Transfettsäuren: Wie kann ihr Gehalt in unseren Lebensmitteln reduziert werden?

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1 Schweizer Milchproduzenten Symposium für Ernährungsfachleute , Bern Transfettsäuren: Wie kann ihr Gehalt in unseren Lebensmitteln reduziert werden? Dr Constantin Bertoli Nestlé Product Technology Centre Konolfingen 351 Konolfingen 1 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

2 Inhaltsverzeichnis 1. Fette und Öle: funktionelle Komponenten unserer Lebensmittel Quellen für Transfettsäuren Verfahren zur Modifizierung von Fetten und Ölen Fraktionierung Härtung Umesterung Herausforderungen beim Ersatz von TFA-haltigen Fetten Zusammenfassung 3 6. Literatur 31 2 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

3 Der Fettgehalt unserer Lebensmittel variiert zwischen und 1 %. 1. Fette /Öle in Lebensmitteln Fettgehalte von verschiedenen Lebensmitteln Fettgehaalt (%) Salatöl Butter Mayonnaise Haselnuss Rahm Schokolade Wurst Vollmilchpulver Glace Vollmilch Magermilch Wasser 3 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

4 Viele Produkteigenschaften werden durch die Fett- / Ölkomponente im Lebensmittel beeinflusst oder gar bestimmt. 1. Fette /Öle in Lebensmitteln Beschaffung Struktur Kristallisation Schmelzverhalten Sensorik Lebensmittel Ernährung Fliesseigenschaften Haltbarkeit Herstellung Zusammensetzung 4 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

5 Die chemischen und physikalischen Eigenschaften eines Fettes bestimmen seine technologischen Eigenschaften. 1. Fette /Öle in Lebensmitteln Technologische Eigenschaften Fett / Öl Fettsäureprofil Unverseifbares Chemische Zusammensetzung Stereospezifische Fettsäureverteilung Physikalische Eigenschaften Ernährungsphysiologische Eigenschaften 5 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

6 Die technologischen Eigenschaften der natürlich verfügbaren Fette und Öle genügen nicht für die moderne Lebensmittelherstellung. 1. Fette /Öle in Lebensmitteln Saat- / Fruchtöle: Baumwollsaatöl Distelöl Maiskeimöl Olivenöl Rapsöl High oleic Rapsöl Sonnenblumenöl High oleic Sonnenblumenöl Sojaöl Palmöle: Palmöl Palmoleine Palmstearine Tierische Fette: Butterfette Fischöle Rindertalg Schweineschmalz Schokoladefette: Kakaobutter Mangokernfett Illipébutter* Sal* Sheabutter* * Wild Fats Laurische Fette: Kokosnussöl Palmkernöl Der Lebensmittelindustrie stehen ca. 2 natürlich vorkommende Fette und Öle zur Verfügung. 6 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

7 Teilhärtung: wichtigste Quelle für Transfettsäuren 2. Transfettsäurequellen Quellen von Transfettsäuren Dämpfung von Ölen mit mehrfachungesättigten Fettsäuren Artefakt der Raffination In allen Fetten und Ölen Typisch: <2 %, hochwertige Produkte: <1 % Wiederkäuerfette Milchfett und Körperfette Bis zu 8 %, häufig unter 5 % Teilgehärtete Fette und Öle Bis zu 6 % Transfettsäuren 7 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

8 Mehrfachungesättigte Fettsäuren sind sehr empfindlich auf trans-isomerisierung. 2. Transfettsäurequellen trans-isomerisierung von mehrfachungesättigten Fettsäuren während der Dämpfung Modellstudie: Rapsöl 6 % 6 % Isom erisierungsgrad (% ) Linolsäure Dämpfdauer (h) C18:1: Isomerisierungsgrad <.1 % Isom erisierungsgra d (% ) 25 4 C 225 C 2 2 C α-linolensäure 8 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern Dämpfdauer (h) Definition Isomerisierungsgrad (%): trans-isomere Fettsäure / (cis- + trans-isomere Fettsäure) x 1 25 C 225 C 2 C Bertoli et al., 1996

9 Die Dämpftemperatur und -dauer bestimmen den trans-isomeren-gehalt. 2. Transfettsäurequellen trans-isomerisierung von Rapsöl während der Dämpfung: Gesamt TFA-Gehalt und Isomerenverteilung TFA-Gehalt [%] Dämpfdauer: 6h Dämpftemperatur [ C] TFA-Gehalt [%] Total TFA C18:3 trans C18:2 trans C18:1 trans Dämpfdauer bei 25 C [h] c,c,t t,c,c t,c,t c,t,c Öle auch mit einem hohen Gehalt an mehrfachungesättigten Fettsäuren können heute industriell mit <1 % TFA hergestellt werden. Bertoli et al., Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

10 Im Wiederkäuermagen werden Transfettsäuren durch Bakterien gebildet. 2. Transfettsäurequellen trans-isomere in Wiederkäuerfetten Futter der Wiederkäuer Pansen Milchfett C 18:1 trans-isomere Linolsäure α-linolensäure Bio-Härtung (Bakterien) C18:2 cis,trans-isomere Konjugierte Linolsäure (CLA) C18: (Stearinsäure) Wiederkäuer-Milchfette: 1-6 (8) % trans-isomere abhängig von der Fütterung, Rasse, Klima 1 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

11 Die Verwendung von teilgehärteten Fetten ist in den vergangenen 5 Jahren sehr stark zurückgegangen. 2. Transfettsäurequellen Teilhärtung Wichtigste Quelle für Transfettsäuren Wird im folgenden Kapitel ausführlich diskutiert Teilgehärtete Fetten werden mehr und mehr ersetzt durch: Umgeesterte Fette Fraktionierte Fette High oleic Öle 11 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

12 Mit physikalischen und chemischen Methoden können die technologischen Eigenschaften der Fette und Öle gezielt modifiziert werden. 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Verfahren zur Modifizierung von Fetten und Ölen Physikalische Verfahren: Mischen von Fetten und Ölen Fraktionierung Chemische Verfahren mit Änderung an den Fettsäuren: Teilhärtung Durchhärtung Chemische Verfahren ohne Änderung an den Fettsäuren: Umesterung Kombinationen obiger Verfahren 12 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

13 Fraktionierung ergibt immer 2 Produkte, für beide sollte es eine Verwendung geben 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Prinzip der Trockenfraktionierung Fettkristalle (hochschmelzende Triglyceride) Tiefschmelzende Triglyceride Stearin Kristallisation Filtration Fett (völlig aufgeschmolzen) (Membranpressfilter od. Vakuumfilter) Olein Bsp.: Ausbeute Olein 7 % 13 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

14 Es stehen nur ganz wenige Fette für die Fraktionierung zur Verfügung 3. Modifizierung von Fetten / Ölen SFC Kurven von verschiedenen Fetten und Ölen Solid Fat Content (%) Teilgehärtetes Palmöl Kakaobutter Palmkernöl Palmöl Pflanzenöl Temperatur ( C) verwendet in der Vergangenheit Ausgangsmaterialien für Fraktionierung (plus Wild Fats für Schokoladeerzeugnisse, aber nicht Kakaobutter) 14 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

15 Palmöl ist das wichtigste Rohmaterial für Fraktionierung. 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Solid fat content (%) Solid Fat Content: Palmöl und Palmfraktionen Oleine Stearine Tem peratur ( C) PO: Palmöl POs: Palmstearin POo: Palmolein SPOo: Superpalmolein IV: Iodine value (Jodzahl) POs IV=17 POs IV=33 POs IV=4 PO IV=52 POo IV=56 POo IV=6 SPOo IV=65 Ausgangsmaterial Palmstearine: Hochschmelzend, hart, wachsig Bildung vom grossen Kristallen: schlechte Einbindung von flüssigen Fraktionen (Ausölen) Sandige Textur Abgereichert an natürlichen Antioxidantien (Tocopherole / Tocotrienole) Reduzierte oxidative Stabilität im Vergleich zu Palmöl trotz tiefem Gehalt an ungesättigten Fettsäuren Palmoleine: Fraktionen mit geringem Anteil an Festfett bei Raumtemperatur bis flüssig bei 1 C Angereichert an natürlichen Antioxidantien (Tocopherole / Tocotrienole) Gute oxidative Stabilität im Vergleich zu Palmöl trotz erhöhtem Gehalt an ungesättigten Fettsäuren 15 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

16 TFA-haltige Fette haben einen mittelhohen Schmelzpunkt was sie technologisch sehr interessant macht. 3. Modifizierung von Fetten / Ölen 1 trans Doppelbindung Elaidinsäure (trans C18:1 9) Schmelzpunkt (Smp): 43.7 C Trielaidin: Smp 42 C 1 cis Doppelbindung Ölsäure (cis C18:1 9) Schmelzpunkt: 16.3 C Triolein: Smp 5.5 C keine Doppelbindung Stearinsäure (C18:) Schmelzpunkt: 69.6 C Tristearin: Smp 73 C 16 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

17 Gehärtete Fette habe sehr gute technologische Eigenschaften. 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Wieso werden Fette und Öle gehärtet? Funktionalität: Festfettanteil (Solid fat content) Kristallisationseigenschaften Schmelzverhalten Oxidative Stabilität: Haltbarkeit des Fettes Haltbarkeit des Lebensmittels 17 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

18 Fetthärtung, ein sehr altes Fettmodifizierungsverfahren 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Die Geschichte der Fetthärtung 1897: Sabatier und Senderens entdecken die katalytische Härtung Reduktion von Ethylen zu Ethan in Gegenwart von Wasserstoff und einem metallischen Katalysator 192: der deutsche Chemiker Wilhelm Normann meldet das erste Patent an, das die Fetthärtung beschreibt Ab 195: die Seifenindustrie wendet als erste die Fetthärtung an um billige Rohstoffe zu produzieren. Die Lebensmittelindustrie (Margarine) folgt erst einige Jahre später. 2. Hälfte 2. Jh.: wichtigstes Modifizierungsverfahren für Lebensmittelfette und -öle 199: Mensink und Katan: trans-fettsäuren beeinflussen negativ das LDL-/ HDL-Cholesterin-Profil, Erhöhung des Risikos für Herzkreislauferkrankungen Ab 2: Fetthärtung wird mehr und mehr zum unerwünschten Fettmodifizierungsverfahren 18 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

19 Die Fetthärtung ist die bedeutendste Quelle für Transfettsäuren. 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Schema des Härtungsprozesses C C H 2, p, T C C Linolensäure Linolsäure Ölsäure Stearinsäure C18:3 trans Isomere C18:2 trans Isomere C18:1 trans Isomere bevorzugte Isomere Sehr breites Spektrum an Positionsisomeren bei allen drei Fettsäuren. 19 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

20 Teilhärtung verändert die physiko-chemischen Eigenschaften eines Fettes/Öles grundlegend. 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Solid Fat Content Kurve von Palmöl und teilgehärtetem Palmöl Solid fat content [%] Härtung Temperatur [ C] P Palmöl (2) Veränderung des Fettsäureprofiles durch Teilhärtung Gehalt (%) Palmöl P (3) (1) Eigenschaften von teilgehärteten Fetten: Oft sehr hoher TFA-Gehalt (bis zu 6 %) (1) Hoher Festfettgehalt (2) Gute sensorische (Schmelz)eigenschaften Sehr tiefer Gehalt an mehrfachungesättigten Fettsäuren (3) Oxidativ sehr stabil (4) SFA MUFA PUFA TFA Fettsäurefamilie (-) Rancimat Induktionszeit bei 12 C: Palmöl: 14 h P 44-46: 43 h (4) 2 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

21 Gehärtete Fette und Milchfett haben ein sehr unterschiedliches trans-isomeren-profil. 3. Modifizierung von Fetten / Ölen C18:1 trans-isomeren Verteilung in Butterfett und Margarine 5 Gehalt (%) Butterfat Margarine Position der trans-bindung Precht & Molkentin, Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

22 Welche Wirkungen haben die verschiedenen trans-isomere auf unseren Lipid-Metabolism? 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Natürlich vorkommende Transfettsäuren in Wiederkäuerfetten? Lipid-Metabolismus des Menschen Prozessgebildete Transfettsäuren in Fetten und Ölen 22 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

23 Einige Liefernten sind derzeit dabei von der chemischen zur enzymatischen Umesterung zu wechseln. 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Umesterung Chemische Umesterung: Katalysator: Natriummethylat S S S O S S S S O + O S + S + O + O + S + O S O S O O O O O Enzymatische Umesterung : Katalysator: - unspezifische Lipase - sn-1,3 spezifische Lipase S S S + O O O S S S + S O S O + S + O O O O S: Stearinsäure, O: Ölsäure sn-1,3 spezifische Lipase 23 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

24 Das Verfahren der Umesterung hat wieder eine enorme Bedeutung bekommen. 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Palmöl Umesterung: ein wiederentdecktes Verfahren (Herstellung von TFA-armen Fetten) Durchhärtung ( T, p, H 2, Ni als Katalysator) Durchgehärtetes Palmöl (FHPO) + Palmöl (PO) 5 % gesättige Fettsäuren 5 % ungesättige Fettsäuren Nur gesättigte Fettsäuren: 55 % Stearinsäure, C18: 45 % Palmitinsäure, C 16: Mischen Umesterung ( T, t, Na-methylat als Katalysator) Temperatur [ C] 24 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern Solid fat content [%] TFA: max. 1 % PHPO: teilgehärtetes Palmöl (zu ersetzen) FHPO PHPO Umgeestert PO

25 Die Kombination von Durchhärtung und Umesterung ergibt Fette mit interessanten funktionellen Eigenschaften. 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Kombination von verschiedenen Modifizierungsverfahren 1 Fettsäureprofile Solid Fat Content (%) (1) (3) Gehalt (%) 6 5 FHPKO 4 CI(FHPKO) 3 PKO 2 1 (2) PKO CI(FHPKO) FHPKO C12: C14: C16: C18: C18:1+2 Temperatur ( C) Fettsäure (-) Härtung: Erhöhung des Festfettanteiles (1) Reduzierung der ungesättigten Fettsäuren (2) Umesterung: Verbesserung des Abschmelzverhaltens (3) Keine Veränderung des Fettsäureprofils trans-isomere: Spuren PKO: Palmkernöl FHPKO: völlig durchgehärtetes PKO CI(FHPKO): chemisch umgeestertes FHPKO 25 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

26 Herkunft und Verarbeitung bestimmen den TFA-Gehalt. 3. Modifizierung von Fetten / Ölen Fett- / Öltyp TFA-Gehalt Extra virgin Öle Raffinierte Pflanzenöle und -fette Fraktionierte Fette Teilgehärtete Fette Durchgehärtete Fette Umgeesterte Fette Milchfette von Wiederkäuern Körperfett von Wiederkäuern Schweinefett Geflügelfette keine TFA max. 1 % max. 1 % bis zu 6 % max. 1.5 % häufig < 2 % aber abhängig von den Rohmaterialien bis zu 8 %, meist < 6 % bis zu 6 %, häufig tiefer max. 2 % max. 2 % 26 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

27 Mehrere Parameter müssen gemessen werden um die Verwendbarkeit eines Fettes zu evaluieren. 4. Herausfordeungen beim Ersatz Erfassung der funktionellen Eigenschaften eines Fettes 1 SFC Profile Oxidative Stabilität SFC (%) Temperatur ( C) Rancimat Induktionszeit 12 C (h) PHPO 6 Fett 5 1 Fett 2 4 Fett Fett 1 Fett 2 Fett 3 PHPO Fettsäureprofile Kristallisationsverhalten: Häufig entscheidend für die industrielle Anwendung Sehr schwierig zu messen Keine Labormethoden verfügbar Gehalt (%) Fett 1 Fett 2 Fett 3 PHPO TFA SFA MUFA PUFA 27 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

28 Die Verwendung von TFA-armen Fetten kann die Produkt- und Herstelleigenschaften eines Lebensmittels stark verändern. 4. Herausfordeungen beim Ersatz Herausforderungen beim Ersatz von TFA-haltigen Fetten Kristallisationverhalten der TFA-armen Fette Verzögerte Kristallisation reduzierte Leistung der Produktionsanlagen Zu schnelle Kristallisation Inhomogenität im Produkt Oxidative Stabilität der TFA-armen Fette Oxidativ weniger stabil Langwierige und teure Lagertests Sensorischen Eigenschaften Hochschmelzend wachsig beim Essen Veränderte Freisetzung der Aromastoffe Verändertes Geschmacksprofil Veränderte Produkttextur 1 zu 1 Ersatz meist nicht möglich Preis Oft höher im Preis 28 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

29 High oleic Öle werden besonders in der Fritierindustrie eingesetzt. 4. Herausfordeungen beim Ersatz Oxidationstabilität Fettsäureprofile von Ölen mit guter Oxidationstabilität Tocopherolprofil: HO-Sonnenblumenöl: 95 % α-tocopherol Gehalt (%) C16: C18: C18:1 C18:2 C18:3 Fettsäure (-) HO: high oleic HO-Sonne HO-Raps Palmolein IV 6 grösste Vitaminaktivität HO-Rapsöl: 4 % α-tocopherol 6 % γ-tocopherol gute antioxidative Wirkung HO-Raps ist derzeit noch etwas zu hoch im α-linolensäuregehalt (~3 %) für eine optimale Oxidationsstabilität Fettsäureprofil: Linolsäuregehalt, ca. 1 % Linolensäuregehalt, < 2 % 29 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

30 Zusammenfassung Der Gehalt an trans-isomeren hängt vom Fetttyp und dem Verarbeitungsprozess ab: Die Teilhärtung ist die Hauptquelle für trans-isomere, wird aber immer weniger angewendet. Bei der Dämpfung werden in geringen Mengen trans- Isomere von mehrfach ungesättigten Fettsäuren gebildet. Wiederkäuerfette enthalten natürlich trans-isomere. Fraktionierung und Umesterung bilden keine trans-isomere. Umgeesterte und fraktionierte Fette und High Oleic Öle werden sehr häufig verwendet um TFA-reiche Fette zu ersetzen. Ein 1 zu 1 Ersatz ist oft nicht möglich. Das Rezept und/oder das Herstellverfahren des Lebensmittels müssen angepasst werden. 3 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern

31 Literatur C. Bertoli et al. Formation of trans Fatty Acids during Deodorization of Low Erucic Acid Rapeseed Oil. in: S. S. Koseoglu, K. C. Rhee, R.F. Wilson, (eds.), Proceedings of the World Conference on Oilseed and Edible Oil Processing, vol. 2, AOCS Press, Champaign, J.M. Chardigny et al. Rationale and design of the TRANSFACT project phase I: A study to assess the effect of the two different dietary sources of trans fatty acids on cardiovascular risk factors in humans. Contemporary Clinical Trials 27, (26). R.H. Eckel et al. Understanding the Complexity of Trans Fatty Acid Reduction in the American Diet. American Heart Association Trans Fat Conference 26. Report of the Trans Fat Conference Planning Group. Circulation J. American Heart Association, April 11, 27. D.R. Kodali & G.R. List (eds.) Trans Fats Alternatives. AOCS Press, Champaign IL, 25. R.P. Mensink & M.B. Katan. Effect of dietary trans fatty acids on high-density and low-density lipoprotein cholesterol levels in healthy subjects. New England J. Medicine 323, (199). Y. Park & M.W. Pariza. Mechanisms of body fat modulation by conjugated linoleic acid (Review article). Food Research International 4, (27). D. Precht & J. Molkentin. Trans fatty acids: Implications for health, analytical methods, incidence in edible fats and intake. Nahrung 39, (1995). P. Wassell & N.W.G. Young. Food Applications of trans fatty acid substitutes. International J. Food Science and Technology 42, (27). 31 Symposium für Ernährungsfachleute, , Bern