DIPLOMARBEIT - boku.ac.at · DIPLOMARBEIT Titel der Diplomarbeit Vergleich gesundheitsrelevanter Inhaltsstoffe von biologisch und konventionell hergestellten Apfelsäften angestrebter

DIPLOMARBEIT

Titel der Diplomarbeit

Vergleich gesundheitsrelevanter Inhaltsstoffe von

biologisch und konventionell hergestellten Apfelsäften

angestrebter akademischer Grad

Magistra der Naturwissenschaften (Mag.rer.nat)

Verfasserin: Lisa Garnweidner

Matrikelnummer: 0103699

Studienrichtung (lt. Studienblatt): Ernährungswissenschaften

Betreuer: Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn.

Emmerich Berghofer

Universität für Bodenkultur

Department für Lebensmittelwissenschaften und

-technologie

Wien, am 17.10.2006

I

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG.....................................................................................................1

2 APFELSAFT .......................................................................................................2

2.1 Definitionen und rechtliche Grundlagen ................................................................................... 2

2.2 Qualitätskriterien der Rohware................................................................................................. 3

2.3 Herstellung von Apfelsaft........................................................................................................... 5 2.3.1 Waschen und Sortieren............................................................................................................ 5 2.3.2 Zerkleinerung.......................................................................................................................... 6 2.3.3 Enzymatische Maischebehandlung .......................................................................................... 6 2.3.4 Entsaftung............................................................................................................................... 8 2.3.5 Saftbehandlung ....................................................................................................................... 9 2.3.6 Haltbarmachung.................................................................................................................... 10

2.4 Trüber Apfelsaft....................................................................................................................... 11

2.5 Herstellung von Saftkonzentraten ........................................................................................... 12

2.6 Zusammensetzung des Apfelsaftes........................................................................................... 12 2.6.1 Kohlenhydrate....................................................................................................................... 13

2.6.1.1 Einfachzucker ................................................................................................................. 13 2.6.1.2 Polysaccharide ................................................................................................................ 14

2.6.2 Organische Säuren ................................................................................................................ 15 2.6.3 Aminosäuren und Proteine..................................................................................................... 15 2.6.4 Vitamine............................................................................................................................... 16 2.6.5 Mineralstoffe und Spurenelemente......................................................................................... 16

2.7 Der Getränkemarkt - Die Bedeutung von Apfelsaft ................................................................ 16 2.7.1 Der internationale Fruchtsaftmarkt......................................................................................... 16 2.7.2 Die weltweite Apfelsaftproduktion ........................................................................................ 17 2.7.3 Der heimische Getränkemarkt ............................................................................................... 17

3 BIOLOGISCHER LANDBAU .........................................................................19

4 PHENOLE.........................................................................................................21

4.1 Allgemeines............................................................................................................................... 21

4.2 Klassifizierung der Phenole...................................................................................................... 21 4.2.1 Flavonoide ............................................................................................................................ 22

4.2.1.1 Flavan-3-ole.................................................................................................................... 22 4.2.1.2 Flavan-3,4-diole.............................................................................................................. 23 4.2.1.3 Flavonole........................................................................................................................ 23 4.2.1.4 Anthocyane..................................................................................................................... 24 4.2.1.5 Chalcone und Dihydrochalcone....................................................................................... 24

4.2.2 Phenolcarbonsäuren (Nichtflavonoide) .................................................................................. 24 4.2.2.1 Hydroxyzimtsäure........................................................................................................... 25 4.2.2.2 Hydroxybenzoesäure....................................................................................................... 26

4.2.3 Stilbene................................................................................................................................. 26 4.2.4 Polymere Phenole ................................................................................................................. 26

4.2.4.1 Kondensierte Tannine (Proanthocyanidine)...................................................................... 26 4.2.4.2 Hydrolysierbare Tannine................................................................................................. 27

4.3 Biosynthese von Polyphenolen ................................................................................................. 27

4.4 Funktion von Phenolen in der Pflanze..................................................................................... 30

4.5 Gesundheitliche Bedeutung von Phenolen............................................................................... 30

II

4.6 Polyphenole im Apfel und Apfelsaft ........................................................................................ 32 4.6.1 Einfluss der Safttechnologien auf den Polyphenolgehalt:........................................................ 34 4.6.2 Polyphenole und die Farbe des Apfelsaftes ............................................................................ 35 4.6.3 Polyphenole und der Geschmack des Apfelsaftes ................................................................... 36

5 OXIDATIVER STRESS ...................................................................................38

5.1 Definition und Herkunft freier Radikale ................................................................................. 38

5.2 Antioxidative Abwehrmöglichkeiten........................................................................................ 40

5.3 Physiologische und pathologische Effekte von freien Radikalen............................................. 40

6 ANTIOXIDATIVE KAPAZITÄT....................................................................42

6.1 Definition.................................................................................................................................. 42

6.2 Bestimmung der antioxidativen Kapazität .............................................................................. 42

6.3 Antioxidative Kapazität im Apfelsaft ...................................................................................... 43

7 AUFGABENSTELLUNG.................................................................................45

8 MATERIAL UND METHODEN .....................................................................46

8.1 Verwendete Rohstoffe .............................................................................................................. 46

8.2 Analytische Methoden.............................................................................................................. 46 8.2.1 Probenvorbereitung: .............................................................................................................. 46 8.2.2 Bestimmung der antioxidativen Kapazität mittels TEAC-Methode ......................................... 47 8.2.3 Ferric Reducing/Antioxidant Power Assay............................................................................. 48 8.2.4 Bestimmung des Gesamtphenolgehalts nach Folin-Ciocalteu ................................................. 50 8.2.5 Polyphenolgehalte und -muster mittels RP-HPLC .................................................................. 52 8.2.6 Farbmessungen bei 420 nm ................................................................................................... 53 8.2.7 Farbmessung mittels CIE-Lab ............................................................................................... 54 8.2.8 Bestimmung der Makroelemente (Calzium, Kalium, Magnesium, Natrium) mittels AAS........ 54 8.2.9 Enzymatische Bestimmung von Glucose, Fructose und Saccharose ........................................ 56 8.2.10 Bestimmung der titrierbaren Säuren mittels Autotitrator....................................................... 58 8.2.11 Bestimmung der ˚Brix mittels Refraktometer ....................................................................... 58 8.2.12 Bestimmung des Ascorbinsäuregehaltes mittels RQflex ....................................................... 59 8.2.13 Bestimmung des pH-Werts.................................................................................................. 59

8.3 Statistische Methoden .............................................................................................................. 60 8.3.1 Prinzipien statistischer Tests.................................................................................................. 60 8.3.2 T-Test für Mittelwertdifferenzen ........................................................................................... 60 8.3.3 Nichtparametrische Tests....................................................................................................... 61

8.3.3.1 Mann-Whitney U-Test .................................................................................................... 61 8.3.3.2 Kolmogorov-Smirnov Z-Test .......................................................................................... 61

8.3.4 Der Boxplot .......................................................................................................................... 62 8.3.5 Korrelation nach Pearson....................................................................................................... 62 8.3.6 Diskriminanzanalyse ............................................................................................................. 63

9 UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE ................................................................65

9.1 Antioxidative Kapazität in biologisch und konventionell hergestellten Apfelsäften............... 65

9.2 Gesamtphenolgehalt in biologisch und konventionell hergestellten Apfelsäften .................... 67

9.3 Gehalt einzelner Polyphenole und HMF ermittelt mittels HPLC in biologisch und konventionell hergestellten Apfelsäften......................................................................................... 69

9.4 Gehalt an Ascorbinsäure in biologisch und konventionell hergestellten Apfelsäften ............. 72

9.5 Gehalt an Makroelementen in biologisch und konventionell hergestellten Apfelsäften ......... 73 9.5.1 Calzium ................................................................................................................................ 74

III

9.5.2 Kalium.................................................................................................................................. 75 9.5.3 Natrium ................................................................................................................................ 75 9.5.4 Magnesium ........................................................................................................................... 76

9.6 Unterschiede zwischen klaren und trüben Apfelsäften ........................................................... 77 9.6.1 Antioxidative Kapazität, Ascorbinsäure- und Gesamtphenolgehalt klarer und naturtrüber Apfelsäfte ...................................................................................................................................... 78 9.6.2 Gehalt einzelner phenolischer Verbindungen in klaren und trüben Apfelsäften ....................... 79 9.6.3 Mineralstoffgehalt klarer und trüber Apfelsäfte...................................................................... 81

9.7 Unterschiede zwischen direkt gepressten und aus Konzentraten hergestellten, konventionellen Apfelsäften........................................................................................................... 83

9.7.1 AOK, Gesamtphenolgehalt sowie Konzentrationen an Ascorbinsäure, HMF und Chlorogensäure direkt gepresster und aus Konzentraten hergestellter, konventioneller Apfelsäfte............................. 83 9.7.2 Mineralstoffgehalt direkt gepresster und aus Konzentrat hergestellter, konventioneller Apfelsäfte ...................................................................................................................................... 86

9.8 Korrelationen ........................................................................................................................... 88 9.8.1 Korrelation zwischen der antioxidativen Kapazität ermittelt anhand FRAP- und TEAC-Methode in biologischen und konventionellen Apfelsäften............................................................................ 88 9.8.2 Korrelation zwischen antioxidativer Kapazität und Gesamtphenolgehalt in biologischen Apfelsäften .................................................................................................................................... 89 9.8.3 Korrelation zwischen antioxidativer Kapazität und Gesamtphenolgehalt in konventionellen Apfelsäften .................................................................................................................................... 90 9.8.4 Korrelation zwischen ermittelten Farbwerten und Gesamtphenolgehalt in biologischen und konventionellen Apfelsäften........................................................................................................... 91

9.8.4.1 Farbwerte mittels CIE-Lab .............................................................................................. 91 9.8.4.2 Farbwerte bei 420 nm...................................................................................................... 92

9.9 Diskriminanzanalyse ................................................................................................................ 94

9.10 Ränge...................................................................................................................................... 96 9.10.1 Die fünf Apfelsäfte mit der höchsten antioxidativen Kapazität ............................................. 96 9.10.2 Die fünf Apfelsäfte mit der geringsten antioxidativen Kapazität ........................................... 96

10 DISKUSSION DER VERSUCHSERGEBNISSE ............................................97

10.1 Antioxidative Kapazität ......................................................................................................... 97

10.2 Polyphenole und HMF ........................................................................................................... 98

10.3 Ascorbinsäure......................................................................................................................... 99

10.4 Mineralstoffe ........................................................................................................................ 100

11 SCHLUSSFOLGERUNG ...............................................................................102

12 ZUSAMMENFASSUNG.................................................................................103

13 ABSTRACT.....................................................................................................105

14 LITERATURVERZEICHNIS........................................................................106

15 ANHANG ........................................................................................................110

IV

Verzeichnis der Abbildungen

Abb. 1: Gegenseitige Beeinflussung von Qualitätskriterien .................................................................... 3

Abb. 2: Herstellung von Apfelsaft [ASHRUST, 1995] ........................................................................... 5

Abb. 3: Schematischer Aufbau von Pektin mit Angriffspunkten der Enzyme.......................................... 7

Abb. 4: Grundstruktur Pektin............................................................................................................... 14

Abb. 5: Weltweite Apfelsaftproduzenten 2005/06................................................................................ 17

Abb. 6: Getränkekonsum (pro Kopf in Litern) in Österreich 2005 [Tetra Pack, 2006] ........................... 18

Abb. 7: Struktur Flavan ....................................................................................................................... 22

Abb. 8: Struktur Flavan-3-ole .............................................................................................................. 22

Abb. 9: Struktur Flavan-3,4-diole ........................................................................................................ 23

Abb. 10: Struktur Flavonole ................................................................................................................ 23

Abb. 11: Struktur Anthocyanidine ....................................................................................................... 24

Abb. 12: Struktur Dihydrochalcone ..................................................................................................... 24

Abb. 13: Die häufigsten in Lebensmitteln vorkommenden Hydroxyzimtsäuren und

Hydroxybenzoesäuren ............................................................................................................ 25

Abb. 14: Struktur Proanthocyanidine ................................................................................................... 26

Abb. 15: Biosyntheseweg der Pflanzenphenole [FORKMANN, 1993] ................................................. 29

Abb. 16: Chromatogramm Bohnapfel [RECHNER et al, 1999] ............................................................ 33

Abb. 17: Oxidativer Stress................................................................................................................... 39

Abb. 18: Antioxidative Kapazität naturtrüber Apfelsäfte aus verschiedenen Apfelsäften....................... 44

Abb. 19: Antioxidative Kapazität mittels FRAP- und TEAC-Methode konventioneller und biologischer

Apfelsäfte .............................................................................................................................. 67

Abb. 20: Boxplot Gehalt an Gesamtphenolen mittels Folin Ciocalteu konventioneller und biologischer

Apfelsäfte .............................................................................................................................. 69

Abb. 21: Gehalt einzelner Polyphenole und HMF in biologischen und konventionellen Apfelsäften ..... 71

Abb. 22: Boxplot Gehalt Ascorbinsäure konventioneller und biologischer Apfelsäfte ........................... 73

Abb. 23: Gehalt an Mengenelementen biologischer und konventioneller Apfelsäfte.............................. 77

Abb. 24: Unterschiede zwischen klaren und trüben Apfelsäften hinsichtlich AOK, Gesamtphenolgehalt

und Ascorbinsäure-Gehalt ...................................................................................................... 79

Abb. 25: Gehalt einzelner phenolischer Verbindungen in klaren und trüben Apfelsäften....................... 81

Abb. 26: Mineralstoffgehalt klarer und trüber Apfelsäfte ..................................................................... 83

Abb. 27: Antioxidative Kapazität, Gesamtphenolgehalt, Ascorbinsäure, Chlorogensäure und HMF direkt

gepresster und aus Konzentrat hergestellter, konventioneller Apfelsäfte .................................. 86

Abb. 28: Mineralstoffgehalt direkt gepresster und aus Konzentrat hergestellter, konventioneller

Apfelsäfte .............................................................................................................................. 88

Abb. 29: Korrelation zwischen der antioxidativen Kapazität ermittelt anhand FRAP- und TEAC-Methode

.............................................................................................................................................. 89

V

Abb. 30: Korrelation zwischen antioxidativer Kapazität und Gesamtphenolgehalt in biologischen

Apfelsäften ............................................................................................................................ 89

Abb. 31: Korrelation zwischen antioxidativer Kapazität und Gesamtphenolgehalt in konventionellen

Apfelsäften ............................................................................................................................ 90

Abb. 32: Korrelation zwischen ermittelten *b-Farbwerten und dem Gesamtphenolgehalt in biologischen

und konventionellen Apfelsäften ............................................................................................ 92

Abb. 33: Korrelation zwischen der Extinktion bei 420 nm und dem Gesamtphenolgehalt in biologischen

und konventionellen Apfelsäften ............................................................................................ 93

VI

Verzeichnis der Tabellen

Tab. 1: Technische Enzympräparate ...................................................................................................... 8

Tab. 2: Chemische Zusammensetzung (Schwankungsbreiten oder Grenzwerte) von Apfelsaft aus dem

Code of Practice der A.I.J.N. (1996), bezogen auf 1 Liter........................................................ 13

Tab. 3: Wirkungen sekundärer Pflanzenstoffe [ELMADFA und LEITZMANN, 2004]......................... 31

Tab. 4: Veränderung der Pflanzenphenolgehalte in mg/l durch unterschiedliche Herstellungverfahren und

Schönungsmethoden............................................................................................................... 34

Tab. 5: Quellen der Radikalentstehung [ELMADFA und LEITZMANN, 2004].................................... 39

Tab. 6: Pippetierschema für den antioxidativen Status nach RANDOX ................................................ 48

Tab. 7: Pippetierschema für die antioxidative Kapazität mittels FRAP.................................................. 50

Tab. 8: Lineares Gradientenprogramm HPLC ...................................................................................... 53

Tab. 9: Pippetierschema für die enzymatische Bestimmung von D-Glucose, D-Fructose und Saccharose

.............................................................................................................................................. 57

Tab. 10: Interpretation des Korrelationskoeffizienten ........................................................................... 62

Tab. 11: Minimal-, Mittel-, Maximalwerte und Standardabweichungen der AOK biologischer und

konventioneller Apfelsäfte...................................................................................................... 65

Tab. 12: t-Test zur Auswertung signifikanter Unterschiede biologischer und konventioneller Apfelsäfte

bezüglich antioxidativer Kapazität mittels FRAP .................................................................... 66

Tab. 13: Nichtparametrische Tests zur Auswertung signifikanter Unterschiede biologischer und

konventioneller Apfelsäfte bezüglich antioxidativer Kapazität mittels FRAP........................... 66


bezüglich antioxidativer Kapazität mittels TEAC-Methode ..................................................... 66


konventioneller Apfelsäfte bezüglich antioxidativer Kapazität mittels TEAC-Methode............ 67

Tab. 16: Minimal-, Mittel-, Maximalwerte und Standardabweichungen der Gesamtphenolgehalte

biologischer und konventioneller Apfelsäfte ........................................................................... 68


bezüglich des Gesamtphenolgehalts mittels Folin Ciocalteu .................................................... 68


konventioneller Apfelsäfte bezüglich des Gesamtphenolgehalts mittels Folin Ciocalteu........... 68

Tab. 19: Minimal-, Mittel-, Maximalwerte und Standardabweichungen von p-Cumarsäure, Hyperin,

Isoquercitin, Rutin und Avicularin biologischer und konventioneller Apfelsäfte ...................... 70

Tab. 20: Minimal-, Mittel-, Maximalwerte und Standardabweichungenvon HMF, Catechin, Kaffeesäure,

Chlorogensäure, Epicatechin, Phloridzin und Quercitrin biologischer und konventioneller

Apfelsäfte .............................................................................................................................. 70


bezüglich des Gehaltes einzelner Polyphenole ........................................................................ 70

VII


konventioneller Apfelsäfte bezüglich des Gehaltes einzelner Polyphenole ............................... 71

Tab. 23: Minimal-, Mittel-, Maximalwerte und Standardabweichungen des Ascorbinsäuregehaltes

biologischer und konventioneller Apfelsäfte ........................................................................... 72


bezüglich des Gehaltes an Ascorbinsäure................................................................................ 72


konventioneller Apfelsäfte bezüglich des Gehaltes an Ascorbinsäure ...................................... 73

Tab. 26: Minimal,- Mittel-, und Maximalwerte von Mineralstoffen biologischer und konventioneller

Apfelsäfte .............................................................................................................................. 74


bezüglich des Gehaltes an Calzium......................................................................................... 74


konventioneller Apfelsäfte bezüglich des Gehaltes an Calzium ............................................... 74


bezüglich des Gehaltes an Kalium .......................................................................................... 75


konventioneller Apfelsäfte bezüglich des Gehaltes an Kalium................................................. 75


bezüglich des Gehaltes an Natrium ......................................................................................... 76


konventioneller Apfelsäfte bezüglich des Gehaltes an Natrium................................................ 76


bezüglich des Gehaltes an Magnesium.................................................................................... 76


konventioneller Apfelsäfte bezüglich des Gehaltes an Magnesium .......................................... 77

Tab. 35: Minimal-, Mittel-, Maximalwerte und Standardabweichungen der AOK, Gesamtphenole und

Ascorbinsäuregehalt klarer und trüber Apfelsäfte.................................................................... 78

Tab. 36: t-Test zur Auswertung signifikanter Unterschiede zwischen AOK, Gesamtphenolgehalt und

Ascorbinsäuregehalt klarer und trüber Apfelsäfte.................................................................... 78

Tab. 37: Nichtparametrische Tests zur Auswertung signifikanter Unterschiede zwischen AOK,

Gesamtphenolgehalt und Ascorbinsäuregehalt klarer und trüber Apfelsäfte ............................. 79

Tab. 38: Minimal-, Mittel-, Maximalwerte und Standardabweichungen einzelner Polyphenole klarer und

trüber Apfelsäfte .................................................................................................................... 80

Tab. 39: t-Test zur Auswertung signifikanter Unterschiede zwischen einzelnen phenolischen

Verbindungen klarer und trüber Apfelsäfte ............................................................................. 80

Tab. 40: Nichtparametrische Tests zur Auswertung signifikanter Unterschiede zwischen einzelnen

phenolischen Verbindungen klarer und trüber Apfelsäfte ........................................................ 81

VIII

Tab. 41: Minimal-, Mittel-, Maximalwerte und Standardabweichung der Mineralstoffgehalte klarer und

trüber Apfelsäfte .................................................................................................................... 82

Tab. 42: t-Test zur Auswertung signifikanter Unterschiede der Mineralstoffgehalte klarer und trüber

Apfelsäfte .............................................................................................................................. 82

Tab. 43: Nichtparametrische Tests zur Auswertung signifikanter Unterschiede der Mineralstoffgehalte

klarer und trüber Apfelsäfte .................................................................................................... 82

Tab. 44: Minimal-, Mittel-, Maximalwerte und Standardabweichungen einzelner Parameter direkt

gepresster und aus Konzentrat hergestellter Apfelsäfte ............................................................ 84

Tab. 45: t-Test zur Auswertung signifikanter Unterschiede zwischen direkt gepressten und aus

Konzentrat hergestellten, konventionellen Apfelsäften anhand AOK, Gesamtphenolgehalt sowie

Konzentration an Ascorbinsäure, HMF und Chlorogensäure ................................................... 85

Tab. 46: Nichtparametrische Tests zur Auswertung signifikanter Unterschiede zwischen direkt gepressten

und aus Konzentrat hergestellten, konventionellen Apfelsäften anhand AOK,

Gesamtphenolgehalte sowie Konzentration an Ascorbinsäure, HMF und Chlorogensäure........ 85

Tab. 47: Minimal-, Mittel-, Maximalwerte und Standardabweichungen von Mineralstoffen direkt

gepresster und aus Konzentrat hergestellter Apfelsäfte ............................................................ 86

Tab. 48: t-Test zur Auswertung signifikanter Unterschiede zwischen Mineralstoffen direkt gepresster und

aus Konzentrat hergestellter, konventioneller Apfelsäfte ......................................................... 87

Tab. 49: Nichtparametrische Tests zur Auswertung signifikanter Unterschiede zwischen Mineralstoffen

direkt gepresster und aus Konzentrat hergestellter, konventioneller Apfelsäfte ........................ 87

Tab. 50: Ergebnisse der Herkunftsvorhersage mittels Diskriminanzanalyse konventioneller Apfelsäfte. 94

Tab. 51: Ergebnisse der Herkunftsvorhersage mittels Diskriminanzanalyse biologischer Apfelsäfte...... 95

Tab. 52: Rangordnung der Apfelsäfte mit höchster antioxidativer Kapazität ......................................... 96

Tab. 53: Rangordnung der Apfelsäfte mit geringster antioxidativen Kapazität ...................................... 96

IX

Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen

AAS Atomabsorptionsspektrometrie

ABTS 2,2’-Azinobis-(3-Ethylbenzthiazolin-6-sulfonsäure)

A.I.J.N. Association of the Industry of Juices and Nectars from

Fruits and Vegetables of the European Economic

Community

AOK Antioxidative Kapazität

DNA Desoxyribonukleinsäure

FRAP Ferric reducing/antioxidant power

GP Gesamtphenole

GSH-Px Gluthation-Peroxidase

HBA Hydroxybenzoesäuren

HCA Hydroxyzimtsäuren

HMF 5-Hydroxymethylfurfural

HPLC High performance liquid chromatography

KAT Katalase

LDL Low-density lipoprotein

NADPH Nicotinamidadenindinucleotidphosphat

PAL Phenylalanin-Ammonium-Lyase

PG Polygalacturonase

PME Pektinmethylesterase

PPO Polyphenoloxidase

ROS Reaktive Sauerstoffspezies

SOD Superoxid-Dismutase

SPS Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe

TEAC Trolox equivalent antioxidative capacity

TPTZ 2,4,6-Tripyridyl-s-Triazine

X

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich all jenen danken, die durch ihre fachliche und

persönliche Unterstützung zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben.

Besonderen Dank gebührt Ao.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Emmerich

Berghofer und Dipl.-Ing. Dr. Reinhard Eder für die Betreuung dieser Arbeit. Weiters

danke ich Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Susanne Siebenhandl sowie dem Team der Abteilung

Chemie des Bundesamtes für Wein- und Obstbau Klosterneuburg, insbesondere Ing.

Silvia Wendelin, für fachliche Ratschläge und Unterstützung.

Ganz herzlich bedanke ich mich bei Christian Holme, der mir während der

letzten Jahre viel Liebe und Geduld schenkte und durch den ich gleichzeitig ein

wunderschönes Land kennen gelernt habe. Auch bei der Verfassung dieser Arbeit half

er mir mit wertvollen Tipps.

Bedanken möchte ich mich weiters bei meinen Eltern, Karina und Karl

Garnweidner, die mein Studium ermöglichten und mich jederzeit tatkräftig

unterstützen.

Dank gebührt auch noch meinen Großeltern und Freundinnen, die mich

während der Studienzeit begleiteten.

1

1 Einleitung

„Alternative“ Lebensmittel sind kein neues Phänomen. Schon im 19.

Jahrhundert gab es unterschiedliche soziale Bewegungen, die sich mit Reformkost von

der zunehmenden Industrialisierungstendenz absetzten. Insbesondere nach der BSE-

Krise 2000/2001 haben Biolebensmittel einen bedeutenden Aufschwung erfahren

[LORENZ, 2005].

In den letzten Jahren wiesen einige Studien Unterschiede in der

Inhaltsstoffzusammensetzung zwischen biologisch und konventionell produzierten

Produkten auf. Bio-Obst beinhalte nicht nur mehr Ascorbinsäure, sondern auch der

Anteil an sekundären Pflanzeninhaltsstoffen sei bei Bio-Obst um zehn bis 50 % höher

als bei vergleichbaren Lebensmitteln aus konventioneller Landwirtschaft. Bio-Äpfel

wiesen in Untersuchungen um 19 % höhere Phenolgehalte als Äpfel aus

konventionellem Anbau auf. Diese beruhe darauf, dass die im konventionellen Landbau

erlaubten und verwendeten Pestizide die Entwicklung sekundärer

Stoffwechselprodukte, die die Pflanzen u.a. vor Schädlingen und Krankheiten schützen,

unterdrücken. Für den Menschen steckt in diesen sekundären Pflanzeninhaltsstoffen

großes gesundheitliches Potential. Die nur in Pflanzen synthetisierten Metaboliten

können Krebs vorbeugen, das Immunsystem stimulieren, sowie den Blutdruck

regulieren. Weiters wird ihre bakterienhemmende, antivirale und anitoxidative Wirkung

positiv postituliert [VELIMIROV und MÜLLER, 2003].

Der Apfel ist die wichtigste und beliebteste Frucht der gemäßigten Klimazonen. Er

verfügt über große antioxidative Kapazität und stellt eine wichtige Quelle für sekundäre

Pflanzeninhaltsstoffe in der menschlichen Ernährung dar. Der Konsum von Apfelsaft

spielt auch eine ernährungsphysiologisch wichtige Rolle [SUN, 2002].

In dieser Arbeit sollte das gesundheitliche Potential biologisch und konventionell

produzierter Apfelsäfte anhand des Gehaltes an Polyphenolen und der damit

verbundenen antioxidativen Kapazität untersucht und verglichen werden. Der

Mineralstoffgehalt sowie der Anteil der Ascorbinsäure stellen ebenfalls wichtige

Beurteilungsparameter dar.

2

2 Apfelsaft

Der Apfel (malus domesticus) ist in der gemäßigten Klimazone die wichtigste

Rohware für die Fruchtsaftindustrie und eignet sich aufgrund des ausgeglichenen

Zucker/Säure-Verhältnisses sehr gut zur Verarbeitung. Die Erkenntnis aus Früchten

nährende Säfte herzustellen, führt bis in die menschliche Frühzeit zurück. Heutzutage

liegt die Bedeutung der Fruchtsäfte nicht nur in ihrem erfrischenden und aromatischen

Geschmack, sondern auch in ihrer ernährungsphysiologischen Wertigkeit.

2.1 Definitionen und rechtliche Grundlagen

Weltweite Bedeutung haben die Codex-Standards für Fruchtsäfte und –nektare

des „Codex Alimentarius“, einer gemeinsamen Einrichtung der Ernährungs- und

Landwirtschafts-Organisation (FAO) und der Weltgesundheitsorganisation (WHO) der

Vereinten Nationen. Der Codex-Standard hat keinen verbindlichen Charakter und stellt

lediglich Empfehlungen für die Beschaffenheit der Lebensmittel dar. Im

Österreichischen Lebensmittelbuch („Codex Alimentarius Austriacus“) sind u.a.

Sachbezeichnungen, Begriffsbestimmungen, Untersuchungsmethoden sowie

Beurteilungsgrundsätze.

Die Europäische Union schaffte mit der EU-Fruchtsaft-Richtlinie 2001/112/EG

rechtlich verbindliche Vorgaben für alle EU-Mitgliedsstaaten mit dem Ziel eines

gemeinsamen Binnenmarktes. Die Richtlinie enthält Regelungen zu Definitionen,

Herstellungsverfahren, Verwendung der zulässigen Verarbeitungs- und Hilfsstoffe.

Darüber hinaus dient der „A.I.J.N.-Code of Practice“, der analytische und

mikrobiologische Eigenschaften der Erzeugnisse festlegt, zur Beurteilung von

Fruchtsäften. Er wurde in der europäischen Fruchtsaftverordnung verankert und stellt

eine Beschreibung des europäischen Handelsbrauches dar [SCHOBINGER, 2001].

Die nationale Umsetzung der EU-Fruchtsaft Richtlinie ist die österreichische

Fruchtsaftverordnung BGBl II 83/2004. In ihr geregelt sind Definitionen, zugelassene

Zutaten, zugelassene Behandlungen und Stoffe und Kennzeichnungen.

Ihr zufolge ist „Fruchtsaft“ das gärfähige, jedoch nicht gegorene, aus gesunden

und reifen Früchten (frisch oder durch Kälte haltbar gemacht) einer oder mehrerer

3

Fruchtarten gewonnene Erzeugnis, das die für den Saft dieser Frucht/Früchte

charakteristische Farbe, Aroma und Geschmack besitzt.

Bei „Fruchtsaft aus Fruchtsaftkonzentrat“ handelt es sich laut österreichischer

Fruchtsaftverordnung um das Erzeugnis, das gewonnen wird, indem das dem Saft bei

der Konzentrierung entzogene Wasser dem Fruchtsaftkonzentrat wieder zugefügt wird

und die dem Saft verloren gegangenen Aromastoffe zugesetzt werden.

Weiters findet man am Markt „Fruchtsaftnektar“. Dies ist das gärfähige, aber

nicht gegorene Erzeugnis, hergestellt aus Fruchtsäften, konzentrierten Fruchtsäften,

Fruchtmark, konzentriertem Fruchtmark oder einem Gemisch hieraus, zusammen mit

Wasser und Zucker und/oder Honig [Fruchtsaftverordnung, BGBl II 83/2004]. Der

Fruchtsaftanteil beträgt zwischen 40 % und 99 %.

2.2 Qualitätskriterien der Rohware

Aufgrund der Rohmaterialbeurteilung bezüglich Sorte, Reife, Entwicklung,

Sauberkeit und Gesundheit lässt sich die zu erwartende Saftqualität und Saftausbeute

ungefähr voraussagen. Abb. 1 zeigt die Relationen zwischen äußeren und inneren

Qualitätskriterien bei Äpfeln [SCHOBINGER, 2001].

Sorte

Oechsle Grade

Aroma

Qualität

Zucker-Säure-

Verhältnis

Reife

Entwicklung

Sauberkeit

GesundheitAusbeute

Abb. 1: Gegenseitige Beeinflussung von Qualitätskriterien

Da sich einzelne Sorten stark voneinander unterscheiden, spielt die Wahl der

Sorte einen großen Einfluss auf das Endprodukt. Unter den weltweit mehr als 5 500

bekannten Apfelsorten sind jedoch nur 20 von kommerzieller Bedeutung für die

Fruchtsaftherstellung. Am bedeutendsten darunter sind (Golden) Delicious, Granny

Smith, McIntosh sowie Rome Beauty. Der Anteil neuer Sorten wie Gala, Fuji, Jonagold

4

oder Braeburn nimmt am Markt zu. Um ein optimales Produkt zu erzeugen, werden

oftmals zwei- bis mehrere Apfelsorten für einen Saft miteinander vermischt.

Ein wichtiges Qualitätsmerkmal bildet auch der richtige Reifegrad der Rohware.

Nicht genügend reife Äpfel führen zu Apfelsäften mit geringem Geschmack und

erhöhtem Stärkeanteil. Überreife Äpfel lassen sich schwer pressen und führen auch bei

weiteren technologischen Verfahren zu Problemen [BARRET, 2005].

Sauberkeit und Gesundheit der Rohware spielen ebenfalls eine wichtige Rolle für

eine optimale Qualität des Endproduktes. Nach der Ernte setzen sofort chemische,

biologische und mikrobiologische Prozesse ein, die zum Abbau wertbestimmender

Inhaltsstoffe führen. Die Keimzahl der Rohware zum Zeitpunkt der Anlieferung ist

mitbestimmend für die Lagerfähigkeit, da das Kernobst durch Mikroorganismen

schneller fault. Faule Äpfel sind für die Verarbeitung zu Saft nicht zulässig und werden

ausgelesen [SCHOBINGER, 2001].

5

2.3 Herstellung von Apfelsaft

Im Folgenden soll die Herstellung von Apfelsaft näher besprochen werden

(Abb. 2).

KLARER SAFTTRÜBER SAFT

Pasteurisation und Verpackung

Enzymatische Depektinisierung

Waschen Sortieren

Zerkleinerung

Entsaftung Tresterverwertung

Aromagewinnung

Grobtrubabtrennung oder Zentrifugieren


Oxidationsschutz

Verdampfung auf 70˚ BrixSchönung

Lagerung

Mischen, Lösen Filtration

Klärung


Abb. 2: Herstellung von Apfelsaft [ASHRUST, 1995]

2.3.1 Waschen und Sortieren

Nach der Obstannahme werden die Äpfel innerbetrieblich durch einen

Schwemmkanal transportiert.

Dann erfolgt das Waschen um Laub, Gras und ähnlichen Schmutz, die

Fremdaroma beim Saft bewirken könnten, abzutrennen. Die an der Oberfläche der

Äpfel haftenden Pflanzenschutzmittelrückstände werden weitgehend beseitigt, wobei

der Keimgehalt drastisch reduziert wird. Für den Waschvorgang werden meistens

6

Bürsten verwendet. Der Effekt der Reinigung ist abhängig von der Dauer des

Waschvorganges, der Temperatur, der Einwirkung mechanischer Kräfte sowie dem pH-

Wert, dem Härtegrad und dem Mineralstoffgehalt des Waschwassers.

Schließlich folgt die Sortierung, welche manuell, entweder auf endlos

umlaufenden Verlesebändern oder auf Rollenverlesebändern passiert. Für die Qualität

des fertigen Saftes ist von Bedeutung gefaulte, zerschlagene und/oder unreife Früchte

bzw. Fremdstoffe zu entfernen.

2.3.2 Zerkleinerung

Die Art und der Umfang der darauf folgenden Zerkleinerung der Äpfel haben

großen Einfluss auf die Dauer des anschließenden Entsaftungsvorganges, die

Saftausbeute und den Trubstoffgehalt. Je umfangreicher die Zerkleinerung ist, umso

mehr Zellen werden beschädigt, was sich positiv auf die Saftausbeute auswirkt

[SCHOBINGER, 2001]. Ziel der Zerkleinerung ist es Maische mit einer Korngröße von

5 bis 8 mm Durchmesser zu erhalten. Die Zerkleinerung der Früchte kann mittels

mechanischer (Obstmühlen), thermischer (Thermobreak), enzymatischer

(Maischefermentierung) oder mittels unkonventioneller Verfahren (Ultraschall,

Elektroplasmolyse) erfolgen. Für Kernobst werden hauptsächlich Rätzmühlen

eingesetzt, bei denen das Mahlgut durch einen mehrflügeligen Rotor gegen die Wand

eines Zylinders geschleudert wird [SCHOBINGER, 2001]. Durch die mechanische

Zerstörung des Zellgewebes laufen Oxidationsvorgänge, Pektinabbau und trubbildende

Reaktionen sofort ab, da fruchteigene Enzyme mit Zuckern und Säuren der

Vakuolenflüssigkeit reagieren [BIRUS, 2001]. Beim Thermobreak erfolgt bei einer

Erhitzung der Früchte auf ca. 80˚C eine Denaturierung der Protoplasmahäute, wodurch

die Permeabilität des Gewebes erhöht wird, und somit der Saftaustritt erleichtert wird

[VOGL, 2005].

2.3.3 Enzymatische Maischebehandlung

Um eine höhere Saftausbeute sowie eine Reduktion der Viskosität zu erreichen,

erfolgt vor dem Pressen meist ein enzymatischer Pektinabbau der Maische. Mittels

Wärmeaustauschern erfolgt dieser Schritt bei erhöhten Temperaturen, um Zeit

7

einzusparen. Üblicherweise wird die Maische auf 45 bis 50˚C erhitzt. Nach der Zugabe

des Enzympräparates folgt eine ein- bis zweistündige Reaktionszeit. Mittlerweile sind

verschiedenste hochwirksame Enzympräparate erhältlich, die sich anhand ihres

Angriffpunktes am Pektinmolekül unterscheiden lassen (Abb. 3).

Abb. 3: Schematischer Aufbau von Pektin mit Angriffspunkten der Enzyme

Die in der Fruchtsaftindustrie verwendeten Enzympräparate sind mikrobiellen

Ursprungs. Sie sind in flüssiger oder fester Form im Handel erhältlich. Aufgrund der

stark ausgeprägten Substrat- und Wirkungsspezifität der Enzyme hat auch jedes

Handelsenzympräparat abhängig von jenen Enzymen, die die Hauptaktivität liefern,

einen spezifischen optimalen Wirkungsbereich [SCHOBINGER, 2001]. Tab. 1

verdeutlicht die Vielfalt technischer Enzyme [VOGL, 2005].

A = Arabinose AE = Acetylester GA = Galactose GLS = Galacturonsäure M = Methylester RHA = Rhamnose X = Xylose n = unbestimmte Anzahl

8

Tab. 1: Technische Enzympräparate

Allgemeine Bezeichnung Einzelaktivität Substrat WirkungPolygalacturonasen

Pektin-EsterasePektin-LyaseArabanase

ArabinfuranosidaseRhamnogalacturonaseArabinogalactanase

AcetylgalaturonesteraseGalactomannanase

Hemicellulose ß-GlucanaseCellobiohydrolasen

Endoglucanasenß-Glucosidase

CellubiaseGlucoamylase

Pilz-alpha-AmylaseProtease Saure Pilzprotease Eiweiß Stabilität-Ultrafiltration

Stabilität

Maceration Pektinabbau Viscosität

Filtration Stabilität

Zellwandabbau

Cellodextrine Cellobiose

Maceration Verzuckerung

Ausbeute

Pektinase

Cellolase

Amylase

"Smooth Region" Pektin

"Hairy Region" Pektin

Stärke

Die Maische wird anschließend mittels Exzenterschneckenpumpen, rotierender

Kolbenpumpen oder Scheibenkolbenpumpen weitertransportiert.

2.3.4 Entsaftung

Die Schlüsselposition in einem Obst verarbeitenden Betrieb nimmt das

Entsaftungssystem ein. Man unterscheidet zwischen folgenden Entsaftungsverfahren:

• Auspressen: Zellwände und Membrane werden über Druck mechanisch

aufgebrochen. Dazu verwendet man heutzutage hauptsächlich Bandpressen,

Horizontalkorbpressen oder Dekanter.

• Extrahieren: Es kommt zur Aufhebung der Semipermeabilität und thermischer

Denaturierung durch Diffusion innerhalb der Phasen. Weiters entwickelt sich

ein Stoffübergang an den Phasengrenzflächen sowie Flüssigkeitsaustausch

durch quasi-Osmose und hydrostatischen Druck.

• Verflüssigung: Hier erfolgt ein enzymatischer Abbau der Zellwände und

Membranen. Im Extremfall kann die Maische mittels entsprechender

Enzympräparate weitgehend abgebaut werden, was man als Totalverflüssigung

bezeichnet. Es erfolgt ein Abbau aller Strukturstoffe, wie Pektin,

Hemicellulosen und zellulosehaltiges Material der Zellwand. Die Saftausbeute

wird auf bis zu 95 % erhöht. Dieser Verfahrensschritt ist rechtlich in der EU

und in der Schweiz (noch) nicht erlaubt [VOGL, 2005]. Verwendet werden

9

dafür Enzymsysteme, welche bis zu 120 verschiedene Enzymkomponenten

enthalten [BARRET, 2005].

2.3.5 Saftbehandlung

Ziel der nach der Pressung anschließenden Saftbehandlung ist die Herstellung

stabiler Produkte ohne die ernährungsphysiologischen und sensorischen Eigenschaften

zu sehr zu verändern [VOGL, 2005]. Als Haupttrübungsursachen im Saft gelten

Proteine, Gerbstoffe, Stärke und Pektin [BIRUS, 2001]. Die Entfernung dieser nicht

erwünschten Trubstoffe erfolgt durch Einsatz von Enzympräparaten, Schönungsmitteln,

wie z.B. Gelatine, Bentonit und Adsorptionsmitteln, sowie durch mechanische Klärung

mittels Filtration, Sedimentation oder Flotation [SCHOBINGER, 2001].

Bei der Saftenzymierung unterscheidet man zwischen enzymatischen Pektin-,

Stärke- und Arabanabbau. Beim Einsatz pektolytischer Enzyme ist die richtige Balance

zwischen Pektinmethylesterase (PME; EC 3.1.1.11) und Polygalacturonase (PG; EC

3.2.1.15) entscheidend. PME demethoxyliert Pektin, resultierend in freien

Galacturonsäuregruppen, welche mit Kationen (z.B. Calcium) Komplexe, bilden die

wiederum abgeschieden werden. PG spaltet die langen Pektinketten, wodurch die

Viskosität sinkt. PME ist für die Aktivität von PG essentiell. Der Einsatz von Amylase

dient zur Hydrolyse von Stärke [ASHRUST, 1995]. Dadurch verhindert man eine

Trübung durch verkleisterte Stärke sowie durch Retrogradierung entstehende, körnige

Strukturen im Saft. Zur Eliminierung phenolischer Substanzen werden neben

Ausfällung wie mit Protein-haltigen Schönungsmitteln und Ultrafiltration, zunehmend

Laccase-Diphenoloxidase-Enzympräparate eingesetzt. Ihr Einsatz ist jedoch in der EU-

Fruchtsaftverordnung [Fruchtsaftverordnung, BGBl II 83/2004] nicht gestattet.

Bei der Schönung kommt es zum chemischen Ausflocken von Substanzen, die

Trübungen verursachen könnten. Es erfolgt eine Vorklärung zur Erleichterung der

Trubseparation sowie eine Verbesserung sensorischer Eigenschaften. Jeder

Schönungsvorgang beeinflusst jedoch auch erwünschte Substanzen, wie z.B.

Aromastoffe [VOGL, 2005]. Das traditionelle Schönungsmittel für Apfelsaft ist

Gelatine. Das Protein wird durch schonende Hydrolyse tierischer kollagenhaltiger

Stoffe gewonnen und trägt beim pH-Wert von Apfelsaft eine positive Ladung. Durch

10

Elektronenpaarbindung werden negativ geladene Trubteilchen fixiert und fallen

gemeinsam aus. Gelatine reduziert vor allem Procyanidine, die als Hauptursache für

eine Trübung im Saft gelten. Letztere besitzen für die Klärung mittels mechanischer

Verfahren eine zu kleine Molekülmasse. Weitere Anwendung findet die Kieselsol-

Gelatine-Schönung, sowie die Schönung mittels Bentonit, Adsorptionsmitteln

(Polyvinylpolypyrrolidon, Aktivkohle) oder Chitosan.

Unter der anschließenden Saftklärung versteht man die physikalische

Abtrennung von Teilchen aus komplexen Lösungen mittels Filtration, Sedimentation

und Flotation [ASHRUST, 1995; SCHOBINGER, 2001].

2.3.6 Haltbarmachung

Letztendlich erfolgt die Haltbarmachung des Saftes. Ziel der Haltbarmachung

ist es, eine mikrobiologische, enzymatische und chemische Stabilität bei einer

wiederum möglichst geringen ernährungsphysiologischen und sensorischen

Beeinflussung zu erlangen. Aufgrund des niedrigen pH-Wertes des Apfelsaftes

kommen als Verderber nur Hefen, Milchsäurebakterien und Schimmelpilze in Frage.

Das klassische Haltbarmachungsverfahren von Apfelsaft ist die Pasteurisation

(

11

2.4 Trüber Apfelsaft

Klarer und trüber Apfelsaft unterscheiden sich durch unterschiedliche

Herstellungstechnologien. Folgende Erwartungen stellt der Konsument an einen

naturtrüben Saft:

• eine helle, weißlich gelbe Farbe;

• deutlich wahrnehmbare Trübung, die Fruchtfleischteilchen sollen gleichmäßig

im Saft verteilt und nicht sedimentiert sein;

• einen fruchtigen, säurebetonten, nicht bitter oder adstringierenden Geschmack;

• einen frischen, fruchtigen, arttypischen Geruch;

Bei der Herstellung eines naturtrüben Saftes werden, nachdem die Äpfel

zerkleinert und gepresst wurden, die groben Trubstoffe mittels eines Separators

(Zentrifuge) mechanisch weitgehend abgetrennt.

Besonders wichtig ist es die gewünschte Trubstabilität zu erreichen. Sie ist

abhängig von der Sedimentationsgeschwindigkeit, welche hauptsächlich durch die

Parameter Partikelgröße, Partikeldichte, Wert der Viskosität des Serums, Partikelform

und Partikelladung bestimmt wird. Weiters spielen pH-Wert sowie der Pektin-,

Gerbstoff-, Eiweiß- und Aminosäuregehalt eine wichtige Rolle [SCHOBINGER, 2001].

Der Trub setzt sich zusammen aus 40 % Proteinen, 30 % Lipiden, 5 % Procyanidinen,

5 % neutralen Polysacchariden, 2 % Pektin und 18 % Mineralstoffen sowie aus noch

unbekannten Substanzen [DIETRICH et al, 1996].

Die Trubpartikel enthalten einen aus Proteinen bestehenden, positiv geladenen

Kern, der mit dem negativ geladenen Pektin einen Komplex bildet. Durch die stark

wasserbindenden Eigenschaften der Hydrokolloide entsteht eine Hydrathülle um den

Trubpartikel, wodurch die Dichte des Trubpartikels an die Dichte des Serums

angeglichen wird [PECERONI und GIERSCHNER 1993]. Um die Viskosität

möglichst weitgehend aufrecht zu erhalten, empfiehlt sich eine thermische Behandlung

nach der Grobtrubabtrennung, um fruchteigene pektolytische Enzyme weitgehend zu

inaktivieren. Nach der Abtrennung des Grobtrubes beträgt der Gesamttrubgehalt im

trüben Apfelsaft 0,2 bis 1,0 g/l.

Farbveränderungen entstehen fast ausschließlich durch enzymatische oder

nichtenymatische Bräunungsreaktionen. Für die Farbstabilisierung trubstabiler Säfte ist

12

es wichtig den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre während des gesamten

Produktionsprozesses niedrig zu halten und die safteigenen Phenoloxidasen möglichst

früh zu inaktivieren (96 ˚C, 15-30 sec). Der Zusatz von L-Ascorbinsäure dient als

Langzeitoxidationsschutz [SCHOBINGER, 2001].

2.5 Herstellung von Saftkonzentraten

Fruchtsäfte enthalten einen Wasseranteil von ca. 80-85 %. Trotz optimaler

Lagerung geht das typische Fruchtaroma mehr oder weniger schnell verloren oder wird

durch flüchtige Substanzen, die bei chemischen Reaktionen der Inhaltsstoffe entstehen,

negativ beeinflusst. Durch Konzentrierprozesse wird der Trockensubstanzgehalt der

Säfte auf 60-75 % erhöht, wodurch die Konzentrate chemisch und mikrobiologisch

weitgehend stabilisiert werden. Ein Vorteil der Konzentrierung besteht darin, dass das

Lager- und Transportvolumen um das sechs- bis siebenfache reduziert wird.

Zur Saftkonzentrierung werden überwiegend thermische Verfahren

(Saftkonzentrierung durch Verdampfung, Aromakonzentrierung durch Destillation)

angewendet [SCHOBINGER, 2002; VOGL, 2005]. Bei einer Lagerungstemperatur von

5˚C oder weniger sind die Konzentrate und Aromaauszüge sechs Monate haltbar. Eine

Lagerung bei über 20˚C führt durch die Maillard Reaktion zwischen Zucker und

Aminosäuren meist zur Bräunung des Konzentrates. Weiters kann es zu Verlusten an

Polyphenolen und titrierbarer Säure kommen. Als Qualitätsüberprüfung dient die

Messung von HMF (5-Hydroxymethylfurfural) mittels HPLC (high performance liquid

chromatography). HMF entsteht bei dem Maillard Abbau von Fructose [ASHRUST,

1995]. Laut A.I.J.N darf die Konzentration nicht über 20 mg/l HMF liegen [A.I.J.N.,

1996].

2.6 Zusammensetzung des Apfelsaftes

Die Zusammensetzung des Apfelsaftes reflektiert die Zusammensetzung der

Rohware. Da letztere von Klima, Anbaumethoden sowie der Verarbeitung bestimmt

wird, kommt es zu starken Schwankungen [ASHURST, 1995].

Tab. 2 weist die im Code of Pracitce des A.I.J.N. angegebenen Werte für die

Zusammensetzung des Apfelsaftes auf, die auf der Untersuchung einer meist sehr

13

großen Zahl von authentischen und unkorrigierten Säften aus unterschiedlichen

Anbaugebieten resultieren. Die Werte dienen als generelle Richtwerte [A.I.J.N., 1996].

Tab. 2: Chemische Zusammensetzung (Schwankungsbreiten oder Grenzwerte) von Apfelsaft aus

dem Code of Practice der A.I.J.N. (1996), bezogen auf 1 Liter

Relative Dichte min. 1,04020˚/20˚ = 10,0 Brix

min. 1,045= 11,2 Brix

Glucose g/l 15-35Fructose g/l 45-85

Glucose:Fructose 0,3-0,5Saccharose g/l 5-30

Zuckerfreier Extrakt g/l 18-29Sorbit g/l 2,5-7

Titrierbare Säure pH8,1 g/l 2,2-7,5 Citronensäure mg/l 50-150L-Apfelsäure g/l min. 3Fumarsäure mg/l max.5

Asche g/l 1,9-3,5Natrium mg/l max. 30Kalium mg/l 900-1500

Magnesium mg/l 40-75Calcium mg/l 30-120Phosphor mg/l 40-75

Nitrat mg/l max. 5Sulfat mg/l max. 150

Formolzahl ml 0,1 molNaOH/100ml

Prolin mg/l max.20

3-10

Direktsaft

Saft aus Konzentrat

2.6.1 Kohlenhydrate

2.6.1.1 Einfachzucker

Zucker bilden die Hauptkomponente der löslichen Inhaltsstoffe im Apfelsaft.

Die spezifische Dichte, angegeben in ˚ Brix, steht im engen Zusammenhang mit dem

Zuckergehalt im Apfelsaft, der hauptsächlich aus Fructose, Glucose und Saccharose

besteht [ASHURST, 1995]. Der Fructoseanteil ist etwa zwei- bis dreimal so hoch wie

der von Glucose. Nach dem Pressen wird Saccharose oft zu Glucose und Fructose

(„Inversion“) hydrolyisert [SCHOBINGER, 2001].

14

2.6.1.2 Polysaccharide

Unter den für den Menschen verwertbaren Polysacchariden findet man im Obst

hauptsächlich die Stärke vor. Hierbei handelt es sich um das wichtigste

Reservekohlenhydrat der Pflanze und das bedeutendste Nahrungskohlenhydrat für den

Menschen. Stärke befindet sich in unreifem Obst in größeren Mengen, da sie sich erst

im Laufe des Reifeprozesses in Zucker umwandelt. In vollreifen Früchten ist sie zur

Gänze abgebaut.

Stärke kommt im Apfelsaft vorwiegend in der Form von unlöslichen

Granulaten, die von den Speichervakuolen der Frucht stammen, vor. Aufgrund des

geringen Durchmessers der Granulate von 1-16 µm werden sie oft von

Filtrationsmethoden nicht abgetrennt. Bei einer Erhitzung von über 60˚C verkleistert

die Stärke und verursacht unerwünschte Trübungen im Saft [ASHURST, 1995].

Den Großteil der unlöslichen Fruchtbestandteile bilden Cellulose,

Hemicellulose und Pektinstoffe.

Cellulose besteht aus ß-1,4 glykosidisch verknüpften Glucoseeinheiten und ist

der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände. Da der Mensch kein Enzym besitzt, das ß-

glykosidische Verbindungen spalten kann, ist Cellulose für den Menschen nicht

verdaulich.

Hemicellulosen sind ebenfalls pflanzliche Zellwandbestandteile im Obst und

bestehen aus verschiedenen Pentosen und Hexosen [ELMADFA und LEITZMANN,

2004].

Pektin wird von der Mittellamelle der Apfelzellwand durch mechanische

Verfahren, wie Zerkleinerung und Pressung, freigesetzt. In der Pflanze dient es als

Kittsubstanz und Auskleidungsmasse der Zellzwischenräume. Säfte von überreifen

Äpfeln enthalten mehr Pektin als Säfte von unreifen [ASHRUST, 1995]. Die

Grundstruktur ist in Abb. 4 ersichtlich.

Abb. 4: Grundstruktur Pektin

15

Pektin ist ein Heteropolysaccharid und zählt zur Gruppe der löslichen

Ballaststoffe. Es besteht aus dem sogenannten glatten Bereich (smooth region), der sich

aus �-1,4-verknüpften, partiell methylierten Galacturonsäureeinheiten zusammensetzt,

sowie einem verzweigten Bereich (hairy region). Letzterer enthält viele Seitenketten

und Neutralzucker, wie z.B. Rhamnose, Galactose, Arabinose. Die

Galacturonsäuremoleküle können in den „hairy regions“ azetyliert sein. Im linearen

Teil sind Rhamnosemoleküle eingebaut, was zu einem Knick im Molekülgerüst führt.

Pektin besteht aus 65 bis 95 % D-Galacturonsäure, 3 bis 8 % Methanol, 0 bis 6 %

Essigsäure sowie 8 bis 10 % Neutralzucker. Der Veresterungsgrad des wasserlöslichen

Pektins beträgt 65 bis 98 % und der Polymerisationsgrad variiert zwischen einigen

Dutzend bis einigen Hundert. Aus technologischer Sicht stellt Pektin als trubbildende

Substanz ein Problem bei der Saftherstellung dar und wird daher durch diverse

Enzymsysteme eliminiert. Auf der anderen Seite ist Pektin wichtig für Textur und

Mundgefühl der Apfelsäfte. In naturtrüben Säften ist die Kombination von Proteinen

mit Pektin und Polyphenolen die Hauptursache für die gewünschte Trübung

[SCHOBINGER, 2001].

2.6.2 Organische Säuren

Die vorherrschende Säure im Apfelsaft ist die L-Äpfelsäure. Abhängig von

Sorte und Saison macht ihr Gehalt etwa 4/5 des Gesamtsäuregehaltes im Apfelsaft aus.

D-Äpfelsäure stammt von zugesetzter DL-Äpfelsäure. Als weitere Säuren werden in

der Literatur noch Citronensäure, Fumarsäure und Shikimisäure genannt [ASHRUST,

1995].

2.6.3 Aminosäuren und Proteine

Generell spielen Proteine im Obst mengenmäßig eine untergeordnete Rolle.

Der lösliche Proteingehalt im Apfelsaft ist sehr gering. Die in Wasser löslichen freien

Aminosäuren machen einen Großteil der stickstoffhaltigen Verbindungen aus. Die

artspezifische Zusammensetzung im Apfelsaft wird durch den überwiegenden Anteil an

Asparagin bestimmt. Bei 80 % der gesamten freien Aminosäuren handelt es sich um

Asparagin und Aspartat [SCHOBINGER, 2001].

16

2.6.4 Vitamine

Obst gilt generell als eine wichtige Quelle für Ascorbinsäure. Letztere übt im

Apfelsaft eine trubstabilisierende Wirkung aus [BIRUS, 2001]. Ascorbinsäure kann

jedoch durch die Oxidation mit Polyphenolen mittels Polyphenoloxidase (PPO; EC

1.14.18.1) vermindert werden [ASHRUST, 1995]. Der Gehalt kann in den einzelnen

Sorten stark schwanken. Die Zugabe von L-Ascorbinsäure bringt nicht nur Vorteile für

die Produktqualität und –stabilität, sondern auch für die antioxidative Kapazität des

Apfelsaftes [RECHNER, 2001].

In geringen Mengen sind im Apfelsaft ebenso B-Vitamine sowie Niacin,

Pantothensäure und Folsäure enthalten [SCHOBINGER, 2001].

2.6.5 Mineralstoffe und Spurenelemente

Hierbei handelt es sich um die unverbrennbaren Bestandteile der Früchte

(Asche). Sie liegen im Apfelsaft als gelöste Ionen vor. Mineralstoffe beeinflussen die

Ladungsverhältnisse im Saft und damit auch das Gelingen der Schönung [BIRUS,

2001]. Im Apfelsaft überwiegt Kalium vor anderen Mineralstoffen wie Calcium und

Magnesium. In geringeren Konzentrationen findet man auch Natrium und Eisen vor

[SCHOBINGER, 2001].

2.7 Der Getränkemarkt - Die Bedeutung von Apfelsaft

2.7.1 Der internationale Fruchtsaftmarkt

Laut dem Verband der deutschen Fruchtsaft-Industrie ist Deutschland mit einem

aktuellen Pro-Kopf-Verbrauch von 40,3 Litern Fruchtsaft und Fruchtnektar, davon

entfallen 12,5 Liter auf Apfelsaft, im Jahr 2005 weltweiter Spitzenreiter im Konsum

von Fruchtsäften und –nektaren. Im Vergleich dazu trinken die US-Amerikaner mit

31,5 Litern und die Italiener mit 14,6 Litern deutlich weniger.

Es liegen Schätzungen vor, dass der weltweite Pro-Kopf-Verbrauch von

Fruchtsäften und -nektaren im Jahre 2008 sechs Litern pro Jahr entsprechen wird, was

einer gesunkenen jährlichen Wachstumsrate von 4,2 % (zwischen 1999 bis 2005) auf

2,8 % entspricht [CANADEAN, 2006].

17

2.7.2 Die weltweite Apfelsaftproduktion

Die geschätzte Apfelsaftproduktion der wichtigsten Apfelsaft herstellenden

Länder sank 2005/06 von 1,4 Mio. Tonnen im Vorjahr auf 1,3 Mio. Tonnen. Dadurch

kommt es zu einer Unterbrechung des steigenden Trends der letzten Jahre. Als

Hauptursache dafür wird die wegen Klimaschäden um 15 % gesunkene Apfel-

Produktion in China, dem führenden Land der Apfelsaftproduktion, angegeben. Auch

die amerikanische Apfelsaftproduktion geht weiterhin leicht zurück. Abb. 5

verdeutlicht den Produktionsumfang der weltweit wichtigsten Apfelsaft herstellenden

Länder [FAS/USDA, 2006].

0

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

Arg

entin

ien

Chi

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Chi

naD

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hlan

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Ung

arn

Italie

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Pole

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Span

ien

USA

met

risc

he T

onn

en

.

Abb. 5: Weltweite Apfelsaftproduzenten 2005/06

2.7.3 Der heimische Getränkemarkt

Abb. 6 zeigt den Getränkekonsum der Österreicher im Jahre 2005. Insgesamt

werden am heimischen Markt pro Kopf 69 Liter Fruchtsäfte, Nektare, stille Getränke

und Fruchtgetränke getrunken.

18

162

109

10074

72

69

6530

Kaffee

Bier

Wasser

Carbonated Soft Drinks

Liquid Dairy Products

Juice Nectar St ill drinks

Tee - heiß

Wein

Abb. 6: Getränkekonsum (pro Kopf in Litern) in Österreich 2005 [Tetra Pack, 2006]

Im Jahre 2005 wurde bei Fruchtsäften, Nektaren, Fruchtsaftgetränken und

gespritzten Fruchtsäften eine Absatzsteigerung von 1,3 % verzeichnet werden. Dabei

konnten Säfte 3,2 % und Fruchtsaftgetränke um 8,1 % zulegen. Rückgänge wurden bei

Nektaren (-3,1 %) und bei gespritzten Säften (-2,3 %) beobachtet [VERBAND DER

GETRÄNKEHERSTELLER ÖSTERREICH, 2006]. Insgesamt wurden 1.289.636 hl

Fruchtsaft konsumiert, wovon 510.817 (=17 %) auf den Apfelsaft entfallen. Dadurch

ergibt sich ein Pro-Kopf-Konsum von 6,4 Litern im Jahr. Der beliebteste Fruchtsaft der

Österreicher bleibt der Orangensaft mit einem Marktanteil von 43 % [TETRA PACK,

KREUTZER FISCHER & PARTNER, 2006].

19

3 Biologischer Landbau

Der Leitgedanke des biologischen Landbaus ist das Wirtschaften im Einklang

mit der Natur. Im Mittelpunkt steht der lebendige, gesunde Boden als Voraussetzung

für gesunde Pflanzen, Tiere und für die daraus hergestellten Lebensmittel [BIO

AUSTRIA, 2006].

Seit dem Jahr 1983 verfügt Österreich über eine staatliche Regelung für den

biologischen Landbau, die im Österreichischen Lebensmittelbuch (Codex Alimentarius

Austriacus) in Kapitel A.8 veröffentlicht ist. Seit dem Beitritt Österreichs zur

Europäischen Union stellt die EU-Verordnung 2092/91 „über den biologischen

Landbau und die entsprechende Kennzeichnung der landwirtschaftlichen Erzeugnisse

und Lebensmittel“ die rechtliche Grundlage sowie die Mindestanforderungen für den

biologischen Landbau dar. Sie regelt die Herstellung, die Aufbereitung, den Import und

die Kontrolle biologisch erzeugter Lebensmittel [VOGL et al., 2003].

Zu den Grundprinzipien des biologischen Landbaues zählt zuerst die Erhaltung

der Bodenfruchtbarkeit ohne chemisch-synthetische Düngemittel. Die

Bodenfruchtbarkeit wird weiters durch eine vielseitige und ausgewogene Fruchtfolge

unterstützt.

Für den Anbau müssen Arten und Sorten verwendet werden, die dem Standort

angepasst und möglichst widerstandsfähig sind. Es darf nur Saatgut verwendet werden,

das gemäß den Richtlinien der biologischen Landwirtschaft erzeugt wurde.

Um den Gesundheitsschutz der Pflanzen sicherzustellen, sind keine

naturfremden, chemisch-synthetischen Pflanzenschutzmittel erlaubt. Sollte es zu großen

Schäden durch Krankheit und Schädlingsbefall kommen, werden natürliche

Pflanzenschutzmittel, wie z.B. Gesteinsmehle, Nützlinge oder Jauche eingesetzt.

Weiters wurde ein Verbot der Verwendung von gentechnisch veränderten

Organismen in der Biolandwirtschaft ausgesprochen.

Ein strenges Kontrollsystem überwacht den Warenfluss von der bäuerlichen

Urproduktion über die gewerbliche Verarbeitung bis hin zum Handel. Unabhängige,

staatlich autorisierte und akkreditierte Kontrollstellen überprüfen die einzelnen Betriebe

mindestens einmal im Jahr.

20

Erkennbar sind Bioprodukte für den Konsumenten durch die Kennzeichnung

mit den Worten „aus (kontrollierter) biologischer/ökologischer Landwirtschaft“ oder

„aus (kontrolliertem) biologischem/ökologischem Anbau/Landbau“ [BIO AUSTRIA,

2006].

Obwohl in der Europäischen Union nur etwa 4 % der gesamten

landwirtschaftlich genutzten Fläche ökologisch bewirtschaftet werden, gewinnt der

biologische Landbau zunehmend an Bedeutung [ROHNER-THIELEN, 2005]. Laut

österreichischem Ernährungsbericht 2003 steigt die Nachfrage nach biologisch

hergestellten Produkten stark an. Wichtige Motive dafür sind laut Konsument

Geschmack, Umweltschutz und gesundheitsbewusste Ernährung. Biologische

Pflanzenprodukte beinhalten üblicherweise weniger Pflanzenschutzmittel, jedoch kann

bezogen auf den Nährstoffinhalt noch nicht behauptet werden, dass Bioprodukte

gesünder sind als konventionell hergestellte Produkte [ELMADFA et al. 2003]. Der

geschätzte Marktanteil für biologisch erzeugte Produkte für das Jahr 2025 liegt laut

österreichischem Lebensministerium bei 5-10 % [LEBENSMINISTERIUM, 2005].

21

4 Phenole

4.1 Allgemeines

Polyphenole stellen die größte Gruppe der sekundären Pflanzenstoffe (SPS)

bzw. Phytochemicals, dar, die anstatt der Primärprodukte Kohlenhydrate, Ballaststoffe,

Fette und Proteine ausschließlich im Sekundärstoffwechsel der Pflanzen gebildet

werden. Von den in der Natur vorkommenden 30.000 bekannten sekundären

Pflanzenstoffen sind ungefähr 5.000-10.000 in der menschlichen Ernährung enthalten.

Mit einer gemischten Kost werden täglich rund 1,5 g SPS aufgenommen [HAHN et al,

2005].

4.2 Klassifizierung der Phenole

In der Natur kommen mindestens 8000 unterschiedliche phenolische Vertreter

(ca. 3000 Flavonoide und ca. 5000 Nicht-Flavonoide) vor. Phenole bestehen aus einem

aromatischen Ringsystem, an das direkt zumindest eine Hydroxy-Verbindung gebunden

ist [EDER und WENDELIN, 2002]. Die einzelnen Substanzklassen unterscheiden sich

durch die Zahl und Verteilung der Hydroxygruppen, die sowohl methyliert als auch

glykosyliert vorliegen können. Weiters unterscheidet man zwischen monomeren

Phenolen und polymeren Phenolen [HERMANN 1992; EDER, 1998]. Unter dem

Begriff Polyphenole werden Verbindungen mit mindestens zwei phenolischen

Hydroxygruppen im Mol zusammengefasst [EDER, 2006].

Unter Berücksichtigung ihrer chemischen Struktur lassen sich Phenole grob in

folgende Gruppen einteilen:

• Flavonoide

• Phenolcarbonsäuren (Nichtflavonoide)

• Stilbene

[NIKFARDJAM, 2002]

22

4.2.1 Flavonoide

Mit mehr als 4000 Vertretern haben

Flavonoide unter den Phenolen die größte

Bedeutung in Pflanzen. Sie kommen

hauptsächlich in den festen Bestandteilen der

Früchte und weniger in Saft, Fruchtfleisch und

Pulpe vor. Strukturell leiten sie sich vom

Flavan (2-Phenyl-benzo-dihydropyran) ab, dessen 15 C-Atome in der

charakteristischen C6-C3-C6-Konfiguration angeordnet sind (Abb. 7). Es handelt sich

um sehr oxidationsanfällige Verbindungen mit herb-bitterem Geschmack.

Aufgrund der vielfältigen Grundstrukturen ist eine weitere Unterteilung dieser

Gruppe notwendig [EDER 2002; BELITZ und GROSCH, 1992].

Auf die in Zitrusfrüchten enthaltenen Flavone und Flavanone wird in dieser

Arbeit nicht näher eingegangen [ØYVIND, 2006].

4.2.1.1 Flavan-3-ole

Hierbei handelt es sich um farblose

Verbindungen mit einer gesättigten Bindung

zwischen dem C2 und C3 Atom (Abb. 8). Sie

haben zwei asymmetrische Kohlenstoffatome,

woraus sich vier mögliche Isomere ergeben. In

der Natur kommen sie meistens frei, d.h. nicht

glykosyliert bzw. verestert, vor. Man findet sie

z.B. in Trauben (20-100 mg/kg), Äpfeln (10-20

mg/kg) und Erdbeeren (2-5 mg/kg). Ihr

adstringierender und bitterer Geschmack ist charakteristisch. Zu den wichtigsten

Vertretern im Obst zählen vor allem (+)-Catechin, (-)-Epicatechin, (+)-Gallocatechin

und (-)-Epigallocatechin. Flavan-3-ole bilden den Grundkörper der Proanthocyanidine

[SPANOS und WROLSTAD, 1992; EDER, 1998].

Abb. 7: Struktur Flavan

Abb. 8: Struktur Flavan-3-ole

OHO

OH

OH

OH

OH

R

23

4.2.1.2 Flavan-3,4-diole

Die auch als Leuko-

anthocyanidine bekannten Flavan-3,4-

diole sind farblose Substanzen, die beim

Erhitzen im sauren Milieu rote

Farbstoffe, die Anthocyanidine, bilden.

Ihre Struktur ist in Abb. 9 abgebildet.

Besondere Bedeutung wird ihnen als

Vorstufen gewisser Proanthocyanidine

zugeschrieben [EDER, 1998].

4.2.1.3 Flavonole

Flavonole kommen in der Pflanze

hauptsächlich als Glykoside vor und sind

farblose bzw. gelbe Verbindungen [VAN

DER SLUIS, 2002]. Charakteristisch ist

das Vorkommen einer ungesättigten

Bindung zwischen dem C2 und C3 Atom

(Abb. 10). Die Hauptvertreter in

Früchten sind vor allem die Glykoside

Kämpferol, Quercetin, Myricetin und

Isorhamnetin [EDER und WENDELIN, 2002].

OHO

OH OH

OH

OH

OH

R

Abb. 9: Struktur Flavan-3,4-diole

OHO

OH O

R1

OH

OH

R2

Abb. 10: Struktur Flavonole

24

4.2.1.4 Anthocyane

Die Stoffgruppe der Anthocyane

lässt sich in die Anthocyanidine

(Aglykone) und die Anthocyanine

(Glykoside) unterteilen. Es handelt sich

um rot bis blau gefärbte Farbstoffe mit

einem C6-C3-C6-Ringsystem. Die

Farbausprägung ist pH-Wert abhängig.

In der Natur kommen vorwiegend

Glykoside der Anthocyanidine (Abb.

11), wie Pelargonidin, Cyanidin, Delphinidin und Malvidin, vor [WATZL, et al., 2002].

Im Apfel findet man sie nur in der roten Schale [HERRMANN, 1992].

4.2.1.5 Chalcone und Dihydrochalcone

Hierbei handelt es sich um

Phenole mit einem offenen Ringsystem.

Strukturell zählen Chalcone und

Dihydrochalcone (Abb. 12) zu den

Flavonoiden [ØYVIND, 2006]. Die

schwach gelb gefärbten Dihydrochalcone

kommen nur selten in Früchten vor. Der Apfel bildet mit den Phloretinglukosiden

Phloretin-2’-xyloglucosid und Phloridzin (Phloretin-2’-ß-glucosid) eine Ausnahme

[WALD und GALENSA, 1989].

4.2.2 Phenolcarbonsäuren (Nichtflavonoide)

Bei den Phenolcarbonsäuren unterscheidet man zwischen Hydroxyzimtsäuren

(HCA) und Hydroxybenzoesäuren (HBA) [WATZL und RECHKEMMER, 2001]. Es

handelt sich um gut wasserlösliche Verbindungen, die vermehrt im Fruchtsaft auftreten.

Aufgrund ihrer starken Oxidationsanfälligkeit zählen sie zu effizienten Antioxidantien

[EDER und WENDELIN, 2002]. Abb. 13 führt die in Lebensmitteln am häufigsten

vorkommenden Vertreter an.

OHO

OH

R1

OH

OH

R2

+

Abb. 11: Struktur Anthocyanidine

Abb. 12: Struktur Dihydrochalcone

25

Hydroxyzimtsäuren Hydroxybenzoesäuren

p-Cumarsäure R1 = H, R2 = H Gallussäure R1 = OH, R2 = OH

Ferulasäure R1 = H, R2 = O CH3 Protocatechusäure R1 = OH, R2 = H

Siapinsäure R1 = OCH3, R2 = O CH3 Syringasäure R1 = OCH3, R2 = OCH3

Kaffeesäure R1 = H, R2 = OH Vanillinsäure R1 = OCH3, R2 = H

Abb. 13: Die häufigsten in Lebensmitteln vorkommenden Hydroxyzimtsäuren und

Hydroxybenzoesäuren

Phenolcarbonsäuren liegen meistens verestert mit organischen Säuren oder

Zuckern vor. Die veresterten Verbindungen haben veränderte chemische, physikalische

und physiologische Eigenschaften, was sich letztendlich auch auf ihre Bioverfügbarkeit

im menschlichen Organismus auswirkt. Da der Mensch keine Esterasen besitzt, können

veresterte Hydroxyzimtsäuren im Dünndarm nicht absorbiert werden, weshalb eine

Metabolisierung von Phenolcarbonsäureestern nur nach Hydrolyse durch Enzyme der

Mikroflora im Dickdarm möglich ist [WATZL und RECHKEMMER, 2001].

4.2.2.1 Hydroxyzimtsäure

Als Grundkörper der Hydroxyzimtsäure-Verbindungen (C6-C3) findet man in

Früchten großteils Kaffeesäure, p-Cumarsäure und weniger Ferulasäure vor. In der

Pflanze liegen sie nicht in freier Form vor, sondern entstehen erst bei mechanischen

Beanspruchungen durch Hydrolyse. In Früchten sind sie meistens mit D-Chinasäure,

deren vier OH-Gruppen gute Verknüpfungsmöglichkeiten darstellen, oder Glucose

verbunden [HERMANN, 1992]. Weiters unterscheidet man aufgrund der

Doppelbindung zwischen zwei optisch aktiven Formen, der trans- und cis-HCA. Die

Umwandlung erfolgt sehr leicht z.B. durch Licht, jedoch überwiegt die trans-Form.

[EDER und WENDELIN, 2002]. Der bedeutendste Vertreter der Hydroxyzimtsäuren in

Früchten ist die Chlorogensäure, die sich aus Kaffeesäure und Chinasäure

zusammensetzt [WATZL und RECHKEMMER, 2001].

26

4.2.2.2 Hydroxybenzoesäure

HBA-Verbindungen (C6-C1) kommen meistens als freie Säuren und im

Vergleich zu HCA’s in viel geringeren Konzentrationen (

27

zusammensetzen. Ebenso findet man das trimere Procyanidin C1. Bei geringem

Polymerisationsgrad sind sie farblos und haben einen bitteren Geschmack. Erst höher

polymerisierte Verbindungen besitzen eine gelblich bis braune Farbe und einen

charakteristisch adstringierenden Geschmack [HERRMANN, 1992]. Nicht oxidierte

Procyanidine bilden Wasserstoffbindungen mit Proteinen, wodurch unlösliche

Komplexe im Fruchtsaft entstehen [SPANOS et al, 1992].

4.2.4.2 Hydrolysierbare Tannine

Hydrolysierbare Tannine entstehen durch die Veresterung von Gallussäure

und/oder Hexahydroxydiphensäure, der Vorstufe der Ellagsäure, mit Glucose. Sie

können unter hydrolytischen Bedingungen abgebaut werden, wobei, wenn Gallussäure

freigesetzt wird, Gallotannin entsteht. Wird Ellagsäure freigesetzt, entsteht Ellagtannin.

Diese komplexen Polyphenole fehlen im Apfel, kommen jedoch im Baumgewebe und

in einigen Früchten, wie z.B. Himbeeren und Brombeeren, vor [EDER und

WENDELIN, 2002].

4.3 Biosynthese von Polyphenolen

Alle Precursoren der Polyphenole stammen aus dem Kohlenhydratstoffwechsel.

Prinzipiell wird die Biosynthese aromatischer Verbindungen in der Pflanze in folgende

drei Segmente aufgeteilt:

• Shikimisäure-Segment: Produktion der Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin und

Tryptophan

• Phenylpropanoid-Segment: Synthese von Hydroxyzimtsäure-Derivaten sowie

Vorstufen der Flavonoide und des Lignins

• Flavonoid-Segment: Herstellung diverser Flavonoide

Der Ablauf der Biosynthese von Polyphenolen ist in Abb. 15 schematisch

dargestellt.

Die Shikimisäure entsteht enzymatisch aus dem den Kohlenhydrat-Stoffwechsel

stammenden Vorstufen Phosphoenolpyruvat und Erythrose-4-Phosphat. Über weitere

Zwischenstufen entstehen Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan. Ausgehend von L-

Phenylalanin entsteht durch das Schlüsselenzym Phenylalanin-Ammonium-Lyase

(PAL; EC 4.3.1.5) Zimtsäure. Durch enzymatische Hydroxylierung bildet sich

28

anschließend p-Cumarsäure. Letztere kann durch fortschreitende Hydroxylierung und

Methylierung in Kaffeesäure und Ferulasäure umgewandelt werden. PAL wird durch

verschiedene Faktoren, meist Stressfaktoren, induziert. So wird das Enzym durch

Phenylalanin, Ethylen, Hormone, Wundreiz und Licht aktiviert und durch phenolische

Substrate gehemmt [PATZWAHL, 2002].

Die an Coenzym A gebundene p-Cumarsäure (p-Cumarsäure-CoA) kann über eine

durch die Chalcon-Synthase (EC 2.3.1.74) katalysierte Reaktion mit Malonyl-CoA zum

Naringeninchalcon weiter reagieren. Dies stellt das C6-C3-C6 Grundgerüst aller

Flavonoide dar. Nach Ringschluss durch die Chalcon-Isomerase (EC 5.5.1.6) ergibt

sich das Naringenin, von dem sich die Flavone, Isoflavone und das Dihydrokämpferol

ableiten. Durch Katalyse der Flavonol-Synthase (EC 1.14.11.23) kommt es zur

Ausbildung der Doppelbildung zwischen C2-Atom und C3-Atom und somit zum

Flavonol Kämpferol. Leucoanthocyanidine stammen aus der Reduktion der Ketogruppe

durch die Dihydroflavonol-Reduktase (EC 1.1.1.219). Sie bilden die kurzlebigen

Vorstufen der Anthocyanidinen und Flavan-3-ole. Wie die Synthese der Anthocyane,

Flavan-3-olen und Proanthocyanidinen abläuft, ist noch nicht bis ins Detail geklärt. Es

wird ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Enzyme vermutet [FORKMANN,

1993]. Durch die Entfernung eines Acetatrests nach Oxidation der Seitenkette der

Hydroxyzimtsäuren werden in den Pflanzen aus Hydroxyzimtsäuren die

entsprechenden Hydroxybenzeosäuren gebildet [RITTER, 1994].

29

Abb. 15: Biosyntheseweg der Pflanzenphenole [FORKMANN, 1993]

30

4.4 Funktion von Phenolen in der Pflanze

Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe erfüllen vielfältige Funktionen in der Pflanze.

Da ihre Entstehung lichtabhängig ist, kommen sie vermehrt in den äußeren Geweben

der Pflanzen vor.

Gerbstoffe (Catechine, Tannine) haben vor allem Abwehrfunktion gegen

Mikroorganismen, während Bitterstoffe die Pflanzen gegen Tierfraß schützen. Viele

dieser Abwehrstoffe sind selbst für die Pflanze toxisch und werden daher in besonderen

Kompartimenten isoliert. Es ist aber auch möglich, dass zuerst nur die weniger oder

nicht toxischen Vorstufen gebildet werden, die bei Verletzung der Gewebe nach

Kontakt mit den entsprechenden Enzymen in die toxische Form übergeführt werden.

Weitere phenolische Verbindungen funktionieren als Duftstoffe und sind bedeutend für

die Anlockung von Insekten zur Blütenbestäubung auf chemischem Weg. Viele

beeinflussen auch den Geschmack und die Stabilität der Pflanze. Die Färbung der

Blütenblätter durch Anthocyane und Flavone dient der optischen Anlockung.

Schließlich gelten einige Phenole, Glykoside und Alkaloide als sogenannte

allelopathische Verbindungen, die von den Pflanzen zur Unterdrückung anderer,

artfremder Pflanzen in der näheren Umgebung ausgeschieden werden [HÄKKINNEN,

2000; NULTSCH 2001].

4.5 Gesundheitliche Bedeutung von Phenolen

Sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe (SPS) zählen zu den sogenannten bioaktiven

Substanzen, denen eine wichtige Rolle als gesundheitsfördernde Wirkstoffe

zugeschrieben werden [ELMADFA und LEITZMANN, 2004].

Im menschlichen Organismus können SPS sowohl gesundheitsfördernde als

auch gesundheitsschädliche Auswirkungen haben. Noch vor einigen Jahren wurden

SPS hauptsächlich als antinutritive Pflanzenstoffe bezeichnet, da einige Verbindungen

die maximale Verwertung der Nährstoffe einschränken [HAHN et al., 2005].

Heutzutage stehen die gesundheitlichen Vorteile im Mittelpunkt aller Forschungen.

In Tab. 3 sind die vielfältigen Wirkungen der SPS angegeben.

31

Tab. 3: Wirkungen sekundärer Pflanzenstoffe [ELMADFA und LEITZMANN, 2004]

• antioxidativ (hemmen Bildung freier Radikale)

• antikanzerogen (senken Krebsrisiko)

• immunmodulatorisch (stärken das Immunsystem)

• antimikrobiell (schützen vor Infektionen)

• antithrombotisch

• entzündungshemmend

• blutdurckregulierend

• cholesterinspiegelsenkend

• blutglucoseregulierend

• verdauungsfördernd

Die Gruppe der Polyphenole spielen eine wichtige Rolle beim

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