Einfluss der Verarbeitungstechnik auf die Polyphenole und antioxidative Kapazität von Apfel- und Beerenobstsäften

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird durch Stufenkontrollen bei der Herstellung von Fruchtsäften geklärt, welchen Einfluss klassische undmoderne Verfahrenstechnologien auf die antioxidativ wirksamen Inhaltsstoffe von Apfel- und Beerensäften haben. Ziel ist es, Fruchtsäftemit hohen, optimierten Gehalten antioxidativ wirksamen Inhaltsstoffe (Polyphenolen, antioxidative Vitamine) bei hoher Stabilität undsensorischer Qualität herzustellen. Dabei müssen in der Fruchtsaftherstellung speziell die Polyphenole auf eine neue Art betrachtet werden.Es wurde hauptsächlich Apfel- und schwarzer Johannisbeersaft untersucht. Weiterhin wurde die Herstellung von Holunder-, Brombeer-,Stachelbeer- und Sauerkirschsaft sowie die Herstellung von Fruchtweinen und die Veränderung von antioxidativ wirksamen Inhaltsstoffenbei der Reifung von Erdbeeren untersucht. Zur Bestimmung der antioxidativen Kapazität in wässrigen Proben wurde der ABTS+.-Radikalkationen-Test (TEAC assay) verwendet undden Anforderungen entsprechend modifiziert. Eine neue Methode zur Analytik der Polyphenole mittels HPLC an einer fluorierten RP-Phaseund einer Detektion mittels DAD und ECD wurde entwickelt. Es zeigt sich grundsätzlich, dass Beerensäfte aufgrund der hohenPolyphenolgehalte eine deutlich bessere Quelle für Antioxidantien für die menschliche Ernährung sind, als Apfelsäfte mit vergleichsweiseeher geringen Polyphenolgehalten. Als wichtigste Einflussgröße zum Erreichen einer hohen antioxidativen Kapazität im Endprodukt zeigte sich die Wahl der Rohware, da sichverschiedene untersuchten Apfel- bzw. schwarze Johannisbeersorten teilweise erheblich in ihren Gehalten an antioxidativ wirksamenInhaltsstoffen unterscheiden. Die Wahl der richtigen, polyphenolreichen Rohware stellt die Grundlage für eine hohe antioxidative Kapazitätim späteren Produkt dar. Bei der Herstellung von Apfelsaft wurden die Einflüsse auf die antioxidative Kapazität und die Polyphenole von Entsaftung,Maischestandzeit, fruchteigener Polyphenoloxidasen, industriellen Entsaftungssystemen, Separation, thermischer Belastung, Lagerung,Schönung mit Gelatine, Ultrafiltration, der Stabilisierung von ultrafiltriertem Saft mit PVPP oder Adsorberharz und Laccase/O2-Behandlungmit anschließender Ultrafiltration untersucht und bewertet. Bezogen auf den frischen Presssaft wurden bei der Herstellung von naturtrübemApfelsaft ein Verlust an antioxidativer Kapazität durch Separation und Oxidation von 20 - 40% festgestellt. Oxidationsprozesse konntendurch eine KZE des frischen Presssaftes unterbunden werden. Die drei Verfahren in Verbindung mit der Ultrafiltration zur Herstellung vonklarem Apfelsaft zeigte hohe Verluste an antioxidativer Kapazität von 45 - 75% und waren der klassischen Gelatine-Schönung mitVerlusten von 25 - 40% unterlegen. Bei der Herstellung von schwarzem Johannisbeersaft wurden die Einflüsse auf die antioxidative Kapazität von Separation, thermischerBelastung, Schönung mit Gelatine, Behandlung mit PVPP oder Bentonit und Konzentratherstellung untersucht und bewertet. Bei allenuntersuchten Verarbeitungsschritten zur Herstellung von schwarzem Johannisbeersaft war die prozentuale Abnahme der antioxidativenKapazität um 10 - 15% und damit geringer als beim Apfelsaft. Die Maischeerwärmung und -enzymierung erweist sich als günstig, da dieExtraktion der Polyphenole verbessert wird und durch die Temperatur fruchteigene Polyphenoloxidasen inaktiviert werden. Holunder-,Brombeer- und Sauerkirschsaft zeigt sich während der Herstellung ähnlich stabil (prozentuale Abnahmen < 20%). Auch bei diesen stark rotgefärbten Säften ist die Schönung mit Gelatine die günstigste Methode zur Klärung des Saftes. Thermische Belastung verändert dieantioxidative Kapazität zwar nicht, ist aber wegen der hohen Verluste in den Gehalten an monomeren Polyphenolen möglichst gering zuhalten. Generell sollte ein zügiger und logistisch gut durchdachter Herstellungsprozess ohne lange Standzeit angestrebt werden und aufProzessschritten und Behandlungsmaßnahmen, die eine starke Abnahme der antioxidativen Kapazität und der Polyphenole verursachen,verzichtet werden. Die Lagerung verringert die antioxidative Kapazität von trübem Apfelsaft und trübem Holundersaft vor allem durch dasAusfallen des Trubes, verändert sich bei klarem Apfelsaft aber nicht, obwohl deutlich Veränderungen bei den Polyphenolen festgestelltwerden. Die Ergebnisse können der Fruchtsaftindustrie zur Hinterfragung von Herstellungsprozessen im Hinblick auf die antioxidative Kapazität undPolyphenole dienen wie auch als Grundlage zur Entwicklung neuartiger Produkte auf Basis von hochwertigen Fruchtsäften verwendetwerden. The objective of the work is the determination of the influence of modern and classic processing techniques on the antioxidant constituentsin apple and berry juices by stepwise control during the production process of the fruit juices. Those antioxidant constituents in fruit juicesare mainly represented by a group of compounds called polyphenols, which meant to have many positive effect on human health. Furtherdeterminations are performed about the influence of the variety, the ripeness and juice storage on the antioxidative capacity of the fruitjuices. The most important antioxidative compounds in apple and berry juices are the polyphenols and in some berry juices L-ascorbic acidespecially in blackcurrant. Apple and blackcurrant juice were chosen because of their great differences in amount and spectra ofpolyphenols, the amount of L-ascorbic acid and the production process. Stepwise control in the production of elderberry, blackberry,gooseberry and sour cherry juice are also carried out. The changes in antioxidative capacity and the contents of antioxidative compoundsare also determined during fruit wine production and the ripening of strawberry. The antioxidative capacity was performed by the ABTS+.-radicalcation-assay which was modified to meet the present demands.Methodological sources of error could be detected and were eliminated. The used principle of measurement for evaluating the antioxidativecapacity is fast and effective. A new method for the analysis of polyphenols by HPLC was developed using a fluorinated RP-phase and Diode-Array-Detection (DAD)and Electrochemical-Detection (ECD). A good separation of the single polyphenols, simultaneous analysis of colourless polyphenols andanthocyanins and a sensitive and informative detection using two detection systems were achieved. Three anthocyanins from blackcurrant juice and two polyphenols from apple juice, all commercially not available, could be isolated. Due to their high polyphenol contents, most berry juices are generally a better source of antioxidants in human nutrition than apple juice,which contains lower amounts of polyphenols. The variety has the greatest influence on the antioxidative capacity of apple and blackcurrantjuice. The amounts of antioxidative components differ widely in different apple as well as blackcurrant varieties. Choosing a polyphenol-richvariety appeared to be the basis for a high antioxidative capacity in the juice. The influence of mash treatment, mash extraction, apple polyphenol oxidase, industrial extraction system, separation, thermal treatment,storage, fining with gelatine, ultrafiltration with following stabilisation by PVPP or adsorber resin and laccase/O2 treatment followed byultrafiltration on apple juice during processing were studied and discussed. The extraction of the mash transfers only 32% of the potentialantioxidative capacity and 43% of the polyphenols into the juice and could be considered as the processing step causing the greatest lossduring juice production. Mash treatment, e.g. a hold for one hour or heating to 60°C, improves the yield of antioxidants after extraction.Different extraction systems such as horizontal press and decanter yield the same antioxidative capacity but different amounts of individualpolyphenols, even though the total polyphenols (measured by the Folin-Ciocalteu method) are similar. Oxidation processes duringproduction and separation decrease the antioxidative capacity and the polyphenols of freshly pressed apple juice 20 to 40%, which couldbe inhibited by heating of the freshly pressed juice to 55....C. All modern processing techniques for the production of a clear juice usingultrafiltration strongly reduce antioxidative capacity as well as the polyphenols (40 - 75%), while fining with gelatine is more gentle (25 -40% decrease). Therefore, fining with gelatine is the favoured method for apple juice clarification. Generally, under the here applied criteriacloudy apple juice could considered to be superior to its clear counterpart. The influence of mash extraction, separation, thermal treatment, fining with gelatine, treatment with PVPP and bentonite and concentrationprocess on blackcurrant juice during processing were studied and discussed. Decrease of antioxidative capacity and polyphenols duringblackcurrant juice processing (extraction, separation, pasteurisation) is 10 to 15%, which is reasonably lower than observed decrease inapple juice processing. Mash heating and depectinisation is recommended due to a better extraction of polyphenols from the mash (59%antioxidative capacity, 64% polyphenols) and inhibition of polyphenoloxidase activity via temperature induced protein denaturation. Thermaltreatment during the concentration process hardly reduces the antioxidative capacity and total polyphenols (Folin-Ciocalteu) but causes amassive decrease in the amounts of individual polyphenols, especially the anthocyanins. Therefore, the concentration process could not berecommended when refering to recent data on the bioavailability of anthocyanins. Elderberry, blackberry and sour cherry show comparable stability during processing (decrease < 20%). As the generally recommendedmethod for the clarification of berry juices occurs the fining with gelatine. The higher amounts of antioxidants and a lower activity of polyphenol oxidases are most likely responsible for the difference in stabilityduring processing of high coloured berry juice and apple juice. Storage of clear juices, apple and elderberry juice, reduces the totalpolphenols as well as the indiviual polyphenols while the antioxidative capacity remains constant. Formation of new antioxidativecompounds, polymeric phenols, maillard product etc., during storage is suggested as a possible reason for the constant antioxidativecapacity. Fermentation during fruit wine processing hardly effects the antioxidative capacity while the amounts of individual polyphenols aredrastically reduced. Taking this observation into account condensation and polymerisation products formed during fermentation shouldposses a similar antioxidative capacity as their basic molecules. Based on the results, clear recommendations for fruit juice production can be confirmed in order to achieve the highest possibleantioxidative capacity and an optimised amount of polyphenols: 1.The choice of polyphenol-rich fruits is the basis for high antioxidative capacity in the juice. 2.Heating of mash or freshly pressed juice to inactivate polyphenol oxidases. 3.A minimisation of processing steps during fruit juice production to avoid unnecessary reductionsof antioxidative capacity and polyphenols. 4.Fast and effective processing lines to avoid unnecessary hold time. 5.Avoiding all processing steps and juice treatments causing a high reduction of antioxidative capacity and individual polyphenols. The possibility of the development of an antioxidant-rich beverage based on various berry juices could be demonstrated. Polyphenols as fruit juice ingredients were considered from a new point of view and their changes during fruit juice processing were newlyvalued. The results represent a useful tool for the fruit juice industry to evaluate fruit juice processing with the focus on antioxidative capacity andindividual polyphenols and provide information for the development of new products with a high antioxidative capacity.