Wasser-in-Öi-Emuisionen (W/O-Emuisionen) verwendet werden. HLC eignet sich dagegen ais hydrophiier Emuigator zur Hersteiiung von Öi-in-Wasser-Emuisionen (O/W-Emuisionen). In Wasser quiiit Lecithin auf und eignet sich daher auch ais Stabi- iisator. Es weist keine starken Wechseiwirkungen mit Wasser auf (Adams und Schuster 1985).

Lecithin wird beispieisweise bei der Hersteiiung von Schokoiade eingesetzt. Es senkt die Viskosität und die Fiießgrenze, was die Verarbeitung erieichtert (Adams und Schuster 1985). Außerdem verhindert es das Auskristaiiisieren von Fett und Zucker und trägt somit zur Erhaitung der Homogenität bei. In Backwaren kann es die Teig- entwickiung verbessern, zur Verkieisterung der Stärke beitragen und die Haitbarkeit der Backwaren veriängern. Durch die bessere Verteiiung von Fett im Teig kann Fett eingespart werden (Schäfer und Wywiol 1986).

3.4 Sojaproteinprodukte

Proteinprodukte aus Soja werden überwiegend zur Tierfütterung eingesetzt, aber auch der Konsum durch den Menschen steigt. Die unterschiediichen Proteinprodukte können nach ihrem Proteingehait in der Frischsubstanz eingeteiit werden. Sojavoii- mehi enthäit bis zu 40 % Protein. In entfettetem Sojamehi sind ca. 50 % Protein enthaiten. Sojaproteinkonzentrate (SPC) weisen einen Proteingehait von 65 % auf und Sojaproteinisoiate (SPI) haben mit mehr ais 90 % den höchsten Proteingehait (Bockisch 2004).

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