Untersuchungen zum möglichen Einsatz von Trehalose in Milchprodukten Wolfgang Hoffmann, Anja Buzello, Claudia Burghardt Institut für Sicherheit und Qualität bei Milch und Fisch, Kiel
Trehalose schon sehr lange Teil der menschlichen Ernährung Bestandteil von essbaren Pilzen, Meereskrustentieren oder Bäckerund Brauerhefe 1832 entdeckt im Mutterkorn des Roggens 1859 isoliert aus dem Kokon ( Trehala ) von Wüstenkäfern im Mittleren Osten. Diese süßen und essbaren Sekretionen wurden schon vorher von den Einheimischen Trehala manna genannt (Manna = vom Himmel Gefallenes) Manna der Israeliten aus dem alten Testament? 2
Trehalose - ein Disaccharid als neuartiges Lebensmittel oder neuartige Lebensmittelzutat Entscheidung der Kommission v. 25.09.2001 zur Genehmigung gemäß VO (EG) Nr. 258/97, Amtsblatt d. EG L 269/17, 2001/721/EG) Erst seit 1994 kostengünstige Herstellung: aus Stärke durch Nutzung zweier Enzyme von Arthrobacter sp. Q 36 (Erdbakterium) durch Fa. Hayashibara Co. Ltd., Japan Antrag durch Fa. Bioresco Ltd., Schweiz, für Fa. Hayashibara 3
Herstellung und Spezifikation Maltooligosaccharide Glc Glc Glc Glc - - Glc - Glc Glc α-1,4 reduzierendes Ende Maltooligosylsynthase (MTSase) Maltoligosyltrehalose Glc Glc Glc Glc - - Glc - Glc Glc Maltooligosacharide Glc Glc Glc Glc - - Glc α-1,1 Maltoligosyltrehalose- Trehalosehydrolase (MTHase) Glc Glc (Trehalose) Handelsprodukt: Dihydrat (C 12 H 22 O 11 2 H 2 0, MG 378,33), Gehalt 98% i.tr.) 4
Trehalose in Pflanzen Entdeckung des Trehalose-Stoffwechselweges und seiner besonderen Bedeutung gilt als eine der aufregendsten Entwicklungen der letzten 10 Jahre in der Erforschung des Pflanzen-Stoffwechsels und von Pflanzen überhaupt zentrale Rolle von Trehalose-6-Phosphat in der Koordination des Stoffwechsels (Lit.: M.J. Paul, L.F. Primavesi, D. Jhurreea, Y. Zhang: Trehalose metabolism and Signaling. Annu. Rev. Plant Biol. 2008. 59:417-441) 5
Eigenschaften weiße oder fast weiße Kristalle, praktisch geruchlos in Wasser bei < 80 C weniger löslich als Saccharose, bei > 80 C besser deutlich geringere Süßkraft (ca. 45%) als Saccharose nicht reduzierender Zucker keine Maillardreaktion widersteht Erhitzung bei 100 C und ph 3,5-10 für 24 Stunden kaum hygroskopisch nicht kariogen antioxidative Eigenschaften wichtiger Bestandteil von Kryptobionten soll Farbe und andere Eigenschaften von flüssigen Lebensmitteln nach einer Trocknung bewahren (Ursachen: Wasserverdrängung über H-Brückenbindung bzw. Bildung amorpher Glasstruktur) auch kryoprotektive Eigenschaften 6
Trehalose Argumente für Einsatz in Lebensmitteln verringerte, reine Süße ohne Einschränkung der Produkthaltbarkeit Mundgefühl und Körper wie bei Saccharose, aber bei geringerer Süße sehr hohe Verarbeitungsstabilität (Temperatur, ph-wert) Schutzwirkung beim Trocknen, Kühlen bzw. Tiefkühlen nicht reduzierender Zucker keine Maillardreaktion mit Proteinen geringe Hygroskopizität geringe Kariogenität bei Backwaren, Süßwaren, Schokoladenprodukte, Fruchtzubereitungen, Tiefkühlprodukte, Getränke, Surimi, Fleischprodukte Anwendungen bei Milchprodukten bisher nicht beschrieben Bachelorarbeiten von Claudia Burghardt und Anja Buzello, Studierenden der Ökotrophologie Einsatz in Lebensmitteln 7
Untersuchungen zur Wirkung von Trehalose im Vergleich zu Saccharose und Glucose Hygroskopizität der Zucker Verhalten in sterilisierter Magermilch Farbmessung Verhalten in stichfestem Joghurt Kraftpenetration Verhalten in gerührtem Fruchtjoghurt Fliess- und Viskositätskurve, sensor. Triangeltest Verhalten in gefriergetrocknetem und wieder rekonstituierten Bananenpüree Farbmessung und sensor. Triangeltest 8
Hygroskopizität Gewichtszunahme (%) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 250 g Glucose 250 g Saccharose 250 g Trehalose 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Lagerung in Tagen bei 15 C und 94 r. F. 9
Farbmessung bei sterilisierter und anschließend gelagerter Magermilch mit und ohne Zusatz unterschiedlicher Zucker Sterilisation in Flaschen im Rotationsautoklaven: Rotorzwerg, Fa. Stock 121 C, F o = 5,1 min Anschließende Lagerung: 5 Tg. bei 5 oder 30 C 70 68 66 64 Farbmessung nach CIE-L*A*B*-System: L*: 0 (schwarz) 100 (weiß) MM 3% Glu 6% 3% Sac 6% 3% Tre 6% 62 60 5 C 30 C L*-Werte sterilisierter Magermilch mit und ohne Zusatz von Glucose (Glu), Saccharose (Sac) und Trehalose (Tre) 10
Farbmessung nach CIE-L*A*B*-System: a*: - (grün) + (rot) 3 2 1 0-1 -2-3 MM 3% Glu 6% 3% Sac 6% 3% Tre 6% 5 C 30 C a*- und b*-werte sterilisierter Magermilch mit und ohne Zusatz von Glucose, Saccharose und Trehalose Farbmessung nach CIE-L*A*B*-System: b*: - (blau) + (gelb) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 11
Kraftpenetration von stichfestem Joghurt (3,5% Fett im Milchanteil) mit und ohne Zusatz unterschiedlicher Zucker Milchanteil mit 1,5% MMP, 3% Kultur YO-MIX TM 505 LYO, Danisco, 42 C ph 4,60 Texture Analyzer TA.XTplus, Winopal, Ahnsbeck : Penetration mit Zylinder 1 cm² Grundfläche: 0,5 mm/s, 15 mm tief Kraft (N) 0,30 Joghurt ohne Zucker 0,20 0,10 mit 8% Saccharose 7 Tg. bei 6 C, ph 4,09-4,18 Joghurt ohne Zucker mit 4% Saccharose mit 8% Saccharose mit 4% Trehalose mit 8% Trehalose mit 4% Glucose mit 8% Glucose 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Zeit (s) 12
Kraftpenetration von stichfestem Joghurt (3,5% Fett im Milchanteil) mit und ohne Zusatz unterschiedlicher Zucker Kraft (N) 0,40 0,30 0,20 0,10 0 Joghurt ohne Zucker mit 8% Saccharose 14 Tg. bei 6 C, ph 4,01-4,09 Joghurt ohne Zucker mit 4% Saccharose mit 8% Saccharose mit 4% Trehalose mit 8% Trehalose mit 4% Glucose mit 8% Glucose 0 5 10 15 20 25 30 35 Zeit (s) 13
Gerührter Fruchtjoghurt mit möglichst gleicher Süße, gleichem Fett- und Eiweißgehalt Zuckerrelation ermittelt aus sensorischen Vorversuchen mit gerührtem Vollmilchjoghurt aus dem Handel (ph 4,11, mit 1,6% Saccharose, 4,2% Glucose bzw. 5% Trehalose) Grundmix (3,35% Fett, 4,17% Protein) 94,0 % Milch (3,56% Fett, 3,34% Protein) 3,0 % Magermilchpulver (35% Protein) 88,7 % Milch (3,78% Fett, 3,33% Protein) 3,425 % Magermilchpulver (35% Protein) 87,0 % Milch (3,85% Fett, 3,33% Protein) 3,625 % Magermilchpulver (35% Protein) Zuckerart und -menge 3,0% Saccharose (= 1,6 x 1,875) 7,875% Glucose (= 4,2 x 1,875) 9,375% Trehalose (= 5,0 x 1,875) 14
Gerührter Fruchtjoghurt mit möglichst gleicher Süße, gleichem Fett- und Eiweißgehalt Herstellung Grundmix: Joghurtmilch 200 bar/75 C 95 C/5 min 14 C 5 C (Kühlraum) 42 C Zugabe 3% Joghurtkultur (aus YO-MIX TM 495 LYO, Danisco) ph 4,50 25 C Glattziehen (Rotor/Stator-System) < 10 C Grundmix nach 2 Tg: ph 4,34-4,37, Produkt mit Glucose offensichtlich doch süßer als die beiden anderen Zusatz von Fruchtzubereitungen: - 12% Dairy Fruit Erdbeere, IP Ingredients, Süderlügum ph 4,19 4,25-20% Fruit 2 Day Erdbeer-Apfel, Fruchtdessert, Schwartauer Werke ph 4,14 4,20 15
Gerührter Fruchtjoghurt mit möglichst gleicher Süße, gleichem Fett- und Eiweißgehalt Rheologische Untersuchung des jeweiligen Grundmix Rheometer Physica UDS 200, Anton Paar, Ostfildern Kegel-Platte-Messsystem, Ø 50 mm mit 1% Neigung, 0,7 ml Probe bei 10 C Schubspannung (Pa) Tre Glu Sac Schubspannung Viskosität Tre Glu Sac Viskosität (mpa s) Scherrate (1/s) 16
Gerührter Fruchtjoghurt mit möglichst gleicher Süße, gleichem Fett- und Eiweißgehalt Auswertung Triangeltest 2 gleiche Proben Abweichende Probe Richtige Antworten Signifikanz mit Dairy Fruit Erdbeere Bemerkung zur Einzelprobe Saccharose Glucose 10 von 10 100% Schmeckt süßer, milder, künstlicher, intensiver, cremiger Glucose Saccharose 8 von 10 99% Weniger süß, saurer, weniger fruchtig, wässrig Trehalose Saccharose 6 von 10 nein Saurer, fruchtiger Saccharose Trehalose 8 von 10 99% Süßer, weniger süß, cremiger Glucose Trehalose 6 von 10 nein Süßer, etwas cremiger Trehalose Glucose 6 von 10 nein Cremiger, milder, nicht so süß, süßer Frucht wurde von den Testern erkannt. 17
Gerührter Fruchtjoghurt mit möglichst gleicher Süße, gleichem Fett- und Eiweißgehalt Auswertung Triangeltest mit Fruit 2 Day Erdbeer-Apfel 2 gleiche Proben Abweichende Probe Richtige Antworten Signifikanz Bemerkung zur Einzelprobe Trehalose Glucose 6 von 10 nein Weniger sauer, weniger fruchtig, süßer Glucose Trehalose 9 von 10 99,9% saurer Saccharose Trehalose 7 von 10 95% Etwas süßer, cremiger, fettiger Trehalose Saccharose 4 von 10 nein Saurer Geruch, weniger süß Glucose Saccharose 9 von 10 99,9% Saurer, weniger süß Saccharose Glucose 8 von 10 99% Süßer, vollmundiger, weniger sauer Frucht wurde erkannt. 18
Verhalten von Bananenpüree mit möglichst gleicher Süße Zutaten: - Bananen (Chiquita), annähernd gleich reif, - Zitronensaft (Sizilia), um Bräunung während des Pürierens zu verlangsamen, - Zucker größere Menge, um niedrigen ph-wert (ca. 3,5) auszugleichen. Verfahren Pürieren in vorgefrostete flache Glasschalen sofort bei -70 C einfrieren bei -20 C lagern (3 Tg.) Gefriertrocknen (30 C/5 Tg.) Mahlen (Mörser) Rekonstiuieren 19
Verhalten von Bananenpüree mit möglichst gleicher Süße Püree mit Saccharose Püree mit Trehalose Püree mit Trehalose und Saccharose Zuckerlösung (%) 25,3 (mit 2,6% Sac) Verh. 1,75/5,0 25,3 (mit 7,4% Tre) 25,3 (mit 1,3% Sac + 2,7% Tre) Bananenpüree (%) 63,3 63,3 63,3 Zitronensaft (%) 11,4 11,4 11,4 Eingefrorene Menge [g] 951,2 952,2 956,9 Ausbeute Gefriergetrocknetes Pulver [g] 200,1 251,0 229,0 Trockenmasse (87 C) des Pulvers (%) 97,6 97,4 97,3 20
Verhalten von Bananenpüree mit möglichst gleicher Süße Sac Sac Glu Tre/Sac Tre Tre Tre/Sac Tiefgefrorene Bananenpürees mit unterschiedlichen Zuckern 21
Verhalten von Bananenpüree mit möglichst gleicher Süße Sac Glu Tre Sac/Tre Gefriergetrocknete Bananenpürees mit unterschiedlichen Zuckern Obere Reihe: nach 3 Tg. bei 5 C, untere Reihe: 3 Tg./55 C 22
Herstellen von Bananenpüree mit möglichst gleicher Süße Auswertung Triangeltest 2 gleiche Proben Abweichende Probe Richtige Antworten Signifikanz Bemerkung zur Einzelprobe Saccharose Trehalose 2 von 10 nein süßer Trehalose + Saccharose Saccharose 6 von 10 nein Intensiverer Fruchtgeschmack, süßer, milder Trehalose Trehalose + Saccharose 1 von 10 nein süßer Triangeltest fand bei Rotlicht statt, um die Farbunterschiede zu verdecken. 23
Fazit Trehalose unterstützt weder enzymatische Bräunung (durch Phenoloxidasen unter Beteiligung von Sauerstoff ) noch nichtenzymatische Bräunung (mit Proteinen bzw. Proteinbestandteilen) keine (deutlichen) sensorischen Vorteile (Schutz der Aromaverbindungen) gegenüber Saccharose unter den gewählten Bedingungen ( weitere Versuche z. B. mit Electronic Nose) Vorteil der geringen Hygroskopizität (mit Trehalose gefriergetrocknete Obstpulver auch nach 3 Tg. bei 55 C noch pulvrig, Proben mit Saccharose und Glucose dagegen steinhart) Dem Einsatz stehen keine erkennbaren technologischen Probleme entgegen. 24
Unser Dank gilt: Herrn Norbert Johannsen für die Realisierung der Versuche im Technikum Herrn Heinz Braun für die Durchführung der Gefriertrocknung Herrn Kurt Einhoff für die Durchführung der Triangeltests der Sensorischen Arbeitsgruppe des MRI in Kiel Herrn Hans-Jürgen Seitz von der Georg Breuer GmbH, Königstein, für die Bereitstellung der Trehalose 25