104. Jahrgang August Deutsche Lebensmittel-Rundschau. Zeitschrift für Lebensmittelkunde und Lebensmittelrecht

DLR 104. Jahrgang August Deutsche Lebensmittel-Rundschau 2008 8 Zeitschrift für Lebensmittelkunde und Lebensmittelrecht BEHR'S VERLAG HAMBURG ZKZ 9982 Schubring et al. Seelachs (Pollachius virens) während der Eislagerung an Bord Qualitätsbestimmung Buchwald Kalium Eine Übersicht über die physiologischen Wirkungen Vivar-Vera et al. Chonching Rheological and Structural Changes of Chocolate Mass El-Enshasy et al. In Shake Flask and Bioreactor Cultures by Methanol Utilizing Bacteria Rubrobacter motiliticus nov. var. gelatinoliquificicans Cultivation Conditions Recht Rechtsprechung: BHG, Urteil vom 22. November 2007, IR Z 77/05 zu Luo-Han-Guo-Fruchtextrakt

Deutsche Lebensmittel-Rundschau 8 Redaktion Dr. Gabriele Lauser Dr. Hans Ackermann Prof. Dr. Alfred Hagen Meyer Redaktionsbeirat Prof. Dr. Ulrich Engelhardt Dr. Gerd Fricke Dr. Bernd Haber Prof. Dr. Alfred Hagen Meyer Dr. Axel Preuß Prof. Dr. Hildegard Przyrembel Michael Warburg Prof. Dr. Peter Winterhalter DLR Heft 8 August 2008 104. Jahrgang ISSN 0012-0413 DLRUAJ 104 (6) 365 408 Inhaltsverzeichnis FISCHQUALITÄT Reinhard Schubring, Sabine Mierke-Klemeyer, Michael Kroeger, Boris Oberheitmann, Ove Schimmer und Britta Hemmy Seelachs (Pollachius virens) während der Eislagerung an Bord Qualitätsbestimmung Fish Quality Gutted Saithe (Pollachius virens) during Iced Storage on Board 365 MINERALSTOFFE Marcus Buchwald Kalium Eine Übersicht über die physiologischen Wirkungen Mineral Nutrients Potassium: Physiological Effects (Review) 372 DARK CHOCOLATE G. Vivar-Vera, B.Torrestiana-Sanchez, J. A. Monroy-Rivera and E. Brito-De la Fuente Chonching Rheological and Structural Changes of Chocolate Mass Bitterschokolade Conchieren: Einfluss auf Rheologie und Struktur der Schokoladenmasse 376 VITAMIN B 12 PRODUCTION Hesham A. El-Enshasy, Samir Al laboudy, Bakery M. Haroun, Soad, S. Abdel-Aal and Tamer A. El Kelani In Shake Flask and Bioreactor Cultures by Methanol Utilizing Bacteria Rubrobacter motiliticus nov. var. gelatinoliquificicans Cultivation Conditions Vitamin-B 12 -Produktion Kultivierungsbedingungen von Rubrobacter motiliticus nov. var. gelatinoliquificicans im Schüttel- und Bioreaktor 383 Regelmäßig referiert in Chemical Abstracts Chemical Engineering and Biotechnology Abstracts Current Contents/Agriculture, Biology & Environmental Sciences Science Citation Index Recht / Laws and Regulations: Rechtsprechung: BHG, Urteil vom 22. November 2007, IR Z 77/05 zu Luo-Han-Guo-Fruchtextrakt 388 Deutsches und Europäisches Recht 392 DIN-, EN- und ISO-Normen 395 Informationen / News 396 Persönliches / Personal Column 403 Für Labor und Praxis / News from Economy 407 Impressum / Imprint VI B. Behr s Verlag GmbH & Co. KG Averhoffstraße 10 22085 Hamburg Telefon (040) 22 70 08-0 Telefax (040) 2 20 10 91 in Zusammenarbeit mit Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbh, Stuttgart Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008 Inhalt ı III

FISCHQUALITÄT Seelachs (Pollachius virens) während der Eislagerung an Bord Qualitätsbestimmung Reinhard Schubring 1#, Sabine Mierke-Klemeyer 1, Michael Kroeger 1, Boris Oberheitmann 2, Ove Schimmer 2 und Britta Hemmy 3 1 Max-Rubner-Institut (MRI), Bundesforschungsinstitut für Ernährung und Lebensmittel, Institut für Sicherheit und Qualität bei Milch und Fisch, Palmaille 9, D-22767 Hamburg 2 Sequid GmbH, Anne-Conway-Str. 9, D-28359 Bremen 3 Deutsche See GmbH, Qualitätssicherung, Maifischstr. 3 9, D-27572 Bremerhaven Zusammenfassung Die Abnahme der Frische von geschlachtetem Seelachs während der Eislagerung an Bord wurde über einen Zeitraum von 10 Tagen mit verschiedenen Methoden (sensorisch, chemisch, physikalisch) verfolgt. Eine sehr gute Korrelation zur Lagerzeit (Abweichungen von 1 1,5 Tagen) und zur sensorischen Bewertung nach der Qualitäts-Index-Methode (Abweichungen von weniger als 10 %) wurde mit der Zeitbereichsreflektometrie (Erfassung der komplexen Permittivität von Muskel und Haut) und der berührungslosen und zerstörungsfreien Oberflächenanalyse von Muskel und Haut erzielt. Beide Methoden gestatten mit geringem Aufwand und in kürzester Zeit eine Einschätzung der Frische des eisgelagerten Fisches. Summary The decrease in freshness of gutted saithe during iced storage on board for 10 days was monitored using different methods (sensory, chemical and physical). A very good correlation to the time of storage (deviation in the range of 1 to 1.5 days) and to the sensory evaluation by quality index method (deviation less then 10 per cent) was found by using time domain reflectometry of muscle and skin as well as by the use of the contactless and non-destructive image processing of tissue and skin. Both methods allow shortly and with low effort an estimation of the freshness of iced fish. Einleitung Die wissenschaftliche Literatur ist reich an Arbeiten über Qualitätsveränderungen an Fischen während der Eislagerung, der verbreitetsten Methode zur kurzzeitigen Präservierung von Fischen. Sucht man in den relevanten Datenbanken unter den Begriffen Fisch und Eislagerung so findet man 414 Einträge 1). Davon befassen sich allerdings nur drei Arbeiten unter anderem auch mit Seelachs 2 4). Somit ist festzustellen, dass Seelachs als Vertreter der Gadiden ein beliebtes Fangobjekt darstellt, seit Jahrzehnten im deutschen Fischsortiment eine bedeutende Rolle spielt und vom Fischinformationszentrum in Hamburg als Trendfisch beworben wird 5). 4,7 % der in Deutschland angebotenen Speisefische entfallen auf Seelachs und Seelachsprodukte. Das entspricht einem Pro-Kopf-Verbrauch von zurzeit etwa 500 Gramm (Fanggewicht) Seelachs pro Jahr. Es erschien unter diesem Gesichtspunkt durchaus angezeigt, die Qualitätsveränderungen dieser Fischart während der Eislagerung intensiver zu untersuchen. Neben den für derartige Untersuchungen vorwiegend eingesetzten sensorischen und chemischen Methoden gelangten hier erstmalig gemeinsam die Methode zur Erfassung dielektrischer Eigenschaften (komplexe Permittivität von Muskel und Haut) 6) und die berührungslose und zerstörungsfreie Oberflächenmusteranalyse von Muskelfleisch und Haut 7,8) zur Anwendung. Ziel der Untersuchung war daher eine komplexe Beschreibung der Qualitätsveränderungen von Seelachs während der Eislagerung an Bord. Material und Methoden Die Eislagerung von Seelachs erfolgte an Bord des FFS Walther Herwig III während der 304. Reise in die Nordsee und den Nordatlantik im Herbst 2007. Durch die zur Verfügung stehende Reisedauer konnte die Eislagerung nur über einen Zeitraum von 10 Tagen durchgeführt werden. Unmittelbar nach dem Fang auf der Egersund Bank (58 05,776N; 004 47,989E) wurde der Fisch, dessen Länge 43,4 ± 5,8 cm betrug, manuell ausgenommen (721 ± 330 g) und nach sorgfältigem Vermischen mit Scherbeneis in Eislagerkisten im Fischkühlraum des Schiffes bei 2 3 C eingelagert. Im Bedarfsfall wurden die Fische nachgeeist. Nach 1, 3, 5, 7, 9 und 10 Tagen wurden jeweils 5 Fische entnommen und bezüglich der nachfolgend aufgelisteten Qualitätsparameter untersucht. Die sensorische Beurteilung der Fischqualität umfasste die Bewertung der Seelachsfilets nach dem Garen für 8 min im Kochbeutel. Acht in der Beurteilung von Fischen erfahrene Prüfer, die jeweils alle Filets zu bewerten hatten, beurteilten die Qualitätsmerkmale Geruch, Aussehen, Geschmack und Konsistenz auf einer Bewertungsskala von 0...100. Je besser die Bewertung ausfiel, desto höher war die vergebene Punktzahl. Neben dieser so genannten Kochprobe wurde die Qualitäts-Index-Methode (QIM) angewendet, die auf # Dr. Reinhard Schubring, E-Mail: reinhard.schubring@blankenese.de Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008 Originalarbeiten ı 365

ein Schema zurückgeht, das originär durch die Tasmanian Food Research Unit in Australien entwickelt wurde 9). Die Methode basiert auf wohl definierten, charakteristischen Veränderungen von Attributen der äußeren Erscheinung des rohen Fisches wie Augen, Haut, Kiemen und auf einem Bewertungssystem bestehend aus 0 bis 2 oder 3 Bewertungspunkten je Merkmal. Je niedriger der Bewertungspunkt desto besser die Qualität und desto frischer der Fisch. Die zuerkannten Bewertungspunkte für alle festgelegten Attribute werden summiert und ergeben die sensorische Gesamtnote, den so genannten Qualitätsindex (QI). Perfekt frischer Fisch hat einen QI von 0, Fisch an der Grenze der Haltbarkeit hat den höchsten QI, der für Seelachs bei 21 liegt, wenn wie hier das Aussehen nicht mitbewertet wird 10). Der QI steigt linear mit der Lagerzeit in Eis an. An den Messtagen wurden jeweils 5 Fische von sechs mit der Methodik vertrauten Prüfern beurteilt. Neben der Sensorik wurde der Gesamtgehalt an flüchtigen N-Basen (TVB-N-Wert) bestimmt 11). Zur Herstellung des Perchlorsäureextraktes wurden 20 g Fischmus mit 180 ml 6%iger (w/v) Perchlorsäure für 30 s mit einem Ultra- Turrax homogenisiert, das Gemisch filtriert und der klare Perchlorsäureextrakt bis zur Untersuchung bei 28 C eingefroren. Die Bestimmung des ph-wertes (Labor-pH-Meter 761, Knick Elektronische Messgeräte, Berlin) erfolgte mittels Einstechelektrode an unterschiedlichen Orten (Filet, Kiemen und Bauchhöhle) der zur Prüfgruppe gehörenden Fische (n = 5) entsprechend 12). Die transversal durch den Fischkörper ausgeführte Messung der elektrischen Eigenschaften des Fischfleisches (Widerstand, Leitfähigkeit und Kapazität) mit einem Intellectron Fischtester VI stellt eine verlässliche Methode hinsichtlich der Lagerzeit des Fisches in schmelzendem Wassereis dar 13). Von jedem Fisch (n = 5) einer Prüfgruppe wurde der Fischtesterwert durch Messung auf der Laterallinie in Höhe der Analöffnung bestimmt. Weiterhin wurden instrumentelle Farbmessungen unter Verwendung eines Spektralfotometers spectro pen (Dr. Lange GmbH, Düsseldorf) auf der Haut- und Fleischseite der aus den ausgenommenen Fischen hergestellten Filets wie früher beschrieben 14) durchgeführt. Je Prüfgruppe erfolgten 25 Einzelmessungen. Die Zeitbereichsreflektometrie (TDR: Time Domain Reflectometry) misst die sogenannten dielektrischen Eigenschaften (komplexe Permittivität) des Gewebes 15). Die TDR ist ein Verfahren zur Messung der freien Beweglichkeit der Wassermoleküle im elektrischen Feld. Das Material (z. B. Fischfilet) wird in engen Kontakt mit einer offenen Koaxialleitung (Abb. 1) gebracht und die Reflexion des Messsignals (0,1 5GHz, TDR-Signal) gemessen 16). Die Reflexionen sind für die verschiedenen Qualitätszustände charakteristisch und werden mit Hilfe der multivariaten Statistik ausgewertet 17). Die gemessenen TDR-Signale hängen von unterschiedlichen Einflüssen (zu messendes Material, Beschaffenheit/Geometrie der Sonde, geräte-spezifische Variationen usw.) ab, sodass eine Extraktion der relevanten Informationen nötig ist. Jede TDR- Kurve besteht aus n Spannungswerten, die über die Zeit aufgetragen werden. Somit steht stellvertretend für jedes gemessene Objekt ein n-dimensionaler Vektor. Die Vektoren aller Messungen werden schließlich in einer Matrix zusammengefasst und mittels multivariater Statistik ausgewertet. Es werden zunächst die Hauptkomponen- Abb. 1 Frischemessung mit dem Sequid TDR ten (PC s: Principal Components) der TDR-Kurven berechnet 18). Dadurch wird die Anzahl der Eingangsvariablen auf r < n reduziert. Weiterhin sind alle Hauptkomponenten per Definition voneinander linear unabhängig, d.h. es besteht keine Kollinearität zwischen den einzelnen PC s. Anschließend werden die PC s mit der höchsten Relevanz für die zu bestimmende Zielgröße (Tage auf Eis bzw. QI) ausgewählt und mittels multipler linearer Regression mit dieser Größe korreliert. Es wird bei der hier durchgeführten Auswertung sowohl der Fehler der Kalibration (RMSE C ) und das zugehörige Multiple Bestimmtheitsmaß (R 2 ) als auch ein Fehler der Validation (RMSE V ) ausgewiesen. Letzterer wird mit Hilfe einer internen Vergleichsprüfung (ICV: Internal Cross Validation) ermittelt 19). Eine weitere Methode, die Daten zur Qualitätsbeurteilung und Prozesssteuerung in Verarbeitungssystemen liefern kann, ist die berührungslose und zerstörungsfreie Oberflächenanalyse vom Muskelfleisch und der Haut von Fischfilets. Mit Flächensensoren werden Muskel- und Hautmikrostrukturen erfasst, deren Ausprägung mit der Änderung der Qualität variiert. Ein Grund für die Variationen liegt im hierarchischen Aufbau biologischer Gewebe, durch den Änderungen in der molekularen und myofibrillären Struktur Auswirkungen auf Strukturen in größeren Längenskalen (Muskelfasern, Myomere) haben 19,20). Um Qualitätsinformationen von größeren Längenskalen abgreifen zu können, wird das Filet mit monochromatischem Licht unterschiedlicher Wellenlängen vom Ultraviolett bis zum nahen Infrarot bestrahlt und zu jeder Wellenlänge ein Bild von der gleichen Position erzeugt. Jedes Bild beinhaltet in Abhängigkeit von der eingestrahlten Wellenlänge unterschiedliche Informationen über einen Probenausschnitt von 10 mm x 10 mm auf der Filet- oder Hautoberfläche. Aus den so erhaltenen spektral signierten zweidimensionalen Bildern wird ein dreidimensionales Bild erzeugt, das aus 2 Längenkomponenten und einer Spektralkomponente besteht 7,8). Durch Berücksichtigung der Bildpunktwerte einschließlich ihrer 366 ı Originalarbeiten Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008

Abb. 2 Prinzipbild des Mustererkennungssystems zur Qualitätsbestimmung geometrischen Positionen auf dem Bildsensor zur Aufnahmezeit werden aus dem Multispektralbild dreidimensionale Daten der Oberflächenstruktur des Muskelgewebes oder der Haut abgeleitet. Für viele Qualitätsaussagen kann auf die Auswertung dreidimensionaler Daten verzichtet werden. Durch die Zusammensetzung einer Untermenge zu einer zweidimensionalen Merkmalsmatrix aus Verteilungsmustern lässt sich eine schnelle Auswertung mit multivariaten statistischen Methoden vornehmen, die die gestellten Anforderungen hinreichend erfüllt. Der experimentelle Aufbau des Systems besteht aus einer hochauflösenden filterlosen Graustufenkamera mit einer nahezu telezentrischen Spezialoptik, die für den interessierenden Wellenlängenbereich korrigiert ist (Abb. 2). Für den Aufnahmevorgang zur Erzeugung eines Multispektralbilds wird weniger als 1 s benötigt. Dabei werden die sequentiell durchgeführten monochromatischen Beleuchtungen unterschiedlicher Wellenlängen mit LED-Clustern realisiert, deren Ansteuerelektronik innerhalb des Aufnahmeprozesses von der Bildverarbeitungssoftware gesteuert wird. Für Qualitätsinformationen haben nur solche Musterdaten eine praktische Bedeutung, die neben geometrischen und physikalischen Informationen insbesondere Alterungsvorgänge des Gewebes widerspiegeln und damit auch eine Nähe zur sensorischen Qualitätsanalyse zeigen. QIM, insbesondere das QIM-Attribut Festigkeit, ist der Bildverarbeitung und Mustererkennung zugänglich und gestattet mit Hilfe eines sogenannten künstlichen Qualitätsindex (AQI) einen Transfer von Musterdaten in das QI-System 21). Für die Gewinnung von Strukturinformationen wird aus dem Multispektralbild ein Teilbild herausgeschnitten, das einen kleinen räumlichen, aber den gesamten spektralen Bereich überdeckenden, Bereich darstellt. In jeder spektralen Schicht werden Informationen über die lokale Muskel- oder Hautstruktur wie die lokale Wellenzahl, die lokale Phase, die Ausprägung der Parallelität der lokalen Struktur für jede eingestrahlte Lichtwellenlänge berechnet 22). Das Teilbild wird in einzelnen Schritten über das gesamte Multispektralbild verschoben und gestattet so die Generierung von Verteilungsmustern (Histogramme) für die unterschiedlichen Strukturattribute in Abhängigkeit von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts. Durch die Berücksichtigung von nur wenigen Punkten an identischen Verteilungspositionen für alle Wellenlängen lassen sich die Messwerte von einzelnen Attributen zu einer Merkmalsmatrix zusammenfassen, deren Anzahl Zeilen durch die Anzahl Wellenlängen und deren Anzahl Spalten durch die Anzahl ausgewählter Verteilungspunkte gegeben ist. Diese Merkmalsmatrix bildet die Grundlage für statistische Auswirkungen, die in den hier durchgeführten Untersuchungen mit der Partial Least Square Regression (PLSR) durchgeführt wurde 23). Ergebnisse und Diskussion Sensorik Mit zunehmender Lagerdauer der Fische in Eis ist erwartungsgemäß eine signifikante Verringerung ihrer Frische verbunden. Dieses dokumentiert sich in allen sensorisch bewerteten Qualitätsparametern, wie aus den Abbildungen 3 und 4 ersichtlich ist. Nach 10 Tagen Eislagerung liegt der QI bei 13 (Abb. 3). Intrapoliert man den QI-Verlauf über die Lagerdauer, so würde, ausgehend von der linearen Abhängigkeit des QI von der Lagerzeit (y = 3,1895 + 2,4495x), wenn das Ende der Verzehrsfähigkeit mit einem QI von 21 angenommen wird, diese nach etwas weniger als 20 Tagen erreicht. Dieser Wert stimmt mit praktischen Erfahrungen überein. Analog nimmt die sensorische Bewertung der Qualitätsparameter Geschmack, Geruch, Aussehen und Konsistenz des thermisch gegarten Fisches ab (Abb. 4). Der Qualitätsabfall über die Zeit äußert sich bei allen Parametern nahezu gleichartig und wird am besten als Polynom dargestellt. Für die einzelnen Qualitätsattribute gelten dabei folgende Gleichungen: Konsistenz: y = 91,5765 + 0,4554x 0,3907x 2 + 0,0014x 3 Aussehen: y = 93,2688 0,4414x + 0,0355x 2 0,0297x 3 Geruch: y = 96,7725 3,2201x + 0,6697x 2 0,0733x 3 Geschmack: y = 92,5219 + 0,9637x 0,5557x 2 + 0,01x 3 Die Lagerfähigkeit von Kabeljauloins in Eis (1,5 C) wurde mit der unter superchilled Bedingungen ( 0,9 C) verglichen, wobei letztere die Lagerfähigkeit von 9 auf 16 17 Tage erhöhte 24). Wenn die Fischstücke zusätzlich in modifizierter Atmosphäre verpackt wurden, verlängerte sich Abb. 3 Veränderungen des Qualitäts-Index während der Eislagerung von Seelachs (Mittelwerte, Fehlerbalken 95 % Konfidenzintervall) Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008 Originalarbeiten ı 367

Abb. 4 Veränderungen der sensorischen Beurteilung von Konsistenz (links oben), Aussehen (rechts oben), Geruch (links unten) und Geschmack (rechts unten) bei thermisch gegarten Filetportionen ( Kochprobe ) während der Eislagerung von Seelachs (Mittelwerte, Fehlerbalken 95 % Konfidenzintervall) die Lagerfähigkeit in Eis von 9 auf 14 Tage, während unter superchilled Bedingungen eine weitere Erhöhung der Lagerfähigkeit auf 21 Tage festgestellt wurde. Bei Anwendung der letztgenannten Kombination wurden jedoch Texturveränderungen in Richtung fleischartig festgestellt, die möglicherweise durch erhöhten Drip verursacht wurden. Zum Zeitpunkt des sensorischen Verderbs von eisgelagertem Kabeljaufilet nach 12 Tagen dominierte Photobacterium phosphoreum die Verderbsflora. Ketone (insbesondere 3-Hydroxy-2-butanon, 33 %) gefolgt von Aminen (Trimethylamin, 29 %), Alkoholen (15 %), Säuren (4%), Aldehyden (3 %) und einer geringen Menge an Estern (< 1 %) wurden als flüchtige Komponenten zum Zeitpunkt des Verderbs nachgewiesen 25). TVB-N, Kochverlust, ph-wert, Farbe und Fischtester Der TVB-N-Wert als objektiv bestimmbare Größe, die gemäß den europäischen Normen immer dann herangezogen werden soll, wenn sensorische Befunde Abweichungen in der Qualität vermuten lassen, zeigt einen Verlauf, der erkennen lässt, dass während der Untersuchungen der Gesamtgehalt an flüchtigen basischen N-Verbindungen nur geringfügigen Veränderungen unterliegt (Tab. 1). Der in der entsprechenden Entscheidung der Europäischen Kommission festgelegte Grenzwert 26) für die Verzehrsfähigkeit von Gadiden (dorschartige Fische) mit einem TVB-N von 35 mg/100 g wird nur zur Hälfte ausgeschöpft. In eisgelagertem Kabeljau zeigte der Gehalt an Trimethylamin eine signifikante exponentielle Beziehung zu Lagerzeit und sensorischer Bewertung 27). Bei der Kühllagerung von Goldmakrelenfilet (Coryphena hippurus) bei 7 C wurden dagegen bereits nach 3 Lagertagen TVB-N-Werte von 30 mg/100 g gefunden 28). Auch das Wasserbindungsvermögen (WBV) des Seelachsmuskels wird während 10tägiger Eislagerung nicht signifikant (p > 0,05) beeinträchtigt, wie der Kochverlust (Tab. 1) verdeutlicht. Die ph-werte unterliegen während der Eislagerung keinen signifikanten Veränderungen, wie sich aus den geringen Standardabweichungen der Mittelwerte über die gesamte Lagerzeit ergibt. Jedoch wird der ph-wert erwartungsgemäß vom Messort beeinflusst. So ist der ph-wert im Filet mit 6,77 ± 0,14 am niedrigsten, gefolgt von dem in den Kiemen (6,98 ± 0,22) und dem in der Bauchhöhle gemessenen ph-wert mit 7,01 ± 0,16. Hierbei sind die Unterschiede in den ph-werten zwischen Filet und Kiemen sowie Bauchhöhle signifikant (p < 0,05), der zwischen Kiemen und Bauchhöhle dagegen nicht (p > 0,05). Bei Untersuchungen des WBV von wild gefangenem und gefarmtem Kabeljau während der Eislagerung wurde festgestellt, dass gefarmter Kabeljau die niedrigsten ph-werte aufwies, jedoch keine signifikanten Unterschiede im WBV zu verzeichnen waren. Hier kann auch die Mikroflora, die wild gefangenen Kabeljau von gefarmten unterscheidet, eine wesentliche Rolle spielen 29). Die Ergebnisse der instrumentellen Farbmessungen (Tab. 2) zeigen nur unwesentliche Veränderungen in der Helligkeit (L*) sowohl auf der Haut (y = 0,1244x + 44,674; R 2 = 0,4718) als auch im Fleisch (y = 0,372x + Tab. 1 Veränderung von TVB-N (±SD) und Kochverlust (±SD) während der Eislagerung von Seelachs Lagertag 0 1 3 5 7 9 10 TVB-N [mg/100 g] 13,9±1,1 13,5±0,7 11,8±0,7 11,8±1,3 15,0±2,7 17,2±1,8 18,2±2,2 Kochverlust [%] n.b. 13,0±1,9 14,1±2,4 11,3±3,9 14,1±2,4 14,7±4,1 15,7±4,5 Tab. 2 Veränderung der CIELab-Werte (L*, a*, b*) auf der Haut und im Fleisch während der Eislagerung von Seelachs (Mittelwert ± SD) Lagertag 1 3 5 7 9 Fleisch L* 26,57±1,51 28,92±0,95 29,22±1,55 30,81±1,75 29,35±0,81 a* 2,51±0,12 2,18±0,19 2,13±0,26 1,99±0,21 2,04±0,27 b* 1,68±1,00 1,71±0,53 1,79±1,05 0,46±0,95 1,24±1,11 Haut L* 44,56±4,28 43,88±8,76 44,45±8,62 44,24±4,82 43,14±6,32 a* 1,37±0,78 2,52±0,67 1,97±0,93 1,68±0,20 1,83±0,57 b* 2,11±2,01 1,03±1,99 1,23±2,82 0,45±2,14 0,31±2,31 368 ı Originalarbeiten Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008

Abb. 5 Entwicklung der Fischtester-Werte während der Eislagerung von Seelachs (Mittelwerte, Fehlerbalken: 95 % Konfidenzintervall) 27,115; R 2 = 0,592). Während die Rotwerte (a*) sich ebenfalls, unabhängig ob auf der Haut oder im Fleisch gemessen, nur geringfügig während der Eislagerung verändern, unterliegen die Gelbwerte (b*) größeren Schwankungen. Für den Peak, der sich auf der Haut und im Fleisch am Tag 7 abzeichnet, gibt es bisher keine Erklärung. Die mit dem Intellectron Fischtester VI ermittelten Werte (Abb. 5) weisen eine weitgehend lineare Beziehung zur Lagerzeit auf und nehmen mit zunehmender Lagerzeit bedingt durch die Abnahme des Widerstands des Fisches mit verringerter Frische signifikant ab (y = 75,6571 5,0786x). Die an frisch gefangenem Fisch gemessenen Werte stimmen gut mit früher beschriebenen überein 13). Ebenfalls Modifikationen der elektrischen Eigenschaften des Muskelgewebes werden mit einem Torrymeter gemessen. Auch die Torrymeter-Werte verringern sich mit abnehmender Frische. Kürzlich wurde bei der Untersuchung der Qualitätsveränderungen von gefarmter Goldbrasse (Sparus auratus) and gefarmtem Wolfsbarsch (Dicentrarchus labrax) während der Eislagerung dieses Gerät neben anderen Methoden verwendet 30). Dabei wurde eine hochsignifikante Korrelation des K-Wertes, also des Verhältnisses von Inosin + Hypoxanthin zu Adenosin-5-triphosphat (ATP) und Abbauprodukten, zur Lagerzeit und den sensorischen Eigenschaften des rohen Fisches ermittelt. Die Korrelation der Torrymeter-Werte zur Lagerzeit oder zu sensorischen Eigenschaften war dagegen deutlich geringer. Zeitbereichsreflektometrie Die Beweglichkeit der Wassermoleküle im intakten Muskel unterscheidet sich von der eines proteolytisch veränderten Gewebes. Das Wassermolekül bildet infolge seines Dipolcharakters Hydrathüllen um alle polaren zellulären Biomoleküle, wie Proteine, Membranen u.a. und schränkt dadurch die freie Beweglichkeit des Wassers ein. Somit ändern sich die dielektrischen Eigenschaften (Permittivität) und die Beweglichkeit des Wassers. Gleiches trifft auch dann zu, wenn durch Gefrieren und Auftauen die Zellstrukturen eines Muskelgewebes zerstört werden und zellulär gebundenes Wasser freigesetzt wird. Die entsprechenden Ergebnisse der TDR-Messungen sind in Abbildung 6 dargestellt. Die ermittelten Fehler der Kalibration und Validation liegen unter 1,5 Tagen, sodass eine gute Genauigkeit der Vorhersage der Lagerdauer auf Eis aufgrund der TDR Messungen möglich ist (Abb. 6). Auch die Übereinstimmung mit QIM Werten ist gegeben. Der Fehler ist hier etwa gleich groß. Das Bestimmtheitsmaß liegt bei ca. 90%. Ein linearer Zusammenhang wird hierbei angenommen (Abb. 6). Die Methode zur Bestimmung des Qualitäts-Index hat sich als geeignete Methode zur sensorischen Bewertung der Abnahme der Frische des Fisches während der Eislagerung erwiesen. Sie verdeutlicht die lineare Beziehung zwischen Lagerdauer und Frische. Daher wird der QI als der Standard angesehen, an dem sich die mit der Sequid TDR-Methode ermittelten Ergebnisse messen lassen müssen. Ein Vergleich der QI-Bewertungen mit den TDR-Ergebnissen zeigt eine gute Übereinstimmung (Abb. 6). Die TDR-Messung liefert in wenigen Sekunden Ergebnisse, so dass für einen Routineeinsatz beste Voraussetzungen gegeben sind. Das Interesse an derartigen physikalischen Methoden zur Qualitätsbewertung von Frischfisch oder zur Unterscheidung von gefrorenen und aufgetauten Fischen ist unvermindert hoch, wie sich aus aktuellen Arbeiten entnehmen lässt. Schädigungen in biologischem Material (Fischmuskel), die durch Gefrieren oder Erhitzen verursacht wurden, bewirkten signifikante Veränderungen der elektrischen Impedanzwerte 31). Bei Untersuchungen der Möglichkeiten, die bioelektrische Impedanz-Analyse im Frequenzbereich zwischen 1 Hz 1 MHz anzuwenden, wurde für 78% der Untersuchungsproben eine korrekte Klassifizierung gefunden, Abb. 6 Seelachs, Filet außen: Tage auf Eis, PC s 1 2 4 (links); QIM, PC s 1 2 4 (rechts) Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008 Originalarbeiten ı 369

wobei sich der Frequenzbereich von 500 Hz 1 MHz als der zweckmäßigste herausstellte 32). Musteranalyse Bei der Oberflächenanalyse wurden Multispektralbilder von Seelachsfilets während der Lagerung in Eis erzeugt. Sämtliche Proben wurden mit 8 unterschiedlichen Wellenlängen signiert (400, 450, 505, 572, 630, 700, 750, 810 nm). In Abbildung 7 sind die Ergebnisse für Muskelfleisch und Haut dargestellt. Genauigkeitsunterschiede in der Klassifikation zwischen Muskelfleisch und Haut sind im Messverfahren begründet, das auf der Orientierungsanalyse von Muskelfasern aufbaut. Während Muskelstrukturen lokal einfach gerichtet sind, zeigen Hautmuster lokal eine Mehrfachrichtung 33). Den Zusammenhang der Musterdaten mit dem QI zeigt Abbildung 8. In Tabelle 3 sind die Ergebnisse sämtlicher Versuche zusammengefasst. Die Ergebnisse der berührungslosen Musteranalyse zeigen, dass die Fehler bei der Korrelation zwischen Lagerzeit in Eis und den gemessenen Musterdaten unter 20 Stunden für Muskelfleisch und bei 30 Stunden für die Haut liegen. Die Fehler bei der Korrelation zwischen der Bestimmung des QI und den Musterdaten für Muskelfleisch und Haut sind nahezu identisch und liegen unter 10 %. Insgesamt zeigen die Daten der berührungslosen Oberflächenanalyse, dass diese ein geeignetes Hilfsmittel zur Qualitätsbe- Abb. 7 Korrelation zwischen Oberflächendaten vom Muskelgewebe und Lagerzeit (h) (links) und zwischen Oberflächendaten von der Haut und der Lagerzeit (h) für Seelachsfilet (rechts) Abb. 8 Korrelation zwischen Oberflächendaten vom Muskelgewebe und dem Qualitätsindex (links) und zwischen Oberflächendaten von der Haut und dem Qualitätsindex für Seelachsfilet (rechts) Tab. 3 Bestimmung der Lagerzeit und des Qualitätsindex aus Oberflächenmustern vom Seelachs. Angabe von R² (Bestimmtheitsmaß in %, coefficient of determination), die Angaben für SEC (standard error of calculation), SEP (standard error of prediction), RMSEC (root mean squared error calibration) und RMSEV (root mean squared error validation) in Stunden bzw. als Qualitätsindex (QI) T [ C] Muster Variable R² SEC SEP RMSEC RMSEV 0 Muskel Lagerzeit 96,90 15,40 16,50 15,00 16,30 0 Haut Lagerzeit 87,30 31,10 31,30 30,20 30,90 0 Muskel QI 93,70 1,29 1,33 1,25 1,31 0 Haut QI 86,50 1,89 1,22 1,84 2,19 370 ı Originalarbeiten Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008

urteilung von Fischereiprodukten sein kann. Wesentlich ist die sehr genaue Abbildung der Veränderungen des Muskelgewebes (aber auch der Haut) als Funktion der Lagerzeit und Lagertemperatur. Da viele weitere Qualitätsparameter linear mit der Lagerzeit (bei konstanter Temperatur) zusammenhängen, ist eine Kopplung der Musterdaten mit diesen Parametern durch einfache lineare Transformationen möglich. Andere Richtungen von Anwendungen von Bildverarbeitungstechniken bestehen in der Entwicklung automatischer Sortiertechniken 34). So gelang die Identifizierung 35) unterschiedlicher Fischarten zu 100 % Meeräsche (Mugil cephalus), 89 % Karpfen (Cyprinus carpio) bzw. 92 % Sankt Petersfisch (Zeus faber). Aus einem Massestrom unterschiedlicher Fischarten, die auf einem Fließband die Kamera mit einer Geschwindigkeit von 0,21 m/s passierten, wurden die Fischarten mit 95%iger Genauigkeit klassifiziert 36). Die Auseinandersetzung mit der Nutzung der Bildverarbeitung zur Bewertung der Qualität von Warmblüterfleisch 37) führt zu dem Schluss, dass zahlreiche Anwendungen die Verarbeitung von Farbbildern als eine nützliche Technik zur Bewertung der Fleischqualität ausweisen. Solche Qualitätsmerkmale, wie Farbe des Fleisches, sein Marmorierungsgrad, die Reife und die Fleischtextur können effektiv charakterisiert und quantifiziert werden. Mehrere Übersichtsarbeiten 38 40) setzen sich mit der Anwendung der Bildverarbeitung zur Qualitätsbeurteilung von Lebensmitteln auseinander. Letztere betont, dass sich die Anwendung der Bildverarbeitung zur Qualitätsbeurteilung von Lebensmitteln auf die Aspekte Farbe, Größe, Form und Textur konzentriert, und eine Kombination dieser Teilaspekte der Qualität sinnvoll erscheint 40). Schlussfolgerungen Die Eislagerung von unmittelbar nach dem Fang an Bord geschlachteten Fischen ist, wie hier am Beispiel von Seelachs gezeigt, durch natürlich ablaufende, qualitätsmindernde Veränderungen begleitet, die sich in signifikanten Veränderungen der Frische des Fisches manifestieren. Diese lassen sich insbesondere durch die Beurteilung der sensorischen Qualitätsparameter nach der Qualitäts-Index-Methode sowie auch am gegarten Muskel erfassen. Signifikante Korrelationen zu den sensorisch bewerteten Qualitätsparametern ergaben die beiden physikalischen Schnellmethoden, die bei diesen Untersuchungen zusätzlich zur Anwendung gelangten. Sowohl die Zeitbereichsreflektometrie, bei der die komplexe Permittivität von Muskel und Haut erfasst wird, als auch die berührungsfreie Oberflächenanalyse von Fischmuskulatur und Haut ergaben sehr gute Übereinstimmungen. Mittels TDR ist aufgrund der ermittelten Fehler der Kalibration und Validation von weniger als 1,5 Tagen eine gute Genauigkeit der Vorhersage der Lagerdauer in Eis gegeben. Vergleichbare Verhältnisse bei einem hohen Bestimmtheitsmaß von etwa 90% bestehen auch gegenüber dem QI. Die berührungsfreie Musteranalyse liefert für die Vorhersagen der Lagerdauer in Eis und für den Qualitätsindex ein Bestimmtheitsmaß von über 90 %, wenn die Messungen am Muskelfleisch vorgenommen wurden. Sie liegen etwas unter 90 % für Informationen von der Hautstruktur. Bei der Korrelation zwischen der Lagerzeit in Eis und den Messdaten liegt der ermittelte Fehler unter 20 h für Messungen am Muskelfleisch und etwa 30 h für Messungen der Haut. Eine derartig gute Übereinstimmung bei der Beurteilung abnehmender Frische des Fisches während der Eislagerung ist im Vergleich mit anderen sensorischen und physikalischen Methoden nur für TDR-Messungen und die Messung von Oberflächenmustern ersichtlich. Literatur 1) ISI Web of Knowledge, April 2008. 2) Karl H, Meyer C: Effect of early gutting on shelf life of saithe (Pollachius virens), haddock (Melanogrammus aeglefinus) and plaice (Pleuronectes platessa) stored in ice. J Verbr Lebensm 2, 130 137 (2007). 3) Karl H, Meyer C, Banneke S, Sipos G, Bartelt E, Lagrange F, Jark U, Feldhusen F: The abundance of nematode larvae Anisakis sp in the flesh of fishes and possible post-mortem migration. Arch Lebensmittelhyg 53, 118 120 (2002). 4) Karl H, Münkner W, Oehlenschläger J: Einfluss von Eis- und Tiefgefrierlagerung/Auftauen auf die Länge von Seefischfilets. Inf Fischwirtsch 44, 38 41 (1997). 5) http://www.fischinfo.de/. 6) Kent M, Knöchel R, Daschner F, Schimmer O, Oehlenschläger J, Mierke- Klemeyer S, Barr U-K, Floberg P: Dielectric spectroscopy and multivariate analysis: applications to fish quality measurements, Proceed. 5 th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances, Rotorua, New Zealand, pp 64 69 (2003). 7) Kroeger M: Image Analysis for monitoring the quality of fish. In: Luten JB, Oehlenschläger J, Olafsdottir G (eds.): Quality of fish from catch to consumer. Wageningen, Wageningen Acad. Publ., pp 211 224 (2003). 8) Kroeger M: Structural characterization of fish muscle tissue by image processing. In: Rehbein H, Karl H, Manthey-Karl M, Oehlenschläger J, Schubring R (eds.): Proceedings of the WEFTA Conference 2004, 12 15 September, Lübeck, Germany. German Federal Centre for Nutrition and Food, Department for Fish Quality, Hamburg, pp 192 195 (2004). 9) Bremner A: A convenient easy-to-use system for estimating the quality of chilled seafood. Fish Proc Bull 7, 59 70 (1985). 10) Schubring R, Oehlenschläger J: Fische und Fischerzeugnisse. In: Busch- Stockfisch, M. (Hrsg.): Praxishandbuch Sensorik in der Produktentwicklung und Qualitätssicherung. Behr s Verlag, Hamburg, Kap. V/2.1.1 (2006). 11) Bestimmung des Gehaltes von flüchtigen stickstoffhaltigen Basen (TVB- N) in Fischen und Fischerzeugnissen. Amtliche Sammlung von Untersuchungsverfahren nach 64 LFBG. L 10.003. 12) Messung des ph-wertes in Fleisch und Fleischerzeugnissen. Amtliche Sammlung von Untersuchungsverfahren nach 64 LFBG. Nr. 06.00-2. 13) Oehlenschläger J: The Intellectron Fischtester VI an almost forgotten but powerful tool for freshness and spoilage determination of fish at the inspection level. In: Ryder J, Ababouch L (eds.): Fifth World fish Inspection and Quality Control Congress. The Hague, Netherlands, 20 22 October 2003, FAO Fish. Proceed. No 1, Rome, FAO, pp 116 122 (2005). 14) Schubring R: Colour measurement on skin during storage of wet and frozen fish. In: Luten JB, Oehlenschläger J, Olafsdottir G (eds.): Quality of fish from catch to consumer: labelling, monitoring & traceability. Wageningen, Wageningen Acad. Publ., pp 251 263 (2003). Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008 Originalarbeiten ı 371

15) Kent M, Knöchel R, Barr U-K, Tejada M, Nunes L, Oehlenschläger J (eds.): SEQUID, A new method for the objective measurement of the quality of seafoods. Shaker, Aachen (2005). 16) Stuchly MA, Brady MM, Stuchly SS, Gajda G: Equivalent circuit of an open-ended coaxial line in a lossy dielectric. IEEE Transactions Instrumentation Measurement 31, 116 119 (1982). 17) Schimmer O, Oberheitmann B, Baumann F, Knöchel R: Instantaneous Distinction between double and single frozen Fish using a new handheld Time Domain Reflectometer. Proceed. 7 th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances, Hamamatsu, Japan, pp 167 174 (2007). 18) Martens H, Naes T: Multivariate Calibration. 1 st ed., John Wiley & Sons, Chichester, UK (1989). 19) Aguilera JM, Stanley DW: Microstructural Principles of Food Processing and Engineering. AN Aspen Publication, Gaithersburg (1999). 20) Schubring R, Sandau E: Technologisch bedingte Veränderungen der funktionellen, morphologischen und ultrastrukturellen Eigenschaften der Skelettmuskulatur ausgewählter Fischarten. Fisch-Forsch 27, 5 78 (1989) 21) Di Natale C: Data fusion in MUSTEC: Towards the definition of an Artificial Quality Index. In: Luten JB, Oehlenschläger J, Olafsdottir G (eds.): Quality of fish from catch to consumer. Wageningen, Wageningen Acad. Publ., pp 273 282 (2003). 22) Jähne B: Digital Image Processing, Springer, Berlin (1997). 23) Johnson RA, Wichern DW: Applied Multivariate Statistical Analysis. Prentice Hall, New Jersey (1992). 24) Wang T, Sveinsdóttir K, Magnússon H, Martinsdóttir E: Combined application of modified atmosphere packaging and superchilled storage to extend the shelf life of fresh cod (Gadus morhua) loins. J Food Sci 73, S11 S19 (2008). 25) Olafsdottir G, Jonsdottir R, Lauzon HL, Luten J, Kristbergsson K: Characterization of volatile compounds in chilled cod (Gadus morhua) fillets by gas chromatography and detection of quality indicators by an electronic nose. J Agr Food Chem 53, 10140 10147 (2005). 26) Commission Decision of 8 March 1995 fixing the total volatile basic nitrogen (TVB-N) limit values for certain categories of fishery products and specifying the analysis methods to be used (95/149/EC). 27) Hernandez-Herrero MM, Duflos G, Malle P, Bouquelet S: Amino acid decarboxylase activity and other chemical characteristics as related to freshness loss in iced cod (Gadus morhua). J Food Protect 65, 1152 1157 (2002). 28) Antoine FR, Wei CI, Otwell WS, Sims CA, Littell RC, Hogle AD, Marshall MR: Chemical analysis and sensory evaluation of mahi-mahi (Coryphaena hippurus) during chilled storage. J Food Protect 67, 2255 2262 (2004). 29) Olsson GB, Seppola MA, Olsen RL: Water-holding capacity of wild and farmed cod (Gadus morhua) and haddock (Melanogrammus aeglefinus) muscle during ice storage. Lebensm-Wiss Technol 40, 793 799 (2007). 30) Tejada M, Huidobro A, Mohamed GF: Evaluation of two quality indices related to ice storage and sensory analysis in farmed gilthead seabream and seabass. Food Sci Tech Int 12, 261 268 (2006). 31) Yu T-H, Liu J, Zhou Y-X: Using electrical impedance detection to evaluate the viability of biomaterials subject to freezing or thermal injury. Anal Bioanal Chem 378, 1793 1800 (2004). 32) Vidaček S, Medič H, Botka-Petrak K, Nežak J, Petrak T: Bioelectrical impedance analysis of frozen sea bass (Dicentrarchus labrax). J Food Engin 88, 263 271 (2008). 33) Aach T, Stuke I, Mota C, Barth E: Estimation of Multiple Local Orientations in Image Signals. In: Proceedings International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Montreal, Canada, Vol.III, pp 553 556 (2004). 34) Strachan NJC, Kell L: A potential method for differentiation between haddock fish stocks by computer vision using canonical discriminant analysis. ICES J Mar Sci 52, 145 149 (1995). 35) Zion B, Shklyar A, Karplus I: Sorting fish by computer vision. Comput Electr Agric 23, 175 187 (1999). 36) Storbeck F, Daan B: Fish species recognition using computer vision and a neural network. Fisheries Res 51, 11 15 (2001). 37) Tan J: Meat quality evaluation by computer vision. J Food Engin 61, 27 35 (2004). 38) Du C-J, Sun D-W: Recent developments in the applications of image processing techniques for food quality evaluation. Trends Food Sci Technol 15, 230 249 (2004). 39) Zheng C, Sun D-W, Zheng L: Recent applications of image texture for evaluation of food qualities a review. Trends Food Sci Technol 17, 113 128 (2006). 40) Zheng C, Sun D-W, Zheng L: Recent developments and applications of image features for food quality evaluation and inspection a review. Trends Food Sci Technol 17, 642 655 (2006). MINERALSTOFFE Kalium Eine Übersicht über die physiologischen Wirkungen Marcus Buchwald # Dr. Paul Lohmann GmbH KG, Hauptstrasse 2, D-31860 Emmerthal Kalium wurde 1807 von Sir Humphry Davy entdeckt, der es durch Elektrolyse aus Kalilauge (KOH) isolierte. Kalium ist das siebenthäufigste Element in der Erdkruste und macht etwa 2,4 Gewichtsprozent ihrer Bestandteile aus 1). Natürliche Kaliumquellen Viele Kaliummineralien werden in Ablagerungen fossiler Seen und Meere gefunden und bilden relativ umfangreiche Lagerstätten, in denen Kaliumsalze leicht abgebaut werden können. In Norddeutschland entstanden vor etwa 250 Millionen Jahren während der Zechstein-Periode des oberen Perm durch Verdunstung eines flachen tropischen Meeres bis zu 1000 m starke Kali-Lagerstätten 2). Kalium findet sich auch in rezenten Ozeanen, kommt aber im Vergleich zu Natrium nur in relativ geringen Mengen vor. Physiologisch verfügbares Kalium ist in vielen Nahrungsmitteln vorhanden. Insbesondere ungekochtes Obst und Gemüse trägt zu einem beträchtlichen Teil zur Kaliumversorgung einer Person bei. Tabelle 1 gibt einen Über- # M. Buchwald, E-Mail: m.buchwald@lohmann-chemikalien.de 372 ı Originalarbeiten Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008

Die Abraumhalde des Kalibergwerks in Giesen, Deutschland Bild: Christoph Wilhelms Tab. 1 Kaliumgehalt von Nahrungsmitteln 3) Nahrungsmittel Portion Kalium [mg] Kartoffel, gebacken mit Schale 1, mittelgroß 926 Pflaumen, getrocknet (Dörrpflaumen) 1/2 Tasse 637 Rosinen 1/2 Tasse 598 Banane 1, mittelgroß 422 Tomate 1, mittelgroß 292 Sonnenblumenkerne ca. 30g 241 Orange 1, mittelgroß 237 Mandeln ca. 30g 200 blick über den Kaliumgehalt von Obst- und Gemüsesorten, die in der westlichen Ernährung üblich sind. Die Verarbeitung eines Nahrungsmittels, insbesondere durch Kochen, kann einen beträchtlichen Teil des Kaliums entfernen. Dünsten oder kurzes Anbraten bewahrt höhere Mineralkonzentrationen in Nahrungsmitteln. Allgemein liefert Obst meist größere Mengen Kalium als Gemüse, weil es für gewöhnlich ungekocht verzehrt wird 4). Kaliumgehalt im menschlichen Körper Sowohl in pflanzlichen als auch in tierischen Zellen ist Kalium das am häufigsten vorkommende Kation. In vielen Geweben besteht ein steiles Gefälle der Kaliumkonzentration zwischen dem Zellinneren und der extrazellulären Flüssigkeit. Das Cytosol enthält etwa 5,7 g/l K +, wogegen die Flüssigkeit in den Zellzwischenräumen Konzentrationen von K + zwischen 0,15 und 0,2 g/l 5) aufweist. Die hohe Kaliumkonzentration im Inneren der Zelle wird durch aktiven Transport erreicht. Ausgeführt wird der Transport von der Na + /K + -ATPase-Pumpe, einem Enzym in der Zellmembran. Es wurde in den fünfziger Jahren vom dänischen Physiologen Jens Christian Skou entdeckt, der Viele moderne Lebensmittel enthalten große Mengen an Natrium Bild: paologo Fotolia.com 1957 für seine Arbeit mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt wurde 6). Für den Transport von 1 g K + sind annähernd 90 kcal (376 kj) 5) erforderlich, die von zu ADP hydrolysiertem ATP bereitgestellt werden. Eine Transporteinheit umfasst zwei Kaliumionen, die in die Zelle hinein transportiert werden, und drei Natriumionen, die gleichzeitig aus der Zelle heraus transportiert werden. So wird das oben erwähnte Konzentrationsgefälle aufrechterhalten, wobei ein elektrisches Potenzial aufgebaut wird. Dieses Potenzial ist für zahlreiche wesentliche Körperfunktionen von grundlegender Bedeutung. Unter anderem werden beispielsweise die Übertragung von Nervenreizen, Muskelkontraktion und Herzschlag durch ein Gefälle in der Konzentration von Na + /K + ausgelöst. Kalium und Ernährung Vor der Entwicklung des Ackerbaus lebten die Menschen als Jäger und Sammler und ernährten sich hauptsächlich von Obst, Gemüse, Wurzeln, Samen und Nüssen sowie von beträchtlichen Mengen Fleisch. Die Versorgung der menschlichen Vorfahren mit Kalium über die Ernährung war wegen des hohen Kaliumgehalts vieler Obst- und Gemüsesorten gewöhnlich mehr als ausreichend (> 7,8 g/d 7) ) 8). Säure-Basen-Gleichgewicht und Knochendichte Tierische Proteine bestehen aus Aminosäuren, von denen wiederum einige Schwefel enthalten, beispielsweise Cystein und Methionin 4). Beim metabolischen Abbau schwefelhaltiger Aminosäuren entsteht Schwefelsäure. Diese Schwefelsäure trägt beträchtlich zur Gesamtmenge der im Körper erzeugten, nicht-kohlenstoffhaltiger Säuren (net rate of endogenous noncarbonic acid production; NEAP) Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008 Originalarbeiten ı 373

vollständig geklärt ist, welche Gewebearten dazu in der Lage sind. Das metabolische Produkt KHCO 3 kann nicht-kohlenstoffhaltige Säure aus dem Proteinmetabolismus 5) neutralisieren und dadurch den Verlust von Calcium aus den Knochen reduzieren 10). Das inverse Verhältnis zwischen der Pufferkapazität der metabolischen Nachfolger von Kaliumcitrat und Kaliummalat und der Mobilisierung von Knochenmaterial wird von zahlreichen Autoren anerkannt. Eine kontinuierliche Versorgung mit Citrat- und Malat-Anionen, die zu KHCO 3 metabolisiert werden, wird als eine sehr wirkungsvolle Methode der Neutralisierung metabolischer Säuren betrachtet, die ansonsten die Knochendichte beeinträchtigen und zu einer erhöhten Calciumausscheidung und zum Verlust von Hartgewebe führen könnten 4,5,7,10 12). Risikoeinschätzung Insbesondere Frauen profitieren von der Minimierung des Verlustes von Knochensubstanz Bild: PictureArt Fotolia.com bei. Dieser Wert beschreibt die Säurebelastung eines Körpers als Ergebnis der Säureproduktion einerseits und der Ausscheidung und Neutralisierung andererseits 7,9). Der menschliche Körper verfügt über verschiedene Mechanismen der metabolischen Säure entgegenzuwirken. Obwohl metabolische Säure teilweise direkt durch die Nieren eliminiert wird, reicht die Ausscheidung über den Urin allein nicht aus 4). Der Großteil der metabolischen Säure wird durch basische Calciumsalze aus dem Skelett neutralisiert, welches das größte Mineralreservoir des Körpers darstellt. Angenommen, ein Körper produziert durch eine gewohnheitsmäßige Ernährung fortlaufend Säure, verlangt dieser Prozess eine kontinuierliche Versorgung mit Calcium aus dem Skelett, weil die aus der Eliminierung der Säure stammenden Calciumsalze über die Nieren ausgeschieden werden und dem Körper damit verloren gehen. Somit erhöht die Aufrechterhaltung des Säure-Basen- Gleichgewichts im Körper durch die Mobilisierung von Knochenmaterial die Resorption von Hartgewebe und kann zu einer verringerten Knochendichte führen, die zu Altersosteoporose beitragen kann 4,10). Ein Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Hüftfrakturen und der Aufnahme von tierischem Eiweiß wird derzeit diskutiert 4). Ein wirkungsvoller Säure-Basen-Regulator ist die Pufferung metabolischer nicht-kohlenstoffhaltiger Säure mit Kaliumbicarbonat. Das bereits erwähnte, aus Pflanzen stammende Kalium spielt hierbei eine wichtige Rolle. Ein Großteil des Kaliums in Obst und Gemüse liegt als Kaliummalat und Kaliumcitrat vor. Diese Kationen werden in Bicarbonat umgewandelt, wobei jedoch noch nicht Proteinaufnahme einerseits und Versorgung mit Kaliumbicarbonat aus chemischen Vorstufen in Obst und Gemüse oder Nahrungsergänzungsmitteln andererseits beeinflussen den NEAP beträchtlich. Frassetto et al. entwickelten erfolgreich ein Modell für die Einschätzung des NEAP einer bestimmten Ernährung, wobei nur diese beiden Parameter berücksichtigt werden 9). Remer, Dimitriou und Manz nahmen die Urinausscheidungsrate von organischen Säuren und die Körperoberfläche einer Person hinzu, um die potenzielle Säurebelastung der Nieren (potential renal acid load; PRAL) aus der Ernährung 13) einzuschätzen, die die bei der Metabolisierung eines Nahrungsmittels im Körper erzeugte Säuremenge beschreibt. Käse hat beispielsweise eine sehr hohe PRAL, 100 g Parmesan erzeugen etwa 34 meq Säure, dieselbe Menge Fleisch, Fisch und Geflügel etwa 6 meq. Obst und Gemüse zeigen normalerweise eine negative PRAL, was es diesen Nahrungsmitteln ermöglicht, positive PRAL anderer Lebensmittel, insbesondere Fleisch und anderen tierischen Proteinquellen, zu kompensieren 4). Eine moderne Mischkost, die allgemein als gesund betrachtet wird, bietet genügend Kalium und dessen oben beschriebene Salze, da diese in vielen Nahrungsmitteln enthalten sind. Die Allgegenwart von Kalium in Nahrungsmitteln führte jedoch lange zu mangelndem Interesse an den vielseitigen Wirkungen dieses Minerals, weil Kaliummangel kaum auftrat und die entsprechenden Sekundäreffekte nicht zwangsläufig offenkundig sind. Aufgrund von bequemen, aber ungesunden Essgewohnheiten, insbesondere in der westlichen Welt und verwestlichten Gesellschaften, ging die Versorgung mit Kalium in den vergangenen Jahrzehnten immer mehr zurück (< 1,95 g/d 7) ). Zum Vergleich: In den USA wurde die empfohlene Aufnahmemenge (Adequate Intake AI) 374 ı Originalarbeiten Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008

Kalium und Schlaganfall Eine natriumreiche Ernährung kann Bluthochdruck verursachen Bild: paradoksb Fotolia.com von Kalium für Erwachsene auf 4,7 g/d festgelegt 5). Obwohl selten offensichtlich, sind Hypokaliämie, leichte chronische Übersäuerung und andere ernährungsbedingte Auswirkungen einer nachlässigen Lebensweise nicht selten zu beobachten. Kalium und Blutdruck Die Regulierung des Blutdrucks hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Es ist weithin akzeptiert, dass Kalium eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Blutdrucks spielt, und die aktuell beobachteten Ernährungsgewohnheiten mit wenig Kalium und viel Natrium werden häufig für eine Erhöhung des Blutdrucks verantwortlich gemacht 14 21). Im Gegensatz dazu stellt eine Ernährung mit mäßig erhöhtem Kalium anscheinend keine Gefahr für gesunde Erwachsene dar 7). Da in einigen Studien ein inverses Verhältnis zwischen einer Kaliumergänzung und dem Blutdruck nachgewiesen wurde 7,8,11,22,23), empfehlen Autoren für betroffene Personen häufig eine professionell überwachte Ergänzungsbehandlung mit Kalium 23,24). Das kann entweder durch die Änderung der täglichen Essgewohnheiten oder eine zusätzliche Verabreichung erfolgen. Sowohl Kaliumchlorid als auch organischen Kaliumsalzen wie Kaliumcitrat oder Kaliummalat, wie sie in frischem Obst und Gemüse vorkommen, wird eine blutdrucksenkende Wirkung zugeschrieben 23). Es wurde wiederholt berichtet, dass eine Ernährung, die reich an unverarbeitetem Obst und Gemüse ist, vor Schlaganfall schützt 11,22,25,26). Khaw und Barrett-Connor 22) beobachteten eine Senkung des Schlaganfallrisikos und der Sterblichkeit im Zusammenhang mit Schlaganfällen um 40 % bei einer leichten Erhöhung der täglichen Kaliumaufnahme (+0,39 g/d) unabhängig von anderen Ernährungsvariablen. Ascherio et al. berichteten ebenfalls über eine Beziehung zwischen Kalium, unter anderen Mineralien, und dem Auftreten von Schlaganfällen 24). Andere Autoren untersuchten die Wirkung von Kalium aus anderen Quellen als natürlichen Nahrungsmitteln in Bezug auf den Blutdruck und stellten ebenfalls eine inverse Korrelation fest. Die enge Beziehung zwischen Bluthochdruck und Schlaganfall ist weithin akzeptiert. Daher sehen die meisten Autoren die protektive Wirkung von Kalium in Bezug auf Schlaganfall darin, dass der Blutdruck gesenkt wird 11,24,25). Verschiedene Mechanismen, die einen direkten Einfluss von Kalium auf das Auftreten von Schlaganfällen erklären könnten, wie die Hemmung freier Radikale oder Veränderungen des Gefäßgewebes, werden zur Zeit diskutiert 24). Kalium und die Dr. Paul Lohmann GmbH KG Dr. Paul Lohmann ist der weltweit führende Hersteller und Anbieter von Mineralsalzen für Spezialanwendungen. Die Produkte des Unternehmens werden sowohl in Nahrungsmitteln, Nahrungsergänzungsmitteln, Kosmetika, pharmazeutischen und veterinär-pharmazeutischen Produkten als auch in Spezialfuttermitteln und technischen Anwendungen eingesetzt. In seiner breit gefächerten Produktpalette bietet Dr. Paul Lohmann eine interessante Auswahl an Kaliumsalzen für verschiedene Anwendungen, wie Nahrungsmittel- und Getränkeanreicherung oder Nahrungergänzung. Zur Produktpalette zählen zum Beispiel Kaliumcitrat, Kaliumlaktat, Kaliummalat, Kaliumchlorid und weitere Kaliumsalze in verschiedenen Lebensmittel- und Pharmaqualitäten. Literatur 1) http://periodic.lanl.gov/elements/19.html; accessed May 19, 2008; 15:50. 2) Landeskunde Niedersachsen (Band 1): Die erdgeschichtliche Genese des nordwestdeutschen Naturraumes (extract). http://www.stadt-land-oldenburg.de/pdf-texte/genese%20des%20nordwestdeutschen%20naturrau ms.pdf, accessed June 19, 2008; 15:15. 3) http://lpi.oregonstate.edu/infocenter/minerals/potassium/, accessed May 27, 2008; 13:08. 4) Demigné C, Sabboh H, Puel C, Rémésy C, Coxam C: Organic anions and potassium salts in nutrition and metabolism. Nutr Res Rev 17, 249 258 (2004). 5) Food and Nutrition Board, Institute of Medicine: Potassium. Dietary Reference Intakes for Water, Potassium, Sodium, Chloride, and Sulfate. Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008 Originalarbeiten ı 375

Washington, D. C. National Academies Press; 2004:173 246, taken from: http://www.nap.edu/openbook.php?record_id=10925&page=186, accessed May 27, 2008; 13:15. 6) http://en.wikipedia.org/wiki/na%2b/k%2b-atpase, accessed June 19, 2008; 16:00. 7) Demigné C, Sabboh H, Rémésy C, Meneton P: Protective Effects of High Dietary Potassium: Nutritional and Metabolic Aspects. J Nutr 134, 2903 2906 (2004). 8) Naismith DJ: The effect of low-dose potassium supplementation on blood pressure in apparently healthy volunteers. Brit J Nutr 90, 53 60 (2003). 9) Frassetto LA, Todd KM, Morris Jr RC, Sebastian A: Estimation of net endogenous noncarbonic acid production from diet potassium and protein contents. Am J Clin Nutr 68, 576 583 (1998). 10) Sebastian A, Harris ST, Ottaway JH, Todd KM, Morris RC: Improved mineral balance and skeletal metabolism in postmenopausal women treated with potassium bicarbonate. NEJM 330, 1776 1781 (1994). 11) He FJ, MacGregor GA: Fortnightly review: Beneficial effects of potassium. BMJ 323, 497 501 (2001). 12) Lemann J, Pleuss JA, Gray RW, Hoffmann RG: Potassium administration increase and potassium deprivation reduces urinary calcium excretion in healthy adults. Kidney Int 39, 973 983 (1991). 13) Remer T, Dimitriou T, Manz F: Dietary potential renal acid load and renal net acid excretion in healthy, free-living children and adolecents. Am J Clin Nutr 77, 1255 1260 (2003). 14) Intersalt Cooperative Research Group: Intersalt: an international study of electrolyte excretion and blood pressure. Results for 24 hour urinary sodium and potassium excretion. BMJ 297 (6644), 319 328 (1988). 15) Bachmann M et al.: Salzkonsum und Gesundheit Expertenbericht der Eidgenössischen Ernährungskommission, Bundesamt für Gesundheit. Bern 2005. 16) Food Safety Authority of Ireland: Salt and Health: Review of the Scientific Evidence and Recommendations for Public Policy in Ireland. http://www. fsai.ie/publications/reports/salt_report.pdf, Zugriff vom 19.02.08. 17) He J, Marrero NM, MacGregor GA: Salt and Blood Pressure in Children and Adolescents. J Hum Hypertens 22, 4 11 (2008). 18) He J, Ogden L, Vupputuri S, Loria C, Whelton P: Dietary Sodium Intake and Subsequent Risk of Cardiovascular Disease in Overweight Adults. JAMA 282 (21), 2027 2034 (1999). 19) Sacks FM et al.: Effect on Blood Pressure of Reduced Dietary Sodium and the Dietary Approaches to Stop Hypertension (DASH) Diet. NEJM 344 (1), 3 10 (2001). 20) U.S. Department of Health and Human Services National Institutes of Health. National Heart, Lung and Blood Institute: Your Guide To Lowering Your Blood Pressure with DASH. NIH Publication No. 06-4802, April 2006. http://www.nhlbi.nih.gov/health/public/heart/hbp/dash/new_dash. pdf, Zugriff vom 19.02.08. 21) WHO: The World Health Report 2002. http://www.who.int/whr/2002/en/, Zugriff vom 19.02. 22) Khaw KT, Barrett-Connor E: Dietary potassium and stroke-associated mortality. A 12-year prospective study. NEJM 316 (5), 235 240 (1987). 23) He FJ, Markandu ND, Coltart R, Barron J, MacGregor G: Effect of Short- Term Supplementation of Potassium Chloride and Potassium Citrate on Blood Pressure in Hypertensives. Hypertension 45, 571 574 (2005). 24) Ascherio A, Rimm EB, Hernán MA, Giovannucci EL, Kawachi I, Stampfer MJ, Willett WC: Intake of Potassium, Magnesium, Calcium and Fiber and Risk of Stroke Among US Men. Circulation 98, 1198 1204 (1998). 25) Goldstein LB et al.: Primary Prevention of Ischemic Stroke. Stroke 37, 1583 1633 (2006). 26) Gillman MW et al.: Protective effect of fruit and vegetables on development of stroke in men. JAMA 273 (14),1113 1117 (1995). DARK CHOCOLATE Chonching Rheological and Structural Changes of Chocolate Mass G. Vivar-Vera 1, B.Torrestiana-Sanchez 1, J. A. Monroy-Rivera 1 and E. Brito-De la Fuente 2 1 Food Research and Development Unit, Instituto Tecnológico de Veracruz, M. A. de Quevedo 2779, Veracruz, Ver, México, 91808 2 Business Unit Enteral Nutrition, Kabi Innovation Centre Fresenius, Fresenius Kabi SE, Else-Kröner-Strasse 1, D-61352 Bad Homburg v. d. H. Summary The evolution of rheological properties of dark chocolate mass during conching was studied using a mixing rheometry approach. A helical ribbon impeller fitted to a rheometer was used to estimate viscous properties as a function of power process parameters. Torque and rotational velocity data were transformed into power consumption curves and therefore into process viscosities. In addition, scanning electron microscopy (SEM) was used to assess structural changes in the mass. Conching was conducted at different temperatures (40, 60, 80 C) and rotor speeds (0.66, 1 s -1 ) in order to find the best conditions for producing Mexican dark chocolate. Mass samples showed a strong shear thinning behaviour which increased with conching time under all conching conditions tested. Conching at 60 C instead of 40 C produced less viscous and more pseudoplastic masses improving flow properties of dark chocolate. Increasing speed from 0.66 to 1 s -1 did not affect shear thinning behaviour but contributed to decrease the consistency index of the mass during the first half of conching. SEM showed the progress of de-agglomeration of sugar and covering of particles with cocoa fat. Micrographs revealed that chocolate mass structure became smoother and more homogeneous as conching progressed under all analyzed conditions. Increasing temperature and speed reduced conching time and increased smoothness in the final product. Zusammenfassung Durch Conchieren (Conche von span. Concha, die Muschel; ursprünglich Muschelform des Troges) wird bei Schokolade Struktur und Geschmack verändert. Neben Wasser verflüchtigen sich dabei aber auch Geruchs-, Bitter- und Aromastoffe. Da dunkle Schokolade für ihr natürliches bitteres 376 ı Originalarbeiten Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008

Aroma aber mehr Aromastoffe als Vollmilchschokolade benötigt, ist diese geschmackliche Veränderung nicht erwünscht. In der vorliegenden Arbeit wurden die rheologischen Eigenschaften von dunkler Schokolade während des Conchierens untersucht. Um die rheologischen Veränderungen zu bestimmen, wurde ein Wendelrührer an ein Rheometer angeschlossen. Mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) konnten die Strukturänderungen in der Schokoladenmasse verfolgt werden. Conchiert wurde bei 40, 60 und 80 C, die Rotorgeschwindigkeit lag bei 0,66 1 s -1. Durch Erhöhen der Temperatur und der Conchiergeschwingkeit konnte die Conchierdauer verringert und das Mundgefühl des Produktes verbessert werden. Introduction Conching is a fundamental process in chocolate manufacturing. Chocolate mass obtained from refining (particle size reduction) has an agglomerate appearance. During conching, chocolate mass undergoes a structural transition becoming a liquid suspension where cocoa particles and sugar crystals are suspended in the cocoa fat phase 1). Structural transition is achieved through an intense kneading process where thermal and mechanical energy is applied to disperse and disintegrate the large agglomerates found in the early stages of conching 2). In addition, an increase of free fat 3) as well as water content reduction with increasing conching time 4) helps to develop final chocolate flow properties. At the end of conching, molten chocolate must have a smooth texture, suitable flow behaviour, good fusion characteristics and improved chocolate flavour, due to the removal of undesirable volatile acid components 5). Therefore, conching is essential for the development of rheological and sensory properties of chocolate. In spite of this, very little information has been found on the flow properties of chocolate masses during conching, and those reported (Hoskin and Dimick 2), Boruch et al. 6), El-Deep et al. 7) ) are controversial mainly because conventional geometries were used and thus experimental data may be considered unreliable. Materials having structures with characteristic dimensions in the order of magnitude of the gap available for flow in conventional rheometers may be quite challenging in terms of their rheological characterization. Flow in standard geometries (concentric cylinders or cone and plate) yield distorted results when applied to non-homogeneous systems due to spurious phenomena like phase separation by settling, wall slippage and destruction of organized media 8). In addition, the momentum transfer equations, in which conventional rheometers are based, assume that the analyzed media is homogeneous and isotropic. Boruch et al. 6) found indications of wall interference effects with chocolate mass due to the accumulation of a fat layer on the cylinder wall when using 0.5 mm gap coaxial cylinders. The fat layer acted as a lubricant causing slipping of the mass on the walls. Rheological properties are an indication of product s structure and quality therefore reliable data are needed, in particular for heterogeneous systems such as chocolate masses. An alternative for getting better rheological data for complex systems such as chocolate mass is the mixing rheometry, where impellers such as the helical ribbon-type agitator (HR) have been used to measure the response from a fluid under deformation conditions similar to those found in actual flow processes 9 12). Using a helical ribbon impeller as a measuring device accurate power prediction data and thus process viscosities for highly shear thinning fluids and concentrated suspensions were obtained by Brito et al. 13). These authors reported absence of spurious flow phenomena and concluded that this system was a superior device to assess steady shear viscosity functions for heterogeneous suspensions and dispersions over conventional cone and plate and Couette geometries. Similar conclusions have been proposed later 14). On the other hand, micro-structural changes occurred during conching play an important role in controlling the flow characteristics of molten chocolate. If particles are very small, viscosity is high and additional fat is needed for particles coating and lowering chocolate viscosity 15). In this regard, controversy also exists on the physical changes occurring during conching and the extent of contribution of such changes to flow and flavour enhancement of chocolate. Based on scanning electron microscopy (SEM) observations, Hoskin and Dimick 2) reported no changes on size or shape of sugar and cocoa particles during conching. Therefore they suggested that conching is a physical process in which the mass agglomerates are dispersed and disintegrated and cocoa butter lubricates or coats the non fat particles. These changes were related to a decrease on plastic viscosity in the initial stages of conching followed by a plateau at the end of this process. Similarly Ziegleder 3) found that size distribution of individual particles of chocolate mass remains unchanged after conching, though they show smoother surfaces under the microscope. On the other hand, Boruch et al. 6) and El-Deep et al. 7) determined particle size reductions on chocolate masses after conching using micrometers and special counting instruments. These authors reported particle size decrements up to Photo Conching Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008 Originalarbeiten ı 377

11 μm and related this to an increase on apparent viscosity observed by the end of conching. Therefore there is a need to further understand the relationship flow-structure of chocolate masses throughout conching. Materials and Methods Formulation and conching Particle size of 1.5 kg toasted cocoa seeds was reduced by using an industrial stone disc refiner. Dark chocolate mass was prepared by mixing refined cocoa seeds with 1.5 kg of glass sugar according to the formulation used by a Mexican company (Mayordomo) for semisweet chocolate production. This formulation does not consider lecithin or fat addition during conching. The obtained mixture (dark chocolate mass) was a dry-paste which was considered suitable for processing. Conching was carried out in a laboratoryscale longitudinal conche having a tempered jacket, a thermostat and a rheostat which allow controlling temperature and speed during conching (Fig. 1). Conching time was set to 72 h in order to allow a complete structural development of chocolate mass. The effect of temperature (40, 60 and 80 C) and speed of mixing (0.66 and 1 s -1 ) during conching was evaluated using a 3x2x2 experimental design. All experiments were carried out with at least two replicates taken at pre-selected conching times. Rheological measurements Rheological measurements of dark chocolate mass were performed using a conventional concentric cylinder geometry with 1.0184 mm gap and a helical ribbon (HR) impeller fitted to a rheomether (Paar Physica, Rheolab MC1) equipped with a constant temperature bath (Haake, RV20- M5). Figure 2 shows the impeller-vessel system used. The mixing system was built in stainless steel by keeping geometrical similarity to that described by Brito et al. 13). Torque and rotational velocity data were recorded and transformed into power consumption curves from which effective or process viscosities were obtained following the procedure proposed by Brito et al. 13). Keeping the fluid motion in the laminar-mixing region, the torque T (Nm) is related to the rotational speed N (s -1 ) by: T = A(n)N n (1) where n is flow behaviour index, A(n) is a shear stress function dependent on the mixer geometry and on the flow behaviour index. This relation is analogous to the power equation also known as the Ostwald de Waele model used in absolute rheological measurements. A(n) is given by: A(n) = K p (n)md 3 (2) where d is impeller diameter, m is consistency index (Pa s n ) and K p (n) is the power input function which has successfully represented shear thinning effects on power input at different mixing scales 13,14,17,18). The flow behaviour index n, is then obtained by fitting Eq. (1) to the torque versus rotational speed raw data and the consistency index m, from Eq. (2). The calibration fluid was Newtonian glycerol at 30 ± 0.5 C, at rotational velocities from 0.016 8.33 s -1. In the laminar mixing regime (usually Re 10), Newtonian power consumption can be described by the following power input dimensionless relationship: N p = K p Re -1 where N p is the power number, Re is the Reynolds Number, and K p is a dimensionless constant. In this work the value of K p was determined as 162.79 ± 0.77 (standard deviation, s = 1). This value is identical to that found by Brito et al. 13) for a similar system. The experimental data were collected under stable laminar flow conditions. Fig. 1 Dimensions of the longitudinal conche used in the experimental work (all dimensions are in mm) Fig. 2 Helical ribbon and mixing system dimensions (all dimensions are in mm, from: Brito-De La Fuente E et al., Can J Chem Eng 76 (6), 689 (1998)) 378 ı Originalarbeiten Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008

This last was evidenced by stable torque readings and by analysis of the log-log plot of N p versus Re, from which a straight line with a slope of 0.99 (s = 0.01) was obtained. Measurements using the conventional Couette geometry were carried out by using a sample volume of 11.71 ml at rotational velocities from 0.001 1.66 s -1. On the other hand, measurements using the helical ribbon impeller were conducted by using 51.2 ml (according to mixing vessel geometry) as sample volume and rotational velocities from 0.001 3.33 s -1. Samples for rheological measurements were not collected from the beginning of conching due to the solid-heterogeneous conformation of the mass. After about 10 h of conching mass became a highly concentrated dispersion allowing rheological measurement to be performed. Duplicates from each sample taken at the different temperatures and speeds of conching tested were analysed. Scanning electron microscopy Micrographs of mass chocolate samples were obtained using a JEOL (JSM 560OLV) scanning electron microscope. Small quantities of dark chocolate mass were coated with a very thin layer of gold-palladium for 40 min by using a sputter coater JFC-1100. The prepared specimens were placed inside the microscope s vacuum column for further analysis. Observations were carried out using an operating voltage of 20 kv. Results and Discussion Rheological properties Conventional Couette versus mixing geometry When using the conventional Couette geometry the torquerotational velocity data were unstable (Fig. 3). The observed variation in torque signal is a clear indication of particlewall interactions (e.g. spurious phenomena). Because the signal instability leads to inconsistent results, the Couette geometry was not used anymore in the study. Otherwise, the helical ribbon measuring device generated a stable signal of torque in the interval of rotational speeds tested for all samples analyzed (Fig 4). In addition, as Figure 4 suggests Eq. 1 represents the experimental raw data with correlation factors 0.97. This leads to conclude the absence of spurious phenomena and confirms the reliability of the mixing device for studying the viscous behaviour of chocolate masses. Experimental data showed a strong shear thinning behaviour of chocolate mass since the early hours of conching as is shown in a typical flow curve of process viscosity (η e ) versus rotational speed (Fig. 5). In addition, a decrease on η e, and raise on pseudo plasticity was shown with time of conching. It is well known that processing parameters such as conching, particle size distribution, fat content, emulsifiers and temper all influence final chocolate rheological behaviour. In final products, more rheological information Fig. 3 Raw torque-rotational speed signal from a conventional Couette geometry for chocolate mass samples processed at 40 C and conching speed of 0.66 s -1 is needed to better assess product quality and production costs. One example of this last is the recommendation of the International Confectionary Association (ICA) of using up and down shear ramps to estimate thixotropy. During conching and other shearing operations in chocolate manufacture, the crowding of the particulate system leading to the formation of aggregates may explain the appearance of thixotropy. This property is especially important for thick chocolates and depends on particle size and fat content 19). However, in this work thixotropy was not evaluated. Effect of conching time The reduction of the mass resistance to flow with conching time was common for all chocolate mass samples obtained under the different temperatures and speeds of conching tested. However, the extent of decrease on η e as well as the pseudoplasticity level reached on mass samples was a function of conching conditions. For example, when conching was conducted at 40 C and 0.66 s -1, η e decreased steadily up to the 60 h of conching (Fig. 5), and later it remained nearly constant. This result suggests that structural changes of chocolate mass were almost completed by that time. A Fig. 4 Raw torque-rotational speed signal from the helical ribbon agitator for chocolate mass samples processed at 40 C and conching speed of 0.66 s 1 Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008 Originalarbeiten ı 379

similar trend for plastic viscosity during conching of dark semi-sweet chocolate mass was reported by Hoskin and Dimick 2). The fall on process viscosity observed might be a consequence of breaking chocolate mass agglomerates and releasing of entrapped fat during conching. Once fat is release, it is evenly distributed and all particles are covered with a thin layer 16). This step sequence seems to be related to the evolution of flow properties of dark chocolate mass. Apparently once this process is completed flow properties of chocolate mass remained almost constant through the end of conching. Effect of conching temperature Temperature of conching had a strong effect on the rheological properties of dark chocolate mass. For a fixed conching speed, analyzing the viscosity results in terms of the Oswald de Waele model, it was found that both consistency (m) and flow behaviour (n) indexes were lower when conching was carried out at temperatures higher than 40 C (Fig. 6). As suggested from these data, carrying out conching at 60 or 80 C while keeping the conching speed at 0.66 s -1, produced a steep fall on consistency index of the mass on the first 10 h of conching. This step was followed by a second period of continuous decrement up to the 36 h where m and consequently process viscosity of the mass reached its lower value. Additionally an important pseudoplasticity increment was obtained between 24 to 36 h of conching (Fig. 6b). Later, a slight increase on m and a nearly constant pseudoplasticity (n) was observed through the end of the process. It can be also seen from Figure 6 that the rheological properties of the masses processed at 60 or 80 C were very similar at the end of the conching step. However they were quite different to those obtained at lower conching temperature (40 C). Therefore results indicate that additional physical chemical changes were induced on chocolate mass when conching at temperatures 60 ºC compared to those observed at 40 C. These changes might involve the way individual components of the mass such as sugar, proteins or starch interact with the cocoa fat phase at temperatures 60 ºC. The impact these interactions may have into the final sensorial attributes of the product should be further investigated. Fig. 5 Typical flow curve of process viscosity (η e ) versus rotational speed for dark chocolate mass during conching at 40 C and conching speed of 0.66 s 1 the previous conching conditions tested (Fig. 7b). These results suggest a synergistic effect of conching speed and temperature and open the possibility of importantly reducing the time of chocolate processing. A different trend on apparent viscosity (η a ) was reported by El-Deep et al. 7) when conching dark semi-sweet chocolate mass at 75 C. These authors observed a slight decrease on η a between 9 and 12 h Effect of speed of conching Increasing the speed of conching from 0.66 to 1 s -1, while keeping temperature at 40 C, importantly decreased consistency index m and slightly lowered the pseudoplasticity. This was observed since the beginning of the conching process (Fig. 7). However when both conching speed and temperature were raised to 1 s -1 and 60 C a drastic fall on consistency index occurred since the first 10 h of conching which allow reaching the minimum m value (Fig. 7a). The effect of increments on speed and temperature of conching on flow index, n, was not that strong but a shorter period time was needed to reach a pseudoplasticity level similar to Fig. 6 Effect of temperature on power law indexes during conching of dark chocolate mass at 0.66 s 1 380 ı Originalarbeiten Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008

Fig. 8 Scanning electron micrographs showing the structural changes of dark chocolate mass with conching time at 40 C and 1 s 1 (160x magnification, scale bars = 100 µm) Fig. 7 Effect of conching speed on the Ostwald-de Waele power law indexes during conching of dark chocolate mass at 40 C and 60 C suggesting a better distribution of fat and covering of particles. The sequence of structural changes occurring during conching of dark chocolate mass was in some steps similar at all conching conditions tested. However, the time at which every step occurred was function of temperature and speed of conching. For example evidence of fat release was shown much earlier (at 12 h) when conching was conducted at 60 ºC and 1 s -1 (Fig. 9) as compared with masses processed at 40 ºC and 1 s -1. This point matches with the lowest of conching, followed by a steep increase (twice the initial value) up to the end (96 h) of the process. Differences can be attributed to the fact that these authors used a Brookfield viscometer with conventional spindles to evaluate apparent viscosity. Microstructural changes of dark chocolate mass during conching SEM pictures of dark chocolate mass when conching at 40 C and 60 rpm showed a heterogeneous and dry system made of agglomerated large structures with three dimensional surfaces and cavities at the beginning of the process (Fig. 8a). These large structures were made of sugar crystals showing irregular forms and sizes at the mass surface. In addition, chocolate mass showed a rough and sharp texture. As conching proceed (Fig. 8b) large structures were disrupted and lost their three dimensional structure. However at 36 h there was still low free fat available since the mass was very heterogeneous, rough and dry. After 60 h of conching, chocolate mass showed a smoother structure evidencing a high content of free fat. Within the following 12 h, a more homogeneous structure was observed (Fig. 8d) Fig. 9 Scanning electron micrographs showing the structural sequence of dark chocolate mass with conching time at 60 C and 1 s -1 (160x magnification, scale bars = 100 µm) Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008 Originalarbeiten ı 381

effective viscosity and m value observed. In addition a more flattered and smoothed surface was obtained at 36 and 72 h of conching. This suggest the presence of smaller particles and more polished surfaces in sugar crystals and might be related to flavour improvement of the final product since no important differences on rheological properties of chocolate were found at both conching conditions (Fig. 7). Conclusion The use of a helical ribbon impeller as a measuring device for viscous properties showed to be suitable to study the evolution of flow properties of dark chocolate mass during conching. Results showed that processes viscosity significantly decreases and pseudoplasticity slightly increases during conching. Temperature increments from 40 to 60 ºC produced a less viscous and more pseudoplastic chocolate. Increments on temperature and speed of conching produced a synergistic effect accelerating rheological and structural changes of the mass. Consequently decrement on process viscosity and rising on pseudoplasticity occurred since the first hours of conching. Additionally a more flattered and smoothed chocolate mass surface was obtained, suggesting the presence of more polished surfaces and smaller sugar crystals. These phenomena might be related to flavour improvement of the final product since no important differences on rheological properties of chocolate were found when conching temperature was 60 ºC. This may allow to reduce importantly the time of chocolate processing. We thank to Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología Mexico (CONACYT) for the financial support at this project. Thanks are also addressed to Mayordomo chocolates factory to supply the ingredients used in this study. References 1) Braun P: About Physical-Chemical factors, their Changes during Manufacturing and Influence on the rheological and Structural Properties of Chocolate like Model Systems. Dissertation. Federal Institute of Technology, Zurich (2000). 2) Hoskin JM, Dimick PS: Observations of chocolate during Conching by Scanning Electron Microscopy and Viscometry. J Food Sci 45, 1541 1545 (1980). 3) Ziegleder G: Conching. Advanced Chocolate Technology. Bühler Seminar, Uzwil (2004). 4) Beckett ST: Industrial Chocolate Manufacture and Use. Chapman & Hall, New York (1999). 5) Minifie BW: Chocolate, Cocoa, and Confectionary. Science and Technology. Chapman & Hall, New York (1989). 6) Boruch M, Brzezinski S, Kiljanski T: Changes of rheological properties of semi-sweet chocolate coverture during Industrial Conching. Acta Alimentaria Polonica 17, 185 191 (1991). 7) El-Deep S, Yousif-El, El-Azab M, Bedeir SH: Effect of Roasting, Conching and Tempering Process on the quality characteristics of cocoa beans. Ann Agr Sci 45, 585 602 (2000). 8) Cullen PJ, O Donnell CP, Houška M: Rotational rheometry using complex geometries a review. J Text Stud 34, 1 20 (2003). 9) Carreau PJ, Chhabra RP, Cheng J: Effect of rheological properties on power consumption with helical ribbon agitators. AIChE J 39, 1421 1430 (1993). 10) Brito-De la Fuente E, Choplin L, Tanguy PA: Mixing with helical ribbon impellers: Effect of Highly Shear Thinning Behaviour and Impeller Geometry. Trans IChemE 75, 45 52 (1997). 11) Wang JJ, Feng LF, Gu XP, Wang K, Hu CH: Power consumption of innerouter helical ribbon impellers in viscous Newtonian and non-newtonian fluids. Chem Eng Sci 55, 2339 2342 (2000). 12) Murthy Shekhar S, Jayanti S: Mixing of pseudoplastic fluids using helical ribbon impellers. AIChE J 49, 2768 2779 (2003). 13) Brito-De La Fuente E, Nava, J, López LM, Ascanio G, Tanguy P: Process Viscometry of Complex Fluids and Suspensions with Helical Ribbon Agitators. Can J Chem Eng 76, 689 695 (1998). 14) Ait-Kadi A, Marchal P, Choplin L, Chrissemant AS, Bousmina M: Quantitative analysis of mixer-type rheometers using Couette analogy. Can J Chem Eng 80 (6), 1166 1174 (2002). 15) Liang B, Hartel RW: Effects of Milk Powders in Milk Chocolate. J Dairy Sci 87, 20 31 (2004). 16) Bolenz S, Thiessenhusen T, Schäpe R: Fast Conching for Milk Chocolate. Eur Food Res Technol 218, 62 67 (2003). 17) Brito-De La Fuente E, Leuliet JC, Choplin L, Tanguy PA: On the effect of Shear thinning Behaviour on Mixing with a Helical Ribbon Impeller. AICHE Symp Ser 286, 28 32 (1992). 18) Choplin L, Marshal P: Mixer type Rheometry for Foods Products. In: Whindhab EJ, Wolf B (eds.): Food Rheoloy and Structure I, pp 40 44. Vincentz Verlag, Germany (1997). 19) Chevalley J: In: Beckett ST (ed): Industrial chocolate manufacture and use, pp 182 199. Chapman & Hall, New York (1999). 382 ı Originalarbeiten Deutsche Lebensmittel-Rundschau ı 104. Jahrgang, Heft 8, 2008