Aktuelle Entwicklungen bei der Gewinnung sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe aus Nebenprodukten der...

Aktuelle Entwicklungen bei der Gewinnung Aktuelle Entwicklungen bei der Gewinnung sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe aus sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe aus

Nebenprodukten der Obst- und Nebenprodukten der Obst- und Gemüseverarbeitung am Beispiel TraubentresterGemüseverarbeitung am Beispiel Traubentrester

Dietmar R. Kammerer, Thorsten Maier, Andreas Schieber,

Reinhold Carle

Universität HohenheimInstitut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie

Lehrstuhl Lebensmittel pflanzlicher HerkunftStuttgart

Nebenprodukte der Obst-und Gemüseverarbeitung

• Zunehmend restriktive Gesetzgebung auf EU-Ebene

• Integrated Pollution Prevention and Control Directive 96/61/EC

• Landfill Directive 99/61/EC

• Animal By-products Regulation 1774/2002

• Incineration of Waste 2000/76/EC

• Ökonomische Motive für die Reststoffverwertung

• Hohe Kosten für Entsorgung (´polluter pays´-Prinzip)

• Verbrauchererwartung (nachhaltige Produktion)

• Möglichkeiten der Wertschöpfung

• Gemäß Bio-Abfallverordnung ist das Ausbringen von Trester auf Dauergrünland-flächen seit 01.10.98 verboten.

Nebenprodukte der Obst-und Gemüseverarbeitung

► Direkte Weiterverarbeitung oder kostenintensive Trocknung nötig

• Lagerungs- und Trocknungsbedingungen beeinflussen die Poly-phenolausbeuten und die antioxidative Aktivität signifikant

• Hoher Wassergehalt der Nebenprodukte aus der Verarbeitung pflanzlicher Lebensmittel

• Rascher mikrobieller Verderb

• Abfallprodukte, die aus Fermentationsprozessen stammen

• Fermentation läuft in den Nebenprodukten weiterhin ab

• Endogene Enzymaktivitäten (z.B. Polyphenoloxidasen, Peroxidasen)

• Oxidativer Verlust phenolischer Antioxidantien

Konventionelle Polyphenolextraktion

• Verwendung organischer Solventien, insbes. von Alkoholen oder wässrig-alkoholischen Lösungen

• Entflammbarkeit

• Hohe Kosten für Lösungsmittel

• Regulatorische Erfordernisse

• Extraktion unter Verwendung von Sulfit, insbes. von Anthocyanen

• Gesundheitliche Bedenken (allergenes Potential)

Konventionelle Polyphenolextraktion

O+

OCH3

OH

OCH3

OH

O-Glc

H

OH O

OCH3

OH

OCH3

OH

O-Glc

OH

H SO3H

HSO3-

∆T

Reversible Bildung von Sulfonsäureaddukten

Allergen-Kennzeichnungsverordnung (i.d.F. vom 09.10.2006, Anlage 3)

Zutaten, die allergische oder andere Unverträglichkeitsreaktionen aus-lösen können:

Schwefeldioxid und Sulfite in einer Konzentration von mehr als 10 mg/kg oder 10 mg/L, als SO2 angegeben

Traditionelle vs. neuartige Extraktionsmethoden

• Hauptsächliche Nachteile traditioneller Extraktionsverfahren:

• Zeitaufwendig

• Arbeitsaufwendig

• Geringe Selektivität und / oder geringe Extraktionsausbeuten

• Verwendung großer Mengen toxischer Solventien

Herrero et al., 2006

• Vorteile der neuartigen Verfahren:

• Höhere Selektivität

• Kürzere Extraktionsdauer

• Keine Verwendung toxischer organischer Solventien

• Umweltfreundlich / keine Umweltgefährdung

Struktur der pflanzlichen Zellwand

Primärwand pflanzlicher Zellen

• Polysaccharide

• 20 – 30 % Cellulose

• 25 – 30 % Hemicellulosen (Xylane, Glucane, Mannane)

• 15 – 30 % Pektin (Polygalacturonsäure, Rhamnogalacturonan, Arabinane, Galactane, etc.)

• Proteine

• 5 % Glycoproteine, Elastin, Extensin

• Phenolische Verbindungen

• < 1 % Lignin

• Enzyme

• Peroxidasen, Glucanasen, etc.

Struktur der pflanzlichen Zellwand

Cellulose

Hemicellulose

Pektin

Plasmalemma

Mittellamelle

Pri

märw

and

50 nm

Raven et al., 2000

Enzymatische Extraktion von Polyphenolen

• Hydrolyse der Polysaccharide pflanzlicher Zellwände mittels pektinolyti-scher und cellulolytischer Enzympräparate

• Erhöhte Gesamtphenolausbeuten aus Traubentrester (Meyer et al., 1998)

• Verbesserte Extraktion von Anthocyanen und Gesamtphenolen aus Rückständen der Verarbeitung schwarzer Johannisbeeren (Landbo & Meyer, 2001)

• Generell Zunahme der Extraktionsausbeuten, einige phenolische Komponenten wurden durch Enzymnebenaktivitäten negativ be-einflusst (Kammerer et al., 2005)

Flash Release Treatment

• Studien wurden mit Trauben durchgeführt, um die Polyphenolextraktion in die Moste und Säfte zu forcieren

• Schnelle Erhitzung der Trauben auf Temperaturen > 95 °C bei Atmosphärendruck

• Anschließend anlegen eines starken Vakuums (> 100 mbar)

• Sofortige Verdampfung

• Verdampfung induziert Aufbrechen der Zellwände und Abkühlen der Trauben

Morel-Salmi et al., 2006

Flash Release Treatment

• Die Ergebnisse sind bestimmt durch die Kombination thermischer Effekte mit dem Aufbrechen der Zellwände beim Aufheben des Vakuums

• Inaktivierung qualitätsmindernder Enzyme

• Verbesserte Solubilisierung aller Klassen phenolischer Verbin-dungen

• Verändertes Profil einiger Polyphenolklassen, z.B. der Pro-cyanidine

Morel-Salmi et al., 2006

Supercritical Fluid Extraction (SFE)

fest

flüssig

gasförmig

Überkritisches FluidD

ruck

Temperatur

pc

Tc

Typisches Phasendiagramm eines Reinstoffes

Supercritical Fluid Extraction (SFE)

SFE für die Extraktion von Nebenprodukten der Lebensmittelindustrie

• Traubenkerne:

• Polyphenolausbeuten mit überkritischem CO2 und Methanol als Modifier sind höher im Vergleich zur konventionellen Fest-Flüssig-Extraktion (Palma & Taylor, 1999)

• Fraktionierung phenolischer Verbindungen ist möglich (Murga et al., 2000)

• Traubenhäute / Traubentrester:

• Extrakte werden erhalten, die bestimmte Bioaktivitäten aufweisen, z.B. zytotoxische Effekte auf Tumorzellen (Palenzuela et al., 2004)

Subcritical Water Extraction (SWE)

SWE: Extraktion mit heißem Wasser unter erhöhtem Druck

Parameter: 100 – 374 °C (Tc)

10 – 60 bar

Vorteile: Umweltfreundlich

Hohe Extraktionsausbeuten

Gezielte Variation der Lösungsmittelpolarität möglich


Temperatur (°C)

0 100 200 300 400

Die

lekt

risc

he

Ko

nst

an

te

0

20

40

60

80

100


Dielektrische Konstante von Wasser



Schematische Darstellung eines SWE-Systems

Lösungsmittelreservoir

Extraktgefäß

Abfallbehälter

Extraktionszelle


Anlage im Labormaßstab für die SWE

Lösungsmittelreservoir

Extraktionszelle

Extraktbehälter

Abfallbehälter

Pulsed Electric Field Treatment

• Zunehmende Beliebtheit als nicht-thermische Prozesstechnologie

• Sofortige Wirkung auf die Zellmembran und kurze Prozesszeiten

• Reduktion der mikrobiellen Belastung durch Zerstörung bakterieller Zellmem-branen

Rastogi, 2003

Behandlungs-kammer

Hochspannungs-quelle

Lade-widerstan

dSchalter

Kondensator zur Energiespeicheru

ng


Rastogi, 2003

Elektrode

-

-

-

-

--

-+

+

+

+

+

+

+Elektrode

SchalterSpannungs-

quelle

Elektrisches Feld (E0)

Induzierung eines Transmembranpotentials in einer Zelle, die einem externen elektrischen Feld ausgesetzt wird


• Anwendung gepulster elektrischer Felder zur Verlängerung der Produkthalt-barkeit

• Inaktivierung von Mikroorganismen (E. coli, S. typhimurium, S. senftenberg, L. monocytogenes…)

• Inaktivierung qualitätsmindernder Enzyme (nur begrenzt möglich)

• Herstellung von Frucht- und Gemüsesäften

• Apfel (Angersbach & Knorr, 1997; Flaumenbaum, 1986; McLellan et al., 1991; Schilling et al., im Druck)

• Karotte (Knorr et al., 1994)

• Zuckerrübe (Eshtiaghi & Knorr, 2000)

• Kokosnuss (Ade-Omowaye et al., 2001)


• Extraktion pflanzlicher Sekundärmetabolite aus Zellkulturen (Knorr et al., 1994; Dornenburg & Knorr, 1993)

• Extraktion von Pflanzenphenolen aus Abfallprodukten der Obst- und Gemüse-verarbeitung?

Pulsed electric fields for the recovery of pigments from wastes of the food industry (F. De Vito, F. Donsì, G. Ferrari; Università degli Studi di Salerno, Italy)

2006 EFFoST Annual Meeting / Total Food 2006

Sustainability of the Agri-Food Chain

The Hague, The Netherlands, 7-9 November 2006

Membrantrennverfahren

• Ultrafiltration als Mittel zur Aufreinigung von Rohextrakten

• Entfernung hochmolekularer Zellwandbestandteile (Pektine, Cellulose und Hemicellulosen sowie deren Abbauprodukte)

• Entfernung von Proteinen

• Fraktionierung phenolischer Verbindungen nach ihrem Molekulargewicht

• Niedermolekulare Phenole vs. hochmolekulare Tannine

• Fraktionen, die unterschiedliche techno- und biofunktionelle Eigen- schaften aufweisen

Adsorbertechnologie

Adsorbertechnologie als Verfahren zur Gewinnung phenolischer Verbindungen

2. Entfernung nicht-phenolischer

Komponenten

1. Adsorption der Polyphenole 3. Gewinnung der

phenolischen Verbindungen

4. Regenerierung des Harzes

Adsorbertechnologie

Kommerzielle Anwendung der Adsorbertechnologie

• Entbitterung von Zitrussäften (Kimball & Norman, 1990; Shaw & Buslig, 1986)

• Entfärbung, Standardisierung und Stabilisierung von Saftkonzentraten (Lyndon, 1996)

• Entfärbung von Pektin, das aus Apfeltrester extrahiert wurde, und gleichzeitige Gewinnung von Polyphenolen (Carle et al., 2001; Schieber et al., 2003)

• Gewinnung natürlicher Farbstoffe oder von bestimmten wertgebenden Substanzen (z.B. Hesperidin) aus Nebenprodukten der Lebensmittelver-arbeitung (Di Mauro et al., 1999, 2000, 2002; Kammerer et al., 2005)

High-Speed Counter-current Chromatography (HSCCC)

multilayer coil

axis of rotation

axis of revolution stationary sun

gear

planetary gear

Schematischer Aufbau eines HSCCC-Systems

Ito, 2005


Mischungszonen Entmischungszonen

Trennprinzip der HSCCC

Ito, 2005

Modi:• Head – Tail obere Phase = stationäre Phase• Tail – Head untere Phase = stationäre Phase


HSCCC-System im Labormaßstab

Coils

Hintergrund

Traubentrester als Quelle natürlicher Antioxidantien

• Traubentrester weist hohe Gehalte an Polyphenolen auf

Phenolgehalte [%]Phenolgehalte [%] BemerkungenBemerkungen

Stiele 1-4

Shrikhande (2000)Shrikhande (2000) Häute 1-2 Trauben; Folin-Ciocalteu

Kerne 5-8

Trester;

Lu & Foo (1999)Lu & Foo (1999) ca. 4 17 phenolische Verbindungen

+ oligomere Procyanidine

Rote Traubenhäute 3,76

Bravo & Saura-Calixto (1998) Bravo & Saura-Calixto (1998) Weiße Traubenhäute 4,48 Trester; Folin-Ciocalteu

„Weiße“ Traubenkerne 5,22

• Einsatz phenolischer Verbindungen aus Traubentrester als natürliche Antioxi-dantien in Lebensmitteln möglich (Bonilla et al., 1999)

• Ausbeute an phenolischen Verbindungen aus Traubentrester kann durch Ein-satz depolymerisierender Enzyme gesteigert werden (Meyer et al., 1998)

Polyphenole in Traubentrester

Detektionswellenlänge: 520 nm

min0 5 10 15 20 25 30 35

mAU

0

50

100

150

200

Delphinidin-3-Delphinidin-3-OO--

glucosidglucosid

Cyanidin-3-O-Cyanidin-3-O-

glucosidglucosid

Petunidin-3-O-Petunidin-3-O-

glucosidglucosid

Paeonidin-3-O-Paeonidin-3-O-

glucosidglucosid

Malvidin-3-O-Malvidin-3-O-

glucosidglucosid


acetylglucosidacetylglucosid


cumaroylglucosicumaroylglucosidd


acetylglucosidacetylglucosid


cumaroylglucosicumaroylglucosidd

Anthocyane


Phenolcarbonsäuren


min5 10 15 20 25 30 35 40

mAU

0

50

100

150

200

250

300

350

GallussäureGallussäure

HMFHMF

Protocatechu-Protocatechu-säuresäure

CaftarsäureCaftarsäure

pp-Hydroxy--Hydroxy-benzoesäurebenzoesäure

CutarsäureCutarsäure

VanillinsäureVanillinsäure

KaffeesäureKaffeesäure

FertarsäureFertarsäure

SyringasäureSyringasäure

pp-Cumarsäure-Cumarsäure


Flavanole und Stilbene


min10 20 30 40 50 60 70

mAU

0

100

200

300

400

500

Procyanidin Procyanidin B1B1


CatechinCatechin


EpicatechinEpicatechin

PolydatinPolydatin

EpicatechingallatEpicatechingallat

ResveratrolResveratrol


min10 20 30 40 50 60 70

mAU

0

25

50

75

100

125

150

175

Flavonole

Quercetin-3-O-Quercetin-3-O-galactosidgalactosid

Quercetin-3-O-Quercetin-3-O-glucosidglucosid

Quercetin-3-O-Quercetin-3-O-glucuronidglucuronid

Quercetin-3-O-Quercetin-3-O-rhamnosidrhamnosid

Isorhamnetin-3-O-Isorhamnetin-3-O-glucosidglucosid

MyricetinMyricetin

QuercetinQuercetin

KämpferolKämpferol

IsorhamnetiIsorhamnetinn


Enzymatische Tresterextraktion

D-Optimaler Versuchsplan

Einflussparameter:

• pH-Wert• Temperatur• Enzymdosage (Novoferm 106 / Cellubrix L ; 3 / 1)

7500----6

600055--5

45005064

30004553

15004042

03531

Stufenwerte:

Enzymdosage ppm]Temperatur [°C]pH-Wert

CBAFaktoren:


600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

35

40

45

50

55

01000

20003000

40005000

6000

pH 3

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

200

300

400

500

600

700

800

35

40

45

50

55

01000

20003000

40005000

6000

pH 5

200 300 400 500 600 700 800

Phenolcarbonsäuren

Anthocyane

3-D-Liniendiagramme

Maier et al., 2007


0 50 100 150 200 250 300 350

Caftarsäure

Cutarsäure

Fertarsäure

Gallussäure

Protocatechusäure

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Delphinidin 3-O-glucosid

Cyanidin 3-O-glucosid

Petunidin 3-O-glucosid

Päonidin 3-O-glucosid

Malvidin 3-O-glucosid

Delphinidin 3-O-acetylglucosid

Petunidin 3-O-acetylglucosid

Päonidin 3-O-acetylglucosid

Malvidin 3-O-acetylglucosid

Päonidin 3-O-coumaroylglucosid

Malvidin 3-O-coumaroylglucosid

0 50 100 150 200 250

Procyanidin B1

Catechin

Procyanidin B2

Epicatechin

Epicatechin-gallat

Quercetin 3-O-galactosid

Quercetin 3-O-glucosid

C

A B

Maier et al., 2007

Adsorbertechnologie

Aufreinigung und Konzentrierung eines ´Cabernet Mitos´-Tresterextraktes

Säulenbeladung Elution

Alkohol

Adsorbertechnologie

Fraction

2 4 6 8 10 12 14 16 18

% o

f to

tal a

ntho

cyan

ins

0

20

40

60

80

100

Methanol 50 °CMethanol 50 °CMethanol 25 °CMethanol 25 °CEthanol 50 °CEthanol 50 °CEthanol 25 °CEthanol 25 °C2-Propanol 50 °C2-Propanol 50 °C2-Propanol 25 °C2-Propanol 25 °C

4 6 8 10 12 14 16 18

70

75

80

85

90

95

100

Kammerer et al., 2004

Aufreinigung und Konzentrierung eines ´Cabernet Mitos´-Tresterextraktes

Isolierung phenolischer Verbindungen mittels HSCCC

Trennung von Caftar-, Cutar- und Fertarsäure

OH

HO

O

O

HO O

OH

O

OH

HO

O

O

HO O

OH

O

OH

OCH3

HO

H

O

O

HO O

OH

O

OH

• Trennung strukturell sehr ähnlicher Substanzen• hohe Ausbeute• geringer Zeitfaktor


Vortrennung

• Head-to-Tail-Modus

• Lösungsmittelgemisch: Hexan / Ethylacetat / Methanol / bidest. Wasser / TFA (3 / 7 / 3 / 7 / 0,01; v/v)

• Flussraten: 0,5 mL/min (t = 0-260 min) 1,0 mL/min (t = 260-360 min)

Caftarsäure Cutar- / Fertarsäure


Isolierung

• Tail-to-Head-Modus

• Lösungsmittelgemisch: TBME / Butanol / ACN / bidest. Wasser / TFA (2 / 1 / 2 / 5 / 0,01; v/v)

• Flussrate: 0,5 mL/min

Caftarsäure Cutarsäure

Fertarsäure

Verwertung von Traubentrester

Trester roter und weißer Trauben

Tresterrohextrakt

Enzymatische Extraktion

Sprühtrocknung Fraktionierung mittels HSCCC

Adsorption

Aufgereinigte Polyphenolfraktionen

Getrockneter Rohextrakt

Isolierte phenolische Verbindungen

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

• Abfallprodukte werden zunehmend zur Gewinnung phenolischer Verbindungen herangezogen

• Konventionelle Extraktionsmethoden weisen einige Nachteile auf, daher werden alternative Technologien benötigt

• Mehrere neuartige Technologien stehen heute zur Verfügung, die Effizienz und Rentabilität muss in den meisten Fällen noch bewertet werden

• Die Bioaktivitäts-geleitete Extraktion pflanzlicher Abfallprodukte oder die Fraktionierung von Rohextrakten ist möglich

► Herstellung maßgeschneiderter Polyphenolpräparate

Danksagung

Achim Claus

Sabine Korhummel

Solveigh Sanzenbacher

Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln der industriellen Gemeinschaftsforschung (Bundesministerium für Wirtschaft und

Technologie via AiF) über den Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI) gefördert. Projekt AiF 14039 BG.

Aktuelle Entwicklungen bei der Gewinnung sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe aus Nebenprodukten der...

Documents

Transcript of Aktuelle Entwicklungen bei der Gewinnung sekundärer Pflanzeninhaltsstoffe aus Nebenprodukten der...