Aspekte der Wasserwechselwirkungen in dispersen Obst- und Gemüse-Modellsystemen

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1 Aspekte der Wasserwechselwirkungen in dispersen Obst- und Gemüse-Modellsystemen vorgelegt von Diplom-Lebensmittelchemikerin Silke Vetter Von der Fakultät III - Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktorin der Naturwissenschaften - Dr. rer. nat. - genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Gutachter: Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. H.-J. Stan Prof. Dr. sc. nat. H. Kunzek Prof. Dr. sc. techn. B. Senge Tag der wissenschaftlichen Aussprache: Berlin 2004 D 83

2 DANKSAGUNG Ich möchte mich sehr herzlich bei Prof. H. Kunzek für die große Unterstützung bei der Erstellung dieser Arbeit bedanken. Seine Ideen, sein Wissen und seine Anregungen haben diese Arbeit erst möglich gemacht. Sie haben mir immer wieder geholfen nicht vorhergesehene Ergebnisse zu interpretieren und mögliche Ursachen zu erkennen. Ich danke dem gesamten Team des Fachgebietes Lebensmittelfunktionalität. Es waren für mich vier schöne Jahre in denen ich mich in ihrer herzlichen Atmosphäre sehr wohl gefühlt habe. Besonders danke ich Dipl.-Ing. K. Kern, sie hat mich tatkräftig bei den praktischen Arbeiten unterstützt und dabei nie auf die Uhr gesehen. Außerdem danke ich Priv.-Doz. Dr. R. Kabbert für die anregenden Diskussionsrunden, die mir bei vielen Fragen halfen. Mein Dank gilt auch Prof. B. Senge und seiner Arbeitsgruppe, die mich bei den rheologischen Untersuchungen tatkräftig unterstützten. Zum Schluss möchte ich mich auch bei der Deutschen Forschungsgesellschaft bedanken, die diese Doktorarbeit im Rahmen der DFG-Projekte KU 1088/3-1 und 3-3 finanziell unterstützte. 2

3 EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und unter ausschließlicher Nutzung der darin angegebenen Quellen angefertigt habe. Fulda, den Silke Vetter 3

4 ABSTRACT Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von verarbeitungsbedingten Strukturund Zustandsänderungen auf die funktionellen Eigenschaften von Obst und Gemüse. Das Modellsystem Apfel-Zellwandmaterial wurde für die Untersuchungen gewählt. Durch Extraktion und Entfernung von Zellbestandteilen sowie dem Zusatz niedermolekularer Verbindungen wurden Struktur und/oder Zustand der Zellwand variiert und der Effekt auf die Wasserbindungseigenschaften und rheologischen Eigenschaften der Zellwandmaterialien (ZM) bestimmt und mögliche Zusammenhänge interpretiert. Dabei sollten neben den gängigen Methoden zur Bestimmung der Wasserbindung und der rheologischen Eigenschaften auch zeitabhängige Verfahren Anwendung finden. Die Ergebnisse zeigen, dass neben der chemischen Zusammensetzung der Zellwand vor allem die Mikro- und Makrostruktur (Partikelgröße und gestalt, Porosität) der ZM ihre funktionellen Eigenschaften bestimmen. So war der Einfluss der chemischen Zusammensetzung (Verhältnis Pectinmatrix - Cellulosenetzwerk, Polyphenole) auf die Eigenschaften nur bei annähernd gleicher Überstruktur nachweisbar. Des Weiteren ergab sich, dass die Bedingungen, unter denen die funktionellen Eigenschaften bestimmt werden, maßgeblich für die Resultate sind. So ist es möglich unter bestimmten strukturellen Voraussetzungen durch Zufuhr mechanischer Energie beim Rehydratisierungsprozess die Wasserbindung von ZM stark zu verbessern. Die Untersuchungen zum Einfluss der Milieubedingungen vor der Trocknung der ZM veranschaulichen, dass der Zusatz niedermolekularer Verbindungen die Struktur verändert und zu einer Präformierung von Zuständen in der Zellwand während der Trocknung beiträgt. Diese wirken sich stark auf das Rehydratisierungsverhalten der Trockenpräparate aus. Die Effekte des Zusatzes von Salzen, Säuren oder Zuckern bei der Trocknung sind von der Art und Darreichungsform sowie den möglichen Wechselwirkungen, die sie mit Komponenten der Matrix eingehen können, abhängig. Andererseits spielen auch die Wechselwirkungen zwischen diesen niedermolekularen Verbindungen sowie mit anderen löslichen Inhaltsstoffen eine sehr große Rolle. Insgesamt machen die Ergebnisse der Arbeit deutlich, dass keine einfachen Zusammenhänge zwischen Struktur- und Zustandsänderungen und den Änderungen der funktionellen Eigenschaften von Zellwandmaterialien bestehen, sondern dass es eine Vielzahl von sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren gibt. 4

5 INHALTSVERZEICHNIS DANKSAGUNG... 2 EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG... 3 ABSTRACT... 4 INHALTSVERZEICHNIS EINFÜHRUNG THEORETISCHER TEIL Aufbau von Zellwandmaterialien aus Äpfeln Aufbau und Zusammensetzung von Äpfeln Die Zellwand parenchymatischer Zellen Zusammensetzung der Zellwand parenchymatischer Zellen von Dikotyledonen Cellulose Hemicellulosen Pectine Proteine und Glykoproteine Phenolische Verbindungen Die Zellwand - eine Ansammlung von miteinander verschachtelten Netzwerken Physiko-chemische Eigenschaften von ZM Hydratationseigenschaften Bindungsformen von Wasser Physikalische Zustände und Zustandsänderungen Der amorphe Glaszustand

6 2.3.2 Die weich machende Wirkung von Wasser Trocknungsvorbehandlungen Strukturänderungen Enzymatische Verfahren Chemische Verfahren Wärmebehandlung Methoden zur Bestimmung der Hydratationseigenschaften EXPERIMENTELLER TEIL Material und Methoden Substanzen und Reagenzien Herstellung der ZM Serie 1 - Einfluss der Strukturänderungen durch typische Verarbeitungsschritte der obst- und gemüseverarbeitenden Industrie auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Basismaterial - BM Kaltwasser-extrahiertes Material - KW Sauer-hydrolysiertes Material - HD Mazeriertes Material - FM Totalverflüssigtes Material - RM Serie 2 - Einfluss der Strukturänderungen durch systematischen Zellwandabbau auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Basismaterial - BM Nicht-extrahiertes Material - NE ZM extrahiert mit chelatisierenden Agenzien - CH ZM extrahiert mit chelatisierenden und oxidierenden Agenzien - CO

7 ZM extrahiert mit chelatisierenden und oxidierenden Agenzien und Kalilauge - COA Serie 3 - Einfluss der Milieubedingungen beim Rehydratisieren auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Serie 4 - Einfluss der Milieubedingungen bei der Trocknung auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Hochverestertes ZM - HV Niederverestertes ZM - NV Erhalt der feuchten ZM (vor der Trocknung) Analytische Untersuchungsmethoden Siebanalyse Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Bestimmung der Feststoffdichte Bestimmung der Schüttdichte und Porosität Bestimmung der Farbwerte Rasterelektronenmikroskopie Bestimmung des Galacturonangehaltes Bestimmung des Veresterungsgrades der Pectinkomponente Bestimmung des Eiweißgehaltes Bestimmung des Aschegehaltes Bestimmung des Kaliumgehaltes Bestimmung des Fructosegehaltes Bestimmung des L-Äpfelsäuregehaltes Bestimmung des Trockensubstanzgehaltes Bestimmung des Glucosegehaltes - enzymatisch Neutralzuckeranalyse - GC Untersuchungsmethoden zur Bestimmung der funktionellen Eigenschaften von ZM

8 Wasserbindungseigenschaften Wasserretentionskapazität mittels Filtrationsmethode Wasseraufnahmevermögen mittels Kapillarsaugmethode Quellvermögen mittels Bed volume technique Bildanalyse Kapillardruckmethode Rheologische Eigenschaften Frequenzsweep Fließkurven Timesweep Zeitabhängige Rotationsmessungen mittels Helipath Statistik Ergebnisse und Diskussion Einfluss von Strukturänderungen auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Serie 1 - Einfluss der Strukturänderungen durch typische Verarbeitungsschritte der obst- und gemüseverarbeitenden Industrie auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Ausbeute und Erscheinung Partikelgrößenverteilung Zusammensetzung und Struktur Funktionelle Eigenschaften Serie 2 - Einfluss der Strukturänderungen durch systematischen Zellwandabbau auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Ausbeute und Erscheinung Partikelgrößenverteilung Zusammensetzung und Struktur Funktionelle Eigenschaften

9 Zusammenfassung zum Einfluss von Strukturänderungen auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Einfluss der Milieubedingungen auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Serie 3 - Einfluss der Milieubedingungen beim Rehydratisieren auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Eigenschaften der BM Einfluss der Milieubedingungen beim Rehydratisieren auf die funktionellen Eigenschaften von BM Serie 4 - Einfluss der Milieubedingungen bei der Trocknung auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Ausbeute und Erscheinung Partikelgrößenverteilung Zusammensetzung und Struktur Funktionelle Eigenschaften Zusammenfassung zum Einfluss der Milieubedingungen auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Zusammenfassung LITERATUR ANHANG Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole Verzeichnis der Abbildungen Verzeichnis der Tabellen Anhang I - Serie Anhang II - Serie Anhang III - Serie

10 5.6.1 Anhang III - Serie 3 Basismaterialien Anhang III - Serie 3 Milieubedingungen beim Rehydratisieren Anhang IV - Serie LISTE WEITERER VERÖFFENTLICHUNGEN LEBENSLAUF

11 1. EINFÜHRUNG Lebensmittel sind in der Regel wässrige Systeme, bei denen die Wasserwechselwirkungen mit den Lebensmittelbestandteilen eine entscheidende Rolle für die funktionellen Eigenschaften und die Materialeigenschaften spielen (FRANKS, 1991; TERNES, 1994; POMERANZ, 1991). Typische Lebensmittel sind häufig komplexe Multikomponenten- und Multiphasen-Systeme (TSCHEUSCHNER, 1996; DICKINSON, 1992). Zerkleinertes Obst und Gemüse und daraus hergestellte mark-, püree-, mus-, breisowie pastenartige Produkte können als disperse Systeme angesehen werden, in denen die disperse Phase der Feststoffpartikel mit zunehmender Konzentration, verstärkt durch makromolekulare und interpartikuläre Wechselwirkungen, räumliche Strukturen (Koagulationsstruktur, Pastenstruktur, Kondensationsstruktur, Netzwerkstrukturen (TSCHEUSCHNER, 1996) sowie Assoziationsstrukturen (WALTER, 1998)) ausbildet. Darüber hinaus können Wechselwirkungen der dispersen Phase mit Wasser (z.b. Solvatation) eine entscheidende Rolle für die Ausbildung der Struktur bzw. der Textur spielen (TERNES, 1994; LEVINE und SLADE, 1991; POMERANZ, 1991; ROOS, 1998). Die Struktur der dispersen Systeme bestimmt maßgeblich die Materialeigenschaften und damit die Verarbeitungseigenschaften und auch die Qualität (Textur) der hergestellten Produkte (KUNZEK et al., 1999). Verarbeitung/Modifizierung der Rohware/Ingredienzien - Externe Belastung - Milieubedingungen Veränderung der Struktur Zustandsänderungen Veränderung der funktionellen Eigenschaften/ Materialeigenschaften des Produktes Abb. 1 Zusammenhang zwischen funktionellen Eigenschaften und Verarbeitung (KUNZEK und VETTER, 2001) Die Änderungen der Materialeigenschaften von Lebensmittelsystemen werden durch das Rohmaterial sowie die Verarbeitungsschritte und Prozessparameter beeinflusst. Die Prozessparameter können in interne Faktoren (Zusammensetzung und Milieubedingungen wie ph-wert und Ionenstärke) und externe Faktoren (Verarbeitungsschritte, externe Belastungen wie z.b. mechanische oder thermische Belastung) unterteilt 11

12 werden (Abb. 1). Das Ziel der Materialwissenschaften ist es, Zusammenhänge zwischen Änderungen in der zellulären sowie molekularen Struktur und strukturabhängigen funktionellen Eigenschaften und/oder Materialeigenschaften aufzudecken (KUNZEK et al., 1999). Die Kenntnis der Zusammenhänge zwischen verarbeitungsbedingten Struktur- und Zustandsänderungen von Lebensmittelkomponenten bzw. Lebensmittelsystemen und ihren funktionellen Eigenschaften sowie Materialeigenschaften kann zur Entwicklung von Produkten mit zielgerichtet veränderten funktionellen Eigenschaften beitragen (KUNZEK und VETTER, 2001). Die Textur von Obst und Gemüse ist stark abhängig von den chemischen und physikalischen Eigenschaften ihrer Zellwände (VAN BUREN, 1979). Somit besteht ein großes Interesse an der Entwicklung von Methoden, die eine Vorhersage und Kontrolle der Textur von pflanzlichen Lebensmitteln, insbesondere im Zusammenhang mit Verarbeitung und/oder Lagerbedingungen, ermöglichen. Die mechanischen Eigenschaften von pflanzlichen Lebensmitteln sind vom Beitrag der verschiedenen Strukturebenen und ihren Wechselwirkungen miteinander abhängig. Die Ebenen der Strukturhierarchie pflanzlicher Produkte gibt Abb. 2 wieder. ORGAN Überstruktur mechanische Eigenschaften TEXTUR GEWEBE Zell-Zell Adhäsion, Struktur ZELLE ZELLWAND Wechselwirkungen der Zellinhaltsstoffe mit der Wand, Zelldimensionen Vernetzungen, Anordnung, Dicke POLYMERE Struktur, Chemie MODIFIKATION (PHYSIOLOGISCH/VERARBEITUNG) KONTROLLPUNKTE Abb. 2 Schematische Darstellung der Ebenen der Strukturhierarchie pflanzlicher Produkte nach WALDRON et al. (1997) 12

13 Die niedrigste Strukturebene ist die der Polymere (Makromoleküle) der pflanzlichen Zellwände. Ihre Anordnung und Wechselwirkungen bestimmen stark die funktionellen Eigenschaften der Zellwand. Dies konnte schon in mehreren Arbeiten durch die Entfernung von Zellwandbestandteilen mittels selektiver Extraktion (enzymatisch, chemisch) demonstriert werden (GEORGET et al., 1998; FÖRSTER et al., 2002; DONGOWSKI et al., 1995; KUNZEK und KABBERT, 1997). Eine weitere Strukturebene wird durch die Zellen gebildet. Sie unterscheiden sich in Größe und Gestalt je nach ihrer Funktion in der Pflanze. Die Festigkeit individueller Zellen wird durch die Elastizität der Zellwand bestimmt. Der Einfluss der Zellen auf die physiko-chemischen Eigenschaften von pflanzlichen Produkten kann durch Anwendung von Verfahren zur Zellseparierung anhand von speziell hergestellten Einzelzellmaterialien untersucht werden (MÜLLER und KUNZEK, 1998). Zellen und interzelluläre Hohlräume (luft- und wassergefüllt) sind in Geweben angeordnet, deren Gestalt und Anordnung die nächste Strukturebene umfasst. Die Textureigenschaften des pflanzlichen Organs hängen somit letztendlich von den Beiträgen aller dieser Strukturebenen ab. Jede Ebene der Strukturhierarchie beinhaltet Aspekte der Zellwand und spiegelt die Funktionalität der Zellen wider (WALDRON et al., 1997). Die Strukturhierarchie der Abb. 2 illustriert den hohen Grad an Komplexität, die dem pflanzlichen Gewebe innewohnt. Somit ist es schwierig kausale Zusammenhänge zwischen Verarbeitungsschritten/Verarbeitungsparametern und Veränderungen von Struktur und Materialeigenschaften der untersuchten Lebensmittel zu finden (KUNZEK et al., 1999). Deshalb scheint es ratsam, entsprechende Versuche mit geeigneten Modellsystemen durchzuführen. So lässt sich das komplexe System von dispersen Obst- und Gemüseprodukten aus der dispersen Phase von Zellwandgerüstmaterial und dem Dispersionsmittel Wasser in einfacher Form simulieren. Wie KUNZEK und KABBERT (1997) zeigten, kann für die Verarbeitung von dispersen Obst- und Gemüseprodukten das Zellwandmaterial (ZM)-Wasser-System als Modell verwendet werden. Insbesondere die ZM, die überwiegend aus Einzelzellen (Minimierung des Einflusses von Überstrukturen) bestehen, haben sich für die Untersuchung kausaler Zusammenhänge zwischen Verarbeitung und funktionellen Eigenschaften bewährt. Zudem zeichnen sich ZM durch verschiedene Funktionen im Lebensmittel selbst aus. Sie sind zum einen Bestandteil pflanzlicher Lebensmittel und können zum anderen als Zutat zu Lebensmitteln eingesetzt werden. In beiden Fällen tragen sie zur Strukturierung und Texturierung bei, d.h., sie besitzen eine technologische Funktionalität 13

14 (Quell- und Dickungsmittel). Außerdem haben ZM als Ballaststoffpräparate auch einen zusätzlichen gesundheitlichen Nutzen (ernährungsphysiologische Funktionalität (Abb. 3)). Der hohe Gehalt an wasserlöslichen Pectinen und Hemicellulosen sowie unlöslicher Cellulose im ZM aus Obst und Gemüse stellt eine bedeutende Ballaststoffquelle dar. Durch die Verarbeitung werden diese funktionellen Eigenschaften verändert. So werden z.b. bei der Verarbeitung unlösliche in lösliche Ballaststoffe umgewandelt, welches sich in anderen strukturierenden Eigenschaften aber auch in anderen ernährungsphysiologischen Eigenschaften äußert (FÖRSTER et al., 2002). Zellwandmaterialien Lebensmittel-Bestandteil -Komponente Isolierung Anreicherung Lebensmittel-Zusatzstoff -Zutat Modell- Substrat technologische funktionelle Eigenschaften ernährungsphysiol. funktionelle Eigenschaften technologische funktionelle Eigenschaften ernährungsphysiol. funktionelle Eigenschaften Modell-Substrat der dispersen Phase von Obstund Gemüse- Dispersionen natürliche strukturierende/ texturierende Wirkung Verarbeitungseigenschaften sensorische Qualität natürliche Ballaststoff- Wirkung lösliche Ballaststoffe unlösliche Ballaststoffe Bindungseigenschaften Immobilisierung Verkapselung Grenzflächeneigenschaften Filmbildung Texturierende Eigenschaften Gezielte Veränderung/Verbesserung Gesundheitlicher Zusatznutzen zusätzliche Ballaststoff- Wirkung lösliche Ballaststoffe unlösliche Ballaststoffe Quell- und Dickungsmittel Stabilisatoren Formgebende Mittel functional ingredients health ingredients Abb. 3 Bedeutung von ZM in Lebensmitteln nach KUNZEK et al. (2002) Diese Arbeit soll Zusammenhänge zwischen verarbeitungsbedingten Struktur- und Zustandsänderungen und den funktionellen Eigenschaften von dispersen Obst- und Gemüseprodukten anhand des Modells Zellwandmaterial für die disperse Phase aufzeigen. 14

15 2. THEORETISCHER TEIL 2.1 Aufbau von Zellwandmaterialien aus Äpfeln Aufbau und Zusammensetzung von Äpfeln Der Gegenstand der Untersuchungen waren Äpfel der Sorte Granny Smith. Äpfel (Malus) gehören zum Kernobst und sind die Scheinfrüchte eines Rosengewächses (Rosaceae). Die eigentlichen Früchte befinden sich im Inneren des fleischig gewordenen Blütenbodens (LINKE und HAEVECKER, 1996). Beim Apfel handelt es sich um eine Sammelbalgfrucht, da mehrere chorikape Fruchtblätter mittels Gewebe der Blütenachse zu einer Einheit verbunden sind und sich nur an der Verwachsungsnaht öffnen (BORNKAMM, 1990). Abb. 4 gibt den Aufbau eines Apfels wieder. Kelchblätter Schale Gefäßbündel Fruchtblätter Samen Kerngehäuse Kernhaus Fruchtfleisch (Cortex) Stiel Abb. 4 Längsschnitt durch einen Apfel Für die Untersuchungen wurde das parenchymatische Gewebe des Fruchtfleisches (Cortex) verwendet. Nach TUKEY und ORAN YOUNG (1942) ist die Zellteilung im Cortexgewebe von Äpfeln schon ca. 3 Wochen nach der vollen Blüte abgeschlossen. Das anschließende Wachstum beruht nur noch auf der Ausdehnung von Zellen und interzellulären Hohlräumen. Die Zellen sind zum Zentrum gestreckt und strahlenförmig angeordnet. Die Zellen nahe der Schale sind dagegen weniger gestreckt, isodiametrisch oder sogar leicht tangential gestreckt. Die mittlere Länge und der Durchmesser der parenchymatischen Zellen von Granny Smith liegen bei 270 µm bzw. 180 µm (15-20 mm von der Oberfläche; KAHN und VINCENT, 1990). Die interzellulären Hohlräume sind zum Zentrum ebenfalls strahlenartig gestreckt angeordnet und besit- 15

16 zen eine mittlere Länge von 530 µm und einen Durchmesser von 120 µm (KAHN und VINCENT, 1990). Die interzellulären Hohlräume vergrößern sich besonders stark innerhalb der letzten 2 Monate der Fruchtreife und sind das sichtbare Merkmal des dünnwandigen cortikalen Gewebes. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Äpfel ist abhängig sowohl von der Varietät, wobei jede der Reihenfolge nach später reifende Sorte eine langsamere Geschwindigkeit hat, als auch von der Umgebung. Das heißt, klimatisch ungünstigere Bedingungen (wie kühle Witterung) verlangsamen das Wachstum bzw. scheinen kleinere Zellen und interzelluläre Hohlräume zu verursachen (TUKEY und ORAN YOUNG, 1942; KAHN und VINCENT, 1990). Die Hauptbestandteile und einzelne Inhaltsstoffe aus dem essbaren Anteil von Äpfeln gibt die Tab. 1 wieder. Tab. 1 Hauptbestandteile und einzelne Inhaltsstoffe in 100 g essbarem Anteil von Äpfeln (SOUCI- FACHMANN-KRAUT, 1991) Inhaltsstoffe Gehalt [g] Wasser 85,3 Eiweiß 0,3 Fett 0,4 Kohlenhydrate 11,8 Glucose 2,21 Fructose 6,04 Organische Säuren 0,6 Äpfelsäure 0,55 Ballaststoffe 2,3 Mineralstoffe 0,3 Kalium 0,145 Calcium 0,007 Magnesium 0, Die Zellwand parenchymatischer Zellen Die Zellwand pflanzlicher Zellen setzt sich aus einer Reihe von Schichten zusammen. In der Telophase der Zellteilung bildet sich im Grenzbezirk der beiden neu entstehenden Zellen eine Zellplatte, die durch flächige Vergrößerung allmählich an die Seitenwände der Mutterzelle anschließt. Sie stellt die erste Lage (Lamelle) der Zellwand dar und bleibt in der ausgewachsenen Wand als unscheinbare Mittellamelle 16

17 erhalten, die die Grenzlinie zweier Zellen markiert (BORNKAMM, 1990). Auf die Zellplatte beginnen die Tochterzellen sofort die nächste Schicht (die Primärwand) beiderseits aufzutragen. Während viele Zellen (z.b. parenchymatische Zellen) nur diese zwei Schichten besitzen, gibt es bestimmte spezialisierte Zellen, die eine Sekundärwand mit Beginn ihrer Differenzierung ausbilden. Die Sekundärwand kann sehr unterschiedlich in ihrer morphologischen und chemischen Struktur sein und ist deshalb ein bedeutendes diagnostisches Merkmal einiger Zelltypen (BRETT und WALDRON, 1996). Die Zellwand übt eine Vielzahl von Funktionen aus. Dazu gehören die Formgebung, die Abgrenzung (Separierung der Protoplasten im Zellgewebe) sowie die Verfestigung (Auffangen des Turgordruckes) der einzelnen Zellen (FELDMANN, 1987). Neben den genannten Funktionen, die auf ihrer Festigkeit beruhen, trägt die Zellwand zusätzlich zur Kontrolle des Zellwachstums und des interzellulären Transportes (z. B. Einschränkung der Bewegung positiv geladener Moleküle aufgrund der negativen Ladung der Zellwand) sowie zum Schutz gegen andere Organismen (Pathogene) bei. Des Weiteren können beim Abbau der Zellwand (durch Pathogene oder als Teil des normalen Zellwachstums und der Zellentwicklung) gebildete Oligosaccharide als Signalstoffe wirken und somit das Zellwachstum, die Zellverfestigung durch Lignin oder Callose sowie die Zelldifferenzierung beeinflussen. Die Zellwand stellt außerdem ein Lager für Reservepolysaccharide dar und kann als Ballaststofflieferant positive ernährungsphysiologische und gesundheitliche Effekte bei Pflanzenfressern und in der menschlichen Ernährung bewirken (BRETT und WALDRON, 1996) Zusammensetzung der Zellwand parenchymatischer Zellen von Dikotyledonen Die Zellwand pflanzlicher Gewebe setzt sich aus fünf strukturell und biochemisch sehr unterschiedlichen Hauptkomponenten zusammen: der mikrofibrillaren Cellulose- Phase, sowie den Hemicellulosen, Pectinen, Proteinen und Phenolen als Bestandteile der amorphen Matrix-Phase. Die Zusammensetzung Letzterer (Polysaccharide, Proteine und phenolischer Verbindungen) variiert je nach Pflanzenart und Spezies sowie nach Art und Reife des Zellgewebes. Diese Variation erstreckt sich nicht nur auf den proportionalen Anteil jeder Komponente sondern auch auf die detaillierte Struktur jedes Polymers. 17

18 Die traditionelle Klassifikation der Matrixpolysaccharide gründet sich auf den Methoden ihrer Extraktion. Unter der Pectinfraktion versteht man den Anteil der Zellwand, der mit heißer wässriger Lösung chelatisierender Agenzien (SELVENDRAN und O'NEILL 1987, MASSIOT et al. 1994, RENARD et al. 1990) oder heißer verdünnter Säure (HCl) extrahierbar ist. Sie besteht hauptsächlich aus Galacturonsäure, Rhamnose, Arabinose und Galactose. Aus dem Rückstand der Pectinextraktion kann mit Hilfe alkalischer Lösungen die Hemicellulosenfraktion gewonnen werden. Der verbleibende unlösliche Rückstand, die so genannte α-cellulose, enthält die Cellulosemikrofibrillen. Da die Mehrzahl der Matrixkomponenten sehr heterogen ist, ist die Einteilung einiger Polysaccharide in eine Klasse nicht eindeutig möglich. So ist es schwierig, das gesamte Galacturonsäure-enthaltende Material in der Pectinfraktion zu gewinnen, so dass auch in der α-cellulosefraktion Pectine und Hemicellulosen wie Glucomannane und Xyloglucane gefunden werden (SELVENDRAN, 1985). STEVENS und SELVENDRAN (1984) konnten aus Äpfeln nur ca. 50 % des Pectinmaterials mit chelatisierenden Agenzien extrahieren Cellulose Bei der Cellulose handelt es sich um ein lineares unverzweigtes β (1 4) Glucan. Über die Kettenlänge herrscht Uneinigkeit. In der Sekundärwand von Baumwolle wurde ein Polymerisationsgrad von gefunden. Dagegen scheint sicher, dass die Kettenlängen in der Primärwand kürzer sind und in einem breiteren Bereich schwanken. Intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der OH-Gruppe am C3 und dem Ringsauerstoff der nächsten Glucoseeinheit (und möglicherweise der OH-Gruppe am C6 und der OH-Gruppe am C2 der nächsten Glucoseeinheit) sind verantwortlich für die Steifheit des Cellulosemoleküls (KRÄSSIG, 1984) (Abb. 5). HOH 2 C O HO O OH HO O HOH 2 C OH O HOH 2 C O HO O OH O Abb. 5 Abschnitt aus einem β (1 4) verknüpftem Cellulosemolekül (---- intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung zwischen der OH-Gruppe am C3 und dem Ringsauerstoff) Bei der Biosynthese assoziieren mehrere Cellulosemoleküle spontan zu Mikrofibrillen (SCHINDLER, 1993), die extrem lang (> 100 nm; KRÄSSIG, 1984) und dünn (5-15 nm) 18

19 sind und rund oder oval im Durchschnitt. An jedem Punkt entlang der Mikrofibrille besteht sie aus Cellulosemolekülen (HEREDIA et al., 1995). Die Celluloseketten sind in der Mikrofibrille in einem kristallinen bzw. parakristallinen Gitter angeordnet, wobei noch immer Unsicherheit darüber besteht, ob parallel oder antiparallel. Die kristalline Struktur der Cellulosemikrofibrillen wird durch intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert. In der nativen Cellulose I - Modifikation bestehen Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb einer Gitterebene (002) zwischen der OH- Gruppen am C3 und C6 sowie interplanare Wasserstoffbrückenbindungen zwischen zwei (002)-Ebenen zwischen C6 und dem glycosidischen Sauerstoff am C1. Weiterhin sorgen starke Dispersionskräfte zwischen den Glucoseringen für einen interplanaren Zusammenhang (KRÄSSIG, 1984). Es sind drei weitere Kristallstrukturen bekannt (Cellulose II, III und IV), die aus der Cellulose I entstehen, wenn diese mechanisch oder thermisch behandelt wird. Da im Kristallgitter der Cellulose II - Modifikation eine noch dichtere Verknüpfung durch inter- und intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen möglich ist, stellt sie die thermodynamisch stabilste Form dar. Röntgenbeugungsmessungen weisen darauf hin, dass die Mikrofibrillen aus einem kristallinen Kern bestehen, der umgeben ist von weniger geordneten Strukturen, in denen auch geringe Mengen anderer Polysaccharide (Mannose, Xylose) gefunden werden (kovalente Bindungen zur Cellulose). Diese Polysaccharide haben eine ähnliche Struktur wie die amorphe Phase (HEREDIA et al., 1995). NEWMAN et al. (1994) konnten in den Primärwänden von Apfelzellen jedoch keine amorphe Cellulose nachweisen Hemicellulosen Die wichtigste Hemicellulose der Primärwand von Dikotyledonen ist das Xyloglucan (XG). Es ist nach VORAGEN et al. (1986) mit 43,5 % der Hauptbestandteil der Hemi- cellulosen von Äpfeln. Bei XG handelt es sich um eine β (1 4) verknüpfte D- Glucose-Hauptkette mit α (1 6) gebundenen D-Xylose-Seitenketten, die z. T. durch β (1 2) D-Galactose und α (1 2) L-Fucose bzw. α (1 2) L-Arabinose weiter substituiert sind. Die Galactose ist häufig acetyliert. Bei Enzymierungsversuchen eines Xyloglucans aus Bergahorn mit einer reinen β-(1,4)-glucanase fanden BAUER et al. (1976) immer wiederkehrende Einheiten von 7, 9 und 22 Zuckereinheiten (Abb. 6), für die sie ein Verhältnis von 10:10:1 angeben. ASPINALL und FANOUS 19

20 (1984) veröffentlichten für das Heteropolysaccharid aus Äpfeln einen Strukturvorschlag, der mit dem von ALBERSHEIM (1976) publizierten identisch ist (Abb. 6). a) O Gal O Fuc O Gal O Fuc X X X X X X X O O O O O O O O O O O O O O O O O G G G G G G G G G G Ara O b) Heptasaccharid α Xyl α Xyl α Xyl β Glc-(1 4) β Glc-(1 4) β Glc-(1 4) β Glc-(1 4) β Glc-(1 4) β Glc-(1 4) β Glc-(1 c) Nonasaccharid α Fuc 1 2 β Gal 1 2 α Xyl α Xyl α Xyl β Glc-(1 4) β Glc-(1 4) β Glc-(1 4) β Glc-(1 4) β Glc-(1 4) β Glc-(1 4) β Glc-(1 Abb. 6 Oligosaccharide des Xyloglucans, wie sie durch den Abbau mit einer endo-glucanase entstehen. a) Bruchstück aus 22 Zuckereinheiten, b) Heptasaccharid, c) Nonasaccharid; Abkürzungen: Ara - Arabinose, Fuc - Fucose, G und Glc - Glucose, Gal - Galactose, X und Xyl - Xylose (ALBERSHEIM, 1976) Mit diesem Polysaccharid war ein (1 4) Mannan mit einigen (1 6) Mannosylresten verknüpft; eventuell handelt es sich dabei aber um ein Glucomannan (VORAGEN et al., 1986). Identische Ergebnisse wurden auch von STEVENS und SEL- VENDRAN (1984) veröffentlicht (ENDREß, 1990). 20

21 Pectine Die Pectinfraktion besteht aus einer Reihe von Polysacchariden, die reich an Galacturonsäure, Rhamnose, Arabinose und Galactose sind. Sie sind charakteristisch für die Mittellamelle und die Primärwand von Dikotyledonen. Sie unterliegen schon bei relativ milden Bedingungen der β-eliminierung (Abb. 7), so dass wahrscheinlich einige oder sogar alle Polysaccharide des Pectins in vivo kovalent verbunden sind. Ebenso ist auch eine kovalente Bindung zu Phenolen, zur Cellulose und zu Proteinen möglich. Die wichtigsten Pectinstoffe werden nachstehend kurz vorgestellt. - O RO C OCH 3 O RO O OCH 3 C O OH OH O - H + + H + RO OH OH O OCH 3 C - O O RO - + O OCH 3 C O OH OH O OH O OH Abb. 7 Spaltung der glycosidischen Bindung durch β-eliminierung (BELITZ und GROSCH, 1992) Rhamnogalacturonan I (RG I) Rhamnogalacturonan ist die Hauptkomponente der Mittellamelle und der Primärwand mit der größten Konzentration in der Mittellamelle. Es besteht aus einer Kette von α (1 4) verknüpfter D-Galacturonsäure und α (1 2) verknüpfter L-Rhamnose (Abb. 8). In der Zellwand ist es wahrscheinlich kovalent an Homogalacturonan, d.h. lange Bereiche von Galacturonsäure mit wenig oder gar keiner Rhamnose, gebunden (BRETT und WALDRON, 1996). Die so genannten "hairy regions" des RG I (große Anzahl an Seitenketten) wechseln sich ab mit den "smooth regions" des Homogalacturonans (DE VRIES et al., 1982) und bilden dadurch lange Moleküle (Polymerisationsgrad ca. 2000). RG I enthält eine Reihe von Seitenketten, die sich vorzugsweise an der C4-Position der Rhamnose (seltener am C3 der GalA) befinden. Nach SELVENDRAN (1985) weisen zirka die Hälfte der Rhamnoseeinheiten im RG I von Äpfeln eine Verzweigung am C4 auf ( %; VORAGEN et al., 1995). Diese Seitenket- 21

22 ten bestehen hauptsächlich aus L-Arabinose und D-Galactose. Die Arabinose, die mit der Rhamnose verbunden ist, ist untereinander größtenteils α (1 5) verknüpft, während die Galactose wahrscheinlich β (1 4) verknüpft ist (ASPINALL und FANOUS, 1984). Diese Seitenketten können sehr lang sein und besitzen eine ähnliche Struktur wie die Arabinane, Galactane und Arabinogalactane I (s. u.). 4)-α-D-GalA-(1 2)-α-L-Rha-(1 4)- α-d-gala-(1 2)-α-L-Rha-(1 Abb. 8 Rhamnogalacturonan I, bestehend aus einer Hauptkette aus α (1 4) verknüpfter Galacturonsäure und α (1 2) verknüpfter Rhamnose, Seitenketten am C4 der Rha gebunden. Arabinane Dabei handelt es sich um ein stark verzweigtes Molekül bestehend aus einer Kette von α (1 5) verknüpfter L-Arabinose mit einzelnen Arabinoseeinheiten als Seitenketten die α (1 3) oder α (1 2) mit der Hauptkette verbunden sind (Abb. 9). Oligosaccharide aus α (1 5) verknüpfter Arabinose können ebenfalls in geringen Mengen als Seitenketten auf diese Weise mit der Hauptkette verbunden sein (ASPINALL und FANOUS, 1985; VORAGEN et al., 1995). 5)-α-L-Ara-(1 5)-α-L-Ara-(1 5)-α-L-Ara-(1 5)-α-L-Ara-(1 5)-α-L-Ara-( α-l-ara α-l-ara α-l-ara Abb. 9 Arabinan, bestehend aus einer Hauptkette aus α (1 5) verknüpfter Arabinose und Seitenketten von α (1 3) oder α (1 2) verknüpften Arabinoseeinheiten Arabinogalactane I Arabinogalactane bestehen aus einem β (1 4) verknüpften D-Galactangerüst, an das kurze α (1 5) verknüpfte L-Arabinoseseitenketten über die C3-Position der Galactose gebunden sind (Abb. 10, VORAGEN et al., 1995). 22

23 4)-β-D-Gal-(1 4)-β-D-Gal-(1 4)-β-D-Gal-(1 4)-β-D-Gal-(1 4)-β-D-Gal-( α-l-ara-(1 5)-α-L-Ara-(1 5)-α-L-Ara α-l-ara Abb. 10 Arabinogalactan I, bestehend aus einer β (1 4) verknüpften Galactan-Hauptkette an die kurze α (1 5) verknüpfter Arabinose-Seitenketten angelagert sind Homogalacturonan Homogalacturonan besteht aus einer α (1 4) verknüpften Kette aus Galacturonsäure, die teilweise mit Methanol verestert ist (Abb. 11). Andere Zuckerreste sind nicht oder nur in sehr kleinen Mengen vorhanden. KRAVTCHENKO et al. (1993) und THIBAULT et al. (1993) konnten aus Apfelpectin Blöcke von bzw Einheiten an reinem Homogalacturonan isolieren. Nach DE VRIES et al. (1986) beträgt der Veresterungsgrad der "smooth regions" von Apfelpectin ca. 70 % während in den "hairy regions" des RG I ein Veresterungsgrad von 100 % gefunden wurde. Die Methylestergruppen scheinen im nativen Pectin statistisch verteilt vorzuliegen (ANGER und DONGOWSKI, 1985; VORAGEN et al., 1995). HO O C HO O O OH O H 3 CO HO C O O OH HO O C HO O O OH O HO HO C O O OH O Abb. 11 Ausschnitt aus einer Polymethyl-polygalacturonsäure mit α-d-axial-axial-glycosidischer Bindung (ENDREß, 1990) Zwei Homogalacturonanabschnitte mit unveresterten Galacturonsäureresten sind in der Lage mit Calcium-Ionen eine ionische Bindung einzugehen. Das positiv geladene Ca 2+ agiert als Brücke zwischen den negativ geladenen Galacturonsäureresten ("egg-box" Modell, Abb. 12). Damit ein stabiler Komplex gebildet werden kann, sind wahrscheinlich ca benachbarte Galacturonsäurereste in jeder Kette notwendig. Da eine Methyl-Veresterung und/oder Rhamnosereste diese Bindung unterbrechen (abhängig vom Calciumgehalt), sind diese "egg-box" Strukturen nur von begrenzter Länge. Ihr Vorkommen ist aber so häufig, dass eine gelartige Struktur in der Zellwand, ähnlich der, die in isoliertem Pectin und in Gelees und Marmeladen aus Früchten gefunden wird (THAKUR et al., 1997), entstehen kann. 23

24 O HO O O C OH HO O O HO O C HO a) b) OH O - O C - O Ca 2+ OH O O O OH HO C O O O O OH Abb. 12 Schematische Darstellung der Calciumbindung an Polygalacturonsäure-Sequenzen. a) eine "egg-box" Kavität, b) Aggregation mehrerer "egg-box" Dimere nach THAKUR et al. (1997) Abb. 13 Schematische Darstellung einiger struktureller Merkmale von Pectin aus der Mittellamelle (a) und der Primärwand (b) (BRETT und WALDRON, 1996) Hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen zwischen methylierten Galacturonanen werden ebenfalls als bedeutsam für die Gelierung isolierter Pectine betrachtet und können auch in der Zellwand vorkommen. Die Pectine der Mittellamelle unterscheiden sich von denen der Primärwand durch geringere Rhamnosegehalte und weniger und kürzere Verzweigungen sowie einen 24

25 höheren Veresterungsgrad. In beiden Fällen können sich Abschnitte von Rhamnogalacturonan mit Abschnitten von Homogalacturonan im Molekül abwechseln (Abb. 13) Proteine und Glykoproteine Die Proteine der Zellwand sind zumeist glykosyliert und reich an Hydroxyprolin (Hyp). Das am besten untersuchte Glykoprotein ist das Extensin (1-10 % der Zellwand). Es besteht zu einem großen Teil aus L-4-Hydroxyprolin (ca. 40 % der enthaltenen Aminosäuren). Eine häufig wiederkehrende Sequenz im Molekül ist Ser-(Hyp) 4, wobei an den Hyp-Resten Oligosaccharide in Form von Tri- und Tetra-Arabinose und am Serin (Ser) einzelne Galactosereste angelagert sind (MCNEIL et al., 1984). Eine weitere Aminosäure im Extensin ist das Tyrosin (Tyr), welches durch Dimerisierung zu intraund möglicherweise auch intermolekularen Vernetzungen in der Zellwand beitragen kann (Abb. 14). Aufgrund der Vernetzung des Extensins über Diphenyl-etherbrücken kann es nur mittels oxidativer Agenzien (schwach saures NaClO 2 ; SELVENDRAN und O'NEILL, 1987) extrahiert werden. Tyrosin kommt häufig in der Sequenz Tyr-Lys-Tyr vor. Ca % des Extensins sind Protein und das Molekulargewicht des unvernetzten Monomers beträgt ca Dalton. Das Molekül besitzt eine helicale sekundäre Struktur (3 Aminosäuren pro Umdrehung; Polyprolin-II-Struktur) und erscheint unter dem Elektronenmikroskop als starrer Stab. Die Tri- und Tetrasaccharide am Hyp winden sich aufgrund ihrer (1 2) und (1 3) Verknüpfung um den Stab. Die helicale Struktur mit der damit verbundenen Anordnung von positiven Ladungen an einer Seite des Polypeptidmoleküls erlaubt eine ionische Bindung zu den negativ geladenen Carboxylgruppen einzelner Pectinmoleküle (FRY, 1986). Neben Extensin finden sich noch weitere Eiweißverbindungen in der Zellwand. Dazu gehören die löslichen, sauren Arabinogalactan-Proteine, die ebenfalls reich an Hydroxyprolin sind aber lange Kohlenhydratseitenketten (Arabinogalactan II) tragen, sowie Enzyme und Lectine. 25

26 H Protein N O C CH CH 2 Protein Protein H N O C CH Protein CH 2 OH H 2 O 2 2 H 2 O + OH Peroxidase OH O CH 2 CH 2 Protein C CH N Protein Protein C O CH N H Protein O Isodityrosin H Abb. 14 Oxidative Kopplung von 2 Tyrosinresten zur Bildung von Isodityrosin-Verbindungen (Die Kopplung an einen 3. Tyrosinrest kann auch noch zu einem Trimer führen. FRY, 1986) Phenolische Verbindungen Das wichtigste phenolische Polymer ist das Lignin (Vorläufer sind die aromatischen Alkohole Coniferyl-, Sinapyl- und p-cumarylalkohol.), welches in bestimmten differenzierten Zellen vorkommt aber in parenchymatischen Zellen eine eher untergeordnete Rolle spielt. Eine andere wichtige phenolische Verbindung ist die Ferulasäure, die verestert mit Arabinose und Galactose in Pectin vorkommt. Sie spielt wahrscheinlich eine besondere Rolle bei der Vernetzung der Pectine durch die oxidative Kopplung zweier Ferulasäurereste. Zuckerrübenpectine enthalten relativ große Mengen an Hydroxyzimtsäuren (Ferulasäure) im Gegensatz zu Pectinen aus Apfel und Zitrusfrüchten, wo sie nicht oder nur in geringer Menge gefunden wurden (OOSTERVELD et al., 2001; KROON und WILLIAMSON, 1999). Die 5-Caffeoylchinasäure (Chlorogensäure) als Hydroxyzimtsäurederivat ist die wichtigste intrazelluläre phenolische Verbindung im Apfel (BELITZ und GROSCH, 1992; PODSEDEK et al., 2000; WILL et al., 2000). Diese und andere phenolische Verbindungen werden bei der Zerstörung der Zellwand, die 26

27 zu einer Freisetzung von zellwandgebundenen Peroxidasen führt (WALDRON et al., 1997), oxidativ gekoppelt und sind in der Lage, ein hydrophobes Polyphenol - Netzwerk (Melanin) auszubilden, das sich optisch in einer rotbraunen Verfärbung des Gewebes äußert Die Zellwand - eine Ansammlung von miteinander verschachtelten Netzwerken Nach dem gegenwärtigen Stand des Wissens über die Zellwand und ihre Komponenten kann man die Zellwand am ehesten als eine Reihe von unabhängigen polymeren Netzwerken ansehen, die miteinander interagieren und so die vollständige komplexe Struktur der Zellwand bestimmen (BRETT und WALDRON, 1996; CARPITA und GIBEAUT, 1993). Die Primärwand von Dikotyledonen besteht aus drei strukturell unabhängigen aber miteinander in Wechselwirkung stehenden Domänen, dem Cellulose- Xyloglucan-Netzwerk (50 % der Zellmasse), das in eine Domäne der Matrix- Pectinpolysaccharide (30 % der Zellmasse) eingebettet ist, und der Domäne der Strukturproteine. Xyloglucan und Cellulose bilden zusammen das Cellulose- Xyloglucan-Netzwerk, wobei aufgrund seiner Seitengruppen nur eine Seite des linearen Xyloglucan-Grundgerüstes in der Lage ist, sich fest an die Oberfläche der Cellulose über Wasserstoffbrücken zu binden. Da die Primärwand Xyloglucan und Cellulose in gleichen Mengen enthält, ist es nicht möglich, dass das Xyloglucan die Mikrofibrillen nur als Monolayer abdeckt. Es wird angenommen, dass der Rest den Raum zwischen den Mikrofibrillen überspannt und so die Position der Mikrofibrillen in der Zellwand festlegt. Die Länge der Xyloglucan-Ketten liegt zwischen nm mit dem größten Anteil um 200 nm. Diese Länge ist mehr als ausreichend um die Distanz zwischen den Mikrofibrillen zu überbrücken (in Dikotyledonen ca nm) und an Bereiche der Mikrofibrillen an jedem Ende zu binden. Bereiche des Xyloglucans im Raum zwischen den Mikrofibrillen können auch miteinander oder mit anderen Matrixbestandteilen in Bindung treten oder miteinander verschlauft sein, wie von CARPITA und GIBEAUT (1993) vorgeschlagen (Abb. 15). Das Cellulose-Xyloglucan- Netzwerk ist in eine unabhängige Pectinmatrix eingebettet. Die Bindungen, die das Pectin-Netzwerk an ihrer Position halten sind wahrscheinlich ionischer Natur (z.b. "egg box" Strukturen). In hochverestertem Pectin und bei niedrigem Calciumgehalt können die Haftzonen durch hydrophobe oder Wasserstoffbrückenbindungen zu- 27

28 sammengehalten werden (WALKINSHAW und ARNOTT, 1981). Einige kovalente Bindungen können auch zwischen Pectin und anderen Zellwandkomponenten bestehen, wobei diese aber in wachsenden Zellen relativ gering sind (CARPITA und GIBEAUT, 1993). Obwohl das Pectin-Netzwerk unabhängig von den anderen Netzwerken ist, wird es von diesen beeinflusst und es bestehen zu einem gewissen Grad strukturelle Wechselwirkungen mit ihnen. Das Pectin-Netzwerk interagiert ebenfalls mit den anderen Netzwerken. So kontrolliert Pectin die Porengröße in der Zellwand und somit die Bewegung von Makromolekülen durch die Wand. Es kann die Ausschüttung von Enzymen zu ihren Substraten kontrollieren und somit indirekt zur Kontrolle der mechanischen Eigenschaften der Zellwand beitragen. Abb. 15 Die Primärwand von Zellen der Dikotyledonen blühender Pflanzen nach CARPITA und GIBEAUT (1993) 28

29 Abb. 16 Die ausgedehnte Primärwand von Zellen der Dikotyledonen blühender Pflanzen nach CARPITA und GIBEAUT (1993) Für das Streckungswachstum der Zelle müssen die longitudinal angeordneten quervernetzten Xyloglucan-Ketten gespalten werden, damit die transversal angeordneten Mikrofibrillen auseinander treten können. Der Abbau des Xyloglucans und damit das Streckungswachstum werden durch die Pectinmatrix (physikalische Barriere für Enzyme) kontrolliert. Nach Abschluss des Streckungswachstums erfolgt eine Quervernetzung der Mikrofibrillen durch Extensin, welches radial orientiert ist, und damit eine Fixierung der Gestalt der Primärwand. Extensin wird durch die Plasmamembran als 29

30 wasserlösliches Precursor-Protein synthetisiert und sekretiert. Einmal in der Wand, wird es zu einem unlöslichen Extensin-Netzwerk verknüpft (Abb. 16). Obwohl strukturell unabhängig von den Polysacchariden, kann das Extensin-Netzwerk nichtkovalente und kovalente Bindungen mit anderen Wandnetzwerken eingehen. 2.2 Physiko-chemische Eigenschaften von ZM Die physiko-chemischen Eigenschaften sind für die Funktionalität von ballaststoffangereicherten Lebensmitteln und die ernährungsphysiologische Wirkung von Ballaststoffen von enormer Bedeutung. Die wichtigsten physiko-chemischen Eigenschaften gibt Tab. 2 wieder. Tab. 2 Physiko-chemische Eigenschaften von ZM und Ballaststoffen nach AMADÓ (1994) - Löslichkeit - Hydratationseigenschaften - Quellung - Wasserbindungskapazität, WBK - Wasserhaltekapazität, WHK - Kinetik der Wasseraufnahme - Viskosität und Gelierungsvermögen - Kationenaustauschkapazität - Partikelgröße, Dichte (Schüttvolumen) - Oberflächencharakteristika - Porosität (Porenfläche, Volumen und Radius) - Öladsorption - Adsorption organischer Moleküle Die physiko-chemischen Eigenschaften von ZM und Ballaststoffpräparaten hängen sehr stark von ihrer chemischen Zusammensetzung ab. So unterscheiden sich die Polysaccharide von Zellwänden in ihrer molekularen Zusammensetzung (Neutralzucker, Uronsäuren), in vorhandenen funktionellen Gruppen im Molekül (vor allem Hydroxyl-, Carboxylgruppen sowie ihre Substituenten) und in Struktur, Konformation (Art der glycosidischen Bindungen (α oder β)) sowie Gestalt der Moleküle (linear oder verzweigt, helicale oder stabförmige Konformation). 30

31 2.2.1 Hydratationseigenschaften Unter den physiko-chemischen Eigenschaften von ZM und Ballaststoffen sind die Hydratationseigenschaften von besonderer Bedeutung sowohl für Ernährungswissenschaftler als auch für Lebensmitteltechnologen (AMADÓ, 1994). Die physiologischen Wirkungen von löslichen und unlöslichen Ballaststoffen unterscheiden sich dabei erheblich. So werden den unlöslichen Ballaststoffen beispielsweise eine Kariesprophylaxe (positive Auswirkung auf den Kauapparat), die Förderung der Darmfunktion und die Senkung der Darmtransitzeit zugeschrieben, während die Senkung des Blutcholesterinspiegels und eine prebiotische Wirkung (Bildung von kurzkettigen Fettsäuren (SCFA) durch die Darmmikroflora) vor allem durch lösliche Ballaststoffe hervorgerufen werden (DIEHL, 2000; VORAGEN, 1998). Eng verbunden mit dem Wasserbindevermögen dieser Materialien sind auch das Texturierungsvermögen (Quellund Dickungsmittel) und das rheologische Verhalten ihrer mit Wasser gebildeten Suspensionen (DONGOWSKI und BOCK, 1993). Wasser spielt außerdem eine wichtige Rolle bei Verderbnisprozessen sowohl im Hinblick auf mikrobielles Wachstum als auch auf Enzymaktivität und oxidativen Fettverderb in Lebensmitteln. Tab. 3 zeigt das Hydratationsvermögen verschiedener Zellwandbestandteile. Tab. 3 Hydratationseigenschaften von Zellwandbestandteilen nach AMADÓ (1994) Zellwandbestandteil Löslichkeit Quellung WBK WHK Cellulose - (+) + - Hemicellulosen - löslich unlöslich +/ Pectine Lignin Stärke Proteine +/ Bindungsformen von Wasser Man kann drei Abschnitte der Wasserbindung bei Stoffen ohne Überstrukturen (Makromolekülen) unterscheiden. Als gebundenes Wasser bezeichnet man Wasser, das über Wasserstoffbrückenbindungen und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen an polare Gruppen von Makromolekülen oder über ionische Gruppen gebunden ist. Dadurch 31

32 wird an den Makromolekülen ein monomolekularer Film von Wassermolekülen gebildet (a w -Wert = 0-0,25). Dieses Wasser friert nicht aus und wird deshalb auch als nicht gefrierbares Wasser bezeichnet. An die erste Hydrathülle sind weitere Wassermoleküle angelagert, die mit der Monolayer in Wechselwirkung stehen und eine Multilayer bilden (a w -Wert = 0,25-0,80). Man spricht hier von immobilisiertem Wasser, das einen erniedrigten Gefrierpunkt hat. Freies Wasser liegt erst ab einem a w - Wert von 0,8 vor. Es bildet ein zufälliges Netzwerk (Cluster aus 4 Molekülen) und ist in der Lage, Salze zu lösen und als Transport- und Lösemittel zu dienen. Aufgrund der gelösten Stoffe besitzt auch dieses Wasser einen leicht erniedrigten Gefrierpunkt. Abb. 17 Bindungsformen des Wassers an Makromolekülen und Sorptionsisothermen. a) gebundenes Wasser, b) immobiles Wasser, c) freies Wasser nach TERNES (1994) Bei ZM kommt zusätzlich noch der Einfluss der Überstrukturen, wie der Mikrostruktur (Kapillaren, Oberflächenbezirke, Netzwerkstrukturen, Verdrillungen, Verschlaufungen), der Makrostruktur (Partikelgröße und -gestalt, interne Hohlräume und Haufwerkshohlräume) und des gesamten komplexen Systems, hinzu. BOCK und OHM (1983) fanden heraus, dass ein hohes Wasserbindungsvermögen pulverförmiger Obst- und Gemüsepräparate sehr stark von der Struktur, d.h. vom Erhalt der biologisch gewachsenen Struktur, und weniger von der Substanzart abhängt. Auch DONGOWSKI et al. (1995) sind der Ansicht, dass neben den Unterschieden in botanischer Herkunft und chemischer Zusammensetzung auch die Morphologie der Trockenpräparate entscheidend für die verschiedenen Wasserbindungseigenschaften 32

33 der ZM von Apfel, Weißkohl, Zuckerrüben, Sojaschalen und Weizenkleie sind. Der Strukturabbau durch mechanische Zerkleinerung der getrockneten ZM führte zu Wasserbindungskapazitäten der Präparate, die in Bereichen für die Makromoleküle der Zellwand liegen (DONGOWSKI und EHWALD, 1999; KUNZEK und DONGOWSKI, 1991; CADDEN, 1987; MONGEAU und BRASSARD, 1982). Nach ROBERTSON und EASTWOOD (1981) kann Wasser von Ballaststoffpräparaten in drei Phasen gebunden werden: - Durch hydrophile Gruppen der Polysaccharidmoleküle: Dieses Wasser ist nicht verfügbar und besitzt eine sehr geringe chemische Aktivität. Die Menge an gebundenem Wasser hängt von der chemischen Zusammensetzung des Polysaccharids ab. - Durch die Matrix der Ballaststoffe: Dieses Wasser ist verfügbar. Die Verfügbarkeit hängt von der Verteilung der Porengrößen ab, die auch die chemische Aktivität und die Menge des anwesenden Wassers begrenzt. - Durch die Einlagerung in das Zellwandvolumen: Dieses Wasser ist leicht verfügbar und besitzt eine hohe chemische Aktivität. Die Menge an gebundenem Wasser hängt von der Herkunft und Präparierung der Ballaststoffe ab und wird von der Messmethode beeinflusst. 2.3 Physikalische Zustände und Zustandsänderungen Lebensmittel können als komplexe disperse Systeme angesehen werden, die normalerweise metastabil sind. Die Lebensmittelverarbeitung bewirkt Zustandsänderungen (Übergänge 2. Ordnung), wenn Rohstoffe, Lebensmittelbestandteile oder Lebensmittelsysteme einer externen Belastung unterworfen werden (KUNZEK et al. 1999). Prozesse, die mit Wasserabgabe (Trocknung) und Wasseraufnahme (Rehydratisierung) verbunden sind, sind durch Umwandlungen 2. Ordnung (zeitabhängige Zustandsänderungen, kinetische Betrachtungsweise) charakterisiert, von denen die Gummi- Glas-Umwandlung (vorwiegend bei Wasserabgabe) und die weich machende Wirkung des Wassers (bei Wasseraufnahme, insbesondere von amorphen Bereichen) bei der Lebensmittelverarbeitung von ausschlaggebender Bedeutung sind (Abb. 18; POMERANZ, 1991; RAHMAN, 1995; BLANCHARD, 1995). 33

34 2.3.1 Der amorphe Glaszustand Die schnelle Entfernung von Wasser durch Trocknung oder Gefrieren aus dem Lebensmittel führt zur Bildung eines amorphen Zustandes (Glaszustand). Die Bildung des amorphen Zustandes und seine Beziehung zu den Gleichgewichtsbedingungen werden in Abb. 18 gezeigt. KRISTALL Lösen Übersättigung (Druck) Kristallisation LÖSUNG GUMMI Dehydratation Weichmachung Abkühlen Erhitzen GLAS Erhitzen langsames Abkühlen Abkühlen Erhitzen SCHMELZE schnelles Abkühlen Erhitzen Abb. 18 Der physikalische Zustand von amorphen Materialien, die wasserlöslich sind oder durch Wasser weich gemacht werden. Kristalle, Lösungen und Schmelzen sind stabile Gleichgewichtszustände. Die amorphen Zustände (Glas oder Gummi) sind Nicht-Gleichgewichtszustände mit zeitabhängigen Eigenschaften. Änderungen zwischen den Gleichgewichtszuständen und dem Glaszustand finden immer über dem Gummizustand statt. (ROOS und KAREL, 1991) Die spezifische Enthalpie von Übergängen 2. Ordnung ist abhängig von der Vergangenheit des Systems, dass heißt, z.b. die Gummi-Glas-Übergangstemperatur T g ist abhängig von der Geschwindigkeit der Abkühlung bzw. der Trocknung. Bei sehr langsamer Geschwindigkeit könnte der thermodynamisch stabile kristalline Zustand (am Gefrierpunkt T m ) erreicht werden. Materialien im Glaszustand behalten die molekulare Unordnung des flüssigen Zustandes. Sie sind sehr starr und spröde. Der Glaszustand ist gekennzeichnet durch eine sehr hohe komplexe Viskosität von Pa*s. Aufgrund der Immobilität der Moleküle finden Reaktionen (Diffusion kleiner organischer Moleküle, chemische und mikrobielle Änderungen) nicht oder nur stark verlangsamt statt (RAHMAN, 1995). Weitere metastabile physikalische Zustände in diesem Zusammenhang sind Kollaps und Verklebung. Die Kollapstemperatur T c ist die Temperatur, bei der pflanzliche Lebensmittel bei der Verarbeitung oder Lagerung 34

35 ihre natürliche Gewebestruktur verlieren. Der Kollaps ist gekennzeichnet durch eine Verringerung der internen Poren und des Hohlraumvolumens sowie einer Schrumpfung. Am Klebepunkt T s gehen Lebensmittel von einem trockenen Pulver in einen viskosen klebrigen Zustand über. Es wird folgende Reihenfolge der charakteristischen Temperaturen angenommen T m > T c > T s > T g. Glasübergang und Kollaps finden insbesondere bei der Trocknung statt. Das Ausmaß des Kollapses ist abhängig von der Differenz T - T g, wobei eine exponentielle Abhängigkeit von der Zeit existiert. Kollaps führt zu unerwünschten Änderungen in der Textur sowie in den funktionellen und Materialeigenschaften von Lebensmitteln (KUNZEK et al., 1999) Die weich machende Wirkung von Wasser Die Fähigkeit zur Rehydratisierung von ZM ist ein qualitätsbestimmender Faktor von Obst- und Gemüsetrockenprodukten (POTTER und HOTCHKISS, 1995; JAYARAMAN und DAS GUPTA, 1995; LEWICKI, 1998). Es wird gefordert, dass die bei der Trocknung ablaufenden Zustandsänderungen möglichst weitgehend reversible sind, so dass sich das rehydratisierte Trockenprodukt in Struktur/Textur und Eigenschaften der eingesetzten Rohware wieder annähert (LEWICKI, 1998). Die Rehydratisierung getrockneter pflanzlicher Gewebe beinhaltet drei gleichzeitig ablaufende Prozesse: das Eindringen von Wasser in das getrocknete Material, die Quellung der Zellwandbestandteile und das Herauslösen löslicher Substanzen (KROKIDA et al., 1999). Der weich machenden Wirkung des Wassers kommt dabei eine besonders wichtige Rolle zu. Die Zugabe eines Weichmachers zu einem Material mit starren Molekülketten kann das System zu einer hochviskosen Flüssigkeit oder einen gummiartigen Feststoff umwandeln. Ein Weichmacher erniedrigt sowohl T g als auch T m und bringt sie dichter zusammen. So genügt ein Wassergehalt von %, um die Glasübergangstemperatur trockener Biopolymere von C auf 0 bis -10 C herabzusetzen (GIDLEY et al., 1993; HATAKEYAMA und HATAKEYAMA, 1998). Außerdem werden die Viskosität und die Strukturstabilität des Systems reduziert. Die weich machende Wirkung beruht auf verschiedenen Faktoren. Der Erste ist die Affinität des Weichmachers Wasser an die makromolekularen Bestandteile in den amorphen Bereichen und seine Wechselwirkungen mit geladenen und polaren Gruppen. Dies führt zu einer Abschirmung interund intramolekularer Wechselwirkungen, die die starken Anziehungskräfte zwischen polaren und entgegengesetzt geladenen funktionellen Gruppen beinhaltet. Der zwei- 35

36 te Faktor ist eine Erhöhung der Distanz zwischen den Makromolekülen und eine Erniedrigung der intermolekularen Wechselwirkungen durch die Verdünnung mit Wasser (Abb. 19). Diese Weichmachermechanismen zusammen mit dem niedrigen Molekulargewicht (M = 18 g/mol), der niedrigen Dichte (ρ= 0,9981 g/cm 3 bei 20 C), der hohen Dielektrizitätskonstanten (ε = 81), dem Dipolwinkel von 103,97 (Förderung der Clusterbildung), dem ausgesprochen hohem Vermögen Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden und der niedrigen T g machen Wasser zum effektivsten Weichmacher für die makromolekularen Strukturen von Lebensmitteln und zum besten Lö- sungsmittel für polare und geladene Biopolymere (TOLSTOGUZOV, 2000). Abb. 19 Die weich machende Wirkung durch die Einlagerung von Wasser in die amorphen Bereiche der Makromoleküle (aus TERNES, 1994) Trocknungsvorbehandlungen Trocknungsvorbehandlungen (pre-drying treatments) werden neben qualitätsschonenden Trocknungsverfahren eingesetzt, damit bei der Trocknung eintretende Zustandsänderungen wie Schrumpfung, Gewebekollaps und Glasumwandlung weitestgehend reversibel sind und Struktur/Textur und Eigenschaften der eingesetzten Rohware durch Rehydratisieren annähernd wiederhergestellt werden können. So haben sich beispielsweise der Einsatz von Na- und Ca-Salzen, von Saccharose und Glycerol sowie Kombinationen verschiedener Zusätze bewährt (LEWICKI und LUKAS- 36

37 ZUK, 2000; MÜLLER et al., 2000; IZUMI und WATADA, 1994). In einigen Fällen konnte durch den Zusatz anorganischer Salze und/oder organischer Verbindungen der Umfang der Schrumpfung bei der Trocknung reduziert und die Rehydratisierung der Trockenprodukte begünstigt werden (JAYARAMAN et al., 1990; NEUMANN, 1972, LEWICKI, 1998). Des Weiteren wurde gezeigt, dass durch einen Wasser-Ethanol-Austausch das Ausmaß von Schrumpfung und strukturellem Kollaps während der folgenden Trocknung reduziert werden kann (KABBERT et al., 1993; KABBERT et al., 1996; KUNZEK et al., 1999). 2.4 Strukturänderungen Wie schon in der Einleitung beschrieben, können pflanzliche Produkte modellhaft in verschiedene Strukturebenen unterteilt werden. Strukturelle Parameter wie Partikelgrößenverteilung, Makrostruktur, Mikrostruktur, Zusammensetzung und molekulare Parameter werden bei der Verarbeitung verändert, was sich in anderen funktionellen Eigenschaften äußert. Abschnitt zeigt den großen Einfluss der Strukturparameter auf die Wasserbindungseigenschaften von Ballaststoffpräparaten. In der Literatur findet sich eine große Anzahl von Arbeiten, die sich mit den Auswirkungen von Verfahren wie Zerkleinerung, Wärmebehandlung, Trocknung, chemischen und enzymatischen Extraktionen auf Struktur und funktionelle Eigenschaften beschäftigen. Mit Hilfe von Extraktionsverfahren ist es möglich die Zellwand abzubauen. Dies kann auf chemischem, physikalischem und enzymatischem Wege erfolgen. Einige ausgewählte Verfahren sollen nachfolgend vorgestellt werden Enzymatische Verfahren Bei der Verarbeitung von Früchten und Gemüse werden exogene Enzyme als Hilfsstoffe für die Verbesserung oder Aufrechterhaltung der Qualität traditioneller Produkte verwendet. Der Einsatz von Enzymen bietet ferner Möglichkeiten in der Verfahrens- und Produktentwicklung. Pectinasen, Cellulasen und Hemicellulasen werden eingesetzt für die Klärung von Fruchtsäften, die Entsaftung, die Verbesserung der Trubstabilität von Gemüsesäften und Fruchtsäften, die Verflüssigung und Mazeration von Früchten und Gemüse, die Reduzierung der Kochzeit von Hülsenfrüchten und 37

38 die Verbesserung der Rehydratationseigenschaften getrockneter Gemüse (PILNIK und VORAGEN, 1991). Apfelgewebe kann enzymatisch in vier verschiedenen Stufen abgebaut werden (Tab. 4). Tab. 4 Enzymierungssysteme für die 4 Stufen des enzymatischen Abbaus von Apfelgewebe nach VORAGEN und PILNIK (1981) 1. Mazeration beschränkter Pectinabbau durch Polygalacturonase oder Pectinlyase hauptsächlich der Mittellamelle, Umwandlung von organisiertem Gewebe in eine Suspension intakter Zellen 2. Maischefermentation weitgehende Depolymerisation von Mittellamellen- und Zellwandpectin durch Polygalacturonase mit Pectinesterase oder/und durch Pectinlyase 3. Verflüssigung Abbau von Pectin und Cellulose durch Polygalacturonase mit Pectinesterase oder/und durch Pectinlyase zusammen mit C-1-reicher Cellulase 4. Verzuckerung Verflüssigung mit zusätzlichem Abbau von Polysaccharidfragmenten durch Hemicellulasen, Oligomerasen für abgebaute Pectine und Hemicellulosen, Cellobiase und Glykosidasen (Galactosidase, Xylosidase, Arabinosidase, Rhamnosidase) Pectinesterasen PE bewirken eine hydrolytische Spaltung des Methylesters an Galacturonsäureresten im Pectin. Dabei wird Pectin zu niederverestertem Pectin oder Pectinsäure (Veresterungsgrad 5-10 %) umgewandelt. Bevorzugte Angriffspunkte von Pectinesterasen pflanzlicher Herkunft sind jene Methylestergruppen, die an unveresterte Carboxylgruppen angrenzen bzw. bei hochveresterten Pectin am reduzierenden Ende des Moleküls angeordnet sind. Die durch Methanolabspaltung gebildeten unveresterten Zonen sind extrem sensitiv gegenüber Calcium (siehe dazu auch Abschnitt zu Homogalacturonan). PE kommt in vielen höheren Pflanzen insbesondere in Tomaten und Zitrusfrüchten vor und wird außerdem von vielen Pilzen und Bakterien produziert (VORAGEN et al., 1995). Für die Mazeration werden Polygalacturonase PG oder Pectinlyase PL eingesetzt. PG bewirkt durch hydrolytische Spaltung der α (1 4) - glykosidischen Bindungen der Pectinsäure eine Depolymerisation. Endo-PG spalten nur glykosidische Bindungen, die sich neben einer freien Carboxylgruppe befinden, demnach nimmt mit steigendem Veresterungsgrad die Aktivität rapide ab (SCHOBINGER, 1987). 38

39 Die Pectinlyase PL depolymerisiert hochverestertes Pectin durch Spaltung der glykosidischen Bindungen neben den methylveresterten Carboxylgruppen durch einen β- Eliminierungsmechanismus. Mazerationsenzyme ermöglichen eine Desintegrierung des Pflanzenmaterials, wobei die pflanzlichen Zellen größtenteils intakt bleiben. Es findet also kein Zellwandabbau, sondern eine Lösung des Mittellamellenpectins statt. Dabei werden native, hochveresterte und hochpolymere Pectinmoleküle freigesetzt, die die Viskosität der Fruchtmaische erhöhen und zu einer guten Trubstabilität beitragen (SCHOBINGER, 1987). Für einen weitergehenden Zellwandabbau ist der Einsatz von Enzymkombinationen aus PE und PG und/oder PL notwendig. VORAGEN et al. (1980) konnten durch Zugabe von PG 8,2 % der Zucker aus alkoholunlöslicher Apfelzellwandsubstanz (blindwertkorrigiert) in Lösung bringen. Mit Hilfe der Kombination PG/PE konnten sogar 33,2 % und durch PL 27,8 % der Gesamtzucker extrahiert werden. Durch die Kombination von C-1 Cellulase, PG und PE wurde eine Verflüssigung (79,8 % der Zucker in Lösung) erreicht. Bei C-1 Cellulase handelt es sich um eine Exo-β-1,4-Glucanase, die Cellobiose vom nichtreduzierenden Ende der Cellulosemoleküle abspaltet (PILNIK und VORAGEN, 1991). RENARD et al. (1991) fanden heraus, dass die Kombination von Endo-Glucanase (Abbau des Fucogalacto-Xyloglucans; Abschnitt )und Endo-Pectinlyase sehr effektiv ist für die Lösung des Protopectins in der Zellwand Chemische Verfahren Ein Zellwandabbau ist auch durch die schrittweise Extraktion mittels chemischer Agenzien möglich. Extraktionsschemata dieser Art sind vor allem für die Analyse der Zellwandzusammensetzung sowie ihrer Änderung bei Wachstum, Reifung, Lagerung und Verarbeitung entwickelt worden (SELVENDRAN und O'NEILL, 1987; RENARD et al., 1990; ASPINALL und FANOUS, 1984; JERMYN und ISHERWOOD, 1956; DONGOWSKI et al. 1995). Einzelne Verfahren finden aber auch in der Industrie Anwendung, wie die saure Extraktion von Pectin aus Apfeltrestern und Zitrusschalen (PILNIK, 1991; KUNZEK et al., 1990; KUNZEK et al., 1991). Entsprechend der Zellwandzusammensetzung wird als erstes das Pectin extrahiert, gefolgt von den Hemicellulosen. Abhängig vom Studienziel wird noch ein Schritt für die Extraktion von polyphenolischen und Eiweiß- Verbindungen eingefügt. Als Rückstand wird die so genannte α-cellulose erhalten. 39

40 Der Abbau der Pectinmatrix kann durch Extraktion mit heißen Lösungen chelatisierender Agenzien, z.b. Natriumethylendiamintetraacetat (EDTA; VORAGEN et al., 1995; SAJJAANANTAKUL et al., 1989), Ammoniumoxalat (MASSIOT et al., 1992; DONGOWSKI et al., 1995) oder durch Extraktion mit Natriumcyclohexandiamintetraacetat (CDTA; bevorzugte Lösung der mit Calcium komplexierten Pectine der Mittellamelle) bei Raumtemperatur und anschließender Behandlung mit Natriumcarbonat-Lösungen (Lösung eines großen Anteils der Pectine der Primärwand) (STOLLE-SMITS et al., 1997; VAN MARLE et al., 1997; SELVENDRAN, 1985) erfolgen. Zur Entfernung von Lignin und eines großen Anteils von Eiweiß wird der entpectinisierte Rückstand mit warmer Natriumchlorit-Lösung und Essigsäure behandelt (WISE et al., 1946; JERMYN et al., 1956). Durch das Oxidationsmittel werden Isodityrosinbrücken und Polyphenole gespalten. Die Extraktion des Rückstandes mit Alkali steigender Molarität bei Anwesenheit von Reduktionsmitteln (Natriumborhydrid) und Inertgasatmosphäre bewirkt die Abtrennung der Hemicellulosen (Spaltung der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Cellulose und Xyloglucan). Als Rückstand wird die so genannte α-cellulose erhalten (SELVENDRAN, 1985) Wärmebehandlung Das Blanchieren gehört zu den wichtigsten physikalischen Verfahren, die vor der Trocknung angewandt werden. Die Textur von Obst und Gemüse erweicht beim Erhitzen aufgrund des Verlustes des Turgordruckes in den Zellen und durch das Lösen der Matrixpolysaccharide. STERLING und SHIMAZU (1961) fanden zudem eine Erhöhung des amorphen Anteils an Cellulose in der Zellwand. Bei Äpfeln findet eine Zellseparierung entlang der Mittellamelle statt. Die Wärmebehandlung erhöht die Permeabilität der Zellwand zu Wasser und beschleunigt dadurch die Trocknungsgeschwindigkeit (LEWICKI, 1998). Eine schnelle Trocknung kann eine extensive Schrumpfung vermindern. Blanchieren in kochendem Wasser inaktiviert die Pectinmethylesterase, während in pflanzlichem Gewebe bei C die an die Zellwand gebundene Pectinmethylesterase freigesetzt und aktiviert wird. Eine teilweise Entesterung des Pectins kann dabei stattfinden und durch Reaktion mit divalenten Kationen (Calcium) zu einer Reduzierung der Gewebeerweichung führen (GODFREY USI- AK et al., 1995; STANLEY et al., 1995; NG und WALDRON, 1997; GIERSCHNER et al., 40

41 1995). Außerdem werden durch das Blanchieren die Polyphenoloxidasen inaktiviert und somit die enzymatische Bräunung verhindert (KIM et al., 1993). 2.5 Methoden zur Bestimmung der Hydratationseigenschaften Die Hydratationseigenschaften und das Vermögen Wasser zu binden sind fundamentale Materialeigenschaften von Zellwandkomponenten und Ballaststoffen. Eng verbunden mit dem Wasserbindungsvermögen dieser Materialien ist die Texturierung und das rheologische Verhalten der von ihnen gebildeten Suspensionen (DONGOWSKI und BOCK, 1993; KUNZEK et al., 1999). Die Bestimmung von Wasserbindungseigenschaften und rheologischen Eigenschaften sind nicht nur für ihre technologische Verarbeitung, sondern auch für die Ermittlung ihrer ernährungsphysiologischen Wirkung wichtig. Insbesondere bei ZM aus Obst, Gemüse oder Getreide, die als Quellund Dickungsmittel eine technologische sowie als Träger von Ballaststoffen eine ernährungsphysiologische Funktionalität im Lebensmittel ausüben können, ist ein umfassendes Wissen über die Wasserwechselwirkungen notwendig. Aus diesem Grund werden und wurden große Anstrengungen unternommen, diese Eigenschaften genau zu charakterisieren und für die Vergleichbarkeit der Eigenschaften von ZM Methoden zu standardisieren (EU konzertierte Aktionsgruppe PROFIBRE; ROBERTSON et al., 2000). Zur Erfassung der Wasserbindungseigenschaften gibt es eine große Vielfalt an Methoden, die zum Teil zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen. Zu den wichtigsten Methoden zählen die Aufnahme von Adsorptions- und Desorptionsisothermen (DONGOWSKI und BOCK, 1993; WALLINGFORD und LABUZA, 1983), die Bestimmung des Quellvermögens (Wasserüberschuss über Nacht bei 25 C, ausgedrückt in ml/g getrocknete Probe; RENARD und THIBAULT, 1991; THIBAULT et al., 1994; ROBERTSON et al., 2000), die Bestimmung der Wasserretentionskapazität (WRK) mittels Zentrifugationsmethode (Wasserüberschuss, Quellung, Zentrifugalkraft, Entfernung des überschüssigen Wassers durch Schwerkraft, ausgedrückt in g/g; ROBERTSON et al., 2000; QUINN und PATON, 1979) oder mittels Filtrationsmethode (Wasserüberschuss, Quellung, Filtration; KUNZEK et al., 1993), die Saugspannungsmethode (THIBAULT et al., 1994; ROBERTSON und EASTWOOD, 1981) und die Kapillarsaugmethode nach Baumann (spontane Wasseraufnahme aufgrund der Kapillarkräfte der Probe; CHEN et al., 1984; HEINEVETTER und KROLL, 1982). Die mit Hilfe der allgemein verbreiteten Methoden zur Charakterisierung der Wasserbindung ermittelten 41

42 Kennwerte weisen eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Art der eingesetzten Methode auf. So kann am Beispiel von Adsorptions- und Desorptionsisothermen bewiesen werden, dass die analysierten Werte keine physikalischen Konstanten oder Gleichgewichtsdaten (thermodynamische Betrachtungsweise) sind. Bei den zahlreichen Prozessen, die mit Wasseraufnahme und Wasserabgabe einhergehen, handelt es sich im Prinzip um Umwandlungen 2. Ordnung, die zu metastabilen Zuständen führen, die von der Historie des Systems und den gewählten Untersuchungsbedingungen abhängen. Zur umfassenden Charakterisierung der Hydratationseigenschaften bedarf es daher einer Untersuchung unter kinetischen Gesichtspunkten (KUNZEK et al., 1999). Des Weiteren ermöglichen die bisher ermittelten Kennwerte der Wasserbindung nur im begrenzten Umfang Rückschlüsse auf die Art der Wasserbindung (Wasserbindung an hydrophilen Gruppen, durch Matrix-Quellung, durch mikrokapillare Wasserbindung, durch Wasserbindung in Hohlräumen, wie in Makrokapillaren und in Haufwerkshohlräumen) (DONGOWSKI und BOCK (1993)). Nach dem bisherigen Stand der Forschung erscheint es somit sinnvoll, Wasserwechselwirkungen mit Bestandteilen von dispersen Obst- und Gemüseprodukten an geeigneten Modellsystemen (ZM) unter thermodynamischen Aspekten (z.b. klassische Methoden zur Ermittlung der Wasserbindungskennwerte als angenäherte Gleichgewichtsdaten) und insbesondere unter kinetischen Gesichtspunkten (u. a. Kinetik von Wasseraufnahme und Wasserabgabe, ggf. unter externer Belastung) zu betrachten, um so einen Beitrag zur Kenntnis über die Abhängigkeit der Materialeigenschaften von strukturellen Parametern der entsprechenden Systeme zu leisten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Aussagekraft von Methoden zur Bestimmung der Wasserbindungseigenschaften und rheologischen Eigenschaften insbesondere unter einer kinetischen Betrachtungsweise. Sie soll aufzeigen, zu welchen neuen Erkenntnissen diese Aspekte bei der Untersuchung des Einflusses von Struktur- und Zustandsänderungen während der Verarbeitung von Obst- und Gemüseprodukten auf ihre funktionellen Eigenschaften zusätzlich beitragen können. 42

43 3. EXPERIMENTELLER TEIL 3.1 Material und Methoden Substanzen und Reagenzien Herstellung - Ammoniumoxalat Monohydrat, 99,0 % puriss. p.a., Fluka - L-Äpfelsäure, > 99 % purum, Fluka - Argon N 50, Alphagaz - Citronensäure Monohydrat, krist., Biochemie Bernd Belger - Essigsäure, 100 % reinst, Riedel-de Haën - Ethanol, 95 % vol. Vergällungsmittel: Petrolether (ca. 1 %), Sorte 621 für technische Zwecke, BfB Bundesmonopolverwaltung für Branntwein, Verwertungsstelle für Agraralkohol - D-(-)Fructose, > 99 % reinst for microbiology, Fluka - Fructozym M, mazerierende Pectinase, Erbslöh Geisenheim, Deutschland (FRUCTOZYM M, 1995) - Kaliumacetat, > 99 % Microselect, Fluka - Kaliumcarbonat wasserfrei, > 99,0 % purum, p.a., Fluka - Kaliumhydroxid, Pellets, > 86 % puriss. p.a., Fluka - Natriumborhydrid, 95 % purum, Fluka - Natriumchlorit, 80 % puriss. p.a., Fluka - Rohament Max, Totalverflüssigungsenzym, Enzymkomplex aus mazerierender Pectinase, Cellulase und Hemicellulase, Röhm, Deutschland (ROHAMENT MAX, 1997) - Salpetersäure, 65 % zur Analyse, Germed - Salzsäure rauchend 37 % puriss. p.a., Fluka Chemisch-physikalische Untersuchungen - Ammoniumhydroxidlösung 25 %, puriss. p.a., Fluka 5 - Borsäure, 99 % reinst zur Analyse, Germed 2 - Chromotropsäure Dinatriumsalz Dihydrat, 99 % puriss. p.a., Fluka 4 - Dichlormethan, puriss. absolut, über Molekularsieb (H 2 O < 0,005 %), Fluka 5 - Dimethylsulfoxid, puriss. absolut, über Molekularsieb (H 2 O < 0,005 %), Fluka 5 - EDTA Dinatriumsalz Dihydrat, Chelaplex III, rein (purum), VEB Berlin-Chemie, Berlin-Adlershof 3 - Enzymtestkit Fructose/Glucose von Boehringer Mannheim, R-Biopharm 7 - Enzymtestkit Glucose von Boehringer Mannheim, R-Biopharm 6 - Enzymtestkit L-Äpfelsäure von Boehringer Mannheim, R-Biopharm 8 - Essigsäure > 99,8 %, puriss. p.a., Fluka 3 - Essigsäureanhydrid, > 99,5 %, puriss. p.a., Fluka 5 - Ethanol absolut, > 99,8 % vol. reinst, Riedel-de Haën 4 - α-d-galacturonsäure Monohydrat, rein, Serva 3 43

44 - 3-Hydroxybiphenyl, 90 %, Aldrich 3 - Kaliumpermanganat, > 99,5 % p.a. Roth 4 - Methanol acetonfrei, > 99,7 %, reinst, Riedel-de Haën 4-1-Methylimidazol, > 99 % puriss. Fluka 5 - Methylrot Na-Salz, p.a., Poch Gliwice, Polen 4 - Natriumborhydrid, purum p.a., Fluka 5 - Natriumdisulfit trocken, für Analyse, Riedel-de Haën 4 - Natriumhydroxid, Pellets, > 98 % puriss. p.a. Fluka 3 - Natriumtetraborat wasserfrei, > 99,0 % Microselect, Fluka 3-0,1 n NaOH (FIXANAL ) Riedel-de Haën 2-1 n NaOH (FIXANAL ) Riedel-de Haën 3,4 - Natronlauge, > 32% in Wasser, puriss. p.a. 2 - ortho-phosphorsäure 89 %, reinst, Merck 4 - Polygalacturonase, Versuchsenzym VP 0956/2, Erbslöh Geisenheim 3 - Rohament Max, Totalverflüssigungsenzym, Enzymkomplex aus mazerierender Pectinase, Cellulase und Hemicellulase, Röhm, Deutschland (ROHAMENT MAX, 1997) 5 - Salpetersäure 65 % zur Analyse, Germed - Salzsäure rauchend 37 % puriss. p.a., Fluka - 0,1 n Schwefelsäure (TESTAL) Germed 2-1 n Schwefelsäure (NORMANAL) Chemapol, CSSR 4 - Schwefelsäure 95-97%, für Analyse, Riedel-de Haën 2,3,4,6 - Selenreaktionsgemisch nach Wieninger, Riedel-de Haën 2 - Standards 5 - D-(+)-Arabinose, für biochemische Zwecke, Merck - L-(-)-Fucose, > 99 %, Sigma - D-(+)-Galactose, für biochemische Zwecke, Merck - D-(+)-Glucose 99,5 %, Sigma - α-glucose-5-acetat, 99 %, Aldrich - myo-inositol, > 99,5 % Microselect, Fluka - D-(+)-Mannose mixed Anomers, β-anomer 1 %, α-anomer 98 %, Sigma - L-Rhamnose Hydrat, 99 % rein, Chemapol CSSR - D-(+)-Xylose, für biochemische Zweck, Merck - Stickstoff 5.0, Linde 1,5,9 - Synthetische Luft kohlenwasserstofffrei, Linde 5,9 - Taschiro-Indikator. Fluka 2 - Trifluoressigsäure, 99,5 % biochemical grade, Acros 5 - Wasserstoff 5.0, Linde 5 1 Feststoffdichte 2 Eiweißgehalt 44

45 3 Galacturonangehalt 4 Veresterungsgrad 5 Zuckerbausteinanalyse (GC) 6 Glucosegehalt 7 Fructosegehalt 8 Äpfelsäuregehalt 9 Thermoanalyse Herstellung der ZM Für die Herstellung der ZM wurden ausschließlich Äpfel der Sorte "Granny Smith" verwendet. Die Materialien einer Serie wurden grundsätzlich aus einer Rohstoffcharge hergestellt. Dazu wurden die Äpfel im Kühlschrank gelagert und innerhalb von 3 Wochen verarbeitet, um den Rohstoffeinfluss durch die fortschreitende Reifung möglichst gering zu halten. Bei jeder der hergestellten Serien wurde ein Standardmaterial das so genannte "Basismaterial - BM (HV)" mitgeführt, an dem sich die Modifikationen der restlichen Probematerialien orientierten und das einen Vergleich der unterschiedlichen Rohstoffchargen erlaubte. Jedes ZM wurde zweimal bzw. mehrfach hergestellt und anschließend für die Untersuchungen zu je zwei Proben vereinigt Serie 1 - Einfluss der Strukturänderungen durch typische Verarbeitungsschritte der obst- und gemüseverarbeitenden Industrie auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Für diese Serie wurden Äpfel einer Charge der Sorte "Granny Smith" aus Italien (Südtirol) der Ernte Herbst 1998 verwendet. Die Herstellung der ZM erfolgte sofort nach Lieferung innerhalb von 11 Tagen vom bis Innerhalb dieser Zeit wurden die Äpfel bei 5 C im Kühlschrank gelagert. Abb. 20 fasst die Herstellung dieser Serie zusammen. 45

46 Äpfel Granny Smith (Italien) schälen, entkernen, raspeln (Krefft Küchenmaschine 5 mm Lochdurchmesser) Abpressen im Presseimer Waschen mit Wasser Extraktion mit wässriger HNO 3 bei ph 1,9, 30 min 85 C, Rühren Blanchieren (5 min, 80 C, mit Citronensäure) Abpressen mit Presseimer Abpressen mit Tuch Waschen mit Wasser (35 C) Mazeration mit Fructozym M (1h, 45 C, Rühren) Totalverflüssigung mit Rohament Max (2h, 40 C, Rühren) Abpressen mit Tuch Waschen mit Wasser +Citronensäure Blanchieren (10 min, 80 C, mit Citronensäure) Rückstand mit Wasser 1:3 verdünnen Blanchieren (5 min, 80 C) Zerkleinerung im Ultra Turrax (grobes + feines Werkzeug) Zerkleinerung im Ultra Turrax (feines Dispergierwerkzeug) Nasssieben µm, bis auf Leitfähigkeit < 50 µs/cm Zentrifugieren (10 min, 3600 U/min) Wasser-Ethanol-Austausch (bis Ethanol-Ablauf > 92%ig) Vakuumtrocknung (Rotationsverdampfer, TS > 95%) KW BM HD FM RM Abb. 20 Herstellungsschema der Serie Basismaterial - BM Die Herstellung erfolgte nach MÜLLER und KUNZEK (1998). 2,2 kg Äpfel wurden geschält und entkernt und mit einer Küchenmaschine (Krefft, Lochscheibe: 5 mm) zerkleinert. Die erhaltene Maische wurde abgepresst (Para Press, Arauner) und der Rückstand mit 2,4 l Wasser 10 min gewaschen und erneut abgepresst. Dieser Rückstand wurde mit 2,4 l Wasser und 12 ml 5%iger Citronensäure 10 min blanchiert (Zeitnahme ab 80 C). Anschließend wurde die Maische portioniert zu je 600 ml in 1-46

47 l-bechergläsern und mit dem feinen Werkzeug (S 25 GM N, IKA) eines Ultra-Turrax (T25, IKA, U/min) für je 2 min homogenisiert. Die nun feine Suspension wurde auf ein Sieb der Maschenweite 500 µm gegeben und mit möglichst wenig Wasser durchgesiebt. Während die übrig gebliebenen groben Partikel verworfen wurden, wurde die feine Fraktion portionsweise auf ein Sieb der Maschenweite 71 µm gegeben und solange mit Wasser gewaschen bis der Ablauf eine Leitfähigkeit von unter 50 µs/cm aufwies. Anschließend wurde die Suspension zentrifugiert (S 80, MLW, U/min, 10 min) und das abgetrennte Wasser dekantiert. Der Rückstand wurde mit 1,2 l 70%igem (v/v) Ethanol für 10 min versetzt und anschließend über eine Fritte der Porosität 1 unter Vakuum abgesaugt. Dieser Schritt wurde mit 800 ml 90%igem Ethanol und 500 ml 95%igem Ethanol erneut durchgeführt, wobei der letzte Schritt so häufig wiederholt wurde bis der Ablauf eine Ethanolkonzentration von mindestens 92 % aufwies. Dieser Rückstand wurde nun aufgelockert in einen birnenförmigen Kolben mit Schikanen gegeben und am Rotationsverdampfer in einem 90 C heißen Wasserbad unter Vakuum getrocknet, bis die Trockenmasse mindestens 95 % betrug Kaltwasser-extrahiertes Material - KW Die Herstellung von KW (MÜLLER und KUNZEK, 1998) erfolgte analog BM (Abschnitt ), wobei jedoch der Blanchierschritt durch einen Waschschritt mit 2,4 l Wasser und 12 ml 5%iger Citronensäure für 10 min ersetzt wurde. Des Weiteren wurde die Ultra-Turrax-Behandlung ausgeweitet, indem zuerst 2 min mit dem groben Werkzeug (S 25 F N, IKA) und anschließend 5 min mit dem feinen Werkzeug bei U/min homogenisiert wurde Sauer-hydrolysiertes Material - HD Die Herstellung von HD erfolgte analog BM (Abschnitt ) mit folgenden Abweichungen (VETTER und KUNZEK, 2002). Nach dem ersten Waschschritt wurde der Rückstand in 2 Teile geteilt, mit je 1,5 l verdünnter Salpetersäure (ph 1,9) versetzt, 30 min bei 85 C gerührt und die Maische mit einem Tuch abgepresst (KUNZEK et al., 1993). Die Rückstände wurden mit je 1,2 l Wasser (35 C) 10 min gewaschen, mit dem Tuch abgepresst, vereinigt und anschließend nach Zugabe von Wasser (Ver- 47

48 hältnis 1:3) die Suspension wie bei BM mit dem Ultra-Turrax homogenisiert und weiterverarbeitet Mazeriertes Material - FM Die Herstellung von FM erfolgte analog BM (Abschnitt ) mit folgenden Abweichungen (KABBERT et al., 1997; VETTER und KUNZEK, 2002). Im Anschluss an das Blanchieren (5 min) wurde die Maische mit dem Tuch abgepresst und der Rückstand mit Wasser auf das ursprüngliche Maischegewicht wieder aufgefüllt. Nach dem temperieren auf 45 C wurden 40 ml einer 2,5%igen Lösung von Fructozym M (FRUCTOZYM M, 1995) hinzugegeben. Die Suspension wurde 1 h bei 45 C gerührt, mit dem Tuch abgepresst und mit 2,4 l Wasser 5 min blanchiert (Zeitnahme ab 85 C) Totalverflüssigtes Material - RM Die Herstellung von RM erfolgte analog FM (Abschnitt ). Die Enzymierung wurde mit 40 ml einer 1%igen Lösung des Totalverflüssigungsenzyms Rohament Max (Rohament Max, 1997) bei 40 C für 2 h unter Rühren durchgeführt Serie 2 - Einfluss der Strukturänderungen durch systematischen Zellwandabbau auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Für diese Serie wurden Äpfel einer Charge der Sorte "Granny Smith" aus Italien (Südtirol) der Ernte Herbst 2000 verwendet. Die Herstellung der ZM erfolgte sofort nach Lieferung innerhalb von 23 Tagen vom bis Innerhalb dieser Zeit wurden die Äpfel bei 5 C im Kühlschrank gelagert. Abb. 21 fasst die Herstellung dieser Serie zusammen. 48

49 Äpfel Granny Smith (Italien) schälen, entkernen, raspeln (Krefft Küchenmaschine 5 mm Lochdurchmesser) Abpressen im Presseimer Waschen mit Wasser, Abpressen mit Presseimer Blanchieren (10 min, 80 C, mit Citronensäure) Abpressen mit Tuch, Rückstand mit Wasser versetzen Zerkleinerung im Ultra Turrax (feines Dispergierwerkzeug) Extraktion mit 2%iger NH 4 -Oxalat-Lösung (2 h, 80 C, ph 5,0) Abpressen mit Tuch Extraktion mit 2%iger NH 4 -Oxalat-Lösung (2 h, 80 C, ph 5,0) Abpressen mit Tuch Rückstand mit Wasser waschen, Abpressen mit Tuch Extraktion mit NaClO 2 in essigsaurer Lösung (2 h, 75 C, Rühren) Abpressen mit Fritte Extraktion mit NaClO 2 in essigsaurer Lösung (15h, RT, Rühren) Chloritfrei waschen mit Fritte Abpressen mit Tuch Extraktion mit 1M KOH + NaBH 4 unter Ar (2h, RT, Rühren) Abpressen mit Fritte Extraktion mit 4M KOH + NaBH 4 unter Ar (2h, RT, Rühren) Nasssieben µm bis auf Leitfähigkeit < 200 µs/cm Waschen mit salzsaurer Lösung (0,6 %ige HCl-Lsg.) Nasssieben µm, bis auf Leitfähigkeit < 50 µs/cm Zentrifugieren (10 min, 3600 U/min) Wasser-Ethanol-Austausch (bis Ethanol-Ablauf > 92 %ig) Vakuumtrocknung (Rotationsverdampfer, TS > 95 %) NE BM CH CO COA Abb. 21 Herstellungsschema der Serie 2 49

50 Basismaterial - BM Die Herstellung von BM erfolgte analog Abschnitt Abweichend wurde beim Nasssieben auf dem Sieb der Maschenweite 71 µm nach dem Erreichen einer Leitfähigkeit von ca. 200 µs/cm der vereinigte Rückstand (ca. 1 l) mit 1 l verdünnter Salzsäure (50 ml 37%ige Salzsäure/1 l Wasser) 10 min behandelt und anschließend mit Wasser solange gewaschen bis der Siebablauf eine Leitfähigkeit von unter 50 µs/cm hatte Nicht-extrahiertes Material - NE Die Herstellung von NE erfolgte analog BM (Abschnitt ) aber ohne Nasssiebung und Waschen mit verdünnter Salzsäure ZM extrahiert mit chelatisierenden Agenzien - CH Die Herstellung von CH erfolgte analog dem BM (Abschnitt ) mit folgenden Abweichungen. Nach dem Blanchierschritt wurde die Maische mit einem Tuch abgepresst, der Rückstand in 2 Teile geteilt und mit Wasser auf je 1,5 kg aufgefüllt und für 30 s portionsweise mit dem Ultra-Turrax (feines Werkzeug) behandelt. Diese Maische wurde zu je 1,5 l Ammoniumoxalatlösung (40 g/l, ph 5,0 mit Oxalsäure, 80 C) gegeben und bei 80 C für 2 h am Rückfluss gerührt, mit der Hand abgepresst und die Extraktion mit neuer Ammoniumoxalatlösung gleicher Konzentration wiederholt. Nach der Vereinigung der Ansätze erfolgte die Nasssiebung wie bei BM ZM extrahiert mit chelatisierenden und oxidierenden Agenzien - CO Die Herstellung erfolgte analog CH (Abschnitt ). Im Anschluss an die 2. Extraktion mit Ammoniumoxalat wurden die Maischen mit einem Tuch abgepresst und mit je 1,2 l Wasser für 10 min gewaschen und erneut abgepresst. Die Rückstände wurden vereinigt und mit Wasser auf 2 kg aufgefüllt. Nach Erhitzen auf 75 C wurden 6 ml Eisessig und 12,5 g Natriumchlorit zugegeben, die Mischung 2 h bei 75 C lose verschlossen gerührt und anschließend mit einer Fritte Porosität 1 abgesaugt. Der 50

51 Rückstand wurde wiederum mit Wasser auf 2 kg aufgefüllt und mit Eisessig und Natriumchlorit in den gleichen Konzentrationen versetzt und lose verschlossen 15 h bei Raumtemperatur gerührt. Die Maische wurde über die Fritte abgesaugt, sechsmal mit Wasser gewaschen und anschließend nassgesiebt und weiterverarbeitet wie bei BM ZM extrahiert mit chelatisierenden und oxidierenden Agenzien und Kalilauge - COA Die Herstellung erfolgte analog CO (Abschnitt ). Im Anschluss an die 6 Waschschritte wurde der Rückstand mit Wasser auf 500 g aufgefüllt, zu 0,6 g Natriumborhydrid gegeben, mit 1 l Kalilauge (84 g/l abgekochtes Wasser) versetzt, 2 h bei Raumtemperatur unter Argon gerührt und über eine Fritte Porosität 1 abgesaugt. Der Rückstand wurde mit Wasser auf 1 kg aufgefüllt, zu 0,6 g Natriumborhydrid gegeben, mit 500 ml Kalilauge (224 g/l abgekochtes Wasser) versetzt, 2 h bei Raumtemperatur unter Argon gerührt und anschließend nassgesiebt und weiterverarbeitet wie bei BM Serie 3 - Einfluss der Milieubedingungen beim Rehydratisieren auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Für diese Serie wurden Äpfel einer Charge der Sorte "Granny Smith" aus Italien (Südtirol) der Ernte Herbst 1998 verwendet. Die ZM wurden sofort nach Lieferung innerhalb von 4 Tagen vom bis präpariert. Innerhalb dieser Zeit wurden die Äpfel bei 5 C im Kühlschrank gelagert. Die Herstellung der 6 Basismaterialien BM 3 - BM 8 erfolgte analog Abschnitt Serie 4 - Einfluss der Milieubedingungen bei der Trocknung auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Für diese Serie wurden Äpfel einer Charge der Sorte "Granny Smith" aus Frankreich (Avignon) der Ernte Herbst 2001 verwendet. Die Herstellung der ZM erfolgte sofort nach Lieferung innerhalb von 12 Tagen vom bis Innerhalb dieser Zeit wurden die Äpfel bei 5 C im Kühlschrank gelagert. 51

52 Für die Untersuchung des Einflusses der Milieubedingungen bei der Trocknung wurde ein statistischer Versuchsplan aufgestellt. Die Milieubedingungen wurden mittels einiger Hauptinhaltsstoffe von Äpfeln (D-Fructose, Kalium (als Kaliumacetat) und L- Äpfelsäure) variiert. Dabei wurden die in Äpfeln üblichen Konzentrationen dieser Bestandteile verwendet (Kalium: 145 mg/100g; Monosaccharide: 8,2 g/100g; Äpfelsäure: 0,55 g/100g; Tab. 1).Des Weiteren wurde die Pectinmatrix in ihrem Veresterungsgrad verändert. Es wurde ein teilfaktorieller Versuchsplan mit den 4 Faktoren Kalium, Fructose, Äpfelsäure und Veresterungsgrad, die in 2 Stufen variiert wurden, aufgestellt (SCHEFFLER, 1986). Tab. 5 gibt ihn wieder. Zur Ermittlung der Versuchsstreuung wurde jedes Material doppelt hergestellt. Bei diesem teilfaktoriellen Versuchsplan sind die Haupteffekte mit den 3-Faktor-Wechselwirkungen, die meistens vernachlässigbar sind, und jeweils zwei 2-Faktor-Wechselwirkungen miteinander vermengt (SCHEFFLER, 1986). Tab. 5 Teilfaktorieller Versuchsplan mit 4 Faktoren, die in 2 Stufen variiert wurden, für die Ermittlung des Einflusses der Milieubedingungen vor der Trocknung auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Versuchs Faktoren Nr.: Bezeichnung Wdh. Veresterungsgrad Fructose Kalium Äpfelsäure 1 HV 2 HV NVA 2 NV HVAF 2 HV NVF 2 NV HVAK 2 HV NVK 2 NV HVKF 2 HV NVAFK 2 NV HV hochverestert NV niederverestert "-" untere Stufe des Faktors (keine Beladung) "+" obere Stufe des Faktors (Beladung, Konzentration siehe Abb. 22) Abb. 22 fasst die Herstellung der Serie 4 zusammen. 52

53 2 kg Äpfel Granny Smith (Frankreich) schälen, entkernen, raspeln (Krefft Küchenmaschine) Abpressen im Presseimer Enteiweißung mit K 2 CO 3 -Lösung (ph 8,4; 40 C; 2 h) Abpressen im Presseimer Entesterung mit K 2 CO 3 -Lösung (ph 11,8-12,4; 16 h bei 5 C) Abpressen im Presseimer Waschen mit Wasser Waschen mit Wasser (ph 4,5; Citronensäure) Abpressen im Presseimer Blanchieren (10 min; 80 C; 0,02 % Citronensäure) Homogenisierung mit Ultra Turrax Nasssieben µm; Extraktion der wasserlöslichen Inhaltsstoffe Waschen mit Salzsäure (0,6 %ige HCl-Lösung) Salzsäurefreiwaschen mit Wasser auf eine Leitfähigkeit von < 50 µs/cm Zentrifugieren (10 min, 3600 U/min) Wasser 8,2% Fructose + 0,145% K- Acetat-Lsg. 8,2% Fructose + 0,55% Äpfelsäure-Lsg. 0,55% Äpfelsäure +0,145% K-Acetat-Lsg. 0,82% Fructose- Lsg. 0,145% K-Acetat- Lsg 0,55% Äpfelsäure- Lsg. 8,2% Fructose + 0,55% Äpfelsäure + 0,145% K-Acetat-Lsg Zentrifugieren (10 min, 3600 U/min) Wasser-Ethanol-Austausch (bis Ethanol-Ablauf > 92%ig) Vakuumtrocknung (Rotationsverdampfer, TS > 95%) HV HVKF HVAF HVAK NVF NVK NVA NVAKF Abb. 22 Herstellungsschema der Serie 4 53

54 Hochverestertes ZM - HV Die Herstellung erfolgte analog BM (Abschnitt ) mit der Änderung, dass im Anschluss an den Zentrifugationsschritt und dem Abdekantieren des überstehenden Wassers der Rückstand mit Wasser auf 1 kg aufgefüllt und dann mit 1 l folgender Lösungen entsprechend der gewünschten Beladung versetzt und 30 min gerührt wurde: HV HVKF HVAF HVAK - 1 l Wasser - 7,3 g Kaliumacetat und 164 g Fructose/l Wasser - 11 g Äpfelsäure und 164 g Fructose/l Wasser - 11 g Äpfelsäure und 7,3 g Kaliumacetat/l Wasser. Anschließend wurde erneut zentrifugiert und der Wasser-Ethanol-Austausch mit einer konstanten Anzahl von Waschschritten (2 Wiederholungen mit 95%igem Ethanol) durchgeführt Niederverestertes ZM - NV Die Herstellung erfolgte nach MÜLLER, KUNZEK und SENGE (2000). 2,2 kg Äpfel wurden geschält und entkernt und mit einer Küchenmaschine (Krefft, Lochscheibe: 5 mm) zerkleinert. Die erhaltene Maische wurde abgepresst (Para Press, Arauner) und der Rückstand mit 2,4 l Wasser 10 min gewaschen und erneut abgepresst. Der Rückstand wurde mit Kaliumcarbonat-Lösung (ca. 3 l, vollständige Bedeckung) versetzt, dabei auf ph 8,4 eingestellt, 2 h bei 40 C unter Rühren enteiweißt (ph gegebenenfalls nachgestellt) und abgepresst. Zum Rückstand wurde erneut eisgekühlte Kaliumcarbonat-Lösung (2%ig, ca. 2 l) hinzugegeben und die Maische auf ph 10,8-11,3 eingestellt, 15 h bei 7 C entestert und abgepresst. Der Rückstand wurde mit 1 l Wasser versetzt, mit 5%iger Citronensäure-Lösung ein ph-wert von 4,5 eingestellt und erneut abgepresst. Der Rückstand wurde nun mit 2 l Wasser und 10 ml 5%iger Citronensäure 10 min blanchiert und wie die hochveresterten Materialien (Abschnitt ) weiterverarbeitet. Die jeweiligen Beladungen entsprechend des Versuchsplanes erfolgten mit 1 l der folgenden Lösungen: NVK - 7,3 g Kaliumacetat/l Wasser 54

55 NVF NVA NVKFA g Fructose/l Wasser - 11 g Äpfelsäure/l Wasser - 7,3 g Kaliumacetat, 164 g Fructose und 11 g Äpfelsäure/l Wasser Erhalt der feuchten ZM (vor der Trocknung) Zur Bestimmung der funktionellen Eigenschaften wie Partikelgrößenverteilung, rheologische Eigenschaften und Wasserbindungseigenschaften (Kapillardruckmethode) vor der Trocknung wurden von allen Materialien nach dem Zentrifugationsschritt (Serie 4 vor der Beladung) Proben entnommen und die Trockensubstanz (Abschnitt ) bestimmt. Die Proben der Serien 1, 3 und 4 wurden bis zu den Untersuchungen aber höchstens 2 Wochen im Kühlschrank bei 7 C aufbewahrt. Die Proben der Serie 2 wurden eingefroren und 2 Tage vor der Untersuchung aufgetaut Analytische Untersuchungsmethoden Siebanalyse Alle Materialien wurden nach dem Trocknen gesiebt (2 mal 10 min, Amplitude 80, Siebmaschine Typ Vibro von Retsch, Deutschland) mit Sieben der Maschenweiten 80 µm und 500 µm mit 10 Achatperlen (Durchmesser 6 mm) auf dem 500 µm Sieb. Die Fraktionen < 80 µm, µm und > 500 µm wurden ausgewogen und ihr prozentualer Anteil bestimmt. Für die Bestimmung der funktionellen und chemischen Eigenschaften wurde, wenn nicht anders angemerkt, die Fraktion µm verwendet Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Die Partikelgrößenverteilung wurde mit Hilfe eines Laserpartikelanalysators (Galai cis-1, L.O.T.-Oriel GmbH, Deutschland) und der Durchflusseinheit GMCS-7 (Parameter: Probenart spezial, Zuverlässigkeit 98 % bei mind. 4 Durchläufen) analysiert. Die trockenen Proben (ca mg) wurden 15 h in 50 ml bi-destillierten Wasser gerührt, in die Durchflusszelle überführt und mit bi-destillierten Wasser verdünnt, bis eine LDU zwischen und ein Signal-Rausch-Faktor von 0,39 erreicht 55

56 wurde (KABBERT et al., 1997; KABBERT und KUNZEK, 1995). Die Volumensummenverteilung wurde in einem Bereich für den Durchmesser von µm gemessen. Für die Charakterisierung der feuchten Proben (Abschnitt ) wurde eine Einwaage gewählt, die einer Trockensubstanz von mg entsprach. Sie wurde in 50 ml bi-destillierten Wasser dispergiert und wie oben angeführt vermessen. Bestimmung der Partikelanzahl Partikelanzahl [Anzahl/g TS] i V = (1) m TS i V m TS - Anzahl der gezählten Partikel je ml - Wasservolumen [ml] - Einwaage an ZM [g] - Trockensubstanz der Probe [g/g] Bestimmung der Aggregation Partikelanzahl vor der Trocknung Aggregatio n = Partikelanzahl nach der Trocknung (2) Aggregation > 1 Aggregation = 1 Aggregatbildung keine Aggregatbildung Bestimmung der Feststoffdichte Die Feststoffdichte ρ σ [g/cm 3 ] wurde mittels Multivolume Pycnometer 1305 (Messzelle 5-35 ml, Druckgas: Stickstoff; Micromeritics Instrument Corporation, USA) bestimmt (MÜLLER und KUNZEK, 1998) Bestimmung der Schüttdichte und Porosität Die Schüttdichte ρ der trockenen Proben wurde in einem 10 ml Messzylinder bestimmt (KABBERT et al., 1996), indem dieser mit der Probe deutlich über die 10 ml Marke gefüllt wurde. Anschließend wurde der Messzylinder wiederholt auf eine hölzernen Unterlage aufgestoßen (50 x), das Material, das über der 10 ml Marke lag, 56

57 vorsichtig entfernt und der Messzylinder ausgewogen. Die Schüttdichte wird angegeben in g/cm 3. Die Porosität ε errechnet sich aus Schüttdichte ρ und Feststoffdichte ρ σ (KABBERT et al., 1996) nach der Formel (3): 3 ρ [g/ cm ] ε [%] = % 3 ρ [g/ cm ] σ (3) Bestimmung der Farbwerte Die Messung der Helligkeit, des Rot- und Gelbanteils der Farbe der trockenen Proben wurde mit dem Farbmessgerät Chromameter CR 300 (Minolta, Japan) nach KUNZEK et al. (1995) durchgeführt. Die Farbmessung basiert auf einer Dreibereichsmessung unter Verwendung von drei Messfiltern und indem die Remission gemessen wurde. Aus den Remissionswerten werden nach dem CIELAB-System die Farbmaßzahlen a (Rot-Wert), b (Gelb-Wert) und L (Helligkeit) errechnet Rasterelektronenmikroskopie Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen (REM) wurden von den feuchten, trockenen und rehydratisierten ZM angefertigt. Für die Untersuchung der feuchten und rehydratisierten Proben wurden die Suspensionen gefriergetrocknet. Alle Proben wurden auf Trägern fixiert, mit Goldstaub gesputtert und mit einem Rasterelektronenmikroskop S 2700 (Hitachi, Japan; Zentraleinrichtung Elektronenmikroskopie ZELMI der TU Berlin) untersucht Bestimmung des Galacturonangehaltes Die Bestimmung des Galacturonangehaltes erfolgte nach BLUMENKRANTZ und ASBOE- HANSEN (1973). 0,1 g ZM wurden mit 50 ml 0,5%iger EDTA-Lösung versetzt, mit 1 N NaOH auf ph 11,8 und nach 1 h bei Raumtemperatur (RT) mit verdünnter Essigsäure auf ph 5,0 eingestellt. Nach Zugabe von 2 ml 0,5%iger Polygalacturonase-Lösung wurde mindestens 15 h bei RT inkubiert, das Gemisch in einen 100 ml Messkolben 57

58 überführt, aufgefüllt, filtriert und gegebenenfalls verdünnt. 0,5 ml der Probelösung wurden mit 3 ml Schwefelsäure-Tetraborat-Lösung (0,0125 mol Natriumtetraborat/ 1 l 96%ige Schwefelsäure) gemischt und 10 min im siedenden Wasserbad erhitzt. Nach dem Abkühlen wurden 0,05 ml m-hydroxybiphenyl-lösung (0,15 % m- Hydroxybiphenyl in 0,5%iger NaOH) hinzugegeben, gemischt und nach 20 min die Extinktion bei 520 nm gemessen (Spektralphotometer CADAS 100, Dr. Lange, Deutschland). Der Blindwert jeder Probe wurde durch Zugabe von 0,05 ml 0,5%iger NaOH statt des Farbreagenzes ermittelt. Die Auswertung erfolgte über eine Eichkurve (Konzentrationsbereich: 2,5-40 µg/ml Galacturonsäure) Bestimmung des Veresterungsgrades der Pectinkomponente Der Veresterungsgrad wurde nach BÄUERLE et al. (1977) ermittelt. Zu 0,25-0,5 g ZM wurden 5 ml 1 N NaOH und 50 ml Wasser gegeben. Nach 1 h bei RT wurde die Verseifung durch Zugabe von 1 N H 2 SO 4 (Indikator Methylrot) beendet, die Probe an die Wasserdampfdestillation angeschlossen und das freigesetzte Methanol in eine Vorlage aus 20 ml Wasser und 5 ml absolutem Ethanol destilliert, das Destillat in einen 100 ml Messkolben überführt und aufgefüllt. 2 ml Probelösung wurden mit 1 ml Kaliumpermanganat-Lösung (3 g KMnO ml 89%ige H 3 PO 4 mit Wasser auf 100 ml aufgefüllt) versetzt und nach 15 min 0,6 ml Natriumsulfit-Lösung (10 g Natriumdisulfit/100 ml Wasser) zugegeben. Im Eisbad wurden 10 ml eisgekühlte Chromotropsäure-Lösung (0,1 g Chromotropsäure + 10 ml Wasser +90 ml 90%ige H 2 SO 4 ) hinzugefügt, alles bei 70 C für 20 min erhitzt und anschließend 20 min im Thermostat bei 20 C gehalten. Die Extinktion wurde bei 570 nm gemessen. Die Auswertung erfolgte mittels einer Eichkurve. Der Veresterungsgrad errechnete sich nach der Formel (4): M TS Veresterungsgrad [%] = 4695,2 (4) GG m M - Methanolgehalt aus der Eichkurve [ml/l] GG - Galacturonangehalt [%] nach Abschnitt m - Einwaage [g] TS - Trockensubstanz [g/g] 58

59 Bestimmung des Eiweißgehaltes Die Bestimmung des Eiweißgehaltes erfolgte nach der Kjeldahl-Methode. Der Eiweißgehalt der Serie 4 wurde mit der Halbmikro-Kjeldahl-Methode bestimmt. Zur Umrechnung des Stickstoffgehaltes in Eiweißgehalt wurde der allgemeine Faktor 6,25 verwendet Bestimmung des Aschegehaltes 1,0 g ZM wurden eingewogen mittels Bunsenbrenner verascht und 2 h bei 525 C im Muffelofen geglüht, ausgewogen und bis zur Massenkonstanz ( m < 0,001 g) wiederholt 30 min geglüht Bestimmung des Kaliumgehaltes Der Kaliumgehalt wurde mittels Flammenphotometer M 6D (Dr. Lange, Deutschland; Acetylenflamme) aus der Asche analog GODECK et al. (2001) bestimmt. Dazu wurde die Asche, erhalten nach Abschnitt , in 10 ml verdünnter Salzsäure aufgelöst, in einen 100 ml Messkolben überführt, aufgefüllt, filtriert und entsprechend verdünnt. Die Auswertung erfolgt über die Eichkurve (aus KCl, Konzentrationsbereich 1-3 mg/l Kalium). Bestimmung des Salzbildungsgrades Der Grad der Salzbildung wurde errechnet aus dem Kaliumgehalt und dem Anteil an freien Säuregruppen des Pectins, der sich aus dem Galacturonangehalt und dessen Veresterungsgrad ergibt (5). K MGG 100% Salzbildung [%] = 100% (5) M GG (100% VG) K K - Gehalt an Kalium [g/g] nach Abschnitt M K - Molmasse von Kalium [g/mol] GG - Galacturonangehalt [g/g] nach Abschnitt M GG - Molmasse von Galacturonsäure (194,2 g/mol) VG - Veresterungsgrad der Pectinkomponente [%] nach Abschnitt

60 Bestimmung des Fructosegehaltes 0,2 g ZM wurden mit 50 ml Wasser 2 h extrahiert, in einen 100 ml Messkolben überführt und aufgefüllt. Nach der Filtration wurde die Probelösung zur enzymatischen Bestimmung der Fructose mittels Enzymtestkit für Glucose/Fructose von Boehringer Mannheim (Deutschland) eingesetzt Bestimmung des L-Äpfelsäuregehaltes Die Probenvorbehandlung erfolgte analog Abschnitt Für die enzymatische Analyse wurde der Enzymtestkit für L-Äpfelsäure von Boehringer Mannheim (Deutschland) verwendet Bestimmung des Trockensubstanzgehaltes Für die Bestimmung der Trockensubstanz wurden 0,5 g ZM 2 h im Trockenschrank bei 105 C getrocknet, ausgewogen und die Trocknung in 30 min Intervallen solange wiederholt bis Massenkonstanz ( m < 0,001 g) erreicht wurde. Die Trockensubstanz der feuchten Proben (1-1,5 g) wurde mit einem Infrarot- Schnelltrockensubstanzbestimmer (Mettler LP 16, 105 C bis zur Massenkonstanz ( m < 2 mg in 2 min) durchgeführt Bestimmung des Glucosegehaltes - enzymatisch Der Glucosegehalt wurde nach Saeman Hydrolyse enzymatisch mittels Enzymtestkit für Glucose von Boehringer Mannheim (Deutschland) ermittelt (VETTER et al., 2001). Zu 0,25 g ZM wurden 10 ml 72%ige H 2 SO 4 hinzugegeben, die Mischung 2 h bei RT gerührt und anschließend in 101,3 ml Wasser überführt (einschließlich aller Waschschritte zur vollständigen Überführung). Die Probelösung wurde 2 h am Rückfluss gekocht, abgekühlt, mit 32%iger NaOH neutralisiert (ph 5,0), in einen 250 ml Messkolben überführt, aufgefüllt und nach Filtration zur enzymatischen Analyse eingesetzt. 60

61 Neutralzuckeranalyse - GC Die Zuckerbausteinanalyse erfolgte nach GLOYNA et al. (1997) unter Anwendung einer Kombination aus enzymatischer und saurer Hydrolyse des ZM, gefolgt von der Reduktion und Derivatisierung der Zucker zu Alditolacetaten (BLAKENEY er al., 1983) und der GC-Analyse. 15 mg ZM ( < 100 µm) wurden mit 5 ml Enzym-Pufferlösung (50 mm Natriumacetat; 17,78 mm Essigsäure; 0,067 % Rohament Max) versetzt, 30 min mit der Ultraschallsonde (25 W, 50 % Intensität im Eisbad) behandelt und anschließend 24 h bei 40 C im Schüttelwasserbad inkubiert. Nun wurde die Lösung bei 70 C unter einem Stickstoffstrom zur Trockne eingedampft, mit 2,5 ml 2 M Trifluoressigsäure (TFA) versetzt und 1 h bei 20 C hydrolysiert. Nach dem Abkühlen wurden 0,5 ml 25%ige Ammoniumhydroxidlösung zugesetzt (Test auf Alkalität), 0,2 ml der Lösung abgenommen, mit 2,5 µl einer 2%igen myo-inositol-lösung (interner Standard) versetzt und die Reduktion mittels 2 ml NaBH 4 -Lösung (2 g NaBH 4 /100 ml Dimethylsulfoxid (DMSO)) bei 40 C für 90 min durchgeführt. Anschließend wurden 0,2 ml Eisessig (Kühlen), 0,4 ml 1-Methylimidazol und 4 ml Essigsäureanhydrid unter Kühlen (20-25 C) hinzugefügt. Nach 10 min wurde die Acetylierung durch Zugabe von 20 ml bi-destilliertem Wasser (Kühlen) abgebrochen und die Alditolacetate mit 8 ml Dichlormethan (DCM) ausgeschüttelt. Nach Entfernung der wässrigen Phase wurde das Ausschütteln noch 3-mal mit je 20 ml bi-destillierten Wasser wiederholt. Die DCM-Phase wurde bei 40 C unter Vakuum zur Trockne eingedampft und mit DCM in einen 2ml Messkolben überführt, 40 µl α-glucose-penta-acetat (25 mg/10 ml) zugesetzt und mit DCM aufgefüllt. Die Auswertung erfolgte über eine Eichkurve der Zuckerstandards. GC-Parameter und Trennbedingungen für die Alditolacetate Kapillar-GC: Steuer- und Auswertungssoftware: Probenaufgabe: Injektor: Detektor: Trennsäule: Trägergas: Shimadzu GC-14A Class VP Chromatography Data System Ver. 4.2, Shimadzu Instruments Shimadzu Autoinjektor AOC-17 Split-Splitless-Injektor Flammenionisationsdetektor (FID) Rtx 2330; 30 m, ID: 0,32 mm, Filmdicke 0,2 µm, Restek Stickstoff, 1 ml/min 61

62 Splitverhältnis: 30:1 Injektortemperatur: 275 C Detektortemperatur: 275 C Injektionsvolumen: 1 µl Temperaturprogramm: Serie 1: 180 C 4 min 12 C/min 220 C 0 3 C/min 245 C 2 min Serie C 1 min 12 C/min 245 C 7 min Untersuchungsmethoden zur Bestimmung der funktionellen Eigenschaften von ZM Wasserbindungseigenschaften Wasserretentionskapazität mittels Filtrationsmethode Die Wasserretentionskapazitäten WRK 20 und WRK 80 wurden mittels der Filtrationsmethode von KUNZEK et al. (1993) ermittelt. Die WRK wurde bestimmt als die Menge an Wasser, die in der Probe verblieb, nachdem sie 2 h im Wasserüberschuss bei 20 bzw. 80 C gequollen und das überschüssige Wasser durch den Einfluss der Schwerkraft abgetrennt wurde. Die WRK 20 und 80 werden als g Wasser/g TS angegeben Wasseraufnahmevermögen mittels Kapillarsaugmethode Das Wasseraufnahmevermögen der ZM wurde mit Hilfe der Baumann-Apparatur (BAUMANN, 1969) nach der Probenvorbereitung, wie bei HEINEVETTER und KROLL (1982) und MÜLLER und KUNZEK (1998) beschrieben, mit 10 mg Probeneinsatz ermittelt. 62

63 Quellvermögen mittels Bed volume technique Das Quellvermögen von ZM in Wasser wurde anhand des eingenommen Volumens der Probe in Anlehnung an KUNIAK und MARCHESSAULT (1972) bestimmt. Das Quellvolumen wurde durch die Quellung von 0,1 g ZM in 25 ml Wasser in einem Messzylinder bei 20 C analysiert. Eine vorherige Evakuierung (32 mbar, 2 min) der Mischung war zur Entfernung der Luft notwendig, und damit die Partikel absinken. Das Quellvolumen wurde abgelesen und angegeben als ml hydratisierte Probe/g TS in bestimmten Zeitabständen. Das Endvolumen V E wurde erreicht, wenn die Volumenänderung kleiner als 0,1 ml/0,1 g innerhalb eines 24 h Intervalls war, aber frühestens nach 48 h. Die prozentuale Volumenzunahme wurde nach der Formel (6) berechnet. VE V0 Volumenzunahme [%] = 100% (6) V 0 V E - maximales Quellvolumen [ml/g TS] V 0 - Volumen des trockenen ZM [ml/g TS] aus der Schüttdichte (Abschnitt ) errechnet Bildanalyse Die Bildanalyse ermöglicht die Verfolgung von Größen- und Gestaltänderungen der Partikel bei der Rehydratisierung (VETTER et al., 1999). Das programmgesteuerte Abfahren der Präparate in Mäandern, verbunden mit der automatischen Bildaufnahme und Abspeicherung (Makroprogrammierung), ermöglichte eine sehr schnelle Bilderfassung und damit die Aufnahme einer sehr großen Anzahl von Bildern zu definierten Zeitpunkten der Rehydratisierung. Messparameter Messgerät: Bildanalyse-Software: Bildaufnahme: Lichtmikroskop RML 5 (Askania) mit Phasenkontrasteinrichtung, automatischen Kreuztisch Ecostep mit Steuerung der Firma Märzhäuser und Digitalkamera (Panasonic), mit dem Computer über eine Frame-Grabber-Karte (Matrix Vision) verbunden Digitrace (Imatec) Aufnahme der Partikel im trocknen Zustand und nach dem Rehydratisieren (10 min und 2 h) ( Objektanzahl = 1000) mit Hilfe eines Makros 63

64 Für die Analyse von Größe und Gestalt der abgebildeten Partikel wurden die Bilder anschließend entsprechend der nachfolgenden Prozedur bearbeitet und vermessen. Eine Bearbeitung der Bilder war notwendig, da eine exakte Vermessung von Größe und Gestalt der Partikel nur möglich war, wenn die Objekte in all ihren Grenzen vollständig erfasst werden konnten. Die Operationen des hierfür erstellten halbautomatischen Makros gibt Tab. 6 wieder. Tab. 6 Bearbeitungsalgorithmus der Bildanalyse Bildbearbeitungsalgorithmus Originalgrauwertbild (Abb. 23) Untergrundabzug zur Homogenisierung des Hintergrundes bei ungleichmäßiger Beleuchtung Kontrastverstärkung zur Verbesserung unscharfer Kanten für einen schärferen Bildeindruck Normalisierung zur Aufspreizung des genutzten Grauwertbereiches auf den maximal nutzbaren Bereich von 256 Grauwertstufen Schwellwertsetzung zur Binärisierung Zerlegung des Bildes in Objekte, die vermessen werden sollen, und Hintergrund mittels Grauwertdifferenzierung (halbautomatisch, Abb. 24) Entfernung von Randobjekten und Pixel zum Entrauschen der Bilder (Abb. 25) Dilation Hinzufügen von einer bestimmten Anzahl von Pixel an den Objektgrenzen zum Verschließen von Lücken in den Objekträndern (Abb. 26) Füllen geschlossener Konturen Erosion inverse Operation zur Dilation, Abtragen von Randpixeln zum Erhalt der Ausgangsgröße (Abb. 27) Opening (Erosion mit anschließender Dilation) zur Entfernung ausgefranster Ränder, die bei der Bearbeitung entstanden sind Objekte entfernen, Artefakte und nicht vollständig dargestellte Objekte über die Größe (Abb. 28) Kalibrierung des Systems (Pixel µm) Messung der gewählten Messparameter 64

65 Abb. 23 Originalgrauwertbild Abb. 24 Binärisiertes Bild im Anschluss an Normalisierung, Kantenverstärkung und Schwellwertsetzung Abb. 25 Binärbild nach der Entfernung von Randobjekten und dem Füllen von Hohlräumen Abb. 26 Binärbild im Anschluss an eine 3fache Dilation Abb. 27 Binärbild nach dem Füllen der durch die Dilation umschlossenen Hohlräume und Erosion auf die Ausgangsgröße Abb. 28 Binärbild nach dem Entfernen unerwünschter Objekte (Artefakte der Bearbeitung), Vermessung von Kreisdurchmesser, Fläche, Formfaktor... 65

66 Die vollständige Automatisierung der Bildbearbeitung gestaltet sich sehr schwierig. Bei den Partikeln im rehydratisierten Zustand handelt es sich um durchsichtige Objekte, die nur exakt vermessen werden, wenn die Objektgrenzen vollständig dargestellt sind. Da die Partikel aber sehr unterschiedliche Größen aufweisen, ist eine scharfe Darstellung der Grenzen aller Objekte nicht möglich, bzw. die Binärisierungsschwelle muss sehr genau gewählt werden. Bisher konnte diese spezielle Auf- gelöst werden. Die Möglichkeit des manuelles Eingreifens bleibt demzufolge notwen- gabenstellung durch eine automatische Schwellwertsetzung nicht zufrieden stellend dig und beschränkt die Anzahl der analysierbaren Objekte. Für die Auswertung wurde der flächenäquivalente Kreisdurchmesser der Partikel sowie die prozentuale Volumenzunahme V [%] (trocken - 2 h rehydratisiert) (7), errechnet aus dem flächenäquivalenten Kreisdurchmesser, herangezogen. V2h Vtrocken V [%] = 100% (7) V trocken V 2h - Volumen der Partikel nach 2 h [µm 3 ] V trocken - Volumen der Partikel vor dem Rehydratisieren [µm 3 ] Als Kennwert für die Gestalt der Partikel wurde der Formfaktor "Rundheit" (Formel 8) bestimmt, da parenchymatische Zellen idealerweise eine isodiametrische Form besitzen. Rundheit A 4 π P = (8) 2 U A P - Projektionsfläche der Partikel [µm 2 ] U - Umfang der Partikel [µm] Kapillardruckmethode Die Kapillardruckmethode (Abb. 29) wurde in modifizierter Form nach KABBERT und ERNST (1991) und KABBERT et al. (1993) durchgeführt. 66

67 p 3 2 V (p 1 ) V (p 0 ) 1 4 p 0 p 1 1 Probengefäß mit poröser Platte 2 hydratisierte Probe 3 Kapillare mit Skalierung 4 Manometer p 0 Umgebungsdruck p 1 Überdruck von 1 kpa V abgegebenes Wasservolumen in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der Messung Abb. 29 Kapillardruck-Apparatur Für das Erreichen der maximalen Wassersättigung der Probe zu Beginn der Messung wurden 0,2 g ZM (m 0 ) mit 20 ml Wasser benetzt, 30 min bei 32 mbar evakuiert und anschließend 2 h bei 80 C erhitzt. Zur Analyse der feuchten Materialien (Abschnitt ) wurde die Menge an Probe eingewogen, die einer TS von 0,2 g entsprach, diese mit 50 ml Wasser versetzt und 1 h bei RT gerührt. Die abgekühlte Probesuspension wurde in das Probengefäß mit poröser Platte überführt und an die Kapillardruck-Apparatur angeschlossen. Das überschüssige Wasser floss ab und die Wasserretentionskapazität bei Normaldruck WRK 0 stellte sich ein. Nun wurde auf die maximal mit Wasser gesättigte Probe bei Normaldruck p 0 ein erhöhter Luftdruck p 1 von 1 kpa gegeben. Das abgegebene Wasservolumen V wurde in bestimmten Zeitintervallen gemessen. Der Quasi-Gleichgewichtszustand wurde erreicht, wenn die Volumenänderung an abgegebenem Wasser kleiner als 0,2 ml/0,02 g Probe innerhalb 1 h war. (In Serie 2, 3 und 4 wurde die Wasserabgabe mittels zeitgesteuerter Waage ermittelt.) Nach der Auswaage der Probe (m 1 ) konnte die Wasserretentionskapazität bei einem Überdruck von 1 kpa WRK 1 errechnet werden (9). 67

68 WRK 1[g/g] m m 1 0 = (9) m 0 WRK 1 - Wasserretentionskapazität der ZM [g/g] nach Quasi-Gleichgewichtseinstellung bei 1 kpa Überdruck m 1 - Masse der Probe [g] nach Quasi-Gleichgewichtseinstellung bei 1 kpa Überdruck m 0 - Einwaage an ZM [g TS] Die Wasserretentionskapazität WRK zu jedem Zeitpunkt der Messung wurde nach Formel (10) berechnet: WRK [g/g] (V V) ρ m 1 = WRK 1+ (10) 0 WRK - Wasserretentionskapazität zu jedem Zeitpunkt der Messung [g/g] V 1 - maximal abgegebenes Wasservolumen [ml] V - abgegebenes Wasservolumen an einem bestimmten Zeitpunkt [ml] ρ - Dichte von Wasser [g/ml] WRK 0 - Wasserretentionskapazität bei Normaldruck p 0, V = 0 [g/g] Die prozentuale Wasserabgabe zu jedem Zeitpunkt der Messung errechnet sich nach der Formel (11): Wasserabgabe [%] WRK 0 - WRK = 100% (11) WRK 0 Das Model einer Kinetik 1. Ordnung (VETTER und KUNZEK, 2002), dargestellt in Formel (12), beschreibt die Abnahme der WRK mit der Zeit t bei einer externen Belastung von 1 kpa sehr gut. WRK -kt = WRK 1+ (WRK 0 - WRK 1) e (12) Die Geschwindigkeitskonstante k [s -1 ] wurde durch Analyse der kleinsten Quadrate (χ 2 erreicht Minimum) mit Hilfe des Computerprogramms Microcal Origin 6.0 (Microcal Software Inc, USA) ermittelt. 68

69 Rheologische Eigenschaften Frequenzsweep Die dynamischen rheologischen Messungen wurde mittels Universal Dynamic Spectrometer UDS 200 (Paar Physica, Deutschland) nach OPEL (1995) und KUNZEK et al. (1997) durchgeführt. Es wurde eine Konzentration von 33,3 g TS/l Wasser gewählt, wobei die feuchten Proben gegebenenfalls zuvor mittels Zentrifugieren aufkonzentriert und anschließend auf die gewünschte Konzentration eingestellt wurden. Die Frequenzsweep-Messungen wurden 3 h nach dem Rehydratisieren der trockenen ZM im linear-viskoelastischen Bereich der Proben durchgeführt, der von KUNZEK et al. (1997) durch Amplitudensweep-Messungen ermittelt wurde. Messparameter Messsystem: Zylinder Z3 DIN mit genutetem Messkörper Temperatur: 20 C Messprogramm Abschnitt Zeit Belastung 1 Vorscheren 30 s γ& = 25 s -1 2 Ruhe 120 s -- 3 Frequenzsweep γ = 10-3 ; f = 25-0,02 Hz Fließkurven Die Aufnahme der Fließkurven erfolgte im Anschluss an die Oszillationsmessungen (Abschnitt ) entsprechend OPEL (1995) und SENGE et al. (1996) mit dem Universal Dynamic Spectrometer UDS 200 (Paar Physica, Deutschland). Die Steuerung und Auswertung erfolgte mit der Universal Software US 200 von Paar Physica. Messparameter Messsystem: Zylinder Z3-DIN mit genutetem Messkörper Temperatur: 20 C 69

70 Messprogramm Abschnitt Zeit Belastung 1 Vorscheren 30 s γ& = 25 s -1 2 Ruhe 120 s Hinkurve 60 s 0,01 γ& 10 s 4 Plateau 60 s γ& = 10 s Rückkurve 60 s 10 γ& 0,01 s Als Deformationssystem wurde das CASSON-Modell gewählt (OPEL, 1995). Aus der Anpassung der Rücklaufkurven an das CASSON-Modell wurden die Casson- Fließgrenzen 0CA und die Casson-Viskositäten η CA sowie die Regressionskoeffizienten R_xy und die Standardabweichungen s (CASSON, 1959; WEIPERT et al., 1993) bestimmt. Die effektive Viskosität η eff errechnete sich aus dem Quotienten von Schubspannung und der Schergeschwindigkeit bei γ& = 10 s Timesweep Mit Hilfe der Timesweep-Messungen war es möglich Kennwerte zu ermitteln, die Aussagen zur Strukturbildungskinetik bzw. zur Wassertransportkinetik unter Erhalt der "nativen" Struktur zulassen (VETTER et al., 2000). Oszillationsmessungen im linear-viskoelastischen Bereich eigenen sich besonders dazu, da sie einen zerstörungsfreien Strukturaufbau gewährleisten. Messparameter Messgerät: UDS 200 (Paar Physica, Deutschland) Messsystem: Platte-Platte MP 32, Messspalt: 2,5 mm Temperatur: 20 C Messprogramm Abschnitt Zeit Belastung 1 Vorscheren 30 s γ& = 1 s -1 2 Timesweep 180 min γ = 10-3 ; f = 1 Hz 70

71 Für die Auswertung wurde der Speichermodul in Abhängigkeit von der Zeit t herangezogen. Er kennzeichnet das elastische Verhalten der Materialien und seine Zunahme charakterisiert einen Strukturaufbau. Die erhaltenen vollständigen Kurven hatten eine sigmoide Gestalt (Abb. 30), die sich grob in 3 Abschnitte unterteilen ließen (1. Wasseraufnahme, Quellung der Partikel, 2. Wechselwirkung zwischen den Partikeln, Strukturierung, 3. Konkurrenz um das defizitäre Wasservorkommen). Speichermodul [Pa] Timesweep Abschnitt 1 Abschnitt 2 Abschnitt 3 SB WP Zeit t [min] BM 1 25g/l Abb. 30 Speichermodul-Zeit-Kurve mit typischer sigmoider Gestalt, Unterteilung in die 3 Abschnitte Die Dauer der einzelnen Abschnitte und ihre Gestalt sind abhängig von der Art der Proben und der Konzentration an Feststoff. Bei kleinen Konzentrationen wird der konvexe 3. Abschnitt nicht erreicht und bei großen Konzentrationen oder bei einigen Arten von ZM sind der konkave 1. Abschnitt und/oder der lineare 2. Abschnitt nicht vorhanden, da die Partikelwechselwirkungen bereits die Wasseraufnahme und Quellung überlagern. Es können folgende charakteristische Kennwerte der Kinetik des Strukturaufbaus ermittelt werden (Tab. 7): 71

72 Tab. 7 Kennwerte für die Beschreibung der Kinetik des Strukturaufbaus von ZM mit Wasser durch Timesweep-Messungen Abkürzung Erklärung (2 min) [Pa] 2 min bei 2 min Strukturierungsbeginn [min] t SB Zeitpunkt an dem = 1% von 180 min Wendepunkt [min] t WP am Maximum der 1. Ableitung Wendepunkt [Pa] WP am Maximum der 1. Ableitung Anstieg [Pa/min] (180 min) [Pa] 180 min bei 180 min Anstieg der angepassten Geraden des linearen 2. Abschnitts Zeitabhängige Rotationsmessungen mittels Helipath Da auch das Platte-Platte-Messsystem bei einigen Materialien die Messung ungünstig beeinflusste (Artefakte in der Messkurve durch Belastung der Probe beim Anfahren der Messposition), sollte ein helikaler Messkörper Anwendung finden. Diese und andere spezifische Geometrien wurden entwickelt für komplexe und sich entwickelnde Materialien, die sehr sensitiv gegenüber ihrer thermomechanischen Vergangenheit und sehr heterogen sind. Dazu gehören Suspensionen oder Emulsionen mit einem relativ hohen Partikelgröße-Messspalt-Verhältnis und Materialien, die Sedimentation- und/oder Wandgleiteffekte zeigen (CHOPLIN und MARCHAL, 1997). Als Messgröße wurde statt der Viskosität das Drehmoment M gewählt, da auf eine Anpassung des durch den Helipath erzeugten Fließens im zylinderförmigen Probengefäß an eine Standardgeometrie (z.b. ein rotierender Messzylinder in einem anderen Zylinder (DIN-Messreservoir)) verzichtet wurde. Abb. 31 zeigt die Geometrie des Messsystems. 72

73 27 mm 25 mm 4 mm 23 mm Abb. 31 Geometrie des helikalen Messkörpers (Helipath) im Zylinder mit flachem Boden Z3 DIN Messparameter Messgerät: Messsystem: Temperatur: 20 C Messprogramm UDS 200 (Paar Physica, Stuttgart) mit Helipath (Abb. 31) im zylinderförmigen Probengefäß Z3 DIN (Rheotec Radeburg) Abschnitt Zeit Belastung 1 Vorscheren 30 s n = 2 U/min 2 Scherung 180 min n = 2 U/min Die erhaltenen Drehmoment-Zeit-Kurven besitzen in Abhängigkeit von Probenart und Konzentration ein sehr unterschiedliches Aussehen. Sie unterschieden sich z. T. stark von den Speichermodul-Zeit-Kurven aus den Timesweep-Messungen (Abb. 30). So besitzen einige Materialien zu Beginn der Messung ein ausgeprägtes Maximum. Dieses ist auf die luftgefüllten Hohlräume im ZM zurückzuführen. Bei der Rehydratisierung bewirken sie zuerst ein Aufschwimmen der Partikel (Anstieg der Kurve). Wenn aufgrund des Eindringens von Wasser in die Hohlräume die Luft verdrängt wird, sinken die Partikel wieder ab (Abfall der Kurve). Der daran anschließende Ver- 73

74 lauf der Kurve kann ähnlich interpretiert werden wie die Timesweep-Kurven (Abschnitt ). Leider überlagert der Effekt des Aufschwimmens der Partikel den Strukturierungsbeginn dieser Proben. Analog zu den Timesweep-Messungen (Abschnitt ) wurden folgende cha- rakteristische Kennwerte der ZM-Wasser-Suspensionen bestimmt (Tab. 8): Tab. 8 Kennwerte für die Beschreibung der Kinetik des Strukturaufbaus von ZM mit Wasser durch Rotationsmessungen Abkürzung Erklärung M (2 min) [Nm] M 2 min M bei 2 min Strukturierungsbeginn [min] t SB Zeitpunkt an dem M = 1% von M 180 min Minimum [min] t Min Zeitpunkt des Minimums von M Minimum [Nm] M Min Drehmoment M am Minimum Wendepunkt [min] t WP am Maximum der 1. Ableitung Wendepunkt [Pa] M WP am Maximum der 1. Ableitung Anstieg [Nm/min] M (180 min) [Nm] M 180 min M bei 180 min Anstieg der angepassten Geraden des linearen 2. Abschnitts Statistik Alle Materialien wurden doppelt hergestellt bzw. häufiger und zu 2 Proben vereinigt (Bsp.: COA wurde 6 Mal hergestellt und je 3 Proben zu einer Gesamtprobe vereinigt), damit ausreichend Material für die Untersuchungen zur Verfügung stand. Alle Messungen wurden mindestens doppelt durchgeführt. Angegeben sind im Text der jeweilige Mittelwert beider gleich hergestellter Materialien und im Anhang der Mittelwert der Doppelbestimmung. Die statistischen Analysen wurden mittels Statgraphics plus for windows 4.1 durchgeführt. Dazu gehörten: - die Aufstellung der statistischen Versuchspläne zu den Serie 3 und 4 - die Auswertung der Versuchspläne mittels Varianzanalyse - der multiple Mittelwertvergleich der feuchten Materialien der Serie 4 sowie - die Ermittlung von Mittelwerten, Standardabweichungen und Konfidenzintervallen der Basismaterialien der Serie 3. 74

75 - Nutzung der implementierten Software US 200 zum Universal Dynamic Spectrometer UDS 200 (Paar Physica, Deutschland) zur Bestimmung der Parameter des Fließansatzes zu den rheologischen Messungen R_xy (Regressionskoeffizient) und s (Standardabweichung). 75

76 3.2 Ergebnisse und Diskussion Einfluss von Strukturänderungen auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Serie 1 - Einfluss der Strukturänderungen durch typische Verarbeitungsschritte der obst- und gemüseverarbeitenden Industrie auf die funktionellen Eigenschaften von ZM In einer 1. Versuchsserie wurden Apfel-ZM verschiedenen Vorbehandlungen, die an typische Verfahren der obst- und gemüseverarbeitenden Industrie angelehnt waren (PILNIK und VORAGEN, 1991; VORAGEN et al. 1992; PILNIK, 1991), unterworfen, wie Erhitzen, saure Pectinextraktion und enzymatische Behandlungen. Abb. 20 stellt das Herstellungsschema dar. Jedes Material wurde doppelt hergestellt. Der Einfluss der Hitzeeinwirkung kann anhand des kaltwasserextrahierten Materials KW im Vergleich zum Basismaterial BM verfolgt werden. Das Material HD gibt den Einfluss der sauren Pectinextraktion, die bei der Pectingewinnung aus Pressrückständen (Apfeltrester) der Apfelsaftgewinnung angewandt wird, wieder. Übliche Enzymbehandlungen in der Fruchtsaftindustrie sind die Mazeration und die Totalverflüssigung. Die Mazerase Fructozym M und das Verflüssigungsenzym Rohament Max wurden unter den vom Hersteller als optimal angegebenen Bedingungen jeweils für die Herstellung von FM und RM eingesetzt. Die Materialien wurden vor und nach der Trocknung untersucht, um den Einfluss des Trocknungsvorganges auf eingetretene Struktur- und Eigenschaftsänderungen zu erfassen. Im Anhang I Abb Abb. 83 und Tab Tab. 20 sind die einzelnen Ergebnisse der Untersuchungen dieser 1. Serie zusammengefasst wiedergegeben Ausbeute und Erscheinung Die Ausbeute der ZM (Tab. 9, Tab. 17) variierte in Abhängigkeit vom Grad des Zellwandabbaus durch die verschiedenen Verarbeitungsschritte in der Reihenfolge: KW > BM, HD, FM > RM. 76

77 Tab. 9 Chemisch-physikalische Parameter der ZM der Serie 1 - Mittelwerte KW FM BM HD RM Ausbeute [%] bez. auf TS 9,5 5,9 6,5 6,4 4,3 Helligkeit L 85,02 89,80 89,43 89,06 81,40 a-wert (rot) 3,67 0,84 1,88 1,67 2,70 b-wert (gelb) 16,38 4,84 9,89 9,15 9,50 Schüttdichte [g/cm 3 ] 0,076 0,090 0,098 0,094 0,308 Feststoffdichte [g/cm 3 ] 1,291 1,464 1,587 1,617 1,723 Porosität [%] 94,2 93,9 93,9 94,2 82,1 Galacturonangehalt [%] 29,2 14,2 16,3 17,1 3,5 Veresterungsgrad [%] 66,0 68,7 73,2 67,0 50,1 Eiweiß [%] 1,24 2,95 2,58 2,90 3,78 Glucose [%] 33,47 49,28 45,12 48,79 61,06 Asche [%] 1,55 0,67 0,61 0,66 0,49 Sowohl die lichtmikroskopischen als auch die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen ermöglichen einen Einblick in die Art und Form der erhaltenen Zellwandpartikel vor der Trocknung, nach der Trocknung sowie nach dem Rehydratisieren. Der Einzelzellcharakter von FM, BM und HD ist im Vergleich zu RM und KW sehr gut anhand der Photos erkennbar (Abb. 65 und Abb. 66). Die lichtmikroskopischen Bilder von RM vor dem Trocknen zeigen, dass die Behandlung mit Verflüssigungsenzym die Zellwand auflöste und faserförmigen Bruchstücken entstanden, die bei der Trocknung stark aggregierten. KW besteht, wie in Abb. 65 wiedergegeben, aus Clustern mehrerer Zellen mit zerstörten Randstrukturen. Die Farbe ist ein bedeutender Parameter für die Qualität der getrockneten ZM- Präparate. Es werden ein hoher Helligkeitswert (L-Wert) und niedrige Farbintensitätswerte (a (rot)- und b (gelb)-werte) gewünscht. Schlechte Farbwerte (niedrige Helligkeit, hohe Rot- und Gelbwerte), siehe Tab. 9 und Tab. 18, sind entweder ein Hinweis auf einen höheren Anteil großer Partikel (RM, KW) oder auf eine Oxidation phenolischer Verbindungen in unblanchierten Materialien wie in KW (BELITZ und GROSCH, 1992). Das mazerierte Material FM zeichnet sich durch besonders niedrige Farbintensitätswerte (a, b) aus. Dies ist wahrscheinlich auf den selektiven Angriff der Mazerase auf das Mittellamellenpectin zurückzuführen, der sich in einer besonders glatten Oberfläche der erhaltenen Einzelzellen äußerte. Glattere Oberflächen ermög- 77

78 lichen eine bessere Reflexion des auffallenden Lichtes verbunden mit einer niedrigeren Absorption Partikelgrößenverteilung Abb. 32 zeigt, im Ergebnis drei verschiedene Arten von Volumensummenhäufigkeitsverteilungen für die Partikel der wässrigen ZM-Suspensionen. Mit zunehmendem Zellwandabbau, verursacht durch die Verarbeitung, verschoben sich die Partikelgrößenverteilungen zu kleineren Partikeln. Wärmebehandlung (BM), Mazeration (FM) und/oder Extraktion mit verdünnter Salpetersäure (HD) führten zu ähnlichen Materialien. Es fand eine Gewebeerweichung und Zellseparierung statt, so dass Einzelzellen (großer Anteil an Partikeln im Größenbereich µm; Zellen von Apfelparenchym (KAHN und VINCENT, 1990)) erhalten wurden (Tab. 10, Abb. 68, Abb. 69, Tab. 17 und Tab. 18). Die mikroskopischen Aufnahmen bestätigen den Einzelzellcharakter dieser ZM (Abb. 65). 100 Volumensummenverteilung Volumensummenhäufigkeit [%] KW fr KW re FM fr FM re BM fr BM re HD fr HD re RM fr RM re RM re unger Durchmesser [µm] Abb. 32 Partikelgrößenverteilung der ZM der Serie 1 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) (Abkürzung: unger. - ohne 15-stündiges Rühren als Probenvorbereitung) - Mittelwerte Im Gegensatz zu den Einzelzellmaterialien waren die Partikel von KW relativ gleichmäßig über den gesamten Bereich von µm Durchmesser verteilt. Aufgrund der Behandlung mit ausschließlich kaltem Wasser besaß das Apfelparenchymgewe- 78

79 be von KW eine höhere Festigkeit, so dass die Homogenisierung zu einer relativ willkürlichen Zerkleinerung führte. Somit bestand KW hauptsächlich aus Bruchstücken und Zellclustern von 2-3 Zellen, die häufig zerstörte Ränder aufwiesen (MÜLLER und KUNZEK, 1998). RM hatte den größten Anteil an Partikeln im Bereich von 5-50 µm (77,4 %, Tab. 10), welches auf eine große Menge von Bruchstücken hinweist (siehe auch mikroskopische Aufnahmen, Abb. 65). Die Trocknung verursachte eine starke Aggregation dieser Bruchstücke, wie die Siebanalyse (79 % der Partikel im Bereich > 500 µm, Tab. 18) und die Photos des getrockneten Materials (Abb. 65 und Abb. 66) darlegen. Tab. 10 Prozentualer Anteil von Partikeln in bestimmten Volumen-Größenklassen vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) der Serie 1 - Mittelwerte KW FM BM HD RM RM unger. Anteil 5-50 µm [%] - fr 20,5 44,8 34,5 39,2 77,4 Anteil µm [%] - fr 56,7 50,9 59,4 55,7 21,5 Anteil µm [%] - fr 19,1 4,1 6,1 5,1 1,1 Anteil 5-50 µm [%] - re 21,1 44,1 37,4 30,9 74,6 31,0 Anteil µm [%] - re 57,1 54,4 60,0 60,2 25,3 24,7 Anteil µm [%] - re 18,7 1,7 4,0 8,4 0,1 33,4 Die Partikelgrößenverteilungen der ZM-Suspensionen vor der Trocknung (fr) als auch nach der Trocknung und dem Rehydratisieren (re) stimmten gut überein. D. h., alle ZM waren in der Lage, ihre anfängliche Partikelgrößenverteilung nach dem Trocknen durch Rehydratisieren unabhängig von der Verarbeitung wiederherzustellen. Das 15-stündige Rühren im Wasserüberschuss als Probenvorbereitung für die Partikelanalyse bewirkte somit die Auflösung der beim Trocknen gebildeten Aggregate von RM (VETTER et al., 2001). Zum Vergleich zeigen Abb. 32 und Abb. 69 die Partikelgrößenverteilungen von RM ohne Probenvorbereitung (RM re unger.), die den großen Anteil grober Partikel bei diesem Material verdeutlicht (siehe auch Tab. 10) Zusammensetzung und Struktur Das Ausmaß des Pectinabbaus durch die verschiedenen Verarbeitungen der ZM drückt sich unter anderem auch in den verschiedenen Feststoffdichten der Proben aus. So besaß RM die höchste Feststoffdichte und KW die niedrigste (Tab. 9 und Tab. 18). Sowohl die Feststoffdichte als auch die Schüttdichte steigen mit zunehmender Pectinextraktion, die mit dem Abbau an amorpher Matrix verbunden ist. Da- 79

80 bei war die Schüttdichte aufgrund der starken Aggregation des Materials bei der Trocknung besonders stark erhöht. Diese Aggregation aber auch Schrumpfung und Kollaps verursachten verschlossene Poren und Mikrokapillaren und erniedrigten damit die Porosität von RM. Chemische Zusammensetzung der ZM (%) Glucose Xylose Fucose Mannose Galactose Arabinose Rhamnose Galacturonsäure Asche Wasser Protein 0 KW FM BM HD RM Abb. 33 Zusammensetzung der ZM der Serie 1 entsprechend der chemischen Analyse Die chemische Zusammensetzung der ZM-Präparate, wie der Galacturonangehalt, der Veresterungsgrad der Pectinkomponente, die Zuckerzusammensetzung (insbesondere der Glucosegehalt), der Eiweißgehalt und der Aschegehalt, ist abhängig vom Ausmaß des Zellwandabbaus. Wie in Tab. 9 und Abb. 33 zu sehen, hatte KW den höchsten Galacturonangehalt aufgrund der niedrigen Extraktionstemperatur bei der Herstellung. Sowohl die Wärmebehandlung als auch die Behandlungen mit Enzymen und Säure bei der Herstellung bewirkten eine Abnahme des Galacturonangehaltes von FM, BM, HD und RM. Die Anwendung von Verflüssigungsenzymen bei der Präparation von RM entfernte das Pectin fast vollständig. Der Anteil an Glucose als auch an Protein erhöhte sich mit dem Verlust an Pectin bzw. Verbindungen aus der Hemicellulosenfraktion in der Reihenfolge: KW < HD, BM, FM < RM. 80

81 Funktionelle Eigenschaften a. Wasserbindung Die wichtigsten Ergebnisse zu den Hydratationseigenschaften der ZM dieser Serie sind in VETTER et al. (2001) und VETTER und KUNZEK (2002) veröffentlicht. Wie die Abb. 34, Tab. 17 und Tab. 19 zeigen, besaßen die Einzelzellmaterialien (FM, BM, HD) die höchsten maximalen Wasserbindungen (WRK 80, WRK 0). Aufgrund der durch die Wärmebehandlung erfolgten Zellerweichung war die Matrix in der Lage, gut aufzuquellen. g oder ml Wasser / g TS Wasserbindung Quellvolumen [ml/g] (Bed volume technique) WRK 80 [g/g] (Filtrationsmethode) WRK 20 [g/g] (Filtrationsmethode) WRK 0 [g/g] (Kapillardruckmethode) WRK 1 [g/g] (Kapillardruckmethode) Wasseraufnahme [g/g] KW FM BM HD RM (Baumann-Methode) Abb. 34 Wasserbindungseigenschaften der ZM der Serie 1 nach dem Trocknen, ermittelt mit verschiedenen Methoden - Mittelwerte Andererseits konnte KW sehr schnell Wasser in die intra- und interzellulären Hohlräume aufnehmen (Abb. 35; Abb. 72). Durch seine höhere Gewebefestigkeit und noch vorhandene Gewebestruktur (Zellcluster) ist es aber entgegen den Einzelzellmaterialien am Aufquellen sterisch behindert und besitzt dadurch ein geringeres maximales Wasserbindevermögen (Abb. 34). Es zeigte im frischen wie im rehydratisierten Zustand kaum veränderte Eigenschaften (Tab. 17 und Tab. 19). RM konnte trotz geringen Pectingehaltes (amorphe Matrix) und starker Zellzerstörung im frischen Zustand gut Wasser binden (Tab. 17). Das könnte seine Ursache in der Ausbildung eines Netzwerkes aus den faserförmigen Zellwandfragmenten (vergleiche Abb. 65), die Wasser gut einschließen können, haben. Die durch die Trocknung verursachte 81

82 Aggregation der Zellfragmente (Siebanalyse, Tab. 18) konnte durch die üblichen Probenvorbereitungen nicht rückgängig gemacht werden, so dass das Wasserbindevermögen von getrocknetem RM stark reduziert war (Abb. 34, Tab. 19). 90 Bed volume technique Quellvolumen [ml/g] KW FM BM HD RM Zeit [min] Abb. 35 Kinetik der Wasseraufnahme mittels Bed volume technique der ZM der Serie 1 - Mittelwerte ml oder g Wasser /g TS Quellvolumen [ml/g] WRK 80 [g/g] Wasseraufnahme [g/g] (Baumann-Methode) KW FM RM gerührt Standard Abb. 36 Vergleichende Darstellung der Wasserbindungseigenschaften ausgewählter ZM der Serie 1, ermittelt nach Standardprobenvorbereitung und nach 15-stündigen Rühren im Wasserüberschuss 82

83 Allerdings zeigte sich, dass der Einsatz von mechanischer Energie bei der Rehydratisierung (15 h Rühren des Materials im Wasserüberschuss) eine Desaggregation und den Erhalt guter Wasserbindungseigenschaften des trockenen Materials ermöglichte (VETTER et al., 2001; Abb. 36). Mit Hilfe der Bildanalyse können Größen- und Gestaltänderungen der Partikel beim Rehydratisieren verfolgt werden. Im trockenen Zustand besitzen KW und RM, wie schon aus der Partikelgrößenverteilung (Abb. 68) und der Siebanalyse (Tab. 18) zu entnehmen, die größten Partikel (Abb. 73 und Tab. 19). Im Falle von RM zeichnen sie sich durch einen besonders hohen Formfaktor aus (Abb. 74), was vermutlich auf die relativ runden Aggregate zurückzuführen ist. Durch die Rehydratisierung stieg der flächenäquivalente Kreisdurchmesser der Partikel aller ZM signifikant an, sowohl nach 10 min als auch nach 2 h (Ausnahme RM 2). Die höchsten Werte für den flächenäquivalenten Kreisdurchmesser nach dem Rehydratisieren wurden für die KW- Materialien erhalten. Dieses Material ist in der Lage, Wasser nicht nur in die intrazellulären Hohlräume aufzunehmen, sondern es kann aufgrund der noch in Teilen vorhandenen Gewebestruktur Wasser auch in interzelluläre Hohlräume einlagern. Während bei den Einzelzellmaterialien BM, HD, FM die Rundheit mit der Rehydratisierung zunahm, sank sie bei KW und RM ab. Durch die Rehydratisierung quellen die aus Einzelzellen bestehenden Partikel von BM, FM und HD auf und nehmen wieder ihre isodiametrische Gestalt an. Bei KW und RM wird die Rundheit der Partikel durch das Auffalten der zerstörten Randstrukturen beim Rehydratisieren erniedrigt. Aus dem flächenäquivalenten Kreisdurchmesser kann das entsprechende Kugelvolumen berechnet und damit die prozentuale Volumenzunahme (trocken - 2 h rehydratisiert) bestimmt werden. Das ermöglicht den Vergleich der Volumenzunahme auf Partikelebene mit der Gesamtvolumenzunahme des hydratisierten Haufwerks der Materialien, ermittelt aus der Bed volume technique (Tab. 19). Bei den Einzelzellmaterialien FM, BM und HD sowie dem Zellcluster-Material KW machte die Volumenzunahme auf Partikelebene ca. 50 % der Gesamtvolumenzunahme aus. D.h., das zusätzlich bei der Bed volume technique aufgenommene Wasser wurde in die Haufwerkshohlräume eingelagert. Die Wasseraufnahme von RM ist auf die äußeren Schichten der Aggregate beschränkt. Das Aufquellen der inneren Strukturen ist durch Kollaps und Verklebung behindert. Dies äußert sich in der geringeren prozentualen Volumenzunahme auf Partikelebene (ca % der Gesamtvolumenzu- 83

84 nahme). Aufgrund der hohen Anzahl großer Partikel ist der Beitrag des Haufwerkshohlraumwassers an der Gesamtvolumenzunahme bei RM erhöht. Mit Hilfe der Kapillardruckmethode ist es möglich, die Kinetik der Wasserabgabe einer vollständig rehydratisierten Probe bei externer Belastung zu verfolgen (Abb. 37; Abb. 70 und Abb. 71). Die Zeitkonstante aus der Anpassung an eine Kinetik 1. Ordnung ist ein Maß für die Geschwindigkeit der Wasserabgabe (Tab. 17 und Tab. 19). 0 Kapillardruckmethode prozentuale Wasserabgabe [%] KW fr KW re FM fr FM re BM fr BM re HD fr HD re RM fr RM re RM re ger Zeit [s] Abb. 37 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa der ZM der Serie 1 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte KW gab sein Wasser sowohl vor als auch nach der Trocknung am schnellsten ab. Das Wasser in KW ist überwiegend in den intra- und interzellulären Hohlräumen der relativ steifen Gewebefragmente eingelagert und kann leicht abgegeben werden. Die Einzelzellmaterialien zeigten im frischen wie auch im rehydratisierten Zustand eine langsamere Wasserabgabe als KW. Dabei waren die Zeitkonstanten der rehydratisierten Materialien bedeutend größer als die der frischen Materialien. Das heißt, trotz Wasser-Ethanol-Austausch erfolgten in gewissem Umfang Zellkollaps und Verklebung bei der Trocknung, die das Wasserhaltevermögen verminderten (KUNZEK et al., 1999). RM gab im frischen Zustand das aufgenommene Wasser nur langsam ab. Durch die Aggregation der Partikel bei der Trocknung wurde sein Quellvermögen stark eingeschränkt, und das größtenteils in Haufwerkshohlräume lose gebundene Wasser (s. oben) wurde bei externer Belastung schnell abgegeben (Abb. 37; Abb. 71). Jedoch konnte durch die Auflösung der Aggregate mittels Zufuhr mechanischer 84

85 Energie bei der Rehydratisierung eine gute Wasserretentionskapazität wiederhergestellt werden (Abb. 36) und die Wasserabgabegeschwindigkeit bei Belastung glich sich wieder der vor der Trocknung an. b. Rheologische Eigenschaften Die Oszillationsmessungen wurden im linear-viskoelastischen Bereich, gemäß den Untersuchungen von OPEL (1995) und MÜLLER (1999) durchgeführt, um die Struktur der Proben nicht zu zerstören. Die in Abb. 38 sowie Abb. 75 und Abb. 77 gezeigten Speicher- und Verlustmoduli in Abhängigkeit von der Frequenz beschreiben sehr gut das visko-elastische Verhalten der Proben. Der Speichermodul war bei den gewählten Versuchsbedingungen bei allen Proben viel größer als der Verlustmodul, welches ein Merkmal für dominant elastische Eigenschaften ist. Frequenzsweep 10 5 KW fr ' Pa 10 4 FM fr ' FM re BM re ' ' ' 10 3 BM fr HD fr ' HD re ' ' 10 2 ' RM re RM fr ' , Hz 10 2 Frequenz f ' KW re RM re ger. ' Abb. 38 Speichermodul G und Verlustmodul G in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM der Serie 1 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Der Verlustfaktor tan (δ) (Quotient aus Verlustmodul und Speichermodul) verdeutlicht am anschaulichsten die Unterschiede im rheologischen Verhalten der ZM (Abb. 39; Abb. 76 und Abb. 78). RM wies im frischen wie auch im rehydratisierten Zustand das viskoseste Verhalten aller Materialien auf, während KW die höchsten Festkörperei- 85

86 genschaften zeigte. Bei den rehydratisierten Einzelzellmaterialien FM, BM und HD erhöhten sich die elastischen Eigenschaften im Vergleich zu denen ihrer Suspensionen vor dem Trocknen besonders im höheren Frequenzbereich. Dies bestätigt die Hypothese der in geringem Umfang stattfindenden Verhärtung der Matrix infolge Kollaps und Verklebung beim Trocknen. Alle Materialien zeigten im hohen Frequenzbereich (f > 1 Hz) eine mechanische Anfälligkeit (starke Zunahme von tan (δ); Abb. 39). Frequenzsweep 0,4 0,38 0,36 0,34 0,32 0,3 KW fr FM fr FM re 0,28 0,26 0,24 0,22 0,2 BM fr HD fr BM re HD re 0,18 0,16 0,14 0,12 0, , Hz 10 2 Frequenz f RM fr KW re RM re RM re ger. Abb. 39 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM der Serie 1 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Die Rücklaufkurven aus den Scherversuchen zeigten ähnliche Trends wie die Oszillationsmessungen (Abb. 40; Abb. 79, Abb. 80 und Abb. 81). Die Fließkurven von KW waren vor der Trocknung und nach dem Trocknen und dem Rehydratisieren sehr ähnlich. Sie lagen über denen der Einzelzellmaterialien aufgrund der größeren und starreren Partikel. RM besaß im frischen Zustand eine sehr hohe Fließkurve, die wahrscheinlich durch die andere Struktur der Suspension hervorgerufen wurde (Netzwerk). Die unstetige Form der Fließkurven von RM ist vermutlich auf Wandgleiteffekte als Messartefakte (wiederkehrende Wasserabgabe- und Wasseraufnahmeprozesse) zurückzuführen. Durch die Aggregation der Zellfragmente bei der 86

87 Trocknung gingen die guten Fließeigenschaften bei üblicher Rehydratisierung verloren. Wenn die Aggregate allerdings wieder aufgelöst wurden, wie durch langes Rühren im Wasserüberschuss geschehen, konnten die vor der Trocknung vorhandenen Fließeigenschaften wieder hergestellt werden. Die Einzelzellmaterialien zeigten ebenfalls relativ ähnliche Fließeigenschaften vor und nach der Trocknung. Rücklaufkurve 600 Pa 500 KW fr 450 FM re 400 FM fr 350 BM re BM fr HD re 200 HD fr 150 RM re 100 RM fr 50 RM re ger /s 10 Schergeschwindigkeit γ. KW re Abb. 40 Fließkurve der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 1 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Mit Hilfe der Timesweep-Messungen kann das Strukturierungsverhalten der ZM- Wasser-Suspensionen über die Zeit verfolgt werden. Die Kurven wurden bei den Konzentrationen 20 und 25 g/l aufgenommen (Abb. 41; Abb. 82 und Abb. 83). Ausgewertet wurde der Speichermodul als Maß für die Festkörpereigenschaften über die Zeit. Eine schnelle Strukturierung geht einher mit einer schnellen Wasseraufnahme in die Partikel. Dabei scheint eine hohe Geschwindigkeit der Wasseraufnahme von einer großen Porosität abzuhängen (VETTER et al., 2000). Nach KARATHANOS et al. (1993), FARKAS und SINGH (1991) und KITAMURA et al. (1990) ist eine schnelle Rehydratisierung an eine hohe Porosität sowie Kapillaren und Hohlräume nahe der Oberfläche gebunden. Die KW-Materialien besitzen eine hohe Porosität und niedrige 87

88 Schüttdichte aufgrund des hohen Pectingehaltes und der Zellclusterstruktur mit den vorhandenen interzellulären Hohlräumen. Dies erklärt ihre schnelle Wasseraufnahme und Strukturierung. Da ein Aufquellen der Matrix, wie schon bei den Wasserbindungseigenschaften ausgeführt, sterisch behindert ist, findet eine weitere Zunahme des Speichermoduls kaum noch statt. Der unstetige Verlauf der Kurven ist auf die Deformation der Partikel bei der Einstellung des Messspaltes zwischen den Platten bzw. auf die Partikelgröße zurückzuführen. Der hohe Speichermodul von KW beruht auf seinen relativ großen und starren Partikeln, wie schon die Frequenzsweep- Messungen zeigten Pa Timesweep 25g/l KW FM BM HD RM min 180 Zeit t Abb. 41 Speichermodul G in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 1 bei einer Konzentration von 25 g/l - Mittelwerte Die Wasseraufnahme der Einzelzellmaterialien war gegenüber KW verzögert, ebenso wie eine nachweisbare Strukturierung (Beginn der interpartikulären Wechselwirkungen). Durch die wärmeinduzierte Zellwanderweichung bei der Herstellung ist die Pectinmatrix der Einzelzellmaterialien in der Lage aufzuquellen und eine Verfestigung der Struktur in den Suspensionen zu bewirken (Tab. 20, Anstieg des linearen Teils). Die RM-Materialien sind aufgrund der starken Aggregation bei der Trocknung in ihrem Quellvermögen stark eingeschränkt. Bei den gewählten Konzentrationen sind sie nicht in der Lage, eine stabile Suspension auszubilden. Der ermittelte Spei- 88

89 chermodul gibt den Widerstand der großen Partikel, den sie zwischen den Platten der Messanordnung hervorrufen, wieder (irreguläre Messbedingungen). Die Ergebnisse der drei rheologischen Messmethoden machen deutlich, dass KW die höchsten Festkörpereigenschaften (hoher Speichermodul, niedriger Verlustfaktor, hohe Fließgrenze, hohe effektive Viskosität, hoher Speichermodul im Timesweep) besitzt. Dies ist auf seine großen und relativ starren Partikel zurückzuführen. Die Einzelzellmaterialien FM, BM und HD besitzen sehr ähnliche rheologische Eigenschaften. Ihre Festkörpereigenschaften sind gegenüber KW geringer (höherer tan (δ), niedrigere Fließgrenze, niedrigere effektive Viskosität, niedrigerer Speichermodul im Timesweep), welches auf die kleineren und weicheren Einzelzellen zurückzuführen ist. Die Wasseraufnahme und Quellung ihrer Partikel ist gegenüber KW verzögert. Dieses äußerte sich in dem langsameren Anstieg des Speichermoduls beim Timesweep. RM ist nach dem Trocknen und Rehydratisieren unter normalen Bedingungen aufgrund der starken Aggregation seiner Partikel nicht mehr in der Lage mit Wasser eine stabile Suspension zu bilden. Dies geben auch die rheologischen Messwerte (, ', 0CA, η eff, (Timesweep)) wieder. Vor dem Trocknen und nach dem Auflösen der Aggregate durch eine geeignete Probenvorbereitung des getrockneten ZM zeigte seine Suspension ein anderes Bild. Es wurden hohe Speichermoduli, Fließgrenzen und effektive Viskositäten ermittelt, welches auf hohe Festkörpereigenschaften hindeutet. Gleichzeitig lagen die Verlustfaktoren (0,23 bei f = 1 Hz) deutlich über denen der anderen ZM-Suspensionen. Bei diesen RM-Wasser- Suspensionen handelte es sich wahrscheinlich um ein Netzwerk aus den faserförmigen Zellbruchstücken von RM, in das das Wasser relativ fest eingeschlossen wurde. Es stellte damit eine andere rheologische Kategorie (im Vergleich zu den restlichen ZM-Suspensionen) dar. 89

90 Serie 2 - Einfluss der Strukturänderungen durch systematischen Zellwandabbau auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Die Ergebnisse der 1. Versuchsserie (Abschnitt ) machen deutlich, dass Änderungen von Überstrukturen (Partikelgröße und Gestalt) einen stärkeren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften ausüben als Änderungen in der chemischen Zusammensetzung. Zur Untersuchung des Einflusses der chemischen Zusammensetzung der Zellwand auf die funktionellen Eigenschaften sollte der Anteil an Zellbruchstücken und Zellclustern möglichst gering gehalten werden, um den Faktor der Partikelgröße auszuschließen. Durch die systematische Änderung der Zellwandzusammensetzung über die schrittweise Entfernung von Pectin und Hemicellulosen sowie Protein und Lignin mittels chemischer Verfahren sollten in ihrer Struktur zunehmend abgebaute Einzelzellmaterialien erzeugt werden. Die 5 verschiedenen Materialien wurden erhalten, indem Apfelmaische nicht extrahiert (NE) sowie nacheinander mit Wasser (BM), chelatisierenden Agenzien (CH), Oxidationsmitteln (CO) und Lauge (COA) extrahiert wurde. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Serie sind in VETTER und KUNZEK (2003c) veröffentlicht. Abb. 21 gibt die Präparation der 5 Materialien wieder. Jedes wurde doppelt hergestellt. Anhang II Abb Abb. 100 und Tab Tab. 24 fasst die Einzelergebnisse der Untersuchungen dieser 2. Serie zusammen Ausbeute und Erscheinung Die Ausbeute (Tab. 11) an ZM nahm entsprechend der Anwendung zusätzlicher Extraktionsschritte bei der Herstellung (Abb. 21) in folgender Reihenfolge ab: NE > BM > CH > CO > COA. Abb. 84 und Abb. 85 zeigen die lichtmikroskopischen und rasterelektronenmikroskopischen Bilder der fünf verschiedenen ZM, die den Einzelzellcharakter aller Materialien widerspiegeln. Insbesondere demonstrieren die Bilder von COA, dass die Extraktion mit sehr aggressiven chemischen Agenzien (4 M Kalilauge) zur Entfernung von Pectin und Hemicellulosen zu runden, aber signifikant kleineren Partikeln führte, d. h. der Einzelzellcharakter der Partikel blieb erhalten. Die enzymatische Extraktion von 90

91 Pectin und Hemicellulosen (siehe Abschnitt für RM) führte im Vergleich dazu zu faserförmigen Zellwandbruchstücken. Tab. 11 Chemisch-physikalische Parameter der ZM der Serie 2 - Mittelwerte NE BM CH CO COA Ausbeute [%] bez. auf TS 8,6 7,3 5,7 5,1 2,8 Helligkeit L 86,12 92,26 87,66 98,20 99,23 a-wert (rot) 2,83 1,43 2,52-0,28-0,06 b-wert (gelb) 12,99 8,24 16,13 2,10 0,20 Schüttdichte [g/cm 3 ] 0,115 0,067 0,087 0,077 0,134 Feststoffdichte [g/cm 3 ] 1,644 1,592 1,721 1,907 1,611 Porosität [%] 93,0 95,8 95,0 96,0 91,7 Galacturonangehalt [%] 20,7 18,0 8,6 9,7 7,3 Veresterungsgrad [%] 71,7 71,7 59,3 54,9 0,7 Eiweiß [%] 5,37 2,73 4,04 2,00 0,26 Glucose [%] 38,44 44,11 50,86 54,95 71,68 Asche [%] 0,62 0,31 0,15 0,09 0,12 Die Farbwerte der ZM waren ebenfalls von den Behandlungen bei der Herstellung abhängig. BM hatte gegenüber von NE höhere Helligkeitswerte und niedrigere Farbintensitätswerte, welches zum einen auf die Entfernung aller löslichen Inhaltsstoffe durch die Nasssiebung aber auch auf das Waschen mit verdünnter Salzsäure zurückgeführt werden kann. Die CH-Materialien wiesen ebenfalls gegenüber BM schlechtere Farbwerte auf. Die Extraktion mit Ammoniumoxalat bewirkte ein Gelbfärbung des Materials, die auch durch die anschließende Nasssiebung nicht rückgängig gemacht werden konnte. Die besten Farbwerte hatten CO und COA, die durch die Behandlung mit dem Oxidationsmittelgemisch NaClO 2 /CH 3 COOH entfärbt wurden (Entfernung der Polyphenole) Partikelgrößenverteilung Die Partikelgrößenverteilungen (Abb. 42, Abb. 87 und Abb. 88) von BM, CH und CO wiesen den für Einzelzellen aus Apfelparenchym typischen hohen Anteil an Partikeln im Durchmesserbereich von µm auf (KAHN und VINCENT, 1990). NE besitzt ebenfalls einen hohen Anteil in dieser Fraktion, aber aufgrund der bei diesem Material fehlenden Nasssiebung und Entfernung von Zellbruchstücken hatten ca. 40 % der 91

92 Partikel einen Durchmesser < 20 µm (siehe auch Tab. 12). Die Partikelgrößenverteilung von COA war zu größeren Partikeln verschoben (24,4 % der Partikel > 250 µm; Tab. 12), obwohl die Photos (Abb. 84 und Abb. 85) deutlich kleinere Partikel zeigen. Durch das geringere Quellvermögen dieses Materials aufgrund der fast vollständigen Entfernung der amorphen Matrix (Abb. 21) ist wahrscheinlich eine fast vollständige Entfernung der kleinen Partikel bei der Nasssiebung möglich, während bei den anderen Materialien (BM, CH, CO) ein Teil der Partikel mit einem Durchmesser < 20 µm (20 % der Gesamtpartikel) zurückgehalten wird. Die Partikelgrößenverteilungen aller ZM sind vor und nach der Trocknung ähnlich, so dass angenommen werden kann, dass keine irreversible Aggregation während der Trocknung stattfand. 100 Volumensummenverteilung Volumensummenhäufigkeit [%] Durchmesser [µm] NE fr NE re BM fr BM re CH fr CH re CO fr CO re COA fr COA re Abb. 42 Die Partikelgrößenverteilung der ZM der Serie 2 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Tab. 12 Prozentualer Anteil von Partikeln in bestimmten Volumen-Größenklassen vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) der Serie 2 - Mittelwerte NE BM CH CO COA Anteil 5-50 µm [%] - fr 54,1 33,2 33,6 36,6 19,9 Anteil µm [%] - fr 40,1 57,0 51,9 56,9 51,8 Anteil µm [%] - fr 5,7 9,2 12,8 6,5 24,4 Anteil 5-50 µm [%] - re 46,5 33,6 32,1 38,7 12,5 Anteil µm [%] - re 48,7 57,5 52,0 50,7 45,2 Anteil µm [%] - re 4,7 8,7 14,3 9,9 35,8 92

93 Zusammensetzung und Struktur In Tab. 11 und Tab. 22 werden die chemischen Zusammensetzungen und physikalischen Parameter der ZM der Serie 2 dargestellt. Durch das Blanchieren wurde das heißwasserlösliche Pectin von BM in Lösung gebracht und bei der anschließenden Nasssiebung entfernt, während es bei NE zum Teil im Material verblieb, was sich in einem höheren Pectingehalt ausdrückte. Chemische Zusammensetzung der ZM 100 (%) NE BM CH CO COA Glucose Xylose Fucose Mannose Galactose Arabinose Rhamnose Galacturonsäure Asche Wasser Protein Abb. 43 Zusammensetzung der ZM der Serie 2 entsprechend der chemischen Analyse Die Extraktion mit chelatisierenden Agenzien (Ammoniumoxalat) sollte vor allem Ca- (oder Mg-) Pectinat in Lösung bringen. Die Behandlung erniedrigte den Pectingehalt bei CH, CO und COA (Tab. 11, Abb. 43) deutlich. DE VRIES et al. (1981) schreiben, dass das so aus Äpfeln extrahierte Pectin einen relativ geringen Anteil an Neutralzuckern und einen hohen Methylierungsgrad hat. Die Komplexierung von Ca 2+ und Mg 2+ scheint somit auch hochverestertes Pectin in größerem Maßstab in Lösung zu bringen. Dies wird durch den geringeren Veresterungsgrad des verbliebenen Pectins sowie dem im Verhältnis zum Galacturonsäure erhöhten Gehalt an Arabinose und Galactose im CH bestätigt (Tab. 11, Tab. 22 und Abb. 43). Der mittels Ammoniumoxalat entfernte Anteil an Pectin war mit 70 % (CH bezogen auf kaltwasserbehandeltes ZM aus der Versuchsserie 1 (KW, Abschnitt , Tab. 22)) größer als der aus der Literatur zu entnehmende, wonach nur ca. 50 % des Pectins von Äpfeln mit Komplexbildnern extrahierbar sind (SELVENDRAN und O'NEILL, 1987; VORAGEN et al., 93

94 1995). Die Oxidation mit Natriumchlorit/Essigsäure erniedrigte den Pectingehalt (CO) trotz anders lautender Literaturangaben (VORAGEN et al., 1995) nicht weiter. Er stieg aufgrund der Entfernung anderer Bestandteile (Protein, Polyphenole - Helligkeit erhöht) leicht an. Die Extraktion mit Kalilauge senkte den Pectingehalt (β-eliminierung) weiter ab und brachte einen großen Teil der Hemicellulosen in Lösung (Verhältnis Xylose - Glucose sank, Abb. 43). Das Ergebnis war eine α - Cellulose mit hohem Glucosegehalt von 71,7 % und geringen Pectinresten, die sehr fest an das Cellulose- Xyloglucan-Netzwerk gebunden sein müssen (VORAGEN et al., 1995). Die Alkalibehandlung verursachte eine fast vollständige Entesterung des Pectins. Die Feststoffdichte nimmt mit dem Abbau an amorpher Matrix in der Reihenfolge BM < CH < CO zu (Tab. 22). Die niedrigeren Werte von COA sind wahrscheinlich auf ein verstärktes Quellen im feuchten Zustand durch die Alkali-Behandlung und eine Umwandlung von kristallinen Bereichen in parakristalline oder amorphe Bereiche in der Cellulosematrix des Trockenproduktes zurückzuführen. Der Verlust der amorphen Pectinmatrix erniedrigte die Porosität von COA (Tab. 22) Funktionelle Eigenschaften a. Wasserbindung Die Hydratationseigenschaften nahmen in der Reihenfolge BM > NE CO > CH >> COA ab. Es zeigte sich demnach, dass nicht NE, welches das am wenigsten behandelte Material mit dem höchsten Pectingehalt war, die höchsten Wasserbindungswerte hatte sondern BM (WRK 0, WRK 80, max. Quellvolumen; Abb. 44). Die Anwesenheit von gelösten Bestandteilen bzw. eines großen Anteils kleiner Partikel führte bei der Trocknung von NE zu einem verstärkten Verschluss von Poren und kapillaren Hohlräumen und zur Schrumpfung (erhöhte Schüttdichte, erniedrigte Porosität; Tab. 22). Das ist, wie schon im Abschnitt aufgeführt, vermutlich auch die Ursache für die langsamere Wasseraufnahme von NE (Abb. 45). Die im Vergleich zu BM langsamere Wasserabgabe von NE bei externer Belastung (Abb. 46 und Tab. 23) beruht z. T. auf dem höheren Anteil löslicher Inhaltsstoffe und Kleinstpartikel, die die Poren des Probengefäßes (Abb. 29) verschlossen und somit die Wasserabgabe behinderten. 94

95 BM besaß einen hohen Galacturonangehalt und eine hohe Porosität (Tab. 11). Die Entfernung aller gelösten Bestandteile bzw. eines großen Teils kleiner Partikel vor der Trocknung verbesserte die Wasserbindungseigenschaften (Abb. 44) von BM im Vergleich zu NE. So zeigte es die höchsten Werte für die WRK 80 und WRK 0 sowie eine schnelle Wasseraufnahme (Abb. 45). Die Wasserabgabe bei externer Belastung war gegenüber COA, CH und CO verlangsamt. CH besaß trotz hoher Porosität gegenüber BM und NE deutlich niedrigere maximale Wasserbindungswerte (WRK 80, WRK 0, max. Quellvolumen; Abb. 44; Tab. 23). Dies ist wahrscheinlich auf seinen geringeren Pectingehalt zurückzuführen. g oder ml Wasser / g TS Wasserbindung Quellvolumen [ml/g] WRK 80 [g/g] WRK 20 [g/g] WRK 0 [g/g] WRK 1 [g/g] NE BM CH CO COA Abb. 44 Kennwerte der Wasserbindung der getrockneten und rehydratisierten ZM der Serie 2, ermittelt mit verschiedenen Methoden - Mittelwerte Die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme war zu Beginn der Quellung relativ langsam (Abb. 45), während die Wasserabgabe von CH bei externer Belastung deutlich schneller als die von BM und NE war. Alle Werte machen deutlich, dass CH schlechtere Hydratationseigenschaften hatte als BM. Das hat wahrscheinlich hauptsächlich seine Ursache in dem niedrigeren Galacturonangehalt von CH im Vergleich zu BM verbunden mit den unterschiedlichen Anteilen an amorpher Matrix in beiden ZM. Die zusätzliche Behandlung mit einer heißen Natriumchlorit/Essigsäure-Mischung bewirkte eine deutliche Verbesserung der Hydratationseigenschaften, wie CO zeigt. So waren die Werte für das maximale Quellvermögen, WRK 0 und WRK 80 für CO höher als für CH (Abb. 44). Während die Bildung eines sekundären hydrophoben 95

96 Netzwerkes aus oxidierten Polyphenolen (RENARD und THIBAULT, 1991) das Aufquellen der Matrix im CH behinderte, führte seine Entfernung zu einer partiellen Lockerung der Zellwand und verbesserte so wahrscheinlich das maximale Wasserbindevermögen von CO (Tab. 23). Aufgrund dieser gelockerten Strukturen im CO nimmt es Wasser im Vergleich zu BM, NE und CH sehr viel schneller auf (Abb. 45 und Abb. 90). Die Entfernung eines großen Teils des Pectins verursachte auch bei CO im Vergleich zu BM und NE eine schnellere Wasserabgabe bei externer Belastung der hydratisierten Proben (Abb. 46 und Tab. 23). Die etwas niedrigere Zeitkonstante der Wasserabgabe bei externer Belastung von CO im Vergleich zu CH beruht wahrscheinlich auf dem besseren Quellvermögen des Pectins (freiere Ausdehnungsmöglichkeiten). Das Material CO beweist, dass ein zunehmender Zellwandabbau nicht immer mit abnehmenden Hydratationseigenschaften verbunden ist. 90 Bed volume technique 80 Quellvolumen [ml/g] NE BM CH CO COA Zeit [min] Abb. 45 Kinetik der Wasseraufnahme ermittelt mittels Bed volume technique der ZM der Serie 2 - Mittelwerte Die Wasseraufnahme von COA war stark erniedrigt (Abb. 44, Abb. 45 und Tab. 21). Die Extraktion mit Kalilauge bewirkte nicht nur eine weitere Senkung des Pectingehaltes sondern, wie der hohe Glucosegehalt ausweist, auch die Entfernung eines großen Teils der Hemicellulosen, die ebenfalls aufgrund ihres amorphen Charakters zu einer guten Wasserbindung beitragen können. Die erhaltenen runden Cellulosepartikel von COA können somit nur wenig Wasser aufnehmen (AMADÓ, 1994) und geben bei externer Belastung Wasser sehr schnell wieder ab (Abb. 46). Das unter- 96

97 scheidet das COA-Material vom RM-Material der 1. Versuchsserie (Abschnitt ). Durch die faserförmige Gestalt seiner Partikel war RM in der Lage ein Netzwerk auszubilden, worin es Wasser gut einlagern konnte. Die Wasserretentionskapazität bei Belastung (WRK 1) von COA ist allerdings vergleichbar mit denen der anderen Materialien (Tab. 21 und Tab. 23). Das könnte bedeuten, dass vor allem das maximale Wasserbindungsvermögen von einem hohen Anteil an amorpher Matrix abhängt. Das bei Belastung gebundene Wasser scheint dagegen davon relativ unabhängig zu sein (Abb. 44). 0 Kapillardruckmethode prozentuale Wasserabgabe [%] Zeit [s] NE fr BM fr CH fr CO fr COA fr NE re BM re CH re CO re COA re Abb. 46 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1kPa der ZM der Serie 2 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Im frischen Zustand gaben BM, CH und CO ihr Wasser langsamer ab als im rehydratisierten Zustand, was auf ein gewisses Maß an Kollaps und Verklebung beim Trocknungsprozess hinweist. NE besaß dagegen im frischen Zustand eine sehr geringe Wasserretentionskapazität WRK 0 (Tab. 21), das aber mit der Vorbehandlung zusammenhängt. Das Einfrieren als Konservierungsmethode bis zur Ermittlung der Kinetik der Wasserabgabe hatte einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der NE- Suspensionen (Verkleben der Matrix durch lösliche Inhaltsstoffe). Die funktionellen Eigenschaften von COA im frischen Zustand unterschieden sich kaum von denen nach Trocknen und Rehydratisieren. 97

98 b. Rheologische Eigenschaften Die ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 2 zeigten im Frequenzsweep bei den gewählten Bedingungen dominant elastische Eigenschaften (Abb. 47). Die -Werte (bei f = 1 Hz) der getrockneten und rehydratisierten Materialien nahmen in der Reihenfolge CH > CO > BM > NE >> COA ab. Die Fließkurven (Abb. 49, Abb. 96 und Abb. 97) und die daraus ermittelten Fließgrenzen und effektiven Viskositäten (Tab. 23) zeigten den gleichen Trend. Frequenzsweep 10 4 NE fr CH re Pa ' ' 10 3 NE re CO fr ' ' BM fr CO re ' 10 2 BM re ' ' COA fr ' ' , Hz 10 2 Frequenz f CH fr ' COA re ' Abb. 47 Speichermodul G und Verlustmodul G in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM der Serie 2 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) Mittelwerte Der Verlust an amorpher Pectinmatrix bei CH und CO erhöhte die kristallinen und parakristallinen Anteile in der verbliebenen Zellwandmatrix. Vermutlich verursachten diese die höheren Speichermoduli und niedrigeren Verlustfaktoren (Abb. 48) sowie die größeren Fließgrenzen (Abb. 49, Tab. 23) der ZM-Wasser-Suspensionen von CH und CO im Vergleich zu BM. Diese höheren Festkörpereigenschaften waren wahrscheinlich ein weiterer Grund für die weniger feste Wasserbindung und das dadurch verursachte Abpressen von Wasser bei den rheologischen Messungen. Die elasti- 98

99 schen Eigenschaften ebenso wie die Fließgrenzen erhöhten sich durch die Trocknung sowohl bei CH und CO als auch bei BM, was vermutlich auf ein gewisses Maß an Schrumpfung und Kollaps beim Trocknen zurückzuführen ist (Abb. 49). Die NE-Suspensionen besaßen sowohl im frischen als auch im rehydratisierten Zustand einen höheren Anteil viskoser Eigenschaften (Abb. 48) sowie eine kleinere Fließgrenze (Abb. 49 und Tab. 23). Dies ist wahrscheinlich durch den Gehalt an löslichen Inhaltsstoffen und Kleinstpartikel bedingt. COA war nicht in der Lage, bei der Standardkonzentration von 33,3 g/l eine stabile Suspension mit Wasser zu bilden (Abb. 47, Abb. 48 und Abb. 49). Frequenzsweep 0,4 0,38 0,36 0,34 0,32 0,3 0,28 0,26 0,24 0,22 NE fr NE re BM fr CH re CO fr CO re 0,2 BM re COA fr 0,18 0,16 0,14 0,12 CH fr COA re 0,1 0,01 0, Hz 100 Frequenz f Abb. 48 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 2 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Die zeitabhängigen rheologischen Messungen zur Untersuchung der Kinetik der Strukturausbildung wurden bei den Konzentrationen 25 g/l und 40 g/l im Timesweep und mittels zeitabhängiger Rotationsmessungen (Helipath-Methode) durchgeführt. Die Wassermenge bei der Konzentration 40 g/l lag unterhalb des maximalen Wasserbindevermögens aller Materialien (Abb. 44; Tab. 23), so dass konzentrierte Suspensionen für die Messungen aller Proben erhalten wurden. Bei dieser hohen Konzentration ist allerdings das Strukturierungsverhalten der Suspensionen für ZM mit 99

100 einer hohen Wasserretentionskapazität (BM, CH, CO, NE) kaum noch interpretierbar (Abb. 98, Abb. 99 und Abb. 100). Rücklaufkurve 140 Pa NE fr NE re BM fr BM re CH fr CH re CO fr CO re COA fr COA re /s 10 Schergeschwindigkeit γ. Abb. 49 Fließkurve der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 2 vor (fr) und nach dem Trockenen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Mit der neu erprobten Helipath-Methode bei 25 g/l konnten die am besten auswertbaren Ergebnisse erzielt werden, da mit dieser Messanordnung die geringste Belastung auf die Probe vor und während der Messungen ausgeübt wird und weniger Fehlerfaktoren die Ergebnisse beeinflussen (Abpressen von Wasser). Abb. 50 gibt das Drehmoment M in Abhängigkeit von der Rehydratisierungszeit der ZM-Wasser- Suspensionen bei einer Konzentration von 25 g/l wieder. In Tab. 24 sind die ermittelten Kennwerte aufgeführt. Mit Ausnahme von COA, welches bei dieser Konzentration nicht in der Lage war, eine Struktur auszubilden, besaßen die NE-Materialien die langsamste Strukturierungsgeschwindigkeit. Es ist anzunehmen, dass durch das Vorhandensein von löslichen Inhaltsstoffen und sehr feinen Partikeln eine stärkere Verklebung und der Verschluss von Poren (niedrigere Porosität, höhere Schüttdichte; Tab. 22) bei der Trocknung eintrat, die die Wasseraufnahme, den Beginn der interpartikulären Wechselwirkungen und damit die Strukturausbildung der Suspension verzögerten. 100

101 Rotationsviskosimetrie 25g/l 2 mnm 1,6 NE M 1,4 1,2 1 0,8 BM CH M M M 0,6 CO 0,4 0,2 COA M M min 180 Zeit t Abb. 50 Drehmoment M in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 2 bei einer Konzentration von 25 g/l - Mittelwerte BM hatte im Vergleich zu NE eine niedrigere Schüttdichte und höhere Porosität und damit, wie Abb. 50 zeigt, eine höhere Wasseraufnahmegeschwindigkeit und Strukturierung. Das Maximum zu Beginn der Kurve ist auf luftgefüllte Hohlräume im getrockneten Material zurückzuführen (siehe dazu Abschnitt ). Die Enddrehmomente M 180 min von BM und NE waren ähnlich. CO und CH zeigten die schnellsten Strukturausbildungen und erreichten die mit Abstand größten Drehmomente. Die Quellung der Partikel von CH und damit die Strukturausbildung in seiner Suspension war im Vergleich zu CO sehr viel langsamer (Abb. 50). Diese Verzögerung kann auf das hydrophobe sekundäre Polyphenolnetzwerk im CH zurückgeführt werden (RENARD und THIBAULT, 1991). Die sehr schnelle Strukturbildung von CO steht mit der schnellen Wasseraufnahme beim Rehydratisieren im Einklang (Abb. 45). Das gegenüber BM und NE bei 180 min sehr viel höhere Drehmoment der CO- und CH- Suspensionen gründet sich wahrscheinlich auf den Verlust an amorpher Pectinmatrix und den damit steiferen Zellwänden. Das starke Rauschen der Kurven von CO und CH scheint seine Ursache in der im Vergleich zu NE und BM weniger festen Wasserbindung zu haben. 101

102 Die Ergebnisse aller rheologischen Messungen weisen ein und denselben Trend auf, ob nun Wasser bei den Messungen abgepresst wurde oder nicht. Die besten strukturellen Eigenschaften besaßen CO und CH gefolgt von BM und NE. COA besaß die schlechtesten Eigenschaften. Damit zeigt sich ein deutlicher Unterschied zu den Hydratationseigenschaften. Die rheologischen Eigenschaften der rehydratisierten ZM sind stärker abhängig vom Anteil der Cellulosematrix und der Festigkeit der Probepartikel (ihren Festkörpereigenschaften) als von den Hydratationseigenschaften. So besaß BM zwar die besten Wasserbindungseigenschaften, die strukturviskosen und visko-elastischen Eigenschaften seiner Suspension waren aber im Vergleich zu CH und CO erniedrigt. Die rheologischen Eigenschaften der BM-Wasser-Suspension wurden bestimmt durch die weiche Struktur der pectinreichen hydratisierten Partikel, die durch eine glatte Oberfläche und den damit verbundenen relativ geringen Wechselwirkungen zwischen den rehydratisierten Partikeln gekennzeichnet waren Zusammenfassung zum Einfluss von Strukturänderungen auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Die bei der Verarbeitung ablaufenden Strukturänderungen können sehr vielfältig sein. So wird nicht nur die chemische Zusammensetzung verändert, sondern auch die Mikro- und Makrostruktur beeinflusst (KUNZEK und GLOYNA, 2000). Die Ergebnisse aus den beiden Versuchsserien haben deutlich gemacht, dass die Eigenschaftsänderungen nicht mit einzelnen Strukturmerkmalen in Zusammenhang gebracht werden können. Es ergab sich zwar, dass ein hoher Pectingehalt (BM > CH / CO > COA; Versuchsserie 2) sehr wichtig für eine gute Wasserretentionskapazität ist, aber auch immer im Zusammenhang mit weiteren Strukturmerkmalen, wie der Partikelgröße und -gestalt sowie der Festigkeit der Matrix betrachtet werden muss. Beispielsweise besitzt das kaltwasser-extrahierte Material KW der 1. Serie zwar einen sehr hohen Pectingehalt, aber aufgrund der Starrheit seiner Partikel und dem Anteil an Zellclustern kann es Wasser weniger fest binden als Einzelzellmaterialien (BM, FM, HD), die durch eine Wärmebehandlung einen niedrigeren Pectingehalt und eine weichere Zellwand aufweisen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass ein fast vollständiger Pectinabbau nicht unbedingt zu einem Verlust guter Wasserbindungseigenschaften und rheologischer Eigenschaften führt. Die faserförmige Gestalt der Partikel des totalverflüssigten Materials RM ermöglichte es ihm, Wasser in großer Menge durch 102

103 die Ausbildung eines Netzwerkes einzuschließen. Das COA-Material, welches ebenfalls nur noch einen geringen Pectingehalt und einen hohen Cellulosegehalt aufwies, war aufgrund der runden Gestalt seiner Partikel nicht in der Lage, größere Mengen an Wasser zu binden. Außerdem scheinen auch die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Zellwandkomponenten eine wichtige Rolle für die funktionellen Eigenschaften zu spielen. So wurden die Wasserbindungseigenschaften bei gleichem Pectingehalt durch die Entfernung der Polyphenole deutlich verbessert (Versuchsserie 2: CO im Vergleich zu CH). Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Abhängigkeiten zwischen der Struktur der ZM und den funktionellen Eigenschaften sehr komplex und multivariat sind. Des Weiteren können die beim Rehydratisieren eintretenden Struktur- und Zustandsänderungen einen größeren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften ausüben als die verarbeitungsbedingten Veränderungen. So besaß RM, als bei der Trocknung stark aggregiertes Material, bei standardisierter Probenvorbereitung eine sehr geringe Wasserretentionskapazität. Durch die Anwendung mechanischer Energie beim Rehydratisieren war es jedoch möglich, die Partikel zu desaggregieren und so ein gutes Wasserbindungsvermögen zu erreichen Einfluss der Milieubedingungen auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Serie 3 - Einfluss der Milieubedingungen beim Rehydratisieren auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Anhand der 3. Versuchsserie sollte der Einfluss der Milieubedingungen beim Rehydratisieren der ZM auf die funktionellen Eigenschaften untersucht werden (VETTER und KUNZEK, 2003a). Zu diesem Zweck wurden Kalium (als Kaliumacetat), Fructose und L-Äpfelsäure als natürliche Bestandteile von Äpfeln dem getrockneten ZM (Mischung von Basismaterialien BM 3-8) beim Rehydratisieren zugefügt. Als ZM wurde das BM (Abschnitt ) ausgewählt. Es wurden insgesamt sechs BM (BM 3 BM 8) hergestellt, einzeln untersucht und aus den Resten eine Mischprobe zusammengestellt, die den verschiedenen Milieubedingungen beim Rehydratisieren ausgesetzt wurde. Die dem Wasser zugesetzten Substanzen wurden in Konzentrationen von 0,1 M Lösungen eingesetzt. Für die Ermittlung signifikanter Einflussfaktoren wurde ein statistischer Versuchsplan aufgestellt (Tab. 13). 103

104 Im Anhang III geben Abb Abb. 118 und Tab Tab. 30 die Ergebnisse der Versuchsserie zusammengefasst wieder. Tab. 13 Vollständiger faktorieller Versuchsplan mit 3 Faktoren, die in 2 Stufen variiert wurden, für die Ermittlung des Einflusses der Milieubedingungen beim Rehydratisieren (SCHEFFLER, 1986) Versuchs- Faktoren Nr. Wdh. Bezeichnung Kalium Fructose Äpfelsäure 1 2 W K F KF A KA FA KFA Stufe: Konzentration: 0 "-" 2. Stufe: Konzentration: 0,1 M "+" Eigenschaften der BM Tab. 25 bis Tab. 28 geben die einzelnen Ergebnisse der sechs BM zusammen mit Mittelwert, Standardabweichung und Konfidenzintervall wieder. In Abb. 101 bis Abb. 118 sind die Einzelkurven und Mittelwertkurven der BM dargestellt. Während einige der chemisch-physikalischen Parameter der sechs BM (Galacturonan-, Eiweiß- und Aschegehalt sowie Farbwerte und Schüttdichte) sehr ähnlich waren, wichen andere Kennwerte (Feststoffdichte, Partikelanzahl (Partikelgrößenverteilungen der BM allerdings sehr ähnlich; Abb. 103), Siebanalyse und Veresterungsgrad) von einander ab (Tab. 26). Diese Differenzen können auf unterschiedlichen Präparierweisen durch verschiedene Bearbeiter, verschiedene Standzeiten (die nicht immer zu vermeiden waren) und Unterschiede im Trocknungsregime (Dauer, Durchmischung, tatsächlicher Ethanolgehalt im Material vor der Endtrocknung) zurückgeführt werden. Leider sind aber wie schon oben beschrieben gerade Unterschiede in der Makrostruktur maßgeblich für die funktionellen Eigenschaften der ZM. So sind für die sechs BM auch verschiedene Eigenschaften in der Wasserbindung, der Wasserabgabegeschwindigkeit bei externer Belastung und in den rheologischen Eigenschaften gefunden worden. BM 4 und BM 8 wiesen dabei die schlechtesten funktionellen Eigenschaften, d.h. die geringsten Wasserbindungswerte (WRK 80, WRK 20, Quellung, WRK 0 und WRK 1; Abb. 104), die schnellste Wasserabgabe bei externer Belastung; Abb. 106 und Tab. 27), die niedrigsten Speicher- und Verlustmoduli (Abb. 110) bzw. 104

105 Fließgrenzen (Abb. 116 und Tab. 27) und den geringsten Strukturaufbau im Timesweep, auf (Abb. 118 und Tab. 28). Eine Zuordnung im Hinblick auf die Ursache der unterschiedlichen funktionellen Eigenschaften der BM gelang leider mit den vorliegenden Analysendaten nicht. Das Verhältnis viskoser zu elastischen Eigenschaften, ausgedrückt im Verlustfaktor, war jedoch bei allen BM annähernd gleich (Abb. 113). Die BM vor der Trocknung (frisch) zeigten in Vergleich zu den rehydratisierten BM höhere Wasserbindungswerte (vergleiche Tab. 25 und Tab. 27) und eine deutlich langsamere Wasserabgabe bei externer Belastung (Abb. 107, Tab. 25 und Tab. 27). Außerdem nahmen durch die Trocknung Speicher- und Verlustmoduli (Abb. 111) sowie die Fließgrenzen und effektiven Viskositäten (Abb. 117 und Tab. 25 und Tab. 27) der BM-Wasser-Suspensionen ab. Der Verlustfaktor der BM-Wasser- Suspensionen erniedrigte sich ebenfalls (Abb. 114), d.h. sie besaßen einen geringeren Anteil viskoser Eigenschaften. Insgesamt machen diese Ergebnis deutlich, dass, wie schon in Abschnitt ausgeführt, trotz Wasser-Ethanol-Austausch als pre-drying treatment bei der Trocknung in gewissem Grad Schrumpfung, Kollaps und Verklebung eintreten, die die Bindung von Wasser herabsetzen Einfluss der Milieubedingungen beim Rehydratisieren auf die funktionellen Eigenschaften von BM In Tab. 14 sind die physikalischen und chemischen Parameter der für die Untersuchung des Einflusses der Milieubedingungen beim Rehydratisieren verwendeten Mischprobe BM 3-8 zusammengefasst. Tab. 29 gibt die Kennwerte der ermittelten funktionellen Eigenschaften der rehydratisierten Proben bei verschiedenen Milieubedingungen und Tab. 30 signifikante Effekte ermittelt durch Varianzanalyse auf die Kennwerte wieder. In Abb. 52, Abb. 53, Abb. 54, Abb. 55 und Abb. 56 sind die Kurven der Kinetik der Wasserabgabe bei externer Belastung und der Wasseraufnahme sowie die Kurven aus den rheologischen Messungen (Oszillation, Rotation) dargestellt. 105

106 Tab. 14 Chemisch-physikalische Parameter der Mischprobe BM 3-8 BM 3-8 Helligkeit 91,39 a-wert (rot) 1,36 b-wert (gelb) 8,48 Schüttdichte [g/cm 3 ] 0,091 Feststoffdichte [g/cm 3 ] 1,515 Porosität [%] 93,8 Galacturonangehalt [%] 17,7 Veresterungsgrad [%] 74,6 Eiweiß [%] 2,48 Asche [%] 0,23 Wie die Wasserbindungswerte (WRK 80, WRK 0 und maximales Quellvolumen; Abb. 51) korrelierten auch die ermittelten Speichermoduli aus der Oszillation (Abb. 54) und die Fließkurven (Abb. 56) mit den daraus bestimmten Fließgrenzen und effektiven Viskositäten (Tab. 29) für die Suspensionen sehr gut mit einander. Die höchsten Wasserbindungswerte (WRK 80, WRK 20, WRK 0, maximales Quellvolumen) und die besten strukturellen Eigenschaften (höchste Speichermoduli, Fließgrenzen und effektive Viskositäten) wurden von K und KF erreicht. Die schlechtesten Werte wurden für A und AF ermittelt. Es ergab sich folgende generelle Reihenfolge: K, KF > W, F > KA, KFA > A, F Die Varianzanalyse zeigte, dass die Zugabe von Kalium das Wasserbindevermögen (Abb. 51) ebenso wie die rheologischen Eigenschaften (hohe Fließgrenze, effektive Viskosität und hoher Speichermodul; Tab. 29) signifikant verbesserte (α = 0,001; Tab. 30). Dabei wird nicht nur die maximale Wasseraufnahmemenge (WRK 80, WRK 20, WRK 0, max. Quellvolumen) erhöht, sondern auch die Menge an relativ fest gebundenem Wasser (WRK 1, prozentuale Wasserabgabe; Tab. 29). Kaliumacetat (basischer ph-wert) ist in der Lage, die Dissoziation der Carboxylgruppen des Pectins zu erhöhen und die Bildung von -COO (-) K (+) -Strukturen zu unterstützen. Die elektrostatische Abstoßung der Carboxylat-Anionen und die hydrophilen Eigenschaften der Kaliumcarboxylat-Strukturen begünstigen die Aufspreizung der Zellwandmatrix, so dass Wasser besser eingelagert werden kann. Der erhöhende Effekt des Kaliums auf die Geschwindigkeit der Wasserabgabe (Zeitkonstante k) bei externer Belastung beruht auf der größeren maximalen Wasserbindung und der damit verbundenen größeren Absolutmenge an Wasser, die abgegeben wurde. 106

107 Dagegen senkte die Zugabe von Äpfelsäure die Wasserbindungseigenschaften und die rheologischen Eigenschaften (α =0,001; Tab. 30). Die Erniedrigung des ph- Wertes bewirkt eine Unterdrückung der Dissoziation freier Carboxylgruppen in den Pectinmolekülen und somit die Zunahme der hydrophoben Anziehungskräfte zwischen den Ketten und eine Begünstigung von interchenaren Wechselwirkungen über Wasserstoffbrückenbindungen. Dadurch ergibt sich eine Verfestigung der Zellwand (RENARD und THIBAULT, 1991). Es wird somit weniger Wasser in die Pectinmatrix eingelagert und dieses bei Belastung schnell wieder abgegeben. Die durch den Säureeinfluss bedingte herabgesetzte Wasserbindung und Quellung der Partikel reduziert die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und ergibt damit reduzierte strukturbildende Eigenschaften in den ZM-Wasser-Suspensionen (sinkende Werte des Speichermoduls G sowie der Fließgrenze 0CA ; Abb. 54 und Abb. 56). ml oder g Wasser / g TS Wasserbindungseigenschaften in Abhängigkeit von den Milieubedingungen Quellvolumen [ml/g] WRK 80 [g/g] WRK 20 [g/g] WRK 0 [g/g] WRK 1 [g/g] W K F KF A KA FA KFA Abb. 51 Wasserbindungseigenschaften unter verschiedenen Milieubedingungen beim Rehydratisieren, ermittelt mit verschiedenen Methoden Die Zugabe von Fructose hatte kaum einen Effekt. Sie erniedrigte die WRK 1 (α = 0,05) und die Geschwindigkeit der Wasserabgabe bei externer Belastung (α = 0,01) sowie die Fließgrenze der Suspension (α =0,05, Tab. 29). Die Effekte der Fructose können durch ihre hydrophilen Eigenschaften (Konkurrenz mit dem ZM um das Wasser) und ihre die Viskosität erhöhende Wirkung erklärt werden (THAKUR et al., 1997). 107

108 Bed volume technique Quellvolumen [ml/g] W K F KF A KA FA KFA Zeit [min] Abb. 52 Kinetik der Wasseraufnahme mittels Bed volume technique unter verschiedenen Milieubedingungen von BM Kapillardruckmethode prozentuale Wasserabgabe [%] W K F KF A KA FA KFA Zeit [s] Abb. 53 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa unter verschiedenen Milieubedingungen von BM 3-8 Des Weiteren konnten bei einigen Kennwerten Wechselwirkungseffekte zwischen Kalium und Äpfelsäure festgestellt werden (Tab. 30). Während der Effekt von K von 108

109 dessen schwach alkalischen ph-wert und der von A von dessen sauren ph-wert herrührt, ist die Mischung von K und A durch einen schwach sauren ph-wert charakterisiert. Die geänderten ph-bedingungen der KA-Mischung beeinflussten die Effekte der Komponenten K und A insbesondere in Abhängigkeit von der Rehydratisierungszeit. So war der erniedrigende Effekt der Äpfelsäure bei der WRK 20 auf der oberen Stufe von Kalium (+) größer als auf der unteren Stufe (-). Es ist anzunehmen, dass die Äpfelsäure mit ihrem Einfluss auf die Pectinmatrix (s. o.) die Wasseraufnahme und den Effekt des Kaliums zeitlich verzögert. D.h. die Wasseraufnahme war nach 2 h quellen bei 20 C noch nicht abgeschlossen. Unter den schwach sauren Bedingungen ist die Spaltung der Wasserstoffbrückenbindungen und damit die Bildung von Kaliumcarboxylat-Strukturen behindert. Bei den Kennwerten für die maximale Wasserbindung (WRK 80, WRK 0, maximales Quellvolumen) war dieser Effekt nicht mehr festzustellen. Im Gegenteil, wenn das Wasser in die Matrix eingedrungen ist, verbessern die Kalium- und Malat-Ionen als freie Ladungsträger in der Matrix die Wasserbindungseigenschaften bei externer Belastung (WRK 1, Zeitkonstante k, prozentuale Wasserabgabe; Tab. 29) Frequenzsweep Pa W A 10 3 K ' KA ' ' ' ' F FA 10 2 ' ' KF KFA ,01 0, Hz 100 Frequenz f ' ' Abb. 54 Speichermodul und der Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der BM 3-8 Suspensionen unter verschiedenen Milieubedingungen 109

110 Die Wechselwirkungseffekte von K und F auf die Kennwerte der Wasserbindung waren nur gering. Durch die gleichzeitige Anwesenheit von K und F wurde die prozentuale Wasserabgabe erhöht (α = 0,001, Tab. 30). Dieser Parameter charakterisiert die Entfernung von Wasser unter externer Belastung (1 kpa) bis zu einem Quasi- Gleichgewichtszustand. Es kann angenommen werden, dass die Wasserabgabe durch die hydrophilen Eigenschaften von F, welches mit der gequollenen Probe um das Wasser konkurriert, unterstützt wird. Die Geschwindigkeitskonstante der Wasserabgabe unter externer Belastung war durch die Wechselwirkung von K und F erniedrigt. Dieses Ergebnis kann durch die erhöhte Viskosität der KF-Lösung im Vergleich zu Wasser erklärt werden. Die erhöhte Viskosität könnte ebenfalls die höhere WRK 20 (α = 0,05) verursacht haben, da in diesem Fall die Entfernung der überschüssigen Rehydratisierungslösung erschwert ist (VETTER und KUNZEK, 2003a). Frequenzsweep 0,22 0,21 0,2 0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,1 0,1 1 Hz 10 Frequenz f W K F KF A KA FA KFA Abb. 55 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der BM Suspensionen unter verschiedenen Milieubedingungen 110

111 Rücklaufkurven 70 Pa /s 10 Schergeschwindigkeit γ. W K F KF A KA FA KFA Abb. 56 Fließkurven der BM Suspensionen unter verschiedenen Milieubedingungen Einen signifikanten Wechselwirkungseffekt von F und A bei der Rehydratisierung von BM konnte nur für die prozentuale Wasserabgabe bei externer Belastung gefunden werden (α = 0,05). Ein Wechselwirkungseffekt von K, F und A konnte nicht ermittelt werden Serie 4 - Einfluss der Milieubedingungen bei der Trocknung auf die funktionellen Eigenschaften von ZM In dieser 4. Versuchsserie sollten mit Hilfe der Einstellung verschiedener Milieubedingungen vor der Trocknung Zustandsänderungen in der Zellwand hervorgerufen und die Auswirkungen auf die funktionellen Eigenschaften untersucht werden. Die Milieubedingungen wurden mittels einiger Hauptinhaltsstoffe von Äpfeln (Fructose, Kalium (als Kaliumacetat) und L-Äpfelsäure) variiert. Außerdem wurde der Veresterungsgrad verändert. Für die Untersuchungen wurde ein statistischer Versuchsplan aus 4 Faktoren, die in 2 Stufen variiert wurden, verwendet. Zur Verringerung des Versuchsumfanges wurde der Versuchsplan reduziert und ein teilfaktorieller Versuchsplan aufgestellt (SCHEFFLER, 1986). Tab. 5 gibt ihn wieder. Signifikante Ef- 111

112 fekte (Haupt- und Wechselwirkungseffekte der Faktoren) wurden mit Hilfe der Varianzanalyse (ANOVA) ermittelt. Bei diesem teilfaktoriellen Versuchsplan sind die Haupteffekte mit den 3-Faktor-Wechselwirkungen, die meistens vernachlässigbar sind, und jeweils zwei 2-Faktor-Wechelwirkungen miteinander vermengt (SCHEFFLER, 1986). Die Herstellung der Materialien gibt Abb. 22 wieder. Die ermittelten Kennwerte der ZM der Serie 4 fasst der Anhang IV Abb Abb. 131 und Tab Tab. 34 zusammen. Das Ergebnis der Varianzanalyse, signifikante Haupt- und Wechselwirkungseffekte sowie die Richtung der Effekte zeigt Tab Ausbeute und Erscheinung Die Ausbeuten der verschiedenen ZM der Serie 4 (Tab. 15 und Tab. 31) wiesen keine signifikanten Unterschiede und somit keine Abhängigkeit von der Herstellungsweise auf. Tab. 15 Chemisch-physikalische Parameter der ZM der Serie 4 - Mittelwerte HV HVKF HVAF HVAK NVF NVK NVA NVAKF Ausbeute [%] bez. auf TS 7,0 8,1 6,7 8,0 8,3 8,3 8,6 9,0 Helligkeit L 91,27 87,44 90,39 90,61 85,42 82,45 85,82 84,61 a-wert (rot) 1,71 2,89 2,11 2,11 4,02 5,76 4,00 4,53 b-wert (gelb) 10,22 12,02 11,34 11,37 13,44 13,73 13,55 13,10 Schüttdichte [g/cm 3 ] 0,087 0,087 0,085 0,080 0,083 0,085 0,086 0,084 Feststoffdichte [g/cm 3 ] 1,649 1,802 1,651 1,690 1,667 1,737 1,600 1,694 Porosität [%] 94,8 95,2 94,9 95,3 95,0 95,2 94,7 95,1 Galacturonangehalt [%] 15,5 15,2 15,5 15,4 15,3 13,3 15,3 14,3 Veresterungsgrad [%] 72,4 71,0 72,4 73,3 12,2 9,4 8,2 9,0 Eiweiß [%] 3,01 3,54 3,73 3,45 3,37 3,05 3,07 3,29 Glucose [%] 49,82 48,48 48,37 48,61 46,43 45,65 45,36 45,57 Asche [%] 0,05 1,27 0,09 1,05 0,11 4,00 0,05 2,36 Im Hinblick auf Form und Größe der Partikel handelt es sich sowohl bei den hochveresterten als auch bei den niederveresterten ZM um Einzelzellmaterialien (siehe lichtmikroskopischen Aufnahmen; Abb. 119). Die Farbwerte der NV-Materialien (niedrigere Helligkeit, höhere a- und b-werte) waren deutlich schlechter als die der HV-Materialien. Dies hatte seine Ursache im Entesterungsschritt, der über 16 h erfolgte und dem erst dann folgenden Blanchieren 112

113 des Materials, so dass die Polyphenoloxidasen erst sehr viel später inaktiviert wurden. Des Weiteren scheint aber die Beladung bei den HV-Materialien (im Vergleich mit dem unbeladenen Material) die Farbwerte ebenfalls zu verschlechtern Partikelgrößenverteilung Die Partikelgrößenverteilung (Abb. 57) wurde zwar nicht durch die Entesterung (Abb. 120) aber durch die verschiedenen Beladungen der ZM mit Kaliumacetat, Fructose, Äpfelsäure und ihren Mischungen sowie die anschließende Trocknung (Abb. 121) beeinflusst. So waren im rehydratisierten Zustand die Verteilungskurven von NVA, NVF und HVKF zu größeren Partikeln und die von NVK zu kleineren Partikeln verschoben. Die Zugabe von Äpfelsäure und Fructose zum NV-Material bewirkten eine Aggregation bei der Trocknung (Tab. 34). Die Ursachen werden in den folgenden Abschnitten erläutert. 100 Volumensummenverteilung Volumensummenhäufigkeit [%] HV re HVKF re HVAF re HVAK re NVF re NVK re NVA re NVKAF re HV al fr NV al fr Durchmesser [µm] Abb. 57 Partikelgrößenverteilung der ZM der Serie 4 vor der Beladung und der Trocknung (fr) und nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) - Mittelwerte Die prozentualen Anteile der Partikel in den entsprechenden Fraktionen waren dagegen relativ ähnlich (Tab. 16). 113

114 Tab. 16 Prozentualer Anteil von Partikeln in bestimmten Volumen-Größenklassen vor (fr) und nach dem Beladen, Trocknen und Rehydratisieren (re) der ZM der Serie 4 - Mittelwerte HV HVKF HVAF HVAK NVF NVK NVA NVAKF Anteil 5-50 µm [%] - fr 33,2 38,6 30,7 37,1 32,1 32,4 31,3 29,8 Anteil µm [%] - fr 56,2 49,7 55,6 54,5 59,0 59,1 57,7 61,6 Anteil µm [%] - fr 10,1 11,3 12,3 8,1 8,9 8,4 10,5 8,4 Anteil 5-50 µm [%] - re 32,9 28,8 31,8 34,1 24,0 43,6 19,4 34,2 Anteil µm [%] - re 60,0 53,9 58,6 58,1 53,9 52,7 49,7 58,2 Anteil µm [%] - re 6,9 14,4 9,2 7,6 18,1 3,7 23,7 7, Zusammensetzung und Struktur Die chemische Zusammensetzung hinsichtlich Galacturonan-, Eiweiß und Glucosegehalt wurde durch die verschiedenen Behandlungen kaum beeinflusst (Tab. 15 und Tab. 33). Die Entesterung erniedrigte den Galacturonangehalt neben ihrem deutlichen Effekt auf den Veresterungsgrad geringfügig. Der Aschegehalt korreliert sehr stark mit der Beladung mit Kaliumacetat. Die ermittelten Gehalte an Fructose, Äpfelsäure und Kalium machen deutlich, dass die eingestellten Milieubedingungen vor der Trocknung nicht nur zur Präformierung von Zuständen in der Zellwand beitragen, sondern dass die Verbindungen auch in die Zellwandmatrix eingelagert wurden und dort Funktionen ausüben können. So wurde durch die Wahl von Kaliumacetat als Substrat (alkalische Bedingungen) gezielt eine Salzbildung zwischen Kalium und den freien Säuregruppen im Pectinmolekül erreicht. Äpfelsäure und Fructose erniedrigten jedoch die Salzbildung (Tab. 33). Schüttdichte und Porosität wurden kaum durch die unterschiedlichen Behandlungen beeinflusst (Tab. 15). Die Feststoffdichte scheint durch die Behandlung mit Kalium leicht erhöht worden zu sein Funktionelle Eigenschaften a. Eigenschaften der hochveresterten und niederveresterten ZM vor der Trocknung Die Untersuchungen der frischen Proben wurden vor der Einstellung der verschiedenen Milieubedingungen durchgeführt. Tab. 31 und Tab. 32 zeigen die ermittelten Kennwerte der hochveresterten (HV) und niederveresterten (NV) ZM vor der Trock- 114

115 nung sowie signifikante Unterschiede. Die Partikel von NV und HV besitzen eine ähnliche Gestalt und Größe (Abb. 57, Abb. 120 und Abb. 121). Es handelt sich zu einem großen Teil um Einzelzellen. Trotzdem zeichnen sich die Partikel von NV durch eine größere Festigkeit aus, was sich in den höheren Fließkurven und Speichermodulwerten der Oszillationsmessungen ausdrückt (Abb. 125 und Abb. 129). Bei den frischen niederveresterten Materialien erhöhte sich die Schubspannung mit abnehmender Schergeschwindigkeit. Dieses untypische Verhalten ist wahrscheinlich auf Wandgleiteffekte als Messartefakt zurückzuführen. Für die vergleichende Darstellung der Kurven wurde trotz ihres abnormalen nicht-strukturviskosen Verlaufs die Anpassung an das Casson-Modell für die Ermittlung der Fließgrenzen durchgeführt. Die niedrigen Werte für tan (δ) der NV-Materialien verdeutlichen den höheren Anteil an elastischen Eigenschaften dieser ZM (Abb. 126). Die Kapillardruckmethode ergab, dass die NV- und HV-Materialien im frischen Zustand ähnliche maximale Wasserbindungen (WRK 0) aufwiesen (Tab. 31). NV gab aber bei externer Belastung das Wasser schneller wieder ab (Abb. 122). Seine starreren Partikel konnten demzufolge das Wasser weniger fest halten. b. Wasserbindungseigenschaften der beladenen und getrockneten ZM Die Hydratationseigenschaften der ZM der Serie 4 wurden durch die Haupteffekte Entesterung und die Trocknungsvorbehandlungen mit Fructose, Kalium und Äpfelsäure beeinflusst. Zusätzlich konnten auch einige signifikante Wechselwirkungseffekte der Faktoren auf die Wasserbindungseigenschaften ermittelt werden (Tab. 35). Die Interpretation dieser gefundenen Haupt- und Wechselwirkungseffekte ist zurzeit noch sehr schwierig, da sie sehr komplex sind. Hinzu kommt, dass die Effekte, insbesondere die Wechselwirkungseffekte, aufgrund des reduzierten statistischen Versuchsplanes miteinander vermengt sind (Tab. 5). Trotzdem ermöglicht die verwendete statistische Analyse ein verbessertes Verständnis wie die funktionellen Eigenschaften der ZM-Präparate durch den Veresterungsgrad und die Trocknungsvorbehandlungen mit natürlichen Inhaltsstoffen beeinflusst werden können (VETTER und KUNZEK, 2003b). Die höchsten Wasserbindungswerte (Abb. 58) wurden für die niederveresterten mit Kalium-Ionen beladenen Materialien erhalten (NVK, NVAKF). Dabei nahmen nicht nur das maximale Wasserbindungsvermögen (WRK 80, WRK 0, maximales Quellvolumen), sondern auch die Wasserbindung bei externer Belastung (WRK 1) zu. Die 115

116 Geschwindigkeit der Wasserabgabe und die prozentuale Wasserabgabe waren ebenfalls niedriger (Abb. 60; Tab. 34). Kaliumacetat ist mit seinem basischen ph- Wert in der Lage mit den freien Carboxylgruppen des Pectins eine Salzbildung zu bewirken. Überschüssige Kalium-Ionen werden während der weiteren Herstellung größtenteils ausgewaschen. Die Eigenschaften der mit Kalium-Ionen beladenen niederveresterten ZM werden damit vor allem durch die einheitliche Kalium-Carboxylat- Struktur bestimmt. In Lösung liegen die Ionen dissoziiert vor, und die negativ geladenen Carboxylat-Anionen bewirken eine Abstoßung der Pectinketten und damit eine Aufspreizung der Matrix (RENARD und THIBAULT, 1991; THAKUR et al., 1997; VAN BU- REN et al., 1998). Durch die Salzbildung mit den Kalium-Ionen kann die Matrix während der Trocknung in diesem amorphen energiereichen Zustand verbleiben und beim Rehydratisieren leicht solvatisieren (KUNZEK et al., 2002; GODECK et al., 2001; MÜLLER et al., 2000). Zusätzlich konnte die Hemmung der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen eine Reduzierung der Schrumpfung der Zellwand durch den Trocknungsprozess bewirken. g oder ml Wasser / g TS Quellvolumen [ml/g] WRK 80 [g/g] WRK 20 [g/g] WRK 0 [g/g] WRK 1 [g/g] Wasserbindung HV HVKF HVAF HVAK NVF NVK NVA NVAKF Abb. 58 Kennwerte der Wasserbindung der getrockneten und rehydratisierten ZM der Serie 4 ermittelt mit verschiedenen Methoden - Mittelwerte Die zusätzliche Anwesenheit von Äpfelsäure und Fructose (NVAKF im Vergleich zu NVK) wirkte sich nicht auf die maximale Wasserbindung aus (Abb. 58). Sie verzögerte aber die Wasseraufnahme, wie Abb. 59 sowie die WRK 20 (Abb. 58) zeigen. 116

117 140 Bed volume technique Quellvolumen [ml/g] HV HVKF HVAF HVAK NVF NVK NVA NVAKF Zeit [min] Abb. 59 Kinetik der Wasseraufnahme ermittelt mittels Bed volume technique der ZM der Serie 4 - Mittelwerte Im niederveresterten ZM ohne Beladung mit einwertigen Kationen sind alle Wasserbindungskennwerte (maximales Quellvolumen, WRK 80, WRK 20, WRK 0, WRK 1) deutlich erniedrigt (NVA, NVF). Durch die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den freien undissoziierten Carboxylgruppen benachbarter Pectinketten kann wahrscheinlich eine dichtere Zusammenlagerung der Polymerketten erfolgen und eine Strukturverfestigung eintreten (WALKINSHAW und ARNOTT, 1981). Diese Stabilisierung behindert die weich machende Wirkung des Wassers auf die Zellwand und die Quellung der Zellwand beim Rehydratisieren. Die Unterdrückung der Dissoziation wird durch die Anwesenheit von Äpfelsäure über die Senkung des ph- Wertes (THAKUR et al., 1997) und von Fructose durch Senkung der Wasseraktivität (MICHEL et al., 1984) noch verstärkt. Die Strukturverfestigung aufgrund der stärkeren interchenaren Wechselwirkungen bewirkte nicht nur eine Erniedrigung der Wasserbindung, sondern auch eine losere Einlagerung des Wassers, welches dann bei Belastung schneller abgegeben wird (Abb. 60 und Tab. 34). 117

118 0 Kapillardruckmethode prozentuale Wasserabgabe [%] HV re HVKF re HVAF re HVAK re NVF re NVK re NVA re NVAKF re HV fr al NV fr al Zeit [s] Abb. 60 Kinetik der Wasserabgabe bei der Belastung von 1kPa der ZM der Serie 4 vor der Beladung und der Trocknung (fr al - Mittelwert aus je 8 Einzelproben) und nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) - Mittelwerte Im hochveresterten ZM wurde ein sehr viel uneinheitlicheres Bild von den Effekten der verschiedenen Milieubedingungen vor der Trocknung erhalten. So bewirkte die Zugabe von Kaliumacetat im HVKF eine Erniedrigung der Kennwerte für die maximale Wasserbindung (WRK 80, WRK 0, maximales Quellvolumen; Abb. 58). Auch hier konnte durch die Zugabe von Kaliumacetat eine Salzbildung mit den freien Carboxylgruppen im Pectin erreicht werden. Mit ca. 30 % ist ihr Anteil im Pectin aber relativ gering. Dadurch wechseln sich im Pectin Bereiche bzw. Mikrobezirke hoher Hydrophilie ( -COO (-) K (+) ) mit hydrophoben Bereichen (hochveresterte Gruppen) ab. Diese verschiedenartigen Bereiche sind untereinander inkompatibel. Diese Inkompatibilität könnte zu einer anormalen Trocknung und einer ungleichen Schrumpfung innerhalb der Zellwand geführt haben (KUNZEK et al., 2002; GODECK et al., 2001; MÜLLER et al., 2000). Durch die starke Solvatisierung der Kaliumcarboxylat-Gruppen werden die hydrophoben Bereiche dichter zusammengelagert, was bei der Trocknung zu einer Strukturverfestigung und zu dem reduzierten Rehydratationsvermögen geführt haben könnte (MÜLLER et al., 2000). Trotzdem verbesserte die Vorbehandlung mit Kalium und Fructose die Wasserbindung bei Belastung (WRK 1; Abb. 58; Tab. 34). Das zusätzliche Wasser wurde bei Belastung aber schnell abgegeben (Abb. 60). 118

119 Vollkommen anders zeigte sich das Verhalten des hochveresterten mit Kalium und Äpfelsäure beladenen ZM (HVAK). So wurde im Vergleich zu HV keine Erniedrigung der Wasserbindungseigenschaften, sondern eine Erhöhung verzeichnet. HVAK besaß gegenüber allen HV-Materialien die höchsten maximalen Wasserbindungswerte (Abb. 58 und Tab. 34), und es konnte bei Belastung eine höhere Menge an Wasser binden (WRK 1). Durch die gleichzeitige Zugabe von Kaliumacetat und Äpfelsäure lag bei der Beladung ein schwach saures Medium vor. Dadurch erfolgte vermutlich nur eine stark reduzierte Salzbildung zu Kaliumcarboxylat-Strukturen in den Pectinketten, dafür wurde jedoch Kaliumacetat bzw. Kaliummalat (hohe Äpfelsäuregehalte; Tab. 33) vermehrt in die Matrix eingelagert. Es kann angenommen werden, dass unter diesen Bedingungen der hydrophile Charakter der Zellwand erhöht und die Inkompatibilität zwischen den Bereichen der Pectinkette erniedrigt wurde. Somit war ein einheitlicher schonender Trocknungsprozess möglich, das Ausmaß der Schrumpfung relativ gering und das getrocknete HVAK durch gute Wasserbindungseigenschaften gekennzeichnet. Außerdem konnten sich bei der Trocknung Salzkristalle bilden (CURRY et al., 1976), die aufgrund ihrer Hydrophilie eine schnelle und gute Rehydratisierung ermöglichten. In diesem Zusammenhang ist interessant, dass die Behandlung von hochveresterten ZM (nativ) mit einer Kalium-/ Äpfelsäure-Lösung physiologischer Konzentration mit annähernd isotonischem Charakter im Vergleich zu anderen Salzkonzentrationen die besten funktionellen Eigenschaften bewirkte (CURRY et al., 1976). Zusätzlich ist es möglich, dass die Salze als Weichmacher während der Rehydratisierung von HVAK wirken (MATVEEV et al., 2000). c. Rheologische Eigenschaften der beladenen, getrockneten und rehydratisierten ZM Die Oszillationsmessungen im linear visko-elastischen Bereich zeigen, dass der Speichermodul aller untersuchten rehydratisierten ZM über dem Verlustmodul ' lag (Abb. 61). Damit waren alle ZM-Wasser-Suspensionen durch dominant elastische Eigenschaften im Ruhezustand gekennzeichnet. Die höchsten -Werte wurden für die niederveresterten Proben NVK und NVAKF gefunden. Die Messung von NVA und NVF war unter regulären Bedingungen nicht möglich, da während der Probenvorbereitung zur rheologischen Untersuchung Wasser irreversibel abgepresst wurde. Die Entesterung bewirkte, wie schon bei den frischen Proben diskutiert, eine Zell- 119

120 wandverhärtung, die sich in höheren Festkörpereigenschaften äußerte. Die -Werte der hochveresterten Proben waren gegenüber NVK und NVAKF deutlich erniedrigt. Frequenzsweep HV re NVK re Pa ' HVKF re ' NVA re ' ' HVAF re NVAKF re ' ' ' HVAK re HV fr al ' ' NVF re NV fr al 100 0,01 0, Hz 100 Frequenz f ' ' Abb. 61 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen der Serie 4 vor der Beladung und der Trocknung (fr al - Mittelwert aus je 8 Einzelproben) und nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) Mittelwerte Der Verlustfaktor tan (δ) als Quotient aus Verlustmodul und Speichermodul gibt am besten die relativen viskosen und elastischen Anteile der ZM-Wasser-Suspensionen wieder. Hohe tan (δ) und somit einen höheren Anteil an viskosen Eigenschaften hatten vor allem die Suspensionen von HVAF, HV und HVAK (Abb. 62). Des Weiteren ist zu erkennen, dass die viskosen Eigenschaften mit höheren Frequenzen steigen. Dagegen wurden für die Suspensionen von HVKF niedrige, und von NVK und NVAKF mittlere Verlustfaktoren bestimmt. Obwohl HVKF gegenüber NVK und NVAKF nur ein begrenztes Wasserbindungsvermögen aufweist, dominieren hier die elastischen Eigenschaften besonders stark. Es scheint, dass die rheologischen Eigenschaften der rehydratisierten ZM mehr von der Festigkeit der Probepartikel als vom Wasserbindungsvermögen abhängen. 120

121 Frequenzsweep 0,3 0,28 0,26 HV re NVK re 0,24 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,01 0, Hz 100 Frequenz f HVKF re HVAF re HVAK re NVF re NVA re NVAKF re HV fr al NV fr al Abb. 62 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 4 vor der Beladung und der Trocknung (fr al - Mittelwert aus je 8 Einzelproben) und nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) - Mittelwerte Die höchste Fließkurve und damit die höchste Fließgrenze 0CA wurde für NVAKF erhalten (Abb. 63 und Tab. 34). (Die erhaltenen hohen Fließkurven von NVA und NVF wurden durch die relativ hohe Feststoffkonzentration im Messspalt durch das Abpressen von lose gebundenem Wasser verursacht und sind somit irregulär.) Das würde bedeuten, dass die zusätzliche Anwesenheit von Äpfelsäure und Fructose neben Kalium die Strukturfestigkeit der Suspension erhöhten (tan (δ) von NVAKF gegenüber NVK ebenfalls leicht niedriger). 121

122 Rücklaufkurve 220 Pa HV re HVKF re NVK re NVA re HVAF re HVAK re NVAKF re HV fr al 40 NVF re NV fr al /s 10 Schergeschwindigkeit γ. Abb. 63 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 4 vor der Beladung und der Trocknung (fr al - Mittelwert aus je 8 Einzelwerten) und nach der Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) - Mittelwerte Abb. 64 zeigt die erhaltenen Drehmoment-Zeit-Kurven der rheologischen Messungen zur Verfolgung des Strukturierungsverhaltens der ZM-Wasser-Suspensionen über die Zeit bei einer Konzentration von 25 g/l. Die ermittelten Kennwerte sind in Tab. 34 zusammengefasst. Auch hier konnten die niederveresterten mit Kalium-Ionen beladenen ZM die festesten Strukturen ausbilden. So waren die ermittelten Drehmomente M 180min von NVK und NVAKF am höchsten. Die Strukturausbildung in den Suspensionen erfolgte sehr schnell, wobei die von NVAKF gegenüber der von NVK leicht verzögert war (niedrigerer Wert für M 2 min ; Tab. 34). Die Kinetik der Wasseraufnahme mittels Bed volume technique (Abb. 59) gab dies ähnlich wieder. 122

123 Rotationsviskosimetrie 25 g/l 1,5 mnm 1,3 1,2 M 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 HV HVKF HVAF M M NVF NVK NVA M M 0,5 0,4 0,3 0,2 HVAK M M M NVAKF M 0, min 180 Zeit t Abb. 64 Drehmoment M in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 4 bei einer Konzentration von 25 g/l Mittelwerte Eine ebenfalls relativ schnelle Strukturierung wies die HVAK-Wasser-Suspension auf. Offensichtlich wird die Geschwindigkeit des Prozesses durch die Einlagerung von Kalium in die Pectinmatrix und eine schnelle Wasseraufnahme während des Quellens beschleunigt. So zeigen die Kinetiken der Wasseraufnahme (Abb. 59) und der Strukturausbildung (Abb. 64) Parallelen. Die Wasseraufnahme der übrigen Materialien ging deutlich langsamer vonstatten, was sich neben den niedrigeren Werten für M 2 min darin äußerte, dass der Aufschwimmeffekt der Partikel zu Beginn der Rehydratisierung in Form eines Maximums der Drehmoment-Zeit-Kurve beobachtet werden konnte. Aufgrund der verfestigten Strukturen im getrockneten HVKF war es nicht in der Lage nach vollzogener Wasseraufnahme stark zu quellen, so dass die Kurve gegenüber HV oder HVAF sehr viel flacher verlief und daraus ein niedrigeres Drehmoment M 180 min resultierte. Das Verhalten von NVA und NVF war von ihren Wasserretentionskapazitäten abhängig, da die verwendete Konzentration von 25 g/l sehr nah an der Grenze ihres Wasserbindevermögens lag. So zeigten NVF1 und NVA2 (Abb. 131) eine Strukturierung bei dieser Konzentration, NVF2 und NVA1 aber keine. Die Drehmoment-Zeit-Kurven der strukturierenden Suspensionen von NVA2 und NVF1 besaßen einen relativ steilen 123

124 Anstieg, der aber nicht mit dem Aufquellen der Matrix zusammenhing, sondern mit der Umorientierung der relativ starren Partikel zueinander. Das stärkere Rauschen der Kurven wurde wahrscheinlich durch das relativ lose gebundene Wasser hervorgerufen Zusammenfassung zum Einfluss der Milieubedingungen auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Die beiden Serien zum Einfluss der Milieubedingungen auf die funktionellen Eigenschaften von ZM unterstreichen die komplexen und multivariaten Zusammenhänge zwischen Struktur/Zustand und Eigenschaften. Während bei der Untersuchung zum Einfluss der Milieubedingungen beim Rehydratisieren die Effekte noch relativ einfach bestimmten Faktoren zugeordnet werden konnten, war dies bei den Untersuchungen zum Einfluss der Milieubedingungen beim Trocknen sehr viel komplizierter. So bewirkte die Zugabe von löslichen Substanzen nicht nur ihre Einlagerung in die Zellwandmatrix, was die funktionellen Eigenschaften veränderte, sondern führte auch zur Präformierung von Zuständen in der Zellwand, die die Trocknung und das Rehydratisierungsverhalten beeinflussten. Anhand der Serie 3 konnte gezeigt werden, dass die Wasserbindungseigenschaften sowie strukturviskosen Eigenschaften sehr stark von den Milieubedingungen abhängig sind. So bewirkte die Rehydratisierung mit einer 0,1 M Kaliumacetat-Lösung einen positiven Effekt auf die Wasserbindung und die rheologischen Eigenschaften von Apfel-ZM. Zusammen mit Äpfelsäure (und Fructose) waren aber die Wasserbindungswerte gegenüber denen von Wasser erniedrigt. D.h. die Effekte sind einerseits sehr stark von der Art der verwendeten Salze und den daraus resultierenden ph- Bedingungen, durch die die Wechselwirkungen mit der Matrix und der Umfang der Salzbildung an den Carboxylgruppen der Pectine bestimmt werden, abhängig. So gilt, je höher der ph-wert im System ist, desto stärker werden die Pectinat-Bildung, die elektrostatische Abstoßung und die Aufspreizung der Matrix begünstigt. Jedoch können höhere Kationenkonzentrationen diesen Effekt durch die Abschirmung der Anionenladung herabsetzen (AUFFRET et al., 1994; RENARD und THIBAULT, 1991; FLEURY und LAHAYE, 1991). Andererseits kann der Einfluss der Salze auf den Vorgang der Rehydratisierung durch die Anwesenheit weiterer löslicher Substanzen, die das Hydratationsvermögen der wässrigen Phase verändern, merklich modifiziert 124

125 werden. Dies ist eine Erklärung für die in der Literatur immer wieder auftretenden widersprüchlichen Ergebnisse zum Einfluss der Zugabe von Salzen oder Zuckern beim Rehydratisieren (LEWICKI, 1998). Die Serie 4 macht deutlich, dass durch die Einstellung von Milieubedingungen als Vorbehandlung vor der Trocknung die Eigenschaften des Trockenproduktes und sein Rehydratisierungsverhalten stark verändert werden können. Dies erfolgte nicht nur durch die Einlagerung der zugesetzten Verbindungen in die Zellwandmatrix, sondern durch die Präformierung von Zuständen vor und während der Trocknung. So bewirkte die Behandlung mit Kaliumacetat die Bildung von Kaliumcarboxylat-Strukturen innerhalb der Pectinmatrix. Im Fall der niederveresterten Materialien verhinderte sie unerwünschte Zustandsänderungen wie Zellwandverhärtung und Zellkollaps während der Trocknung (elektrostatische Abstoßung der Carboxylat-Anionen). Zusätzlich ist die Rehydratisierung des niederveresterten mit Kalium-Ionen beladenen Materials enorm verbessert, wie die Kinetik der Wasseraufnahme und der Strukturausbildung sowie die Endwerte der Wasserretentionskapazität und der Quellung zeigen. Dagegen besitzen die niederveresterten nicht mit Kalium-Ionen beladenen ZM deutlich niedrigere Wasserretentionskapazitäten und ein kleineres Quellvermögen. Hier sind die undissoziierten Carboxylgruppen des Pectins in der Lage bei der Trocknung interchenare Wasserstoffbrückenbindungen einzugehen. Die daraus resultierende dichte Lagerung der Pectinketten aneinander verursacht eine Zellwandverhärtung und Zellkollaps. Diese Zustandsänderungen behindern die Rehydratisierung der getrockneten ZM. Sie werden durch die Zugabe von Äpfelsäure (niedriger ph-wert) (und/oder Fructose) noch verstärkt. Bei den hochveresterten ZM werden die bei der Trocknung eintretenden Zustandsänderungen durch die Wechselwirkungen der verschiedenen funktionellen Gruppen in der Pectinmatrix und ihrer Kompatibilität oder Inkompatibilität (methoxylierte Carbonylgruppen und Kaliumcarboxylat-Gruppen) beeinflusst. Bei der Zugabe mehrerer löslicher Substanzen vor der Trocknung können sich ihre Effekte gegenseitig beeinflussen. Diese Wechselwirkungen können zurzeit nur schwer vorhergesagt werden. Sie können sowohl auf die Kinetik der Rehydratisierung als auch auf die Endwerte der WRK wirken und diese dabei sogar entgegengesetzt verändern. Im Vergleich zum Standardmaterial HV (BM) war zum Beispiel die Quellungsgeschwindigkeit von HVKF erhöht, der Endwert dagegen erniedrigt. 125

126 Die Einstellung der Milieubedingungen vor der Trocknung und die daraus resultierenden Struktur- und Zustandsänderungen bei der Trocknung bestimmen die funktionellen Eigenschaften, insbesondere die Wasserbindungseigenschaften, der getrockneten ZM maßgeblich. Die Verwendung von zwei oder mehr niedermolekularer Substanzen für eine Behandlung vor der Trocknung führt zu immer wieder neuen phund Milieubedingungen, die ein Vorhersagen der Art und des Ausmaßes der Präformierungen von Strukturen und Zuständen erschweren. Zusätzlich kann die Einlagerung der löslichen Substanzen in die Zellwand die Zustandsänderungen bei der Trocknung sowie die weich machende Wirkung des Wassers bei der Rehydratisierung beeinflussen. Der Einfluss von Äpfelsäure, Kaliumacetat und Fructose auf die funktionellen Eigenschaften ist abhängig i) von den funktionellen Gruppen der Zellwandkomponenten, mit denen sie Wechselwirkungen eingehen können (hochverestertes niederverestertes Pectin), ii) iii) von den vorherrschenden ph-bedingungen bei der Beladung sowie von den Wechselwirkungen der zugegebenen Komponenten miteinander oder mit anderen löslichen Inhaltsstoffen. Die Auswirkungen der Milieubedingungen bei der Trocknung besitzen einen erheblich stärkeren Effekt auf die Wasserbindungseigenschaften und rheologischen Eigenschaften als die Milieubedingungen, die nach dem Trocknen beim Rehydratisieren eingestellt werden. 126

127 3.3 Zusammenfassung Für die Untersuchung des Einflusses von verarbeitungsbedingten Struktur- und Zustandsänderungen auf die funktionellen Eigenschaften von Zellwandmaterialien wurden 2 Strategien verfolgt. Zum einen wurde gezielt die chemische Zusammensetzung der Zellwand durch die Extraktion / Entfernung von Bestandteilen verändert, so dass vorzugsweise die Struktur der ZM variiert wurde. Zum anderen wurden durch die Zugabe von niedermolekularen Substanzen bzw. die Entesterung der Pectinkomponente die intramolekularen und interchenaren Wechselwirkungen in der Zellwand und damit vorzugsweise der physikalische Zustand der ZM variiert. Die ersten beiden Versuchsserien zeigen die Ergebnisse, die mit der ersten Strategie erzielt wurden, während die Serien 3 und 4 die Ergebnisse der zweiten Strategie widerspiegeln. In der 1. Versuchsserie wurde Apfel-Zellwandmaterial verschiedenen Verarbeitungsprozessen aus der obst- und gemüseverarbeitenden Industrie ausgesetzt. So wurden die Materialien einer Wärmebehandlung (BM im Vergleich zu KW), einer sauren Pectinextraktion (HD) und Enzymierungsverfahren (Mazeration FM, Totalverflüssigung RM) unterzogen. Es konnte gezeigt werden, dass wärmebehandelte Materialien mit erweichten Zellwänden größere Wassermengen aufnehmen können und dieses Wasser auch besser festhalten können als Materialien, die nur mit kaltem Wasser extrahiert wurden. Es ergab sich, dass ein hoher Pectingehalt oder der Erhalt der gewachsenen Zellstruktur nicht Voraussetzung für ein gutes Wasserbindungsvermögen sind. Die Ergebnisse machten vielmehr deutlich, dass weniger die chemische Zusammensetzung, sondern mehr die mikroskopischen und makroskopischen Eigenschaften (Partikelgröße und -gestalt, Porosität) der ZM die funktionellen Eigenschaften bestimmen. Weiterhin zeigte es sich, dass die Bedingungen unter denen die funktionellen Eigenschaften bestimmt werden maßgeblich für die Resultate sind. So konnten durch die Zufuhr mechanischer Energie (Rühren) beim Rehydratisierungsprozess die beim Trocknen entstandenen Partikelaggregate wieder aufgelöst und eine gute Wasserbindung erhalten werden. Die 2. Versuchsserie trug den Ergebnissen der 1. Serie Rechnung, indem hier die Zusammensetzung der Zellwand in der Art variiert werden sollte, dass die makroskopischen Eigenschaften wie Partikelgröße und -gestalt bei allen Materialien weitestgehend gleich sein sollten. Zu diesem Zweck wurden die ZM einer schrittweisen Ex- 127

128 traktion mit chemischen Agenzien ausgesetzt. Dazu gehörten die hintereinander folgenden Extraktionen mit heißem Wasser (BM im Vergleich mit NE), mit chelatisierenden Agenzien (CH), Oxidationsmitteln (CO) und Lauge (COA). Die Zusammensetzung und die Strukturparameter der erhaltenen getrockneten ZM zeigten einen zunehmenden Zellwandabbau der Einzelzellen in der Reihenfolge NE, BM, CH, CO und COA. So nahm mit zunehmender Anzahl an Extraktionsschritten die Ausbeute ab und der Glucosegehalt zu, was auf einen niedrigeren Anteil an amorpher Phase und einen höheren Anteil des Cellulose-Xyloglucan-Netzwerkes hindeutet. Die Serie zeigt, dass die funktionellen Eigenschaften sehr wohl auch von der chemischen Zusammensetzung der ZM abhängen. Diese Abhängigkeiten sind aber immer nur im Zusammenhang mit anderen Eigenschaften der ZM zu interpretieren. So besaß BM zwar mit seinem hohen Anteil an amorpher Matrix die höchsten Wasserbindungswerte, die von NE waren dagegen leicht erniedrigt, da im ZM verbliebene wasserlösliche Inhaltsstoffe bei Trocknen ein Verkleben der Poren bewirkten und somit das Aufquellen behinderten. Die Entfernung der Polyphenole durch die Extraktion mit Oxidationsmitteln verursachte eine Lockerung der Zellwandmatrix von CO im Vergleich zu CH und damit eine bessere und schnellere Wasserbindung. Außerdem wurde das Wasser bei externer Belastung langsamer wieder abgegeben. Die Extraktion mit Lauge (COA) bewirkte einen fast vollständigen Verlust der amorphen Matrix und damit das Ausbleiben einer guten Wasserbindung sowie guter rheologischer Eigenschaften. Ferner zeigte diese Serie deutlich, dass die Wasserbindung nicht mit den rheologischen Eigenschaften korreliert. Der Hydratationseigenschaften der ZM nahmen in der Reihenfolge BM, NE, CO, CH, COA ab. Die strukturviskosen und viskoelastischen Eigenschaften der rehydratisierten ZM nahmen in der Reihenfolge CO, CH, BM, NE, COA ab. Damit zeigten sich bei den funktionellen Eigenschaften der ZM auch keine Korrelationen mit dem Grad des Zellwandabbaus. Die Serie 3 sollte den Einfluss des Zusatzes von niedermolekularen Substanzen (Kaliumacetat, Fructose und Äpfelsäure) beim Rehydratisieren aufzeigen. Dazu wurde ein statistischer Versuchsplan aufgestellt und die mit den verschiedenen Methoden zur Bestimmung der funktionellen Eigenschaften erhaltenen Werte mittels Varianzanalyse (Ermittlung signifikanter Haupteffekte und Wechselwirkungseffekte) ausgewertet. Die Gegenwart von Kalium in der Rehydratisierungslösung erhöhte die Geschwindigkeit der Quellung, die WRK und die Texturausbildung in der gebildeten Suspension, während die Anwesenheit von Äpfelsäure diese Werte erniedrigte. Fruc- 128

129 tose zeigte nur einen geringen Einfluss. Des Weiteren konnte ein Wechselwirkungseffekt von Kalium und Äpfelsäure beobachtet werden. Danach wurde der positive Effekt des Kaliums auf die funktionellen Eigenschaften durch die Anwesenheit von Äp- felsäure zeitlich verzögert. Serie 4 sollte den Einfluss der Zugabe von Äpfelsäure, Kaliumacetat und Fructose sowie die Entesterung de Pectinkomponente vor der Trocknung der ZM darlegen. Zu diesem Zweck wurde ebenfalls ein statistischer Versuchsplan aufgestellt und die Ergebnisse mittels Varianzanalyse ausgewertet. So konnte nachgewiesen werden, dass die Hydratationseigenschaften der getrockneten niederveresterten ZM sowie die rheologischen Eigenschaften der rehydratisierten Proben durch die löslichen Verbindungen besonders stark beeinflusst werden. Die NV-Materialien, die mit Kalium beladen wurden, zeichneten sich durch herausragende Hydratationseigenschaften aus, während die NV-Materialien, die mit Äpfelsäure oder Fructose beladen waren, äußerst schlechte Wasserretentionskapazitäten hatten. Die Wechselwirkungseffekte zwischen den Einflussfaktoren spielten dagegen eine bedeutende Rolle bei den Eigenschaften der hochveresterten Materialien. Die Ergebnisse aller Versuchsserien machen deutlich, dass keine einfachen Zusammenhänge zwischen Struktur- und Zustandsänderungen und den Änderungen der funktionellen Eigenschaften von Zellwandmaterialien vorhanden sind, sondern dass es eine Vielzahl von sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren gibt. Die Bestimmung von Wasserbindungseigenschaften und rheologischen Eigenschaften von Lebensmitteln ist nicht nur für die Technologieführung bei ihrer Verarbeitung, sondern auch für die Ermittlung ihrer ernährungsphysiologischen Wirkung wichtig. Insbesondere bei ZM aus Obst, Gemüse oder Getreide, die als Quell- und Dickungsmittel eine technologische sowie als Träger von Ballaststoffen eine ernährungsphysiologische Funktionalität im Lebensmittel ausüben können, ist ein umfassendes Wissen über ihre Wasserwechselwirkungen notwendig. Aus diesem Grund werden und wurden große Anstrengungen unternommen, diese Eigenschaften genau zu charakterisieren (ROBERTSON et al. 2000). In vielen Fällen können die Hydratationseigenschaften nur durch die gleichzeitige Anwendung verschiedener Methoden hinreichend ermittelt werden. Die Bestimmungen von Quellvermögen (ROBERT- SON et al. 2000; RENARD, THIBAULT 1991), Adsorptions- und Desorptionsisothermen (DONGOWSKI, BOCK 1993), Wasserretentionskapazitäten durch Zentrifugation (RO- 129

130 BERTSON et al. 2000, QUINN, PATON 1979) oder Filtration (KUNZEK, LOEWE, RENGER 1993) sowie Wasseraufnahme mittels Baumann-Methode (CHEN, PIVA, LABUZA 1984, HEINEVETTER, KROLL 1982) sind weit verbreitete Methoden. Gleichzeitig wird aber auch die modere Hochleistungsanalytik für die Aufklärung von Wasserbindungsarten an die Biopolymere erfolgreich herangezogen. Zu nennen sind hier die niedrigauflösende 1 H-NMR-Spektroskopie (MARCONI et al. 1993, DONGOWSKI, FRIGGE, ZENKE 1995; CHUNG et al. 2000), die Thermoanalyse (GEORGET, SMITH, WALDRON 1998; HA- TAKEYAMA, HATAKEYAMA 1998) und die DSC (SÁ, FIGUEIREDO, SERENO 1999; IIJIMA et al. 2000). Das Anliegen war, auf der Ebene der konventionellen Methoden zur Bestimmung der Wasseraufnahme durch die Einführung zeitabhängiger Messungen die Wasseraufnahme und das Bindungsverhalten sowie die Strukturausbildung von ZM besser und umfassender mit einem relativ geringen apparativen Aufwand zu charakterisieren. Die Ergebnisse der Untersuchungen der vorliegenden Arbeit unterstreichen die Leistungsfähigkeit und den großen Erkenntniszuwachs den die kinetische Betrachtungsweise bei metastabilen Systemen wie Lebensmittel erbringt. Durch Anwendung insbesondere dieser Methoden konnte einmal mehr die komplizierte und multivariate Abhängigkeit der funktionellen Eigenschaften von Struktur und Zustand nachgewiesen werden. Die Untersuchungen zum Einfluss der Milieubedingungen bei der Trocknung veranschaulichen, dass der Zusatz niedermolekularer Verbindungen die Struktur verändern und zu einer Präformierung von Zuständen in der Zellwand während der Trocknung beitragen kann. Diese wirken sich stark auf das Rehydratisierungsverhalten der Trockenpräparate aus. Die Effekte des Zusatzes von Salzen, Säuren oder Zuckern bei der Trocknung sind einerseits von ihrer Art und Darreichungsform und den möglichen Wechselwirkungen, die sie mit Komponenten der Matrix eingehen können (hochverestertes niederverestertes Pectin; Pectin Cellulose), abhängig. Andererseits spielen aber auch die Wechselwirkungen zwischen diesen niedermolekularen Verbindungen sowie mit anderen löslichen Inhaltsstoffen eine sehr große Rolle. Die Untersuchungen zum Einfluss von Strukturveränderungen durch den Abbau von Zellwandkomponenten auf die funktionellen Eigenschaften machten deutlich, dass die Wasserbindung und das rheologische Verhalten von der chemischen Zusammensetzung der ZM aber vor allem von ihrer Mikro- und Makrostruktur abhängen. 130

131 Der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die Eigenschaften war nur bei annähernd gleicher Überstruktur nachweisbar. Des Weiteren können die beim Rehydratisieren eintretenden Struktur- und Zustandsänderungen im ZM die funktionellen Eigenschaften stärker beeinflussen als verarbeitungsbedingte Änderungen bei der Herstellung der Präparate. Dieses Phänomen ist aber vorerst nur in Ansätzen untersucht. So war es möglich, durch den Einsatz mechanischer Energie beim Rehydratisieren eine Verbesserung der Wasserbindungseigenschaften und rheologischen Eigenschaften zu erreichen. Zum Einfluss der Rehydratisierungsbedingungen auf die funktionellen Eigenschaften stehen noch weitere Untersuchungen aus. So wäre zu klären, wie Milieubedingungen, die weich machende Wirkung von Wasser, Temperatur und mechanische Belastung die funktionellen Eigenschaften verschiedener ZM verändern können. Insgesamt zeigen die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen, dass die Eigenschaften und speziell die Wasserwechselwirkungen von ZM und Ballaststoffen von einer Vielzahl sich wechselseitig beeinflussender Faktoren abhängen. Zu diesen Faktoren zählen (i) (ii) (iii) (iv) (v) (vi) Partikelgröße und Struktur-Hierarchie-Ebenen (Gewebe, Einzelzellen, Zellwandfragmente, Polymere) Abbaugrad der Zellwand; Herauslösen von Zellwandkomponenten; geändertes Verhältnis von Pectinmatrix und Cellulose-Netzwerk Modifizierung molekularer Parameter der Zellwand, beispielsweise Entesterung und/oder Kationenbeladung Zustandsänderungen der Matrices der Zellwand (abhängig von Milieubedingungen und externer Belastung bei der Verarbeitung) Präformieren von Strukturen durch Vorbehandlungen vor der Trocknung und schonende Trocknungsbedingungen Bedingungen beim Rehydratisieren der Zellwand-Trockenprodukte durch Nutzung der weich machenden Wirkung des Wassers, Wahl geeigneter Milieubedingungen (Solvatisierungsbedingungen), Temperatur und mechanische Belastung (Rühren, Homogenisieren) Zur Bewertung des Einflusses dieser Faktoren auf die Wasserwechselwirkungen und die funktionellen Eigenschaften von ZM erbrachten die durchgeführten Arbeiten ei- 131

132 nen erheblichen Erkenntniszuwachs. Insbesondere die eingeführten kinetischen Methoden haben sich als aussagekräftig und leistungsfähig erwiesen. Trotzdem werden eine Reihe von Zusammenhängen noch nicht genügend verstanden. Es sind weitere Untersuchungen erforderlich, um gezielt ZM und Ballaststoffe mit spezifischen, maßgeschneiderten Eigenschaften als "health ingredients" herstellen zu können. 132

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139 5. ANHANG 5.1 Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole Abkürzungen A BM rehydratisiert mit 1N Äpfelsäure-Lösung (Serie 3) Ara Arabinose BM Basismaterial (Abschnitte und ) CDTA Natriumcyclohexandiamintetraacetat CH ZM extrahiert mit chelatisierenden Agenzien (Abschnitt ) CO COA DCM DMSO EDTA EtOH ZM extrahiert mit chelatisierenden und oxidierenden Agenzien (Abschnitt ) ZM extrahiert mit chelatisierenden und oxidierenden Agenzien und Kalilauge (Abschnitt ) Dichlormethan Dimethylsulfoxid Natriumethylendiamintetraacetat Ethanol F BM rehydratisiert mit 1N Fructose-Lösung (Serie 3) FA BM rehydratisiert mit 1N Fructose-Äpfelsäure-Lösung (Serie 3) FM Mazeriertes Material (Abschnitt ) fr Fuc Gal GalA GC ger. Glc frisch, vor dem Trocknen Fucose Galactose Galacturonsäure Gaschromatographie gerührt Glucose HD Sauer-hydrolysiertes Material (Abschnitt ) HV hochverestertes Material (BM der Serie 4, Abschnitt ) HVAF HVAK HVKF Hyp hochverestertes Material beladen mit Äpfelsäure und Fructose (Abschnitt ) hochverestertes Material beladen mit Äpfelsäure und Kalium (Abschnitt ) hochverestertes Material beladen mit Kalium und Fructose (Abschnitt ) Hydroxyprolin K BM rehydratisiert mit 1N Kalium-Lösung (Serie 3) 139

140 KA BM rehydratisiert mit 1N Äpfelsäure-Kalium-Lösung (Serie 3) KF BM rehydratisiert mit 1N Fructose-Kalium-Lösung (Serie 3) KFA BM rehydratisiert mit 1N Kalium-Fructose-Äpfelsäure-Lösung (Serie 3) KW Kaltwasser-extrahiertes Material (Abschnitt ) Lys Lysin NE Nicht-extrahiertes Material (Abschnitt ) NV niederverestertes Material NVA niederverestertes Material beladen mit Äpfelsäure (Abschnitt ) NVAKF niederverestertes Material beladen mit Äpfelsäure, Kalium und Fructose (Abschnitt ) NVF niederverestertes Material beladen mit Fructose (Abschnitt ) NVK niederverestertes Material beladen mit Kalium (Abschnitt ) PE PG PGA PL re RG I Rha Pectinesterase Polygalacturonase Polygalacturonsäure Pectinlyase rehydratisiert nach dem Trocknen Rhamnogalacturonan I Rhamnose RM Totalverflüssigtes Material (Abschnitt ) RT SB SCFA Ser TFA tr TS Tyr unger. Raumtemperatur Strukturierungsbeginn bei den zeitabhängigen rheologischen Messungen kurzkettige Fettsäuren (short chain fatty acids) Serin Trifluoressigsäure getrocknet Trockensubstanz Tyrosin ungerührt W BM rehydratisiert mit Wasser (Serie 3) WBK WRK WHK WP XG Wasserbindungskapazität Wasserretentionskapazität Wasserhaltekapazität Wendepunkt im Kurvenverlauf bei den zeitabhängigen rheologischen Messungen Xyloglucan 140

141 Xyl ZM Xylose Zellwandmaterial Symbole a-wert a w -Wert b-wert Farbintensität rot nach CIELAB-System Wasseraktivität Farbintensität gelb nach dem CIELAB-System V prozentuale Volumenzunahme in % ε Porosität in % f ' Frequenz in Hz Speichermodul in Pa Verlustmodul in Pa GG Galacturonangehalt in % γ Amplitude γ& Schergeschwindigkeit in 1/s η CA η eff k L-Wert m M M M n N CASSON-Viskosität in Pa*s effektive Viskosität in Pa*s Geschwindigkeitskonstante der Wasserabgabe (Kapillardruckmethode) in 1/s Helligkeit nach CIELAB-System Masse in g Molmasse in g/mol Drehmoment in Nm molare Lösung (1 mol Substanz pro 1 l Lösung) Drehzahl in U/min normale Lösung (1 Äquivalentmasse Substanz pro 1 l Lösung) ρ σ Feststoffdichte in g/cm 3 ρ Schüttdichte in g/cm 3 T Temperatur in C t 0CA Zeit in s oder min Schubspannung in Pa CASSON-Fließgrenze in Pa T c Kollapstemperatur in C T g Gummi-Glas-Übergangstemperatur in C T m Schmelztemperatur in C 141

142 T s Klebepunkt in C t SB tan (δ) V V E Strukturierungsbeginn in min Verlustfaktor Volumen in ml maximales Quellvolumen ermittelt mit der Bed volume technique in ml/g VG Veresterungsgrad der Pectinkomponente in % WRK 0 WRK 1 WRK 20 WRK 80 Wasserretentionskapazität bei Normaldruck ermittelt mit der Kapillardruckmethode in g/g Wasserretentionskapazität bei einem Überdruck von 1 kpa ermittelt mit der Kapillardruckmethode in g/g Wasserretentionskapazität bei 20 C ermittelt mit der Filtrationsmethode in g/g Wasserretentionskapazität bei 80 C ermittelt mit der Filtrationsmethode in g/g 5.2 Verzeichnis der Abbildungen Abb. 1 Zusammenhang zwischen funktionellen Eigenschaften und Verarbeitung (KUNZEK und VETTER, 2001) Abb. 2 Schematische Darstellung der Ebenen der Strukturhierarchie pflanzlicher Produkte nach WALDRON et al. (1997) Abb. 3 Bedeutung von ZM in Lebensmitteln nach KUNZEK et al. (2002) Abb. 4 Längsschnitt durch einen Apfel Abb. 5 Abschnitt aus einem β (1 4) verknüpftem Cellulosemolekül (---- intramolekulare Wasserstoffbrückenbindung zwischen der OH-Gruppe am C3 und dem Ringsauerstoff) Abb. 6 Oligosaccharide des Xyloglucans, wie sie durch den Abbau mit einer endo- Glucanase entstehen. a) Bruchstück aus 22 Zuckereinheiten, b) Heptasaccharid, c) Nonasaccharid; Abkürzungen: Ara - Arabinose, Fuc - Fucose, G und Glc - Glucose, Gal - Galactose, X und Xyl - Xylose (ALBERSHEIM, 1976) Abb. 7 Spaltung der glycosidischen Bindung durch β-eliminierung (BELITZ und GROSCH, 1992)

143 Abb. 8 Rhamnogalacturonan I, bestehend aus einer Hauptkette aus α (1 4) verknüpfter Galacturonsäure und α (1 2) verknüpfter Rhamnose, Seitenketten am C4 der Rha gebunden Abb. 9 Arabinan, bestehend aus einer Hauptkette aus α (1 5) verknüpfter Arabinose und Seitenketten von α (1 3) oder α (1 2) verknüpften Arabinoseeinheiten Abb. 10 Arabinogalactan I, bestehend aus einer β (1 4) verknüpften Galactan- Hauptkette an die kurze α (1 5) verknüpfter Arabinose-Seitenketten angelagert sind Abb. 11 Ausschnitt aus einer Polymethyl-polygalacturonsäure mit α-d-axial-axialglycosidischer Bindung (ENDREß, 1990) Abb. 12 Schematische Darstellung der Calciumbindung an Polygalacturonsäure- Sequenzen. a) eine "egg-box" Kavität, b) Aggregation mehrerer "egg-box" Dimere nach THAKUR et al. (1997) Abb. 13 Schematische Darstellung einiger struktureller Merkmale von Pectin aus der Mittellamelle (a) und der Primärwand (b) (BRETT und WALDRON, 1996) Abb. 14 Oxidative Kopplung von 2 Tyrosinresten zur Bildung von Isodityrosin- Verbindungen (Die Kopplung an einen 3. Tyrosinrest kann auch noch zu einem Trimer führen. FRY, 1986) Abb. 15 Die Primärwand von Zellen der Dikotyledonen blühender Pflanzen nach CARPITA und GIBEAUT (1993) Abb. 16 Die ausgedehnte Primärwand von Zellen der Dikotyledonen blühender Pflanzen nach CARPITA und GIBEAUT (1993) Abb. 17 Bindungsformen des Wassers an Makromolekülen und Sorptionsisothermen. a) gebundenes Wasser, b) immobiles Wasser, c) freies Wasser nach TERNES (1994) Abb. 18 Der physikalische Zustand von amorphen Materialien, die wasserlöslich sind oder durch Wasser weich gemacht werden. Kristalle, Lösungen und Schmelzen sind stabile Gleichgewichtszustände. Die amorphen Zustände (Glas oder Gummi) sind Nicht-Gleichgewichtszustände mit zeitabhängigen Eigenschaften. Änderungen zwischen den Gleichgewichtszuständen und 143

144 dem Glaszustand finden immer über dem Gummizustand statt. (ROOS und KAREL, 1991) Abb. 19 Die weich machende Wirkung durch die Einlagerung von Wasser in die amorphen Bereiche der Makromoleküle (aus TERNES, 1994) Abb. 20 Herstellungsschema der Serie Abb. 21 Herstellungsschema der Serie Abb. 22 Herstellungsschema der Serie Abb. 23 Originalgrauwertbild Abb. 24 Binärisiertes Bild im Anschluss an Normalisierung, Kantenverstärkung und Schwellwertsetzung Abb. 25 Binärbild nach der Entfernung von Randobjekten und dem Füllen von Hohlräumen Abb. 26 Binärbild im Anschluss an eine 3fache Dilation Abb. 27 Binärbild nach dem Füllen der durch die Dilation umschlossenen Hohlräume und Erosion auf die Ausgangsgröße Abb. 28 Binärbild nach dem Entfernen unerwünschter Objekte (Artefakte der Bearbeitung), Vermessung von Kreisdurchmesser, Fläche, Formfaktor Abb. 29 Kapillardruck-Apparatur Abb. 30 Speichermodul-Zeit-Kurve mit typischer sigmoider Gestalt, Unterteilung in die 3 Abschnitte Abb. 31 Geometrie des helikalen Messkörpers (Helipath) im Zylinder mit flachem Boden Z3 DIN Abb. 32 Partikelgrößenverteilung der ZM der Serie 1 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) (Abkürzung: unger. - ohne 15-stündiges Rühren als Probenvorbereitung) - Mittelwerte Abb. 33 Zusammensetzung der ZM der Serie 1 entsprechend der chemischen Analyse Abb. 34 Wasserbindungseigenschaften der ZM der Serie 1 nach dem Trocknen, ermittelt mit verschiedenen Methoden - Mittelwerte

145 Abb. 35 Kinetik der Wasseraufnahme mittels Bed volume technique der ZM der Serie 1 - Mittelwerte Abb. 36 Vergleichende Darstellung der Wasserbindungseigenschaften ausgewählter ZM der Serie 1, ermittelt nach Standardprobenvorbereitung und nach 15- stündigen Rühren im Wasserüberschuss Abb. 37 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa der ZM der Serie 1 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Abb. 38 Speichermodul G und Verlustmodul G in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM der Serie 1 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Abb. 39 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM der Serie 1 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Abb. 40 Fließkurve der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 1 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Abb. 41 Speichermodul G in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser- Suspensionen der Serie 1 bei einer Konzentration von 25 g/l - Mittelwerte. 88 Abb. 42 Die Partikelgrößenverteilung der ZM der Serie 2 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Abb. 43 Zusammensetzung der ZM der Serie 2 entsprechend der chemischen Analyse Abb. 44 Kennwerte der Wasserbindung der getrockneten und rehydratisierten ZM der Serie 2, ermittelt mit verschiedenen Methoden - Mittelwerte Abb. 45 Kinetik der Wasseraufnahme ermittelt mittels Bed volume technique der ZM der Serie 2 - Mittelwerte Abb. 46 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1kPa der ZM der Serie 2 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Abb. 47 Speichermodul G und Verlustmodul G in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM der Serie 2 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) Mittelwerte

146 Abb. 48 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen der Serie 2 vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Abb. 49 Fließkurve der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 2 vor (fr) und nach dem Trockenen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Abb. 50 Drehmoment M in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 2 bei einer Konzentration von 25 g/l - Mittelwerte Abb. 51 Wasserbindungseigenschaften unter verschiedenen Milieubedingungen beim Rehydratisieren, ermittelt mit verschiedenen Methoden Abb. 52 Kinetik der Wasseraufnahme mittels Bed volume technique unter verschiedenen Milieubedingungen von BM Abb. 53 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa unter verschiedenen Milieubedingungen von BM Abb. 54 Speichermodul und der Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der BM 3-8 Suspensionen unter verschiedenen Milieubedingungen Abb. 55 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der BM Suspensionen unter verschiedenen Milieubedingungen Abb. 56 Fließkurven der BM Suspensionen unter verschiedenen Milieubedingungen Abb. 57 Partikelgrößenverteilung der ZM der Serie 4 vor der Beladung und der Trocknung (fr) und nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) - Mittelwerte Abb. 58 Kennwerte der Wasserbindung der getrockneten und rehydratisierten ZM der Serie 4 ermittelt mit verschiedenen Methoden - Mittelwerte Abb. 59 Kinetik der Wasseraufnahme ermittelt mittels Bed volume technique der ZM der Serie 4 - Mittelwerte Abb. 60 Kinetik der Wasserabgabe bei der Belastung von 1kPa der ZM der Serie 4 vor der Beladung und der Trocknung (fr al - Mittelwert aus je 8 Einzelproben) und nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) - Mittelwerte

147 Abb. 61 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 4 vor der Beladung und der Trocknung (fr al - Mittelwert aus je 8 Einzelproben) und nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) Mittelwerte Abb. 62 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen der Serie 4 vor der Beladung und der Trocknung (fr al - Mittelwert aus je 8 Einzelproben) und nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) - Mittelwerte Abb. 63 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 4 vor der Beladung und der Trocknung (fr al - Mittelwert aus je 8 Einzelwerten) und nach der Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) - Mittelwerte Abb. 64 Drehmoment M in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser-Suspensionen der Serie 4 bei einer Konzentration von 25 g/l Mittelwerte Abb. 65 Lichtmikroskopische Aufnahmen der ZM vor der Trocknung, nach der Trocknung und nach dem Rehydratisieren Abb. 66 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der ZM der Serie 1 vor der Trocknung, nach der Trocknung und nach dem Rehydratisieren (Übersichtsaufnahmen) Abb. 67 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der ZM der Serie 1 vor der Trocknung, nach der Trocknung und nach dem Rehydratisieren (Detailaufnahmen) Abb. 68 Partikelgrößenverteilung der ZM vor der Trocknung (fr) Abb. 69 Partikelgrößenverteilung der ZM nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) (Abkürzung: unger. ohne 15 h Rühren als Probenvorbereitung) Abb. 70 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa der ZM vor der Trocknung (fr) Abb. 71 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1kPa nach dem Rehydratisieren der getrockneten ZM (re) (Abkürzung: ger - 15 h Rühren im Wasserüberschuss als Probenvorbereitung) Abb. 72 Kinetik der Wasseraufnahme mittels Bed volume technique der getrockneten ZM

148 Abb. 73 Flächenäquivalente Kreisdurchmesser der Partikel der ZM im trockenen Zustand, nach 10 min Rehydratisierung und nach 2 h Rehydratisierung - Mittelwerte mit Konfidenzintervall (α = 0,05) Abb. 74 Der mittlere Formfaktor Rundheit der Partikel der ZM im trockenen Zustand, nach 10 min Rehydratisierung und nach 2 h Rehydratisierung Abb. 75 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen vor der Trocknung (fr) Abb. 76 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen vor der Trocknung (fr) Abb. 77 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen nach Trocknung und Rehydratisierung (re) Abb. 78 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen nach Trocknung und Rehydratisierung (re) Abb. 79 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen vor der Trocknung (fr) Abb. 80 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen nach Trocknung und Rehydratisierung (re) Abb. 81 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen nach Trocknung und Rehydratisierung (re) (Abkürzung: ger h Rühren im Wasserüberschuss als Probenvorbereitung) Abb. 82 Speichermodul in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser- Suspensionen bei einer Konzentration von 20 g/l Abb. 83 Speichermodul in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser- Suspensionen bei einer Konzentration von 25 g/l Abb. 84 Lichtmikroskopische Aufnahmen der ZM der Serie 2 vor dem Trocknen, nach dem Trocknen und nach dem Rehydratisieren Abb. 85 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der ZM der Serie 2 vor dem Trocknen, nach dem Trocknen und nach dem Rehydratisieren (Übersichtsaufnahmen)

149 Abb. 86 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der ZM der Serie 2 vor dem Trocknen, nach dem Trocknen und nach dem Rehydratisieren (Detailaufnahmen) Abb. 87 Partikelgrößenverteilung der ZM vor dem Trocknen (fr) Abb. 88 Die Partikelgrößenverteilung der ZM nach Trocknen und Rehydratisieren (re) Abb. 89 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa der ZM vor der Trocknung (fr) Abb. 90 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa nach dem Rehydratisieren der getrockneten ZM (re) Abb. 91 Kinetik der Wasseraufnahme mittels Bed volume technique der getrockneten ZM Abb. 92 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen vor der Trocknung (fr) Abb. 93 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen vor der Trocknung (fr) Abb. 94 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen nach der Trocknung und der Rehydratisierung (re) Abb. 95 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen nach der Trocknung und Rehydratisierung (re) Abb. 96 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen vor der Trocknung (fr) Abb. 97 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen nach der Trocknung und Rehydratisierung (re) Abb. 98 Speichermodul in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser- Suspensionen bei einer Konzentration von 40 g/l Abb. 99 Drehmoment M in Abhängigkeit von der Zeit bei einer Drehzahl von 2 U/min der ZM-Wasser-Suspensionen bei einer Konzentration von 40 g/l Abb. 100 Drehmoment M in Abhängigkeit von der Zeit bei einer Drehzahl von 2 U/min der ZM-Wasser-Suspensionen bei einer Konzentration von 25 g/l

150 Abb. 101 Lichtmikroskopische Aufnahmen der Basismaterialien vor der Trocknung Abb. 102 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von BM am Beispiel von BM 5 und BM 6 a) Übersichtsaufnahmen und b) Detailaufnahmen Abb. 103 Partikelgrößenverteilung der BM vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) Abb. 104 Wasserbindungseigenschaften der BM nach Trocknung und Rehydratisierung, ermittelt mit verschiedenen Methoden Abb. 105 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa der BM vor der Trocknung (fr) Abb. 106 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa der BM nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) Abb. 107 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa der BM vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Abb. 108 Kinetik der Wasseraufnahme mittels Bed volume technique der getrockneten BM Abb. 109 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der BM-Wasser-Suspensionen vor der Trocknung (fr) Abb. 110 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der BM-Wasser-Suspensionen nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) Abb. 111 Speichermodul, Verlustmodul ' und Betrag der komplexen Viskosität in Abhängigkeit von der Frequenz der BM-Wasser-Suspensionen vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Abb. 112 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der BM-Wasser- Suspensionen vor der Trocknung (fr) Abb. 113 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der BM-Wasser- Suspensionen nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) Abb. 114 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der BM-Wasser- Suspensionen vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte

151 Abb. 115 Fließkurven der BM-Wasser-Suspensionen vor der Trocknung (fr) Abb. 116 Fließkurven der BM-Wasser-Suspensionen nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) Abb. 117 Fließkurven der BM-Wasser-Suspensionen vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) - Mittelwerte Abb. 118 Speichermodul in Abhängigkeit von der Zeit der BM-Wasser- Suspensionen bei einer Konzentration von 25 g/l Abb. 119 Lichtmikroskopische Aufnahmen der hochveresterten (HV) und niederveresterten (NV) ZM vor der Beladung und der Trocknung, nach der Trocknung und nach dem Rehydratisieren Abb. 120 Partikelgrößenverteilung der ZM vor der Beladung und der Trocknung (fr) Abb. 121 Partikelgrößenverteilung der ZM nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) Abb. 122 Kinetik der Wasserabgabe bei der Belastung von 1kPa der ZM vor der Beladung und der Trocknung (fr) Abb. 123 Kinetik der Wasserabgabe bei der Belastung von 1kPa der ZM nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) Abb. 124 Kinetik der Wasseraufnahme mittels Bed volume technique der ZM Abb. 125 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen vor der Beladung und der Trocknung (fr) Abb. 126 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen vor der Beladung und der Trocknung (fr) Abb. 127 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) Abb. 128 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) Abb. 129 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen vor der Beladung und der Trocknung (fr)

152 Abb. 130 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen nach Beladung, Trocknung und Rehydratisierung (re) Abb. 131 Drehmoment M in Abhängigkeit von der Zeit bei einer Drehzahl von 2 U/min der ZM-Wasser-Suspensionen bei einer Konzentration von 25g/l Verzeichnis der Tabellen Tab. 1 Hauptbestandteile und einzelne Inhaltsstoffe in 100 g essbarem Anteil von Äpfeln (SOUCI-FACHMANN-KRAUT, 1991) Tab. 2 Physiko-chemische Eigenschaften von ZM und Ballaststoffen nach AMADÓ (1994) Tab. 3 Hydratationseigenschaften von Zellwandbestandteilen nach AMADÓ (1994). 31 Tab. 4 Enzymierungssysteme für die 4 Stufen des enzymatischen Abbaus von Apfelgewebe nach VORAGEN und PILNIK (1981) Tab. 5 Teilfaktorieller Versuchsplan mit 4 Faktoren, die in 2 Stufen variiert wurden, für die Ermittlung des Einflusses der Milieubedingungen vor der Trocknung auf die funktionellen Eigenschaften von ZM Tab. 6 Bearbeitungsalgorithmus der Bildanalyse Tab. 7 Kennwerte für die Beschreibung der Kinetik des Strukturaufbaus von ZM mit Wasser durch Timesweep-Messungen Tab. 8 Kennwerte für die Beschreibung der Kinetik des Strukturaufbaus von ZM mit Wasser durch Rotationsmessungen Tab. 9 Chemisch-physikalische Parameter der ZM der Serie 1 - Mittelwerte Tab. 10 Prozentualer Anteil von Partikeln in bestimmten Volumen-Größenklassen vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) der Serie 1 - Mittelwerte Tab. 11 Chemisch-physikalische Parameter der ZM der Serie 2 - Mittelwerte Tab. 12 Prozentualer Anteil von Partikeln in bestimmten Volumen-Größenklassen vor (fr) und nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) der Serie 2 - Mittelwerte

153 Tab. 13 Vollständiger faktorieller Versuchsplan mit 3 Faktoren, die in 2 Stufen variiert wurden, für die Ermittlung des Einflusses der Milieubedingungen beim Rehydratisieren (SCHEFFLER, 1986) Tab. 14 Chemisch-physikalische Parameter der Mischprobe BM Tab. 15 Chemisch-physikalische Parameter der ZM der Serie 4 - Mittelwerte Tab. 16 Prozentualer Anteil von Partikeln in bestimmten Volumen-Größenklassen vor (fr) und nach dem Beladen, Trocknen und Rehydratisieren (re) der ZM der Serie 4 - Mittelwerte Tab. 17 Kennwerte der ZM der Serie 1 aus der Herstellung und vor der Trocknung Tab. 18 Kennwerte der getrockneten ZM der Serie Tab. 19 Kennwerte der rehydratisierten ZM der Serie Tab. 20 Kennwerte der Timesweep-Messungen der Serie Tab. 21 Kennwerte der ZM der Serie 2 aus der Herstellung und vor der Trocknung Tab. 22 Kennwerte der getrockneten ZM der Serie Tab. 23 Kennwerte der rehydratisierten ZM der Serie Tab. 24 Kennwerte der zeitabhängigen rheologischen Messungen zur Untersuchung des Strukturaufbaus der ZM der Serie Tab. 25 Kennwerte der Herstellung und vor der Trocknung der BM der Serie Tab. 26 Kennwerte der getrockneten BM der Serie Tab. 27 Kennwerte der rehydratisierten BM der Serie Tab. 28 Kennwerte der Timesweep-Messungen der BM der Serie 3 bei einer Konzentration von 25 g/l Tab. 29 Kennwerte der BM-Mischung (BM 3-8) bei verschiedenen Milieubedingungen (Mittelwerte aus 2 Bestimmungen) Tab. 30 Signifikante Haupt- und Wechselwirkungseffekte aus der Varianzanalyse 199 Tab. 31 Kennwerte der ZM der Serie 4 aus der Herstellung und vor der Trocknung

154 Tab. 32 Multipler Mittelwertvergleich der Kennwerte der 8 hochveresterten und 8 niederveresterten ZM der Serie 4 vor der Beladung und der Trocknung Tab. 33 Kennwerte der getrockneten ZM der Serie Tab. 34 Kennwerte der rehydratisierten ZM der Serie Tab. 35 Ermittelte signifikante Haupt- und Wechselwirkungseffekte auf die Kennwerte der ZM der Serie

155 5.4 Anhang I - Serie 1 frisch trocken rehydratisiert KW FM BM HD RM Abb. 65 Lichtmikroskopische Aufnahmen der ZM vor der Trocknung, nach der Trocknung und nach dem Rehydratisieren 155

156 Anhang I - Serie 1 frisch trocken rehydratisiert KW FM BM HD RM Abb. 66 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der ZM der Serie 1 vor der Trocknung, nach der Trocknung und nach dem Rehydratisieren (Übersichtsaufnahmen) 156

157 Anhang I - Serie 1 frisch trocken rehydratisiert KW FM BM HD RM Abb. 67 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der ZM der Serie 1 vor der Trocknung, nach der Trocknung und nach dem Rehydratisieren (Detailaufnahmen) 157

158 Anhang I - Serie 1 Tab. 17 Kennwerte der ZM der Serie 1 aus der Herstellung und vor der Trocknung KW 1 KW 2 FM 1 FM 2 BM 1 BM 2 HD 1 HD 2 RM 1 RM 2 Herstellung Ausbeute [%] bez. auf TS 9,72 9,34 5,87 6,00 5,87 7,17 6,25 6,56 4,43 4,13 Ausbeute [g] bez. auf kg 13,7 13,43 8,48 8,96 8,21 9,83 8,78 8,67 6,14 6,22 Rohware vor der Trocknung Rheologie - Casson-Fließgrenze [Pa] 56,6 72,6 19,1 46,2 55,5 63,2 53,3 66,7 93,4 185,6 - Casson-Viskosität [Pa*s] 2,26 1,40 0,37 0,13 0,05 0,40 0,25 0,81 1,65 2,41 - effektive Viskosität [Pa*s] 14,2 14,5 3,8 6,3 6,6 9,5 7,8 7,7 17,0 30,9 Kapillardruckmethode - WRK 0 [g/g] 50,29 50,66 69,96 66,02 58,92 63,93 71,69 70,80 51,35 55,34 - WRK 1 [g/g] 27,71 24,28 28,96 29,78 26,05 24,70 26,17 29,62 21,57 27,09 - proz. Wasserabgabe [%] 44,9 52,1 58,6 54,9 55,8 61,4 63,5 58,2 58,0 51,1 Kinetik 1. Ordnung WRK = WRK 1 + (WRK 0 - WRK 1) * exp (k * t) - WRK 0 [g/g] 49,67 48,49 66,93 63,69 56,47 60,83 69,08 68,50 50,49 54,22 - WRK 1 [g/g] 20,36 21,74 35,12 31,08 28,72 33,15 39,17 35,01 28,34 26,17 - Zeitkonstante k *10000 [1/s] ,53 1,41 1,71 2,48 2,09 1,14 0,78 0,44 - Bestimmtheitsmaß R^2 0,9504 0,9634 0,9836 0,9811 0,9835 0,9784 0,9699 0,9885 0,9968 0,9894 Partikelanzahl [Partikel/g] 3,14E+08 2,38E+08 1,55E+09 1,04E+09 9,17E+08 1,31E+09 1,34E+09 1,23E+09 1,89E+09 2,97E

159 Anhang I - Serie 1 Tab. 18 Kennwerte der getrockneten ZM der Serie 1 getrocknet KW 1 KW 2 FM 1 FM 2 BM 1 BM 2 HD 1 HD 2 RM 1 RM 2 Helligkeit 84,92 85,12 88,8 90,8 90,64 88,21 89,04 89,08 79,96 82,83 a-wert (rot) 3,16 4,17 0,76 0,92 1,68 2,08 1,79 1,55 2,98 2,41 b-wert (gelb) 14,89 17,87 4,32 5,35 9,31 10,46 9,1 9,19 9,8 9,2 Schüttdichte [g/cm 3 ] 0,067 0,085 0,083 0,096 0,097 0,098 0,082 0,107 0,264 0,353 Feststoffdichte [g/cm 3 ] 1,269 1,313 1,474 1,454 1,588 1,585 1,635 1,598 1,758 1,687 Porosität [%] 94,8 93,5 94,4 93,4 93,9 93,8 95,0 93,3 85,0 79,1 Galacturonangehalt [%] 29,88 28,54 13,42 15,05 16,05 16,63 17,22 16,88 3,99 3,07 Veresterungsgrad [%] 59,44 72,58 73,26 64,16 74,69 71,69 66,27 67,63 57,23 42,94 Eiweiß [%] 1,21 1,27 3,09 2,81 2,36 2,80 3,13 2,66 3,86 3,70 Glucose [%] 33,81 33,13 49,06 49,50 45,35 44,88 48,86 48,71 58,66 63,46 Asche [%] 2,19 0,90 0,96 0,38 0,42 0,80 0,82 0,49 0,48 0,49 Zuckerbausteinanalyse [%] - Rhamnose+Wasser 1,10 1,53 0,90 0,88 1,02 1,04 0,95 1,06 0,42 0,43 - Fucose 0,82 1,09 1,20 1,32 1,16 1,10 1,09 1,27 1,19 1,32 - Arabinose 9,55 13,55 5,73 6,03 6,91 6,33 3,00 3,88 2,45 2,13 - Xylose 5,01 6,39 7,04 7,35 6,66 6,26 7,01 8,25 6,68 7,72 - Mannose 1,37 1,60 1,87 1,76 1,80 1,79 1,84 2,14 2,34 2,56 - Galactose 6,11 8,61 7,40 7,21 7,04 6,49 7,08 8,19 4,90 5,04 - Glucose 19,04 19,94 26,98 27,06 24,15 22,69 23,11 27,79 31,24 35,72 Partikelanzahl [Partikel/g] 3,15E+08 2,99E+08 1,65E+09 1,54E+09 1,22E+09 9,13E+08 9,62E+08 1,27E+09 2,72E+08 3,10E+08 Aggregation 1,00 0,80 0,94 0,68 0,75 1,43 1,39 0,97 6,96 9,57 Siebanalyse - Anteil < 80 µm [%] 0,36 0 2,45 1,65 1,06 0,69 0,88 1,34 0 0,51 - Anteil µm [%] 67,3 79,1 76,7 74,5 74,1 67,7 78,3 74,1 24,7 16,8 - Anteil > 500 µm [%] 32,4 20,9 20,8 23,9 24,8 31,6 20,8 24,6 75,3 82,7 159

160 Anhang I - Serie 1 Tab. 19 Kennwerte der rehydratisierten ZM der Serie 1 KW 1 KW 2 FM 1 FM 2 BM 1 BM 2 HD 1 HD 2 RM 1 RM 2 RM 1 ger. Rheologie - Casson-Fließgrenze [Pa] 62,4 75,7 48,3 61,0 42,2 55,0 53,9 50,8 33,8 38,7 263,0 584,0 - Casson-Viskosität [Pa*s] 2,77 1,48 0,94 0,86 1,07 1,05 1,04 0,88 0,38 0,15 0, effektive Viskosität [Pa*s] 16,6 14,9 9,5 10,9 9,0 10,6 10,8 9,7 5,7 5,0 32,4 49,4 Filtrationsmethode - WRK 80 [g/g] 50,69 47,24 64,18 63,06 59,10 57,85 54,42 55,67 23,05 21,37 78,61 73,74 - WRK 20 [g/g] 49,58 42,10 36,72 36,08 33,12 33,15 40,56 32,30 19,08 17,23 Wasseraufnahme [g/g] nach Baumann-Methode 23,6 20,9 21,0 20,2 20,0 20,2 20,8 19,8 14,4 12,1 Kapillardruckmethode - WRK 0 [g/g] 48,85 48,71 55,43 58,31 52,01 51,61 53,98 52,15 24,84 21,68 54,98 63,85 - WRK 1 [g/g] 23,74 22,80 23,97 23,73 22,62 23,20 24,27 23,95 14,71 13,61 22,67 24,67 - proz. Wasserabgabe [%] 51,4 53,2 56,8 59,3 56,5 55,1 55,0 54,1 40,8 37,2 58,8 61,4 Kinetik 1. Ordnung WRK = WRK 1 + (WRK 0 - WRK 1) * exp (k * t) - WRK 0 [g/g] 47,38 46,69 50,10 52,57 47,62 46,33 48,64 48,68 24,51 21,66 52,04 60,82 - WRK 1 [g/g] 21,70 22,42 24,75 27,48 23,65 21,94 23,27 23,59 8,65 7,58 27,54 33,94 - Zeitkonstante k*10000 [1/s] ,7 54,2 85, ,1 2,15 2,81 - Bestimmtheitsmaß R^2 0,9454 0,9739 0,9779 0,9799 0,9783 0,9699 0,9696 0,9791 0,9030 0,9546 0,9819 0,9872 "bed volume technique" - maximales Quellvolumen 81,1 77,8 86,0 88,9 75,30 74,4 77,9 71,8 36,1 35,3 412,1 444,9 [ml/g] - proz.volumenzunahme [%] Bildanalyse - Kreisdurchmesser tr [µm] 209,8 196,2 130,6 134,2 149,3 152,2 141,3 141,3 169,7 199,8 - Kreisdurchmesser 10' [µm] 290,6 261,4 203,4 187,4 214,2 218,5 210,8 201,9 209,6 270,1 - Kreisdurchmesser 2 h [µm] 311,2 314,1 221,1 210,3 234,4 248,0 224,0 225,0 241,2 268,0 - proz.volumenzunahme [%] RM 2 ger. 160

161 Anhang I - Serie 1 Tab. 20 Kennwerte der Timesweep-Messungen der Serie 1 25 g/l KW 1 KW 2 FM 1 FM 2 BM 1 BM 2 HD 1 HD 2 RM 1 RM 2 (2 min) [Pa] 1914,0 1194,5 53,3 2,1 0,7 0,6 411,9 1,5 119,7 72,9 t SB (Strukturierungsbeginn) [min] t WP (Wendepunkt) [min] WP (Wendepunkt) [Pa] Anstieg des linearen Teils [Pa/min] 12,3 15,2 11,3 7,9 9,9 10,1 (180 min) [Pa] g/l KW 1 KW 2 FM 1 FM 2 BM 1 BM 2 HD 1 HD 2 (2 min) [Pa] 786,6 352,6 1,7 0,1 0,1 0 0,7 0,2 t SB (Strukturierungsbeginn) [min] t WP (Wendepunkt) [min] 106 WP (Wendepunkt) [Pa] 433 Anstieg des linearen Teils [Pa/min] 5,7 4,6 4,6 3,1 5,7 3,3 (180 min) [Pa]

162 Anhang I - Serie Volumensummenverteilung Volumensummenhäufigkeit [%] KW 1 fr KW 2 fr FM 1 fr FM 2 fr BM 1 fr BM 2 fr HD 1 fr HD 2 fr RM 1 fr RM 2 fr Durchmesser [µm] Abb. 68 Partikelgrößenverteilung der ZM vor der Trocknung (fr) 100 Volumensummenverteilung Volumensummenhäufigkeit [%] KW 1 re KW 2 re FM 1 re FM 2 re BM 1 re BM 2 re HD 1 re HD 2 re RM 1 re RM 2 re RM 1 re unger. RM 2 re unger Durchmesser [µm] Abb. 69 Partikelgrößenverteilung der ZM nach dem Trocknen und Rehydratisieren (re) (Abkürzung: unger. ohne 15 h Rühren als Probenvorbereitung) 162

163 Anhang I - Serie 1 Kapillardruckmethode 0 prozentuale Wasserabgabe [%] KW 1 fr KW 2 fr FM 1 fr FM 2 fr BM 1 fr BM 2 fr HD 1 fr HD 2 fr RM 1 fr RM 2 fr Zeit [s] Abb. 70 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa der ZM vor der Trocknung (fr) 0 Kapillardruckmethode prozentuale Wasserabgabe [%] KW 1 re KW 2 re FM 1 re FM 2 re BM 1 re BM 2 re HD 1 re HD 2 re RM 1 re RM 2 re RM 1 re ger RM 2 re ger Zeit [s] Abb. 71 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1kPa nach dem Rehydratisieren der getrockneten ZM (re) (Abkürzung: ger - 15 h Rühren im Wasserüberschuss als Probenvorbereitung) 163

164 Anhang I - Serie 1 Bed volume technique Quellvolumen [ml/g] Zeit [min] KW 1 KW 2 FM 1 FM 2 BM 1 BM 2 HD 1 HD 2 RM 1 RM 2 Abb. 72 Kinetik der Wasseraufnahme mittels Bed volume technique der getrockneten ZM Bildanalyse trocken 10 min rehydratisiert 2 h rehydratisiert Kreisdurchmesser [µm] KW 1 KW 2 FM 1 FM 2 BM 1 BM 2 HD 1 HD 2 RM 1 RM 2 Abb. 73 Flächenäquivalente Kreisdurchmesser der Partikel der ZM im trockenen Zustand, nach 10 min Rehydratisierung und nach 2 h Rehydratisierung - Mittelwerte mit Konfidenzintervall (α = 0,05) 164

165 Anhang I - Serie 1 0,75 0,70 Bildanalyse trocken 10 min rehydratisiert 2 h rehydratisiert Formfaktor "Rundheit" 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 KW 1 KW 1 FM 1 FM 2 BM 1 BM 2 HD 1 HD 2 RM 1 RM 2 Abb. 74 Der mittlere Formfaktor Rundheit der Partikel der ZM im trockenen Zustand, nach 10 min Rehydratisierung und nach 2 h Rehydratisierung Frequenzsweep 10 4 KW 1 fr BM 2 fr Pa ' KW 2 fr ' HD 1 fr ' ' ' 10 3 FM 1 fr HD 2 fr ' ' FM 2 fr RM 1 fr ' ' , Hz 10 2 Frequenz f BM 1 fr ' RM 2 fr ' Abb. 75 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen vor der Trocknung (fr) 165

166 Anhang I - Serie 1 Frequenzsweep 0,3 0,28 0,26 0,24 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,01 0, Hz 100 Frequenz f KW 1 fr KW 2 fr FM 1 fr FM 2 fr BM 1 fr BM 2 fr HD 1 fr HD 2 fr RM 1 fr RM 2 fr Abb. 76 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen vor der Trocknung (fr) Frequenzsweep 10 5 KW 1 re HD 1 re Pa 10 4 ' KW 2 re ' HD 2 re ' ' FM 1 re RM 1 re ' 10 3 ' FM 2 re ' RM 2 re 10 2 ' BM 1 re ' RM1 re ger. ' ' , Hz 10 2 Frequenz f BM 2 re ' RM2 re ger. ' Abb. 77 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen nach Trocknung und Rehydratisierung (re) 166

167 Anhang I - Serie 1 Frequenzsweep 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,01 0, Hz 100 Frequenz f KW 1 re KW 2 re FM 1 re FM 2 re BM 1 re BM 2 re HD 1 re HD 2 re RM 1 re RM 2 re RM 1 re ger. RM 2 re ger. Abb. 78 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen nach Trocknung und Rehydratisierung (re) Rücklaufkurve 400 Pa KW 1 fr BM 2 fr 250 KW 2 fr HD 1 fr 200 FM 1 fr HD 2 fr FM 2 fr RM 1 fr 50 BM 1 fr RM 2 fr /s 10 Schergeschwindigkeit γ. Abb. 79 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen vor der Trocknung (fr) 167

168 Anhang I - Serie 1 Rücklaufkurve 200 Pa 160 KW 1 re BM 2 re KW 2 re FM 1 re HD 1 re HD 2 re 60 FM 2 re RM 1 re /s 10 Schergeschwindigkeit γ. BM 1 re RM 2 re Abb. 80 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen nach Trocknung und Rehydratisierung (re) Rücklaufkurve 700 Pa KW 1 re KW 2 re HD 1 re HD 2 re FM 1 re FM 2 re BM 1 re RM 1 re RM 2 re RM 1 re ger /s 10 Schergeschwindigkeit γ. BM 2 re RM 2 re ger. Abb. 81 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen nach Trocknung und Rehydratisierung (re) (Abkürzung: ger h Rühren im Wasserüberschuss als Probenvorbereitung) 168

169 Anhang I - Serie 1 Timesweep 20g/l KW 1 Pa KW FM FM 2 BM BM min 180 Zeit t HD 1 HD 2 Abb. 82 Speichermodul in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser-Suspensionen bei einer Konzentration von 20 g/l Timesweep 25g/l Pa KW 1 BM KW 2 HD FM 1 FM 2 HD 2 RM BM 1 RM min 180 Zeit t Abb. 83 Speichermodul in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser-Suspensionen bei einer Konzentration von 25 g/l 169

170 5.5 Anhang II - Serie 2 frisch trocken rehydratisiert NE BM CH CO COA Abb. 84 Lichtmikroskopische Aufnahmen der ZM der Serie 2 vor dem Trocknen, nach dem Trocknen und nach dem Rehydratisieren 170

171 Anhang II - Serie 2 frisch trocken rehydratisiert NE BM CH CO COA Abb. 85 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der ZM der Serie 2 vor dem Trocknen, nach dem Trocknen und nach dem Rehydratisieren (Übersichtsaufnahmen) 171

172 Anhang II - Serie 2 frisch trocken rehydratisiert NE BM CH CO COA Abb. 86 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der ZM der Serie 2 vor dem Trocknen, nach dem Trocknen und nach dem Rehydratisieren (Detailaufnahmen) 172

173 Anhang II - Serie 2 Tab. 21 Kennwerte der ZM der Serie 2 aus der Herstellung und vor der Trocknung Herstellung NE I NE II BM I BM II CH I CH II CO I CO II COA I COA II Ausbeute [%] bez. auf TS 8,6 8,5 7,3 7,2 5,9 5,5 5,0 5,1 2,8 2,8 Ausbeute [g] bez. auf kg 13,2 12,5 9,9 9,8 8,5 8,2 7,2 7,0 4,2 4,3 Rohware vor der Trocknung Rheologie - Casson-Fließgrenze [Pa] 7,7 6,6 28,4 71,4 65,2 48,0 48,9 44,8 20,6 27,8 - Casson-Viskosität [Pa*s] 0,28 0,14 0,54 0,49 0,60 1,18 0,58 0,76 1,04 0,77 - effektive Viskosität [Pa*s] 1,9 1,4 5,2 10,2 10,8 10,9 8,5 8,5 5,9 6,3 Kapillardruckmethode - WRK 0 [g/g] 29,9 35,36 77,59 73,55 58,45 66,68 75,20 82,89 26,28 23,84 - WRK 1 [g/g] 9,34 13,01 21,59 20,23 18,22 19,74 18,70 19,97 20,04 18,65 - proz. Wasserabgabe [%] 68,7 63,2 72,7 72,5 68,8 70,4 75,2 76,2 23,4 21,7 Kinetik 1. Ordnung WRK = WRK 1 + (WRK 0 - WRK 1) * exp (k * t) - WRK 0 [g/g] 24,91 32,62 61,54 66,37 60,25 66,20 67,55 69,85 25,99 23,78 - WRK 1 [g/g] 9,76 14,88 24,01 27,98 18,89 19,99 20,76 22,33 20,43 19,28 - Zeitkonstante k*10000 [1/s] Bestimmtheitsmaß R^2 0,9682 0,9706 0,9567 0,9655 0,9969 0,9987 0,9746 0,9720 0,8736 0,8406 Partikelanzahl [Partikel/g] 1,10E+09 1,08E+09 8,41E+08 8,38E+08 1,05E+09 7,63E+08 8,70E+08 9,52E+08 3,12E+08 2,98E+08 rote Markierung: irreguläre Bedingungen bei den rheologischen Messung (Abpressen von Wasser) 173

174 Anhang II - Serie 2 Tab. 22 Kennwerte der getrockneten ZM der Serie 2 getrocknet NE I NE II BM I BM II CH I CH II CO I CO II COA I COA II Helligkeit 85,97 86,27 93,51 91,00 87,59 87,72 98,09 98,31 99,22 99,23 a-wert (rot) 3,06 2,6 1,10 1,76 2,54 2,5-0,27-0,29-0,05-0,06 b-wert (gelb) 13,25 12,72 6,92 9,56 14,59 17,66 2,15 2,05 0,15 0,24 Schüttdichte [g/cm 3 ] 0,115 0,115 0,067 0,067 0,080 0,094 0,077 0,077 0,133 0,134 Feststoffdichte [g/cm 3 ] 1,742 1,545 1,598 1,585 1,676 1,766 1,870 1,944 1,662 1,560 Porosität [%] 93,4 92,5 95,8 95,8 95,2 94,7 95,9 96,0 92,0 91,4 Galacturonangehalt [%] 20,69 20,74 18,69 17,33 8,29 8,90 9,37 9,95 7,08 7,45 Veresterungsgrad [%] 73,47 70,01 70,04 73,35 59,36 59,25 53,50 56,35 0,58 0,80 Glucose [%] 38,25 38,62 43,98 44,23 51,25 50,46 55,32 54,58 72,22 71,14 Eiweiß [%] 4,95 5,78 2,49 2,96 3,95 4,12 1,97 2,02 0,25 0,27 Asche [%] 0,63 0,61 0,26 0,36 0,19 0,11 0,1 0,07 0,11 0,13 Zuckerbausteinanalyse [%] - Rhamnose+Wasser 0,81 0,79 0,90 0,73 0,54 0,66 0,63 0,58 0,56 0,62 - Fucose 0,58 0,60 0,85 0,78 0,96 1,09 1,07 1,09 0,11 0,12 - Arabinose 6,71 6,37 8,37 7,42 6,27 6,30 5,16 5,16 4,37 4,14 - Xylose 5,93 5,94 7,03 6,95 7,19 8,09 8,53 8,79 3,53 3,44 - Mannose 6,98 3,83 2,47 3,62 3,64 2,50 6,36 3,99 5,61 5,90 - Galactose 6,07 7,01 7,68 8,07 7,52 7,07 6,94 6,66 4,78 4,72 - Glucose 27,65 25,54 30,02 26,76 31,32 28,05 39,89 41,67 31,01 28,54 Partikelanzahl [Partikel/g] 1,41E+09 1,71E+09 6,60E+08 5,94E+08 7,72E+08 6,15E+08 6,99E+08 6,71E+08 2,62E+08 2,23E+08 Aggregation 0,78 0,63 1,27 1,41 1,36 1,24 1,24 1,42 1,19 1,33 Siebanalyse - Anteil < 80 µm [%] 2,87 5,43 2,09 3,74 1,87 0,63 3,78 2,80 55,64 45,75 - Anteil µm [%] 80,54 87,76 93,38 62,13 76,54 89,27 68,61 82,69 43,99 53,74 - Anteil > 500 µm [%] 16,60 6,78 4,53 34,13 21,59 10,10 27,60 14,51 0,37 0,51 174

175 Anhang II - Serie 2 Tab. 23 Kennwerte der rehydratisierten ZM der Serie 2 NE I NE II BM I BM II CH I CH II CO I CO II COA I COA II Rheologie 9,0 8,6 9,1 9,6 14,2 12,6 13,6 12,6 2,7 0,8 - Casson-Fließgrenze [Pa] 34,2 29,5 58,3 54,8 125,7 116,1 88,9 79,3 7,4 1,2 - Casson-Viskosität [Pa*s] 1,53 1,69 0,48 0,71 0,06 0,03 0,59 0,64 0,62 0,28 - effektive Viskosität [Pa*s] 9,0 8,6 9,1 9,6 14,2 12,6 13,6 12,6 2,7 0,8 Filtrationsmethode - WRK 80 [g/g] 53,52 54,04 56,81 62,34 49,45 44,57 52,92 53,52 27,42 24,62 - WRK 20 [g/g] 41,44 38,21 37,27 37,16 35,85 34,26 45,70 42,55 23,01 21,22 Kapillardruckmethode - WRK 0 [g/g] 70,93 64,83 77,45 80,72 65,30 58,97 73,12 70,07 28,40 25,00 - WRK 1 [g/g] 26,29 23,36 24,02 25,30 24,08 23,01 22,44 21,94 23,21 21,34 - proz. Wasserabgabe [%] 62,9 64,0 69,0 68,7 63,1 61,0 69,3 68,7 18,3 14,6 Kinetik 1. Ordnung WRK = WRK 1 + (WRK 0 - WRK 1) * exp (k * t) - WRK 0 [g/g] 62,17 57,57 69,23 73,50 65,60 59,33 73,12 68,86 28,13 24,86 - WRK 1 [g/g] 30,93 26,26 26,24 27,29 24,81 23,90 23,50 22,99 23,52 21,58 - Zeitkonstante k *10000 [1/s] Bestimmtheitsmaß R^2 0,9373 0,9666 0,9739 0,9792 0,9961 0,9918 0,9951 0,9905 0,8676 0,8554 "bed volume technique" - maximales Quellvolumen 104,3 101,8 102,4 107,7 78,6 73,8 85,8 86,2 29,3 26,4 [ml/g] - proz. Volumenzunahme [%] rote Markierung: irreguläre Bedingungen bei den rheologischen Messung (Abpressen von Wasser) 175

176 Anhang II - Serie 2 Tab. 24 Kennwerte der zeitabhängigen rheologischen Messungen zur Untersuchung des Strukturaufbaus der ZM der Serie 2 Timesweep-Messungen 40g/l NE I NE II BM I BM II CH I CH II CO I CO II COA I COA II (2min) [Pa] (180min) [Pa] t SB (Strukturierungsbeginn) [min] t WP (Wendepunkt) [min] WP (Wendepunkt) [Pa] Anstieg des linearen Teils [Pa/min] 14,9 20,1 21,7 13,5 18,5 Zeitabhängige Rotationsmessungen mittels Helipath 40g/l NE I NE II BM I BM II CH I CH II CO I CO II COA I COA II M (2min) [Nm] 9,09E-04 2,17E-04 1,37E-03 1,84E-03 4,07E-03 3,49E-03 3,89E-03 4,14E-03 1,06E-03 1,07E-04 M (180min) [Nm] 1,67E-03 1,43E-03 1,58E-03 1,76E-03 2,86E-03 2,42E-03 2,56E-03 2,28E-03 1,57E-03 6,36E-05 t SB (Strukturierungsbeginn) [min] t Min (Minimum) [min] M Min (Minimum) [Nm] t WP (Wendepunkt) [min] 4 2,5 M WP Wendepunkt [Nm] 9,76E-04 2,42E-04 Anstieg des linearen Teils [Nm/min] 2,43E-05 2,40E-05 1,18E-06-4,43E-07-4,90E-07-2,67E-06-1,64E-06-2,50E-06 1,58E-05 2,17E-07 25g/l NE I NE II BM I BM II CH I CH II CO I CO II COA I COA II M (2min) [Nm] 4,20E-06 1,32E-06 1,74E-05 8,14E-05 1,93E-04 8,81E-05 1,16E-03 1,14E-03 2,48E-06 5,57E-07 M (180min) [Nm] 5,16E-04 3,72E-04 4,86E-04 6,50E-04 1,78E-03 1,59E-03 1,53E-03 1,48E-03 1,21E-05 6,86E-06 t SB (Strukturierungsbeginn) [min] 2 18,5 t Min (Minimum) [min] M Min Minimum [Nm] 1,26E-04 2,91E-04 4,36E-04 1,61E-04 t WP (Wendepunkt) [min] M WP Wendepunkt [Nm] 1,55E-04 1,15E-04 2,18E-04 3,64E-04 Anstieg des linearen Teils [Nm/min] 6,47E-06 3,95E-06 3,23E-06 3,68E-06 1,16E-05 1,21E-05-1,64E-06-2,77E-06 5,74E-07 4,08E

177 Anhang II - Serie Volumensummenverteilung Volumensummenhäufigkeit [%] NE I fr NE II fr BM I fr BM II fr CH I fr CH II fr CO I fr CO II fr COA I fr COA II fr Durchmesser [µm] Abb. 87 Partikelgrößenverteilung der ZM vor dem Trocknen (fr) 100 Volumensummenverteilung Volumensummenhäufigkeit [%] NE I re NE II re BM I re BM II re CH I re CH II re CO I re CO II re COA I re COA II re Durchmesser [µm] Abb. 88 Die Partikelgrößenverteilung der ZM nach Trocknen und Rehydratisieren (re) 177

178 Anhang II - Serie 2 0 Kapillardruckmethode prozentuale Wasserabgabe [%] NE I fr NE II fr BM I fr BM II fr CH I fr CH II fr CO I fr CO II fr COA I fr COA II fr Zeit [s] Abb. 89 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa der ZM vor der Trocknung (fr) 0 Kapillardruckmethode prozentuale Wasserabgabe [%] NE I re NE II re BM I re BM II re CH I re CH II re CO I re CO II re COA I re COA II re Zeit [s] Abb. 90 Kinetik der Wasserabgabe bei einer externen Belastung von 1 kpa nach dem Rehydratisieren der getrockneten ZM (re) 178

179 Anhang II - Serie 2 Quellvolumen [ml/g] Bed volume technique Zeit [min] NE I NE II BM I BM II CH I CH II CO I CO II COA I COA II Abb. 91 Kinetik der Wasseraufnahme mittels Bed volume technique der getrockneten ZM Frequenzsweep 10 5 NE I fr CH II fr Pa ' ' 10 4 NE II fr CO I fr ' ' BM I fr CO II fr ' 10 3 ' BM II fr ' COA I fr ' ' , Hz 10 2 Frequenz f CH I fr ' COA II fr ' Abb. 92 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen vor der Trocknung (fr) 179

180 Anhang II - Serie 2 0,4 0,38 0,36 0,34 0,32 0,3 0,28 0,26 0,24 0,22 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 Frequenzsweep , Hz 10 2 Frequenz f NE I fr NE II fr BM I fr BM II fr CH I fr CH II fr CO I fr CO II fr COA I fr COA II fr Abb. 93 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen vor der Trocknung (fr) Frequenzsweep 10 4 NE I re CH II re Pa 10 3 ' NE II re ' CO I re ' ' ' 10 2 BM I re ' CO II re ' 10 BM II re COA I re ' ' , Hz 10 2 Frequenz f CH I re ' COA II re ' Abb. 94 Speichermodul und Verlustmodul ' in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser- Suspensionen nach der Trocknung und der Rehydratisierung (re) 180

181 Anhang II - Serie 2 Frequenzsweep 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0, , Hz 10 2 Frequenz f NE I re NE II re BM I re BM II re CH I re CH II re CO I re CO II re COA I re COA II re Abb. 95 Verlustfaktor tan (δ) in Abhängigkeit von der Frequenz der ZM-Wasser-Suspensionen nach der Trocknung und Rehydratisierung (re) 110 Pa Rücklaufkurve NE I fr NE II fr CH II fr CO I fr BM I fr BM II fr CO II fr COA I fr 20 CH I fr COA II fr /s 10 Schergeschwindigkeit γ. Abb. 96 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen vor der Trocknung (fr) 181

182 Anhang II - Serie 2 Rücklaufkurve 150 Pa NE I re NE II re CH II re CO I re BM I re BM II re CH I re CO II re COA I re COA II re /s 10 Schergeschwindigkeit γ. Abb. 97 Fließkurven der ZM-Wasser-Suspensionen nach der Trocknung und Rehydratisierung (re) Timesweep 40g/l Pa NE I CH II NE II BM I CO I CO II BM II CH I COA I COA II min 180 Zeit t Abb. 98 Speichermodul in Abhängigkeit von der Zeit der ZM-Wasser-Suspensionen bei einer Konzentration von 40 g/l 182

183 Anhang II - Serie 2 Rotationsviskosimetrie 40g/l 5 mnm 4 NE I CH II 3,5 M M M 3 2,5 2 NE II BM I M M CO I CO II M M 1,5 1 BM II CH I M COA I M COA II 0,5 M M min 180 Zeit t Abb. 99 Drehmoment M in Abhängigkeit von der Zeit bei einer Drehzahl von 2 U/min der ZM- Wasser-Suspensionen bei einer Konzentration von 40 g/l 2 mnm Rotationsviskosimetrie 25g/l 1,6 NE I CH II 1,4 M M M 1,2 1 0,8 NE II BM I M M CO I CO II M M 0,6 0,4 BM II CH I M COA I M COA II 0,2 M M min 180 Zeit t Abb. 100 Drehmoment M in Abhängigkeit von der Zeit bei einer Drehzahl von 2 U/min der ZM- Wasser-Suspensionen bei einer Konzentration von 25 g/l 183

184 5.6 Anhang III - Serie Anhang III - Serie 3 Basismaterialien BM 3 BM 4 BM 5 BM 6 BM 7 BM 8 Abb. 101 Lichtmikroskopische Aufnahmen der Basismaterialien vor der Trocknung 184

185 Anhang III - Serie 3 Basismaterialien a) frisch trocken rehydratisiert BM 5 b) BM 5 a) BM 6 b) BM 6 Abb. 102 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von BM am Beispiel von BM 5 und BM 6 a) Übersichtsaufnahmen und b) Detailaufnahmen 185