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Charakterisierung von Nebenprodukten der industriellen Obst- und Gemüseverarbeitung zur Gewinnung nachhaltiger Palmfett-Substitute

Bachelorarbeit 2016 54 Seiten

Lebensmitteltechnologie

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungen und Symbole c

1. Einleitung

2. Stand der Wissenschaft
2.1. Problematik
2.2. Mögliche Alternativen
2.3. Biologie und Botanik
2.3.1. Ölpalme (Elaeis guineensis) 5
2.3.2. Mangobaum (Mangifera indica)
2.3.3. Tamarinde (Tamarindus indica)
2.4. Grundlagen der Lipide
2.5. Bearbeitungsmethoden
2.5.1. Extraktion
2.5.2. Fraktionierung

3. Material und Methoden
3.1. Rohware
3.2. Chemikalien
3.3. Probenvorbereitung
3.4. Fraktionierung
3.5. GC-Analytik
3.6. Statistik

4. Ergebnisse und Diskussion
4.1. Morphologie der Mango und Tamarinde
4.2. Fettgehalt der Mango- und Tamarindenkerne
4.3. Fraktionierungsmethode
4.4. GC-Auswertung
4.5. PCA und
4.5.1. Vergleich aller Fette und Fettfraktionen
4.5.2. Vergleich Palmfett und Palmfettfraktionen
4.5.3. Vergleich Mangokernöl und Mangokernölfraktionen

5. Zusammenfassung

6. Literaturverzeichnis

7. Anhang

Danksagung

Zunächst möchte ich mich bei allen Personen bedanken, die mir die Bearbeitung dieser Bachelorarbeit ermöglicht und mich bei der Durchführung unterstützt haben.

Bei Prof. Dr. habil. Dr. h.c. Reinhold Carle möchte ich mich für die Bereitstellung des Themas und die Ermöglichung des Arbeitens am Lehrstuhl bedanken.

Ich bedanke mich auch herzlichst bei M.Sc. Veronika Lieb für die ausgezeichnete Betreuung während der Laborarbeiten.

Weiterhin gilt mein Dank Dipl.-LM-Ingenieur Christof Björn Steingaß und B.Sc. Amrei Kronmüller, die mich während meiner Zeit am Lehrstuhl regelmäßig unterstützt haben und mir bei Problemen jederzeit zur Seite standen. Weiterhin danke ich auch allen Mitarbeitern des Lehrstuhls für die hervorragende Arbeitsatmosphäre.

Abstract

Palm oil (Elaeis guineensis) is one of the main plant based oils. Long term expansion of cultivation areas in Indonesia associated with huge deforestation and a high carbon footprint (David, 2012) have been raising criticism in the application of palm oil in the food industry. The main focus of this Bachelor thesis was to characterize sustainable palm oil substitutes in particular focus on the fatty acid profile. The second task was to optimize a fractionation method in order to gain stearin and olein fractions.

Two potential substitutes are the kernels of mango (Mangifera indica) and tamarind (Tamarindus indica). The oil was extracted from the kernels and was analyzed after fractionation. The kernels measured 3.30% (mango) and 21.44% of the total mass. The Soxhlet extraction yielded 2.14% oil of tamarind and 8.02% oil of mango kernels. The main fatty acids of palm oil were palmitic acid (C16:0, 38.67%) and oleic acid (C18:1, 39.21%). Saturated fatty acids totally amounted 44.92%. The fractionation separated palm oil into 21.03% stearin and 78.97% olein. In palm stearin, the amount of C16:0 increased, while C18:1 and C18:2c were decreased. On the contrary, linoleic acid (C18:2c, 54.72%) dominated in tamarind kernel oil. The level of saturation was low (26.47%). Low performance of the extraction method prevented the fractionation of tamarind kernel oil. Hence, insufficient yield and a dissimilar fatty acid composition caused the unsuitability of tamarind kernel oil being an appropriate palm oil substitute. Similar to palm oil, the predominant fatty acid of mango kernel oil was oleic acid (C18:1; 48.54%). In addition, stearic acid (C18:0; 31.99%) represented the second most abundant fatty acid. The content of saturated fatty acids (42.62%) was reduced compared to the saturation level of palm oil. Mango kernel oil was fractionated in 46.90% stearin and 53.10% olein. Fractionation increased the content of C18:0 and simultaneously reduced the amount of unsaturated fatty acids in mango stearin. Mango kernel oil was solid at room temperature and consisted of a high content of saturated fatty acids. Except for the relatively low oil yield, mango kernel oil might be an appropriate substitute for palm oil. For using as a direct substitute, further investigations on the extraction method, melting properties or triglycerides pattern are necessary to characterize and analyze more specifically.

Tabellenverzeichnis

Tabelle 3.1: Fette und Fettkombinationen bei der Fraktionierung

Tabelle 4.1: Gewicht und prozentuale Anteile der Mango

Tabelle 4.2: Gewicht und prozentuale Anteile der Tamarinde

Tabelle 4.3: Fraktionierung von Palmrohfett und Mangorohöl

Tabelle 4.4: Fettsäuremuster [%] der untersuchten Roh- und fraktionierten Fette sowie deren Sättigungsgrad

Tabelle 4.5: Vergleich berechneter und analysierter Gehalt an SFA und UFA

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.1: Zusammensetzung Triacylglycerid 8

Abbildung 2.2: verschiedene Fettsäuren 9

Abbildung 2.3: Extraktionsapparatur nach Soxhlet (Matissek et al., 2010) 10

Abbildung 3.1: Derivatisierungsschema zur Bestimmung des Fettsäuremusters 16

Abbildung 4.1: Mangosamen in Mangokernhülse 19

Abbildung 4.2: Methodenentwicklung Fraktionierung 22

Abbildung 4.3: Fraktionen des Palm- (A1, A2, B1) und Mangorohöls (B2) 23

Abbildung 4.4: Dendrogramm der HCA basierend auf den Fettsäureprofilen aller untersuchten Fette und Fraktionen 29

Abbildung 4.5: Faktorenwerte aller untersuchten Fettproben und Fraktionen 30

Abbildung 4.6: Ladungswerte der ermittelten Fettsäuren 31

Abbildung 4.7: Dendrogramm der HCA basierend auf den Fettsäureprofilen von E. guineensis 32

Abbildung 4.8: Faktorenwerte der Palmfettproben und -fraktionen 33

Abbildung 4.9: Ladungsfaktoren aller ermitteln Fettsäuren (>1%) bezogen auf E. guineensis 33

Abbildung 4.10: Dendrogramm der HCA basierend auf den Fettsäureprofilen von M. indica 34

Abbildung 4.11: Ladungswerte der Mangokernölproben und –fraktionen 35

Abbildung 4.12: Ladungsfaktoren aller ermitteln Fettsäuren (>1%) bezogen auf M. indica 35

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Palmfett gehört mit einer jährlichen Produktionsmenge von 45 Mio. Tonnen (Lieberei et al., 2012b) zu den meistgenutzten Pflanzenfetten weltweit. Der größte Anteil des Fettes der Ölpalme (Elaeis guineensis) wird in der Lebensmittelindustrie eingesetzt (Corley et al., 2007). Die Anwendungsbereiche von Palmfett sind dabei vielfältig und reichen von beispielsweise der Herstellung von Kartoffelchips sowie anderen Snacks, Backwaren bis hin zur Produktion von Eiscreme (Petersen, 2015a). Gründe für das breite Anwendungsspektrum sind die positiven sensorischen und physikalischen Eigenschaften des Palmfetts. Durch seinen hohen Schmelzpunkt, Geschmacksneutralität, seine hohe Stabilität gegenüber Hitze und Fettverderb, sowie einen geringen Preis qualifiziert sich Palmfett als ideales funktionales Lebensmittel (Chow, 2008; Corley et al., 2007; Petersen, 2015b). Jedoch ist dessen Einsatz in der Lebensmittelbranche in den letzten Jahren vermehrt in die Kritik der Öffentlichkeit geraten. Großflächige Rodungen von Primärurwaldflächen sowie Torfmooren zur Gewinnung neuer Anbauflächen bewirkten in Indonesien und Malaysia steigende CO2-Emissionen (David, 2012). Neben renommierten Organisationen wie der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) oder World Wide Fund For Nature (WWF) nehmen auch die Medien und die Verbraucher die ökologischen Auswirkungen des dominierenden Palmfettkonsums wahr. Züchtungen der Ölpalme zu hoher Ölausbeute wie auch geeigneter Fettsäurezusammensetzung und Schmelzeigenschaften erschweren jedoch die Suche nach geeigneten Palmfettsubstituten. Mögliche Alternativen sind daher im großen Maßstab bislang nicht existent. Nachhaltige Substitute aus bei der Obst- und Gemüseverarbeitung anfallenden Reststoffen sollen neue großflächige Anbaugebiete schonen. Sowohl die Kerne der Mango (Mangifera indica L.) als auch die der Tamarinde (Tamarindus indica L) entsprechen den obigen Kriterien. Die weltweite Mangoproduktion lag 2013 bei 42,66 Mio. Tonnen (FAO, 2013). Die bei der Produktion anfallenden Kerne bleiben jedoch bis dato ungenutzt und stellen darüber hinaus eine erhebliche Umweltbelastung dar (Chow, 2008). Auch bei der Aufbereitung von Tamarinden fallen jährlich allein in Indien 100.000 Tonnen Samen an (Lieberei et al., 2012a). Aufgrund der vielversprechenden Mengen an Rohmaterial, sollen im Rahmen dieser Bachelorarbeit die Kerne der Mango und der Tamarinde auf ihre Eignung als Palmfettsubstitut untersucht werden. Dazu wurden die Früchte morphologisch untersucht und das Öl aus den Kernen nach Soxhlet extrahiert. Das Fettsäureprofil wurde mittels GC-FID bestimmt und ein dreistufiges Fraktionierungsschema optimiert. Die Ergebnisse wurden anschließend auf Basis multivariater Statistik ausgewertet (HCA und PCA).

2 Stand der Wissenschaft

2.1 Problematik

Nach Lieberei et al., 2012b beläuft sich die jährliche Weltproduktion an Palmfett auf über 45 Millionen Tonnen (Stand 2009). Im Vergleich zur Produktionsmenge (bezogen auf die Masse) anderer Pflanzen und Früchte, die zur Ölherstellung verwendet werden, nimmt die Ölpalme (Elaeis guineensis) den vierten Platz hinter Raps, Sojabohne und Kokosnuss ein. Darüber hinaus steigen der weltweite Bedarf und die damit einhergehende Produktion an Palmfett schon seit Jahren stark an. Seit 1961 hat sich die weltweite Produktion um das 30fache erhöht. Über 80% der Weltproduktion stammt aus den beiden angrenzenden Inselstaaten Indonesien (20,5 Mio. t) und Malaysia (17,5 Mio. t), was verheerende Auswirkungen auf das lokale Ökosystem hat (APFC (FAO), 2011).

Malaysia besitzt die am meisten ausgereifte Palmfettindustrie. Daraus resultierte jedoch in jüngerer Vergangenheit eine Erschöpfung der Agrarflächen. In Malaysia sind mangels Möglichkeiten für Arbeits- und Standorterweiterungen weitere Großprojekte nicht mehr möglich (Guerts, 2000). Mehrere malaysische Unternehmen begannen daher in andere Staaten, beispielsweise Indonesien, zu investieren (Corley et al., 2007). Die indonesischen Primärurwälder (vor allem auf Sumatra, Papua und in Kalimantan) sind die zweitgrößten Urwaldgebiete der Erde. Allerdings weist Indonesien weltweit (Stand 2012) auch die höchste Entwaldungsrate auf (Margono et al., 2014). Die Hauptstandorte der Plantagen befinden sich in Kalimantan, auf Sumatra und dem indonesischen Inselteil Borneos. In Teilen Sumatras ging die Fläche an Primärurwald seit 1982 um 50% zurück, aber auch die Urwaldbestände in anderen Teilen des Inselstaates schwinden seither (Long, 2009). Seit 2000 beläuft sich die Fläche an gerodetem Primärurwald (Stand 2012) auf über 6 Mio. ha. Weitere Großprojekte zum Anbau von Palmplantagen sind geplant (Reuters, 2012). Dies liegt vor allem daran, dass die ökonomischen Vorteile den ökologischen Aspekt übersteigen. Entschädigungszahlungen als Maßnahme für Abholzungsverzicht greifen nicht, da die Zahlungen in keinem Verhältnis zur Gewinnspanne stehen (Hunt, 2010).

Zusätzlich zur schwindenden Biosphäre entstehen durch den Anbau von Palmfettplantagen erhebliche CO2-Emissionen. Riesige Flächen Primärurwald werden mit Maschinerie und Brandrodung für die Plantagen urbar gemacht. In vielen Regionen besteht der Waldboden aus Torfmooren, die besonders viel CO2 speichern und das Gas bei Waldbränden in die Atmosphäre abgeben. Indonesien ist aufgrund der vielen Wald- und Torfmoorbrände zur Erschließung von Anbauflächen weltweit der drittgrößte Verursacher der globalen Klimaerwärmung (David, 2012).

Die Gründe für die massenhafte Produktion von Palmfett sind auf die einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften zurückzuführen. Dank großer Verbesserungen in den letzten 50 Jahren lässt sich Palmfett mittlerweile qualitativ aufbereiten und fraktionieren. Aus der damit einhergehenden Varianz der Eigenschaften resultiert eine breite Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Palmfett findet vor allem bei Lebensmitteln wie Margarine oder Schokolade zur Steigerung der Streichfähigkeit oder Konsistenzgebung Verwendung. Darüber hinaus wird es aufgrund seiner Hitzestabilität bei Back- und Frittierprozessen eingesetzt. In den Herkunftsländern wird es häufig als Speiseöl genutzt (Petersen, 2015a). Nach Corley et al., 2007, bildet der Einsatz in der Lebensmittelindustrie mittlerweile den größten Anteil der Palmfettnutzung und ist damit hauptverantwortlich für die grassierenden Missstände und Umweltschäden, die mit dem Palmfettanbau verbunden sind.

2.2 Mögliche Alternativen

Alternativen zu Palmfett müssen in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften vor allem dem fraktionierten Palmstearin ähneln. Dieses ist primär aufgrund seines hohen Schmelzpunkts und der Hitzebeständigkeit für die Lebensmittelanwendung hoch interessant. Mit einem Schmelzpunkt von rund 36 °C (unfraktioniert) ist Palmfett eines der wenigen festen pflanzlichen Öle. Hochschmelzendes Palmstearin besitzt sogar einen Schmelzpunkt von weit über 40 °C (Corley et al., 2007). Dies ist vor allem auf den hohen Gehalt an Palmitinsäure (C16:0) (39–47,5%) zurückzuführen. Neben der Palmitinsäure bildet Ölsäure (C18:1) mit einem Anteil von 36–40% die zweite Hauptfettsäurekomponente (Talbot, 2015). Alternativen zu Palmfett müssen demzufolge einen ähnlich hohen Schmelzpunkt besitzen und darüber hinaus sensorisch neutral sein. Ein Einsatz als Lebensmittelzusatz ist bei gustatorisch und olfaktorisch wirksamen Ölen schwierig, da sie die sensorischen Eigenschaften des eigentlichen Produkts nicht verändern sollen. Des Weiteren muss das Produkt in signifikanter Menge zugänglich sein. Ein Produkt, das als Palmfettsubstitut erst im großen Maßstab angebaut werden muss, würde vermutlich zu einer ähnlichen ökologischen Debatte führen. Tierische Fette könnten zu ethischen und religiösen Diskussionen führen und sind keine Grundlage vegetarischer Gerichte. Das Augenmerk bei der Suche nach Palmfettsubstituten liegt auf Nebenprodukten der industriellen Obst- und Gemüseverarbeitung. Die Lipidzusammensetzung vieler der im okzidentalen Raum angebauten Früchte ist weitestgehend erforscht. Die Orientierung liegt daher primär an Nebenprodukten der Verarbeitung tropischer Früchte.

Eine weitere Schwierigkeit bildet der hohe Ölanteil (50–70%) (Lieberei et al., 2012a). Aus dem den Samen der Ölpalme können 40–52% Palmkernöl gewonnen werden.

Eine nachhaltige Alternative mit ähnlich hohem Ertrag ist bis dato nicht bekannt. Demnach müsste eine Alterative in großen Mengen zugänglich sein, um den hohen Fettanteil auszugleichen.

Eine mögliche Alternative wäre die Mango (Mangifera indica L.). Mit einer weltweiten Produktionsmenge von über 42,66 Mio. t (FAO, 2013) besitzt die Mango die größte Produktionsmenge aller bekannten Alternativen. Nach Chow, 2008 macht der Samen der Mango einen Massenanteil von 15–24% aus, der weitestgehend ungenutzt bleibt. Ungeachtet der ungenutzten Fettquelle, stellen die Abfälle (Schalen und Kerne) der Mangoproduktion eine erhebliche Umweltbelastung dar. Das Fett des Samens wird bislang zum größten Teil als kosmetisches Mittel verwendet. Vor allem die hohen Anteile an Stearinsäure (C18:0) und Ölsäure (C18:1) lassen auf ein hochschmelzendes Fett schließen. Je nach Literaturangabe schwanken die Werte allerdings zwischen 24–49% (Stearinsäure) und 33–53% (Ölsäure) (Bringi & Padley, 1977; Baliga & Shitole, 1981; Lakshminarayana et al., 1983; Ali et al., 1985; Dhingra & Kapoor, 1985; Talbot, 2015).

Eine weitere interessante Frucht ist die Tamarinde (Tamarindus indica L.). Jährlich fallen bei der Aufarbeitung der Früchte allein in Indien 100.000 t Samen an (Lieberei et al., 2012a), welche schon von Andriamanantena et al., 1983 und Pitke et al., 1977 untersucht wurden. Als mögliche Alternative für Palmfett kämen die Tamarinden vor allem aufgrund des von Andriamanantena et al., 1983 ermittelten hohen Gehalts an langkettigen Fettsäuren in Frage.

Zudem stellt Rambutan (Nephelium lappaceum L.) eine vielversprechende Alternative als Palmfettsubstitut dar. Die geerntete Menge an Rambutan beläuft sich auf rund 500.000 t jährlich (Thitilertdecha et al., 2010). Zur Ölherstellung interessant sind die Samen, welche 4–9% der gesamten Fruchtmasse betragen (Issara et al., 2014). Solís-Fuentes et al., 2010 ermittelten einen Fettgehalt von 33,4%, Manaf et al., 2013 sogar einen Fettgehalt von 38%. Den größten Anteil bildeten dabei Ölsäure (C18:1; 40%) und Arachidonsäure (C 20:0, 35%) (Solís-Fuentes et al., 2010). Nach Manaf et al., 2013 liegt der Schmelzpunkt des Rambutansamenfetts bei 44,2 °C. Problematisch ist jedoch die Kategorisierung der Rambutansamen nach VO (EG) Nr. 258/97 als neuartiges Lebensmittel („Novel Food“) (Europäische Kommission, 1997). Damit durchläuft das Fett zunächst ein aufwändiges Genehmigungsverfahren, was die Nutzung von „Novel Food“ im Vergleich zu den vor 1997 gängigen Lebensmitteln erheblich erschwert (Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit, 2006). Darüber hinaus besteht bei den Samen der Verdacht einer möglichen Toxizität, welche aktuell untersucht aber bislang nicht bewiesen werden konnte (Eiamwat et al., 2014).

Die afrikanische Mango (Irvingia gabonensis) bildet eine weitere Alternative zu Palmfett. Sie ist nicht verwandt mit der zuvor erwähnten Mangifera indica L., besitzt aber eine ebenso interessante Fettzusammensetzung. Nach Yamoneka et al., 2015 liegen bis zu 94% der Fettsäuren des Samenfettes gesättigt vor, was auf ein hochschmelzendes Fett hinweist. Die Samen der afrikanischen Mango, auch „ Ogbono Seeds “ genannt, fallen nicht unter die “Novel Food“ VO (EG) Nr. 258/97 (Europäische Kommission, 1997). Problematisch könnte sich jedoch der großflächige Anbau gestalten, da die afrikanische Mango bislang überwiegend nur in den tropischen Regionen Afrikas West- und Zentralafrikas angebaut wird (Singh, 2007).

Abgesehen von den oben erwähnten Pflanzen und Früchten stellen vor allem bislang nur lokal genutzte Pflanzen eine mögliche Option zur Gewinnung von Festfetten dar. Als weitere veritable Möglichkeit gilt auch die Kultivierung alternativer Palmengewächse (Arecaceae) wie der Macauba-Palme (Averdunk et al., 2014). Die Macauba-Palme (Acrocomia aculeata) gilt als Pionierpflanze, welche hohe Resistenzen gegenüber Dürreperioden aufweist und bei niedrigen Bodenqualitäten wachsen kann (Henderson et al., 1995). Darüber hinaus ähnelt der Fettgehalt mit 34,6–70% (Bora & Rocha, 2004; Wandeck & Justo, 1988) dem der klassischen Ölpalme. Durch die Kultivierung der Macauba-Palme in trockeneren Gebieten könnten Tropengebiete entlastet werden. Möglich wäre auch eine nachhaltigere Ressourcennutzung. Schon heute gibt es Möglichkeiten, Produkte mit nachhaltig hergestelltem Palmfett, zu konsumieren. Darüber hinaus kann das steinige Endokarp, welches bislang nur Abfallprodukt ist und damit eine erhebliche Umweltbelastung darstellt, als Rohstoff zur Aktivkohleherstellung verwendet werden (Schmid & Töpfer, 2014).

2.3 Biologie und Botanik

2.3.1 Ölpalme

Die Ölpalme (Elaeis guineensis JACQ.) gehört zu der Familie der Areceae (Palmengewächse) und ist eine der bedeutendsten Palmarten. Ursprünglich stammt die Pflanze aus der tropischen Regenwaldregion Zentral- und Westafrikas. Mit wachsender Nachfrage expandierte der Anbau in den vergangen zwei Jahrhunderten, sodass sich die Anbaugebiete heute über alle tropischen Regionen erstrecken. Da der Fruchtansatz nicht ohne die klassischen afrikanischen Bestäuber (Elaoidobius camerunicus) funktioniert, erfolgte der weltweite Palmfettboom erst nach Einführung der Bestäuber in nicht-afrikanische Anbaugebiete.

An der Spitze des gleichmäßig dicken Stammes befinden sich 20 bis 30, circa 3–6 m lange, schmale Blätter. Die Ölpalme kann ein Alter von bis zu 80 Jahren erreichen und währenddessen auf eine Höhe von 15–30 m heranwachsen. Erste Früchte können sich schon ab dem fünften Lebensjahr bilden. Ab dem 12.–15. Lebensjahr bringt die Ölpalme volle Ernten hervor. Ein Fruchtstand misst circa 70 cm in der Länge, besitzt einen Durchmesser von rund 50 cm und kann eine Masse von bis zu 50 kg erreichen. Ein Fruchtstand kann 3.000–6.000 Früchte enthalten. Das faserige Fruchtfleisch (Mesokarp) befindet sich unter einer glatten Schale (Exokarp) und ist mit 50֪–70% die Hauptölquelle. Neben dem Fruchtfleisch kann Fett auch aus den Samen (Palmkernfett) gewonnen werden. Die Samen enthalten knapp 50% Fett, unterscheiden sich aber bezüglich der Fettsäurezusammensetzung deutlich vom Fruchtfleisch. Die Ölpalme benötigt für ihre optimale Entwicklung Temperaturen um 25 °C, einen durchschnittlichen Niederschlag von 100 mm pro Monat und eine nicht länger als drei Monate anhaltende Trockenzeit. Außerdem benötigt die Ölpalme tiefgründige, nährstoffreiche Böden (Lieberei et al., 2012a).

Die amerikanische Ölpalme (Elaeis oleifera (Kunth) Cortés) wird eher selten angebaut, erfüllt aber über Einkreuzung von Resistenzgenen in die afrikanische Ölpalme eine wichtige Funktion im industriellen Palmanbau (Lieberei et al., 2012a).

2.3.2 Mango

Die Mango (Mangifera indica L.) gehört zur Familie der Anacardiaceae (Sumachgewächse). Ursprünglich im südostasiatischen Großraum, speziell Indien, beheimatet, erstrecken sich die Anbaugebiete heutzutage über die gesamten Tropen und teils Subtropen der Erde. Die Mango ist nach der Banane das wichtigste tropische Obst. Mangobäume können weit über 100 Jahre alt werden. In der Natur kann ein Mangobaum auf über 30 m empor wachsen, jedoch wird die Mango als Kulturpflanze bewusst niedriger gehalten. Verglichen mit der Ölpalme ist der Mangobaum bezüglich des Bodens eine relativ anspruchslose Pflanze, die bei ähnlichen Temperaturen wächst. Zur Blühinduktion benötigt der Baum jedoch eine mehrmonatige kühle (10–18 °C) Trockenperiode, was die Ausbeute in tropischen Regionen verglichen mit saisonalen Gebieten deutlich mindert. Allgemein ist die Pflanze jedoch sehr tolerant bezüglich Trockenheit (mindestens 800 mm Niederschlag/ Jahr) und Temperatur. Bei ausreichender Wasserversorgung hält die Pflanze Temperaturen von bis zu 48 °C aus. Eine Kälteschädigung tritt erst bei Temperaturen um 2 °C auf. Die Blätter sind schmal länglich. Aus den Achseln dieser Blätter wachsen bis zu 3.000 rispenartige Blütenstände hervor die je fünf Staubblätter enthalten. Nur das längste der fünf Staubblätter ist fertil, aus dessen Fruchtknoten die Frucht entsteht. Die Frucht kann ein Gewicht von bis zu 2 kg erreichen. Das ledrige Exokarp der Mango ist nicht essbar und wird vor Verzehr oder der Weiterverarbeitung entfernt. Darunter befindet sich das gelb-orangene Mesokarp. Aus dem Samen, der sich im Endokarp befindet, kann Fett gewonnen werden (Lieberei et al., 2012a). Bezüglich des Fettgehalts der Kerne variieren die Werte stark. Dhingra & Kapoor, 1985 ermittelten einen Fettgehalt von 7–8%, während Nzikou et al., 2010 bis zu 13% Ausbeute erreichen konnten.

2.3.3 Tamarinde

Die Tamarinde (Tamarindus indica L.) ist eine Hülsenfrucht (Fabaceae) und stammt aus den Tropen Afrikas. Heute wird sie fast weltweit als Kultur- oder Zierpflanze angebaut. Kommerzielle Bedeutung besitzt die Tamarinde bislang lediglich in Indien, Puerto Rico und Thailand. Die Tamarinde kann bis zu 30 m hoch und 2 m breit werden. Die klimatischen Ansprüche des langlebigen Baumes sind gering. Er kann unter tropischem bis subtropischem Klima wachsen, besitzt geringe Bodenansprüche und ist resistent gegenüber Wind und Trockenheit. Bei dauerhaft feuchtem Klima stockt jedoch die Fruchtreife (Lieberei et al., 2012a). Die elliptischen Blätter der Tamarinde sind immergrün und besitzen eine paarig gefiederte Anordnung. Aus jedem Triebende mit je 10–15 Blüten bildet sich nur eine bis zu 17 cm lange und 2,5 cm breite geschlossene Hülse. In ihr befindet sich das braune, klebrige Mesokarp, welches die vier bis zwölf ovalen rotbraunen Samen und das faserige Endokarp umschließt. Bezüglich des Fettgehaltes gibt es variierende Literaturwerte. Nach Pitke et al., 1977 beträgt der Fettgehalt von Tamarindenkernen 7,4%. Andriamanantena et al., 1983 ermittelten einen verfahrensabhängige Ausbeute von 6–9%. Wie bereits von Pitke et al., 1977 beschrieben, besitzt Tamarindenkernöl einen gelb-grünen Farbstich und ist bei Raumtemperatur flüssig. Sensorisch zeichnet es sich durch einen frisch-holzigen Geruch aus (Pitke et al., 1977)

2.4 Grundlagen der Lipide

Fette und Öle sind Triacylglyceride, die sich aus dem dreiwertigen Alkohol Glycerin und drei veresterten, langkettigen Carbonsäuren (Fettsäuren) zusammensetzen (Abbildung 2.1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Zusammensetzung Triacylglycerid

Triacylglyceride gehören zur Klasse der Lipide. Dabei handelt es sich um keine Stoffklasse, sondern um die Klassifizierung stickstofffreier, organischer Verbindungen. Lipide zählen mit 9,3 kcal ≙ 38,9 kJ (pro 1 g Fett) zu den größten Energielieferanten unter den Nährstoffen. Darüber hinaus ist ihre wichtigste Gemeinsamkeit die Hydrophobie. Die Eigenschaft der Hydrophobie wird auch beim Herauslösen der Lipide aus einem System, beispielsweise einem Lebensmittel, genutzt. Genaueres zu dem Verfahren und den möglichen Varianten werden in Abschnitt 2.5.1 erläutert. Aufgrund ihrer Hydrophobie reagieren Fette nur sehr unwesentlich mit Wasser. Unterschiedliche Eigenschaften innerhalb der Triacylglyceride beruhen vor allem auf den verschiedenen Fettsäuren. Die Unterteilung erfolgt nach der Kettenlänge und dem Sättigungsgrad. Je länger eine Fettsäure ist, desto höher ist ihr Schmelzpunkt. Kurzkettige Fettsäuren (Bsp. Buttersäure) verlieren darüber hinaus bei wachsender Kettenlänge an Flüchtigkeit und gewinnen damit an olfaktorischer Wirkung. Langkettige Fettsäuren sind nicht flüchtig. Neben der Kettenlänge trägt auch die Sättigung der Fettsäure entscheidend zum Aggregatszustand des Fettes bei. Je ungesättigter eine Fettsäure, desto niedriger ist deren Schmelzpunkt. Fettsäuren ohne Doppelbindung (z.B. Stearinsäure) sind gesättigte Fettsäuren (engl. saturated fatty acids, SFA). Fettsäuren mit nur einer Doppelbindung (z.B. Ölsäure) werden einfach ungesättigte Fettsäure (engl. monounsaturated fatty acids, MUFA) genannt. Bei Fettsäuren mit mehr als einer Doppelbindung (z.B. Linolsäure) handelt es sich um mehrfach ungesättigte Fettsäuren (engl. polyunsaturated fatty acids, PUFA). In natürlichen Fetten liegen die Doppelbindungen der Fettsäuren in der Regel isoliert vor, Konjuensäuren (Fettsäuren mit konjugierter Doppelbindung) kommen in natürlichen Fetten selten vor (Baltes & Matissek, 2011a). In Abbildung 2.2 sind die vorangegangenen Beispiele der Sättigungsgrade und Kettenlänge aufgezeigt. Bei den langkettigen Fettsäuren (Abbildung 2.2) handelt es sich um drei der wichtigsten pflanzlichen Fettsäuren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: verschiedene Fettsäuren

Der Sättigungsgrad ist neben der Konsistenz vor allem deshalb für die Lebensmittelchemie interessant, da er mit der Stabilität des Fettes korreliert. Umso höher der ungesättigte Charakter (vor allem mehrfach ungesättigte Fettsäuren) eines Fettes ist, desto instabiler ist es. Dabei steigt die Sensitivität des Fettes gegenüber dem Verderb durch Luft (Sauerstoff), Licht und Wasser. Unter Eintrag von Wasser wird das Fett hydrolysiert. Dabei spaltet Wasser die Triacylglyceride autokatalytisch in seine Edukte. In Autoxidationsreaktionen bilden ungesättigte Fettsäuren mit Luftsauerstoff instabile Hydroperoxide, welche zu niedermolekularen flüchtigen Stoffen wie Aldehyde und Ketone reagieren. Die Sauerstoff-Aufnahme ist vor allem an ultraviolette Strahlung und hohe Temperaturen gebunden. Durch ultraviolette Strahlung induzierte Oxidationsreaktionen werden als Photooxidation bezeichnet. Um Fette vor Verderb zu schützen, lassen sich eine Reihe von Maßnahmen zur Aufbereitung und richtigen Lagerung durchführen. Vor der Raffination, also der Aufbereitung, besitzen Öle häufig eine unattraktive Färbung und olfaktorische Wirkung. Des Weiteren enthalten die Rohöle Störstoffe wie freie Fettsäuren oder Schleimstoffe. Einzelne optionale Schritte der Raffination sind die Entschleimung, Entsäuerung, Bleichung, Desodorierung und Winterisierung (Baltes & Matissek, 2011b). Um ein Fett seiner Verwendung möglichst präzise anzupassen, wird es neben den notwendigen Aufbereitungsmethoden auch weiter optimiert. Beispielsweise findet die Fetthärtung (Hydrierung) Anwendung zur Umwandlung pflanzlicher Öle in festes Fett (Bsp. Margarine). Die Fettsäurezusammensetzung und deren Anordnung lassen sich mit stereospezifischen Lipasen anpassen. Die Eigenschaft der Fette dieser spezifischen und anwendungsorientierten Anpassung wird „tailor-made“ genannt. Ein weiteres Verfahren ist die Fraktionierung, auf dessen Verfahren in Abschnitt 2.5.2 genauer eingegangen wird.

2.5 Bearbeitungsmethoden

2.5.1 Extraktion

Der Fettgehalt eines Stoffes wird quantitativ mittels Extraktion bestimmt. Eine der gängigsten und simpelsten Methoden ist die Extraktion nach Soxhlet. Allgemein dient die Soxhlet-Extraktion der Fest-Flüssig-Trennung, hierbei wird sie zur Ermittlung des Fettgehaltes genutzt. In der direkten Extraktion wird nur „freies Fett“, nicht aber „gebundenes Fett“ oder Fettbegleitstoffe extrahiert (Matissek et al., 2010).

Bei der Fettextraktion wird das Fett mithilfe eines lipophilen Lösungsmittels aus dem System extrahieren. Das im Rundkolben befindliche Lösungsmittel wird dabei erhitzt, verflüchtigt sich und steigt auf. An den Rohren des Rückflusskühlers kondensiert das Lösungsmittel und durchläuft die Extraktionshülse und damit die getrocknete Probe. Dabei werden flüchtige Komponenten aus der Probe mit in den Rundkolben befördert. Die Prozedur wiederholt sich und kann nach mehreren Stunden beendet werden. In Abbildung 2.3 ist das Schema einer Soxhlet-Apparatur dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Extraktionsapparatur nach Soxhlet (Matissek et al., 2010)

Wird das flüchtige Lösungsmittel nach der Extraktion abgedampft, bleibt das extrahierte Fett des Systems zurück. Ein meist verwendetes Lösungsmittel ist n -Hexan. Nach VO (EG) Nr. 1272/2008 (CLP) (Europäisches Parlament, 2008) gehört es zur Liste umweltgefährlicher Stoffe. Daneben gehört auch die Extraktion nach Twisselmann zu den gängigen Extraktionsmethoden. Ähnlich der Soxhlet-Extraktion basiert das Twisselmann-Verfahren auf dem Prinzip der Lösungsmittelextraktion. Vorteilhaft ist dabei auch die Führung des Lösungsmittels, welches nach Beendigung separat aufgefangen wird und nicht in einem zusätzlichen Schritt abgetrennt werden muss. Darüber hinaus beträgt die Extraktionsdauer nur die Hälfte der für die Soxhlet-Extraktion benötigte Zeit. Die geringen Lösungsmittelverluste und die verringerte Arbeitsdauer qualifizieren das Verfahren nach Twisselmann als umweltschonende und qualitativ gleichwertige Methode (Klöck et al., 2013).

Umweltschonender als die Soxhlet-Extraktion ist die Methode mit überkritischem Kohlenstoffdioxid (CO2). Da es aus natürlichen Quellen oder Verbrennungsprozessen entnommen werden kann und somit nicht speziell für die Extraktion hergestellt werden muss, belastet das CO2 nicht die Atmosphäre. Darüber hinaus ist CO2 kostengünstig und die Extraktion verläuft lösungsmittelrückstandsfrei (Swidersky, 2014). Auch wenn bei der industriellen Produktion andere Verfahren verwendet werden, ist die Extraktion nach Soxhlet im Labormaßstab die am einfachsten durchzuführende Methode.

2.5.2 Fraktionierung

Die Fettsäurezusammensetzung der Trigylceride unterscheidet sich auch innerhalb eines Fettes. Dadurch besitzt ein Fett Fraktionen mit unterschiedlichen Temperaturintervallen. Die Temperaturintervalle geben den Schmelzbereich der Fraktionen an (Bockisch, 2004). Diese Fraktionen werden mit rein physikalischen Verfahren getrennt. Das bedeutet, dass die Molekülstruktur nicht beeinflusst wird. Die somit erhaltenen Öl- bzw. Fettphasen besitzen nun verschiedene Schmelzeigenschaften und können separat eingesetzt werden. Die Fraktionierung dient somit der Anpassung des Fettes an sein Anforderungsprofil. Das Fett wird beispielsweise in eine hochschmelzende Fraktion (HMF), auch Stearin genannt, und eine niedrigschmelzende Fraktion (LMF), auch Olein genannt, aufgetrennt. Durch die Trennung in HMF und LMF bieten sich neue Einsatzmöglichkeiten. Palmfett ist das weltweit am meisten fraktionierte Speisefett (Senanayake & Shahidi, 2005; Gibon, 2006). Der Schmelzbereich der hochschmelzenden Fraktion liegt bei über 40 °C (Corley et al., 2007), damit ist es sowohl bei Raum- als auch bei Körpertemperatur fest. Diese Eigenschaft kann zur Stabilität vieler Lebensmittel beitragen. Das Palmstearin wirkt sich beispielsweise positiv auf das Schmelzverhalten von Schokolade und Eiscreme und auf die Stabilität von Backwaren aus. LMF findet Einsatzgebiete bei Frittierprozessen oder als konventionelles Speiseöl. Es existieren drei gängige Fraktionierungsverfahren: Trockenfraktionierung, Lanza-Fraktionierung und Nassfraktionierung. Bei der Trockenfraktionierung wird das Fett geschmolzen und auf den gewünschten Trennungspunkt abgekühlt. Dabei kristallisiert die Stearinfraktion unter Rühren aus, während die Oleinfraktion weiter flüssig bleibt. Anschließend kann das Stearin abgefiltert und das Olein unter Vakuum abgezogen werden. Die Lanza-Fraktionierung unterscheidet sich kaum von der Trockenfraktionierung. Es wird lediglich zur Trennung von Olein und Stearin ein wässriges Netzmittel (z.B. Natriumlaurylsulfat) eingesetzt, welches das Olein von der Kristalloberfläche verdrängt. Die wässrige Suspension aus kristallinem Stearin und Netzmittel kann daraufhin vom Olein getrennt werden. Am Ende werden die Fettkristalle aufgeschmolzen, sodass sie vom Netzmittel abgetrennt werden. Die dritte Methode ist die Nassfraktionierung. Hierbei wird das Fett in einem organischen Lösungsmittel (z.B. Aceton) gelöst und abgekühlt bis die Stearinfraktion ausfällt. Die Präzipitation erfolgt über die Löslichkeit und nicht, wie bei der Trockenfraktionierung üblich, über Schmelzintervalle (Bockisch, 2004). Anschließend wird die kristalline Stearinfraktion physikalisch von der Mutterlauge separiert (Marikkar et al., 2010; Yanty et al., 2011). Im Gegensatz zur Trockenfraktionierung ist bei der Nassfraktionierung eine deutlich schärfere Trennung möglich. Die Bildung von Mischkristallen wird minimiert und eventuelle Oleineinschlüsse in der kristallinen Fraktion durch das Lösungsmittel minimiert. Der Nachteil dieser Methode ist das umweltbelastende Lösungsmittel nach VO (EG) Nr. 1272/2008 (CLP) (Europäisches Parlament, 2008) und der erhöhte Aufwand, das Lösungsmittel nach dem Verfahren wieder aus dem System zu entfernen (Bockisch, 2004).

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Details

Seiten
54
Jahr
2016
ISBN (eBook)
9783668823310
ISBN (Buch)
9783668823327
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v444902
Institution / Hochschule
Universität Hohenheim – Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie
Note
1,0
Schlagworte
Nachhaltigkeit Palmöl Palmfett Mangokernöl Tamarindenöl Fett Fraktionierung

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Titel: Charakterisierung von Nebenprodukten der industriellen Obst- und Gemüseverarbeitung zur Gewinnung nachhaltiger Palmfett-Substitute