Optimierte Trockenprozesse und veränderte Trägermaterialien

So schützen Sie pflanzliche Carotinoide vor Oxidation

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Pflanzliche Carotinoide werden beispielsweise aus Möhren gewonnen. Ein Forscherteam des Instituts für Lebensmitteltechnologie der Universität für Bodenkultur Wien hat den Einflus von Luftsauerstoff auf die Haltbarkeit dieses Farbstoffs mit antioxidativen Eigenschaften untersucht. Bild: Animaflora Picsstock – Fotolia.com
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Pflanzliche Carotinoide gehören zu den wichtigsten färbenden Pflanzenkonzentraten. Wissenschaftler der Universität für Bodenkultur (Boku) in Wien gingen der Frage nach, welchen Einfluss Luftsauerstoff auf die Haltbarkeit der pflanzlichen Carotinoide haben. Hier die Ergebnisse.

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.

Prozessparameter unter der Lupe

In der von einem weltweit führenden Hersteller färbender Pflanzenkonzentrate unterstützten Arbeit wurden verschiedene Prozesse und Formulierungen bei der Produktion von pulverförmigen pflanzlichen Carotinoiden verglichen und ihr Einfluss auf die Haltbarkeit der Karottenkonzentrate untersucht.

Färbendes Lebensmittel und Antioxidans

Karottenkonzentrate sind reich an wertvollen Carotinoiden – also speziellen Pigmenten mit antioxidativer Wirkung. Sie sind als färbendes Lebensmittel in der Nahrungsmittelindustrie heiß begehrt. Doch um das satte Orange der Karotte auf Speis und 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 ermittelt.

Einflussweg des Sauerstoffs

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 Pflanzenkonzentratpulvern Möglichkeiten zu nutzen, die Struktur des Lagerguts zu beeinflussen.

Trockenprozess beeinflusst Partikelstruktur

„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“.

Einfluss der Trägermaterialien berücksichtigen

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.“

Sprühtrocknung erschwert Sauerstoffdiffusion

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 μm.

„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.

Zugabe von Antioxidanzien

Zu einem gewissen Maß kann die Oxidation von pflanzlichen Carotinoiden auch durch das Hinzufügen von Antioxidanzien wie Tocopherol, Ascorbylpalmitat oder Natriumascorbat reduziert werden. Doch die aktuellen Forschungsergebnisse zeigen die Grenzen dieser kostentreibenden Maßnahmen auf, wie Haas ausführt: „Natürlich helfen die Antioxidanzien, 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 Antioxidanzien aus der Karotte aus, um die Carotinoide zu schützen.“

Produktverlust durch Oxidation lässt sich deutlich verringern

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 drei Monaten durch Oxidation, so reduziert sich dieser Wert bei optimaler Produktion auf unter 10 %.

Hier finden Sie die ausführlichen Untersuchungsergebnisse

Die ausführliche Darstellung der Untersuchungsergebnisse des Team um Prof. Henry Jäger vom Institut für Lebensmitteltechnologie der Universität für Bodenkultur Wien finden Sie in folgenden Publikationen:

  • 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.
  • 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.
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