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Einfluss von Anbaubedingungen und Fermentation auf die Qualität von Kakaobohnen: Identifizierung der Steuergrößen von Qualitätsaspekten bei Theobroma cacao L. aus dem peruanischen Amazonasgebiet
No full textCocoa, a globally important cash crop, is appreciated by a growing number of people in all parts of the world as ingredient in chocolate or other cocoa derived food products. In past decades, consumers have shown higher preference for healthier products resulting in increased demand for cocoa products with higher cocoa content with the benefit of reducing sugar consumption and to take advantage of the inherent health benefits of cocoa. Also, consumer awareness is leaning towards traceability of product origin together with sustainable farming practices and working conditions in the crop growing countries. Therefore, chocolate should no longer only taste good, but also fulfil the consumer’s demand for beneficial traits and for sustainable and ecological responsible farming practices. Due to these changing trends, the production process of chocolate, to guarantee a high-quality final product, is under review with a new focus on upstream steps along the cocoa value chain such as selection of cacao genetic material, the farming conditions, crop growing techniques, post-harvest treatments, shipment and storage.
This thesis aims at better understanding of the relevant drivers of cocoa quality during the initial steps of the cocoa value chain. These are the selection of cacao varieties, the cultivation and the fermentation of cacao. The studies included in this thesis are based on in-field assessments and experimental fermentations that were carried out in one of the major cacao-growing regions of Peru, around the city of Tocache, San Martín. The project was conducted in cooperation with the United Nations Office on Drugs and Crime (UNODC). The particular focus is on the following parameters: (1) Influence of environmental conditions and farm management on cocoa quality; (2) Influence of different pulp pre-conditioning treatments on the fermentation process and resulting raw cocoa bean quality; (3) Influence of clone type and fermentation vessel material on the fermentation process and resulting raw cocoa bean quality. Based on the scientific results, this thesis provides suggestions for practical applications. These are described in the synthesis part of this work.
To study the impact of environment and farm management on cocoa bean quality, the relationships were analyzed between plant diversity and crop quantity (yield, fruit set, fruit size), pathogen incidence (Moniliophthora perniciosa, Moniliophthora roreri, Phytophthora spp.), and the profile of selected secondary compounds (methylxanthines and polyphenols) in seeds of 48 cacao trees from different farms in the study region. In addition, the impact of soil parameters, fertilization and pruning on the same variables were investigated. The study revealed a complex relationship between biodiversity effects in cacao agroforestry systems and farm management techniques on cocoa bean quality. A strong positive correlation was found between the diversity of herb and shrub layer and the number of healthy, ripe fruits observed in the respective trees. Furthermore, a greater diversity of herb and shrub layer proved to influence the degree of fungal infestation of cacao fruits and trees. This could partly be explained by the presence of plant characteristic contents of polyphenols and methylxanthines, both types of compounds also being indicators of final cocoa bean quality. In contrast, diversity and abundance of the shade tree layer showed a negative effect on yield parameters. Adding fertilizer to ensure sufficient nutrient supply was generally beneficial to the yield and the resistance to pathogens. Further, a shade management with an open shade tree layer together with shape and phytosanitary pruning results in an improved resistance to pathogens and increased yield. Overall, this study provides evidence for the importance of biodiversity and plantation management on product yield, disease outbreak, and secondary metabolism of cacao. In summary, the study is one of the first that shows how farming conditions influence cocoa bean quality.
Fermentation of cacao seeds is a crucial step for the formation of aroma precursors which transform into the cocoa specific aromas during the subsequent roasting process. Therefore, fermentation plays a pivotal role for the quality of the final product. To ensure adequate fermentation of fresh cacao seeds, the process should be adapted to both genotype and environmental conditions. Pulp-preconditioning may be an option to influence the fermentation process, but different techniques have not been studied nor compared comprehensively in particular for Trinitario clones cultivated in Peru. In this study, the impact of three pulp pre-conditioning methods (i. e., pod storage, pulp drainage and inoculation with starter cultures) was analyzed on the course of the fermentation process and related cocoa bean quality. 16 experimental fermentations with a defined clone mixture in 252 L wooden boxes were conducted. The data confirmed that treatments lead to different quantities of free amino acids and polyphenols which cause variations of aroma profiles and possible health benefits of the cocoa beans. In particular, removal of pulp resulted in reduced and pod storage in increased bitter and astringent taste of cocoa liquor produced from the cocoa beans. These findings will enable cacao farmers and cooperatives to adjust their product quality in line with customers’ and consumers’ preferences engaging easily implementable pre-conditioning techniques.
Apart from fermentation techniques, the influence of genetic traits of cacao seeds on the fermentation process was studied. 49 pilot-scale single clone fermentations (27 L) of eight Trinitario fine and flavor clones and one Forastero cultivar were measured and analyzed. As additional parameter, boxes with and without polystyrene insulation were included into the analyses. A further investigational set-up of 41 micro-fermentations with clone mixtures was carried out in boxes made of four different timber types. The aim was to explore possible effects of vessel material on the course of fermentation. Single clone fermentations showed a high similarity between most clones, with only two clones showing significantly different patterns in terms of temperature profile and fermentation degree respectively. As justified by the few differences found among the different clones, it can be recommended to farmers and cacao cooperatives to ferment clones as a mixture. Insulation of boxes caused a less strong temperature increase between 48 and 96 h of fermentation—presumably due to reduced inoculation and subsequent aeration of the fermentation mass. These results make it inadvisable to insulate fermentation boxes.
As far as known, this study is the first that reports a significant effect of the timber type on temperature development, degree of fermentation, and the quantity of free amino acids in cacao seeds. Despite promising effects of two of the timber types compared in this study, none of the four types seemed to be optimal in respect to availability of timber, suitability for box construction, and fermentation. Hence, further research on appropriate wood types to standardize fermentation boxes for commercial scale is required.
In summary, this study clearly shows that relevant quality aspects in cocoa beans are determined at the very first steps of the value chain such as cacao farming, selection of genetic material, and fermentation conditions. This highlights the pivotal importance of small-holder farmers and their cooperatives with respect to their influence on the final product quality. Consequently, chocolate companies would benefit from a stronger involvement of smallholders into the production process and consideration of the entire value chain from “farm to chocolate bar”. The practical application of novel insights obtained during this study, like the positive effect of diverse agroforestry systems, the potential of pulp pre-conditioning, and the search for appropriate timber for box fermentations, would be a step toward to more reliable chocolate quality. A tight cooperation with cacao farmers on these measures will certainly contribute to produce healthier, more biodiversity-friendly, and socially responsible produced chocolate.Kakao ist eine wichtige Weltwirtschaftspflanze, die in Form von Schokolade oder anderen Kakaoprodukten von zunehmend mehr Menschen in allen Teilen der Welt geschätzt wird. In den letzten Jahrzehnten haben Verbraucher eine zunehmende Präferenz für gesündere Produkte entwickelt, was zu einer steigenden Nachfrage nach Kakaoprodukten mit höherem Kakaogehalt geführt hat, zum einen, um den Zuckerkonsum zu senken und zum anderen um die gesundheitlichen Vorteile von Kakao zu nutzen. Das Bewusstsein der Verbraucher hinsichtlich der Rückverfolgbarkeit von Produkten sowie bezüglich nachhaltiger landwirtschaftlicher Anbaumethoden und Arbeitsbedingungen in den Anbauländern hat zudem stark zugenommen. Daher sollte Schokolade nicht mehr nur gut schmecken, sondern auch der Forderung des Verbrauchers nach gesundheitsförderlichen Eigenschaften und nach nachhaltigen und ökologisch verantwortlichen landwirtschaftlichen Praktiken nachkommen. Aufgrund dieser sich ändernden Trends wird neben dem Produktionsprozess von Schokolade zur Gewährleistung eines qualitativ hochwertigen Endprodukts, zunehmend ein neuer Schwerpunkt auf vorgelagerte Schritte entlang der Kakao-Wertschöpfungskette gelegt. Dies betrifft zum Beispiel die Auswahl von genetischem Pflanzenmaterial von Kakao, die Anbaubedingungen und -techniken, Nacherntebehandlungen, Transport und Lagerung.
Ziel dieser Arbeit ist es, die relevanten Einflussfaktoren der Kakaoqualität in den ersten Schritten der Kakao-Wertschöpfungskette besser zu verstehen. Diese sind die Auswahl der Kakaosorten sowie der Anbau und die Fermentation von Kakao. Die in dieser Arbeit enthaltenen Studien basieren auf Felduntersuchungen und experimentellen Fermentationen, die in einem der wichtigsten Kakaoanbaugebiete Perus in der Nähe der Stadt Tocache in der Region San Martín durchgeführt wurden. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit dem „Büro der Vereinten Nationen für Drogen- und Verbrechensbekämpfung“ (UNODC) durchgeführt. Der besondere Schwerpunkt liegt auf folgenden Parametern: (1) Einfluss der Umweltbedingungen und der Betriebsführung auf die Kakaoqualität; (2) Einfluss verschiedener Fruchtfleischvorbehandlungen auf den Fermentationsprozess und die daraus resultierende Kakaoqualität; (3) Einfluss des Klontyps und des Fermentationsgefäßmaterials auf den Fermentationsprozess und die daraus resultierende Kakaoqualität. Aus den wissenschaftlichen Ergebnissen dieser Arbeit werden Vorschläge für praktische Anwendungen abgeleitet. Diese sind im Syntheseteil der Arbeit beschrieben.
Um die Auswirkungen von Umweltparametern und Plantagenmanagement auf die Kakaoqualität zu untersuchen, wurden die Zusammenhänge zwischen Pflanzenvielfalt und Erntemenge (Ertrag, Fruchtansatz, Fruchtgröße), Pathogenbefall (Moniliophthora perniciosa, Moniliophthora roreri, Phytophthora spp.) sowie das Profil ausgewählter sekundärer Pflanzenstoffe (Methylxanthine und Polyphenole) in Samen von 48 Kakaobäumen auf verschiedenen Kakaofarmen in der Untersuchungsregion analysiert. Darüber hinaus wurde der Einfluss von Bodenparametern, Düngung und Baumschnitt auf diese Variablen untersucht. Diese Studie zeigte einen komplexen Zusammenhang zwischen den Auswirkungen der biologischen Vielfalt in Kakao-Agroforstsystemen und der Betriebsführung auf die resultierende Kakaoqualität. So bestand eine signifikante, positive Korrelation zwischen der Vielfalt der Kraut- und Strauchschicht und der Anzahl gesunder, reifer Früchte an den untersuchten Kakaobäumen. Darüber hinaus zeigte sich, dass eine größere Vielfalt in der Kraut- und Strauchschicht den Grad des Pilzbefalls von Kakaofrüchten und -bäumen beeinflusst. Dies konnte teilweise durch das Vorhandensein von pflanzencharakteristischen Mengen an Polyphenolen und Methylxanthinen erklärt werden, wobei beide Verbindungen auch Indikatoren für die Kakaoqualität sind. Im Gegensatz dazu wirkten sich Diversität und Abundanz der Schattenbaumschicht negativ auf die Ertragsmenge aus. Dünger zur Sicherstellung einer ausreichenden Nährstoffversorgung war im Allgemeinen vorteilhaft für den Ertrag und die Resistenz gegen Krankheitserreger. Darüber hinaus führt ein Beschattungsmanagement mit einer offenen Baumkronenschicht zusammen mit Formschnitt und phytosanitärem Schnitt zu einer verbesserten Resistenz gegen Krankheitserreger und einem erhöhten Ertrag. Insgesamt liefert diese Studie somit Belege für die Bedeutung der biologischen Vielfalt und der Betriebsführung in Bezug auf den Produktertrag, den Krankheitsbefall und den Sekundärstoffwechsel von Kakao. Zusammenfassend ist diese Studie eine der ersten, die zeigt, wie die landwirtschaftlichen Bedingungen die Qualität von Rohkakao beeinflussen.
Die Fermentation von Kakaosamen ist ein entscheidender Schritt für die Bildung von Aromavorstufen, die während des anschließenden Röstprozesses in kakaospezifische Aromen umgewandelt werden. Daher spielt die Fermentation eine entscheidende Rolle für die Qualität des Endprodukts. Um eine wirkungsvolle Fermentation von frischen Kakaosamen sicherzustellen, sollte das Verfahren sowohl an den Genotyp als auch an die Umweltbedingungen angepasst werden. Die Vorbehandlung von Kakaofruchtfleisch kann dabei eine Option sein, um den Fermentationsprozess zu beeinflussen, allerdings wurden unterschiedliche Techniken insbesondere für peruanische Trinitario-Klone bisher weder untersucht noch umfassend verglichen. In dieser Studie wurde der Einfluss von drei Methoden zur Vorbehandlung von Kakaofruchtfleisch (Lagerung von Kakaofrüchten, Abpressen des Fruchtfleisches und Inokulation mit Starterkulturen) auf den Verlauf des Fermentationsprozesses und die damit verbundene Qualität von Kakaobohnen untersucht. Es wurden 16 experimentelle Fermentationen mit einer definierten Klonmischung in 252 L Holzkisten durchgeführt. Unsere Daten bestätigten, dass die Vorbehandlungen des Fruchtfleisches zu unterschiedlichen Mengen an freien Aminosäuren und Polyphenolen im Rohkakao führen, was zu einer Veränderung des Aromaprofils und möglichen gesundheitlichen Wirkungen der Kakaobohnen führt. Insbesondere die Reduzierung des Fruchtfleisches durch Abpressen bewirkte einen weniger bitteren und adstringierenden Geschmack der Kakaomasse, während die Lagerung von Kakaofrüchten diese Geschmacksqualitäten verstärkte. Diese Ergebnisse ermöglichen es Kakaobauern und Genossenschaften, ihre Produktqualität mit leicht umsetzbaren Vorbehandlungstechniken an die Vorgaben von Kunden und Verbrauchern anzupassen.
Neben Fermentationstechniken wurde der Einfluss genetischer Merkmale von Kakaosamen auf den Fermentationsprozess untersucht. 49 Einzelklon-Mikrofermentationen (27 L) von acht Trinitario-Edelkakaoklonen und einer Forastero-Sorte wurden analysiert. Als zusätzlicher Parameter wurden Boxen mit und ohne Polystyrolisolierung in die Analysen einbezogen. Des Weiteren wurden 41 Mikrofermentationen mit Klonmischungen in unterschiedlichen Kisten durchgeführt, die aus vier verschiedenen Holzarten bestanden. Ziel dieses Ansatzes war es, mögliche Auswirkungen des Gefäßmaterials auf den Fermentationsverlauf zu untersuchen. Die Einzelklonfermentationen zeigten eine hohe Ähnlichkeit zwischen den meisten Klonen auf, wobei nur zwei Klone signifikant unterschiedliche Muster zeigten, zum einen hinsichtlich des Temperaturprofils und zum anderen in Bezug auf den Fermentationsgrad. Aufgrund der wenigen Unterschiede zwischen den verschiedenen Klonen kann den Landwirten und Kakao-Genossenschaften empfohlen werden, diese Klone gemeinsam zu fermentieren. Die Isolierung von Kisten verursachte einen weniger starken Temperaturanstieg zwischen 48 und 96 Stunden der Fermentation - vermutlich wegen einer verringerten Inokulation und Belüftung der Fermentationsmasse. Diese Ergebnisse machen es nicht empfehlenswert, Fermentationsboxen zu isolieren.
Nach aktuellem Forschungsstand ist diese Studie die erste, die einen signifikanten Einfluss unterschiedlicher Holzarten auf die Temperaturentwicklung während der Fermentation sowie den Fermentationsgrad und die Menge an freien Aminosäuren von Kakaosamen nachweisen konnte. Trotz vielversprechender Auswirkungen von zwei der in dieser Studie verglichenen Holzarten war jedoch keine der vier Arten hinsichtlich der Holzverfügbarkeit, der Eignung für den Kistenbau und der Fermentation optimal. Daher sind weitere Untersuchungen zu geeigneten Holzarten für eine Standardisierung von Fermentationsboxen im kommerziellen Maßstab erforderlich.
Zusammenfassend zeigt diese Studie deutlich, dass relevante Qualitätsaspekte von Kakao in den ersten Schritten der Wertschöpfungskette, wie Kakaoanbau, Auswahl von genetischem Material und Fermentationsbedingungen, bestimmt werden. Dies unterstreicht die zentrale Bedeutung der Kleinbauern und ihrer Genossenschaften für die Qualität des Endprodukts. Folglich würden Schokoladenunternehmen von einer stärkeren Einbeziehung der Kleinbauern in den Produktionsprozess und von der Berücksichtigung der gesamten Wertschöpfungskette von der „Farm zur Schokoladentafel“ profitieren. Die praktische Anwendung der neuartigen Erkenntnisse aus dieser Arbeit, wie die positive Wirkung verschiedener Agroforstsysteme, das Potenzial der Fruchtfleischvorbehandlung und die Suche nach Holz mit vorteilhaften Eigenschaften für die Kistenfermentation, wäre ein Schritt in Richtung zuverlässigerer Qualität von Schokoladenprodukten. Eine enge Zusammenarbeit mit den Kakaobauern bei diesen Maßnahmen würde sicherlich dazu beitragen, gesündere, ökologisch vielfältigere und sozial verantwortlich hergestellte Schokolade zu produzieren.El cacao, un cultivo comercial de importancia mundial, es apreciado como ingrediente del chocolate u otros productos alimenticios derivados del cacao por un número cada vez mayor de personas en todas partes del mundo. En las últimas décadas, los consumidores han mostrado una preferencia creciente por productos más saludables, lo que ha dado como resultado una mayor demanda de productos de cacao con mayor porcentaje de cacao para reducir el consumo de azúcar y aprovechar de los beneficios para la salud inherente en el cacao. Además, la conciencia del consumidor se inclina hacia la trazabilidad del origen del producto junto con prácticas agrícolas y condiciones de trabajo sostenibles en los países productores del cultivo. Por lo tanto, el chocolate ya no solo debe tener buen sabor, sino también satisfacer la demanda del consumidor de características beneficiosas y prácticas agrícolas sostenibles y ecológicamente responsables. Debido a estas nuevas tendencias, el proceso de producción del chocolate, para garantizar un producto final de alta calidad, se está revisando con un nuevo enfoque en los pasos iniciales a lo largo de la cadena de valor del cacao, como la selección del material genético del cacao, las condiciones ambientales, prácticas agrícolas, tratamientos poscosecha, transporte y almacenamiento.
Esta tesis tiene como objetivo destacar los impulsores relevantes de la calidad del cacao durante los pasos iniciales de la cadena de valor del cacao. Estos son la selección de variedades de cacao, el cultivo y la fermentación del cacao. Los estudios de esta tesis se basan en evaluaciones de campo y fermentaciones experimentales que se llevaron a cabo en una de las principales regiones productoras de cacao del Perú, alrededor de la ciudad de Tocache, San Martín. El proyecto se llevó a cabo en cooperación con la “Oficina de las Naciones Unidas contra la Droga y el Delito” (UNODC). El enfoque particular está en los siguientes parámetros: (1) influencia de las condiciones ambientales y el manejo de la finca en la calidad del cacao; (2) influencia de los diferentes tratamientos de acondicionamiento previo de la pulpa en el proceso de fermentación y la calidad del cacao resultante; (3) influencia del tipo de clon y del material de los cajones en el proceso de fermentación y la calidad del cacao resultante. Con base en los resultados científicos, esta tesis proporciona sugerencias para aplicaciones prácticas, de los cuales se describen en la parte de síntesis de este trabajo.
Para estudiar el impacto del medio ambiente y del manejo de la finca sobre la calidad de los granos de cacao, analizamos las relaciones entre la diversidad de plantas y del rendimiento (rendimiento, cuajado, tamaño de frutos), la incidencia de patógenos (Moniliophthora perniciosa, Moniliophthora roreri, Phytophthora spp.) y el perfil de compuestos secundarios seleccionados (metilxantinas y polifenoles) en semillas de 48 árboles de cacao de diferentes fincas de la región de estudio. Además, se investigó el impacto de los parámetros del suelo, de la fertilización y de la poda sobre las mismas variables. Nuestro estudio reveló una relación compleja entre los efectos de la biodiversidad en los sistemas agroforestales de cacao y las técnicas de manejo de fincas sobre la calidad del cacao resultante. Encontramos fuertes correlaciones positivas entre la diversidad de la capa de hierbas y arbustos y el número de frutos maduros sanos observados en los árboles estudiados. Además, se demostró que una mayor diversidad de la capa de hierbas y arbustos influye en el grado de infestación fúngica de los frutos y árboles de cacao. Esto podría explicarse en parte por el contenido de polifenol y metilxantinas característicos de la planta, siendo ambos tipos de compuestos indicadores de la calidad final del cacao. En cambio, la diversidad y abundancia de la capa de árboles de sombra mostró un efecto negativo en el rendimiento del producto. Agregar f
Vitamin B12 Produktion bei der Tofu-Fermentation durch Lactobacillus reuteri und Propionibacterium freudenreichii
No full textThe present work is concerning the vitamin B12 enrichment in tofu by submerged solid substrate fermentations with L. reuteri and P. freudenreichii.
After screening, eight strains of bacteria were confirmed to be able to produce vitamin B12 in tofu. L. reuteri was considered the best strain to carry out further experiments. The optimization of nitrogen source, moisture, time of fermentation, and carbon source had been performed. An appropriate co-fermentation with glucose, fructose, and glycerol can improve cobalamin production by balancing the redox reaction. After further optimizations by a fractional factorial design, a steeptest ascent design and a central composite design, 16.33 ± 0.58 ng/g (wet weight) of cobalamin were produced by fermentation in 100 gram of tofu supplemented with 16.41 g/kg of glucose, 0.7 g/kg of glycerol, 1.5 g/kg of fructose, 2.5 mg/kg of CoCl2, 3.5 mg/kg of Dmbi, and 100 mL DDW at 37 °C for 3 days.
A cofermentation with L. reuteri and P. freudenreichii was applied because the cooperation of L. reuteri and P. freudenreichii can improve vitamin B12 production in tofu. A series of fermentation supplementations and conditions were screened and optimized. Riboflavin, betaine, Dmbi, glycine, glucose, fructose, and glycerol supplementations have been proven to have significantly positive effects on vitamin B12 production. Riboflavin can replace Dmbi to produce vitamin B12 under at least 4-day anaerobic fementations for L. reuteri. Supplementations of riboflavin after 2-day fermentations have been proven to improve vitamin B12 production as it can avoid an inhibitory riboswitch feedback of vitamin B12. Conditions of initial pH values, fermentation temperature, oxygen supply, and inoculum titers have also been optimized. Optimum initial pH values were between 6.5 and 7.0. 30°C was the optimum fermentation temperature. The last 2-day aerobic fermentation can afford enough oxygen to convert riboflavin to Dmbi for P. freudenreichii. Unlike Emmental cheeses, high vitamin B12 production can be found only if 5*107 of both bacteria were inoculated simultaneously. After a series of single factor experiments and FFD experiments, 90 ng/g of vitamin B12 (wet weight) were produced in 100 gram of tofu fermentations supplemented with 0.5 g/kg glucose, 0.1 g/kg fructose, 80 µg/kg riboflavin, 1 mg/kg cobalt chloride, and 0.5 g/kg betaine.
Batch fermentations of 1 kg tofu were successfully conducted based on above conditions. Supplementations of 5 g/kg glucose cannot only produce more cobalamin, but also alleviate the catabolic repression. Fed batch fermentations obviously improved vitamin B12 production. In particular, a fed batch supplemented with 1 gram glucose every day produced almost 289 ng/g of vitamin B12. Fermentations with natural substances have also been performed to produce 179 ng/g of vitamin B12. After breeding experiments were perfomed by inoculating bacteria in vitamin B12 test broths supplemented with heme for 20 generations, Strains can produce 2 fold more vitamin B12 than before. Optimizations of tofu whey as preculture media for both bacteria were successfully perfomed.
As the vitamin B12 content in fermented tofu was almost the same as in meat, fermented tofu can be recognized as a potential alternative diet for vegetarians.In der vorliegenden Arbeit wurde die Anreicherung von Vitamin B12 in Tofu durch eine Fermentation von Tofu mit Lactobacillus reuteri und Propionibacterium freudenreichii untersucht.
Nach einem „Screening“ konnte gezeigt werden, dass 8 Bakterienstämme die Fähigkeit besitzen in Tofu Vitamin B12 zu bilden. Da sich L. reuteri als der am besten geeignete Stamm herausstellte, wurden die weiteren Untersuchungen mit diesem Stamm durchgeführt. Es wurden Optimierungsversuche für die Parameter: Fermentationsdauer, Kohlenstoffquelle, Stickstoffquelle, Feuchtigkeitsgehalt (Wassergehalt) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, das eine Co-Fermentation aus L. reuteri und P. freudenreichii nach einer Optimierung der Zusätze an Glucose, Fructose und Glycerin durch eine Balance des Redox-Gleichgewichtes geeignet ist die Vitamin B12-Produktion in Tofu zu steigern. Nach weiteren Optimierungen durch ein „fractional fractorial design“, ein „steepest ascent design“ und ein „central composite design“ konnten 16,33 ± 0,58 ng/g (Naßgewicht) Cobalamin erreicht werden. Dazu wurden 100g Tofu mit 16,41 g/kg Glucose, 1,5 g/kg Fructose, 0,7 g/kg Glycerin, 2,5 mg/kg CoCl2, 3,5 mg/kg Dimethylbenzimidazol und 100mL entmineralisiertem Wasser für 3 Tage bei 37°C fermentiert.
Es wurde eine Co-Fermentation mit L. reuteri und P. freudenreichii durchgeführt, da die Kooperation der beiden Stämme die Vitamin-B12-Produktion in Tofu verbessert. Nach der eingehenden Prüfung unterschiedlicher Fermentationssupplementierungen und unterschiedlicher Fermentationsbedingungen konnte gezeigt werden, dass Riboflavin, Betain, Dimethylbenzimidazol, Glycin, Glycerin, Glucose und Fructose Supplementierungen eindeutig positive Effekte auf die Vitamin-B12-Produktion in Tofu haben. Unter den Bedingungen einer mindestens viertägigen anaeroben Fermentation für Lactobacillus reuteri kann Riboflavin Dimethylbenzimidazol als Vorstufe für die Vitamin-B12-Produktion ersetzen. Es konnte gezeigt werden, dass Riboflavin-Supplementierungen, die nach einer zweitägigen Fermentationszeit erfolgten, die Vitamin-B12-Produktion verbesserten, da so ein hemmender „Riboswitch“ durch eine Vitamin-B12-Rückkopplungshemmung (feedback inhibiton) vermieden werden konnte. Des Weiteren wurden die Parameter Ausgangs-pH-Wert, Fermentationstemperatur, Sauerstoffversorgung und Inokulumstiter optimiert. Der optimale Ausgangs-pH-Wert betrug zwischen 6,5 bis 7,0. Die optimale Fermentationstemperatur betrug 30°C. Eine anschließende zweitägige aerobe Fermentation kann eine ausreichende Sauerstoffversorgung für die Umwandlung von Riboflavin zu Dimethylbenzimidazol durch P. freudenreichii gewährleisten. Im Gegensatz zu Emmentaler Käse kann eine hohe Vitamin-B12-Produktion nur stattfinden, wenn beide Bakterienstämme gleichzeitig in einer Zellzahl von 5×107 Zellen pro mL zugegeben werden. Nach einer Reihe von Einzelfaktor-Experimenten und „fractional factorial design“ Experimenten konnten in 100g Tofu, die mit 0,5 g/kg an Glucose, 0,1 g/kg an Fructose, 80 µg/kg an Riboflavin, 1 mg/kg Cobaltchlorid und 0,5 g/kg an Betain supplementiert worden waren, 90 ng/g Vitamin B12 (Naßgewicht) produziert werden.
Unter den beschriebenen Bedingungen wurden Batch-Fermentationen mit 1 kg Tofu erfolgreich durchgeführt. Supplementierungen von 5 g/kg Glucose führten nicht nur zu einer besseren Cobalamin-Produktion, sondern führten auch zu einer Abmilderung der Katabolitrepression. Fed-Batch-Fermentationen konnten die Vitamin-B12-Produktion deutlich steigern. Insbesondere führte eine Fed-Batch-Fermentation, bei der jeden Tag 1 g Glucose zugefüttert wurden, zu einer Vitamin-B12-Konzentration von 289 ng/g. Fermentationen, die mit natürlichen Substraten durchgeführt wurden, führten zu Vitamin-B12-Konzentrationen von 179 ng/g Tofu. Durch Kultivierungsexperimente, bei denen die für die Inokulation verwendeten Bakterienstämme über 20 Generationen in Vitamin-B12-Testbouillon angezogen worden waren, die mit Häm supplementiert worden war, konnte die Vitamin-B12-Produktion um das Doppelte gesteigert werden. Optimierungsversuche, die auf einem Tofu-Molke enthaltenden Anzuchtmedium beruhten, konnten für beide Bakterienstämme erfolgreich durchgeführt werden.
Da der Vitamin-B12-Gehalt in fermentiertem Tofu in der gleichen Größenordnung liegt, wie der Vitamin-B12-Gehalt in Fleisch, kann fermentierter Tofu als potentieller Fleischersatz für Vegetarier angesehen werden
Analytik und technologische Minimierungsansätze von Monochlorpropandiol (MCPD), MCPD-Fettsäureestern und Glycidylestern in frittierten und geräucherten Fischerzeugnissen und Fischölen
No full textMikrobiologische und biochemische Untersuchungen von Kakaofermentationen
No full textCocoa beans are the principal raw material used in chocolate production. These seeds are derived from the fruit pods of the cocoa tree (Theobroma cacao L.), which is cultivated in plantations in the equatorial zone, with Ivory Coast, Ghana and Indonesia as the major producers. Raw cocoa has an astringent unpleasant taste and a spontaneous fermentation is the first step in a process leading cocoa beans to develop their characteristic cocoa flavour and taste. The quality of raw cocoa beans is highly dependent on the post-harvest practice of fermentation. Three main phases occur during cocoa bean fermentation: phase 1 anaerobic fermentation by yeasts, phase 2 microaerophilic fermentation by lactic acid bacteria and phase 3 aerobic fermentation by acetic acid bacteria.
The quality of fermented cocoa beans varies between regions of cocoa producer countries, varieties of cocoa, fermentation methods, drying and cocoa beans storage. The fermentation itself depends on farm practices such as bean selection, mixing of the fermenting mass and the activity of microbes during fermentation. Cocoa bean fermentation is a spontaneous, uncontrolled process that results in end products of variable quality.
It is generally known that after 48 h of fermentation, depectinization of pulp and alcoholic fermentation by yeasts is extremely decreased. Until recently it was not known why this occurs. Up to date, the decreasing of yeasts has been most commonly attributed to the physiological adaptation of yeasts to the fermentation environment during fermentation in terms of heat, acid and ethanol tolerance.
During the first 24 h of fermentation, yeasts are the dominant species, with Saccharomyces cerevisiae being stably and consistenly present during fermentation. Lactic acid bacteria show dominant growth during 48-72 h of fermentation with the species of Lactobacillus plantarum and Lactobacillus fermentum being dominant. Acetic acid bacteria dominate the last stage of fermentation, where only species of Acetobacter pasterianus remain consistent and stable. Glucose, fructose and citric acid of the pulp are metabolised during fermentation. The metabolic activity of microbes during fermentation produces ethanol, lactic acid, mannitol, acetic acid, as well as heat. Ethanol, acetic acid, lactic acid and heat diffuse into the bean, causing the death of the bean embryo.
Further results indicated the presence of microbial diversity between different regions of cocoa bean fermentations. Some species were shown to be present in the cocoa bean fermentations from all investigated regions. Fermented cocoa beans from Ecuador showed the highest diversity of yeasts and lactic acid bacteria compared to Indonesia and Trinidad & Tobago, but the diversity of acetic acid bacteria species was highest in cocoa bean fermentations from Indonesia. Based on the physiological characterization of dominant species from all cocoa bean fermentation regions, the use of Saccharomyces cerevisiae IDI-Y001, Lactobacillus fermentum IDE-L007, and Acetobacter pasteurianus IDI-A019 is suggested as the best combination for use as a starter culture for cocoa bean fermentation process.
The development of laboratory fermentation methods showed differences between aerobic and anaerobic methods. Aerobic fermentation methods were characterized by higher organic acid concentrations at the end of fermentation and higher free amino acid concentrations. This is typical for fermented cocoa beans used for the production of chocolate rich in flavour. The anaerobic fermentation method was characterized by lower levels of organic acids and free amino acids, but higher polyphenol concentrations. This is typical for fermented cocoa beans used for the production of healthy chocolate.
A novel result of this study is the fact that the seed coat slime of Theobroma cacao L. possesses the ability to inhibit the growth of yeasts and molds. 25 mg mL-1 of seed coat slime inhibit the growth of molds (e.g. Penicillium citrinum, Aspergillus niger, Penicillium purpurogenum) and 10 mg mL-1 seed coat slime inhibit the growth of yeasts (e.g. Saccharomyces cerevisiae, Rhodotorula rubra, Candida lipolytica). Analyses of proteins using nano-electrospray mass spectrometry (Q-TOF II) showed that three proteins have antifungal effect, namely glucanase (33 kDa), chitinase (28.8 kDa) and osmotin (24.1 kDa). The seed coat slime proteins were not stable at 40 and 50 °C for 24 h.
Reduction of 90% of pulp can inhibit the growth of the starter culture, specifically growth of the yeasts after 48 h of fermentation, providing the existence of an inhibition by antifungal proteins from the seed coat slimeKakaosamen sind das Rohmaterial für die Schokoladenproduktion. Diese Samen werden aus den Früchten des Kakaobaumes (Theobroma cacao L.) gewonnen, der in Plantagen der Äquatorialzone angebaut wird. Dabei stellen die Elfenbeinküste, Ghana und Indonesien die hauptsächlichen Kakaoproduktionsländer dar. Roher Kakao hat einen unangenehmen adstringierenden Geschmack und spontane Fermentationen stellen die erste Stufe in einem Prozess dar, um den charakteristischen Kakaogeschmack und das charakteristische Kakaoaroma zu entwickeln. Die Qualität der rohen Kakaosamen ist sehr stark von der Nacherntebehandlung, der Fermentation, abhängig. Während der Fermentation der Kakaosamen treten drei Hauptphasen auf: 1) eine anaerobe Fermentation durch Hefen, 2) eine mikroaerophile Fermentation durch Milchsäurebakterien und 3) eine aerobe Fermentation durch Essigsäurebakterien.
Die Qualität der fermentierten Kakaosamen variiert zwischen den Regionen der Kakao produzierenden Länder, den Kakaovarietäten, den Fermentationsmethoden, der Trocknung und der Lagerung der Kakaosamen. Die Fermentation selber hängt von den auf den Farmen durchgeführten Verfahren, wie der Auswahl der Samen, der Umwälzung der fermentierenden Masse und der mikrobiellen Aktivität während der Fermentation, ab. Grundsätzlich ist die Fermentation der Kakaosamen ein spontaner unkontrollierter Prozess, der zu Endprodukten mit unterschiedlicher Qualität führt.
Es ist generell bekannt, dass die alkoholische Gärung und der Pektinabbau durch die Hefen nach 48 Stunden Fermentation nachlässt. Die Ursache dafür war bis jetzt unbekannt. Bis jetzt ist man davon ausgegangen, dass die Reduktion der Hefepopulation durch die Fermentationsbedingungen, das heißt, durch eine geringe Hitze-, Säure- und Ethanoltoleranz der Hefen verursacht wird.
Während der ersten 24 Stunden stellen Hefen die dominanten Spezies dar, wobei Saccharomyces cerevisiae durchgehend stetig bei der Fermentation auftritt. Während eines Zeitraumes von 48 bis 72 Stunden zeigen Milchsäurebakterien ein dominantes Wachstum, wobei die Spezies Lactobacillus plantarum und Lactobacillus fermentum besonders hervortreten. Essigsäurebakterien überwiegen im letzten Stadium der Fementation wobei die Spezies Acetobacter fermentum stetig und durchgehend auftritt. Während der Fermentation werden durch die Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen Ethanol, Milchsäure, Mannitol, Essigsäure und Wärme erzeugt. Durch die Diffusion von Ethanol, Essigsäure und Wärme in die Samen hinein wird der Embryo im Samen abgetötet.
Weitere Ergebnisse zeigten die mikrobielle Diversität zwischen unterschiedlichen Regionen auf. Einige mikrobielle Spezies ließen sich in Kakaosamenfermentationen aus allen untersuchten Regionen nachweisen. Fermentierte Kakaosamen aus Ecuador zeigten die höchste Diversität an Hefen und Milchsäurebakterien im Vergleich zu fermentierten Kakaosamen aus Indonesien und aus Trinidad und Tobago.
Demgegenüber war die Diversität der Essigsäurebakterien aus Kakaofermentationen aus Indonesien am höchsten. Auf der Basis der physiologischen Charakterisierung der dominanten Spezies der untersuchten Kakaofermentationen aus allen drei Regionen wird die Kombination der Stämme Saccharomyces cerevisiae IDI-Y001, Lactobacillus fermentum IDE-L007 und Acetobacter pasteurianus IDI-A019 als die beste Kombination für eine Starterkultur für die Kakaofermentation vorgeschlagen.
Die Untersuchung von Laborfermentationsmethoden wies Unterschiede zwischen aeroben und anaeroben Verfahren auf. Aerobe Fermentationen wiesen zum Schluss höhere Konzentrationen an organischen Säuren und an freien Aminosäuren auf. Dieses ist typisch für fermentierte Kakaosamen, die für die Produktion von aromareicher Schokolade benutzt werden. Die anaeroben Fermentationen waren durch niedrige Konzentrationen an organischen Säuren und freien Aminosäuren gekennzeichnet, wiesen aber höhere Gehalte an Polyphenolen auf. Dieses ist typisch für fermentierte Kakaosamen, die für die Herstellung von Schokolade mit gesundheitlichen Effekten benutzt werden.
Ein neues Ergebnis der Arbeit ist die Erkenntnis, dass der Testa-Schleim von Theobroma cacao L. die Fähigkeit besitzt das Wachstum von Hefen und Schimmelpilzen zu inhibieren. 25 mg Testa-Schleim mL-1 inhibieren das Wachstum von Schimmelpilzen (z.B. Penicillium citrinum, Aspergillus niger, Penicillium purpurogenum) und 10 mg mL-1 hemmen das Wachstum von Hefen (z.B. S. cerevisiae, Rhodotorula rubra, Candida lipolytica). Mit Hilfe der Nano-Electrospray-Massen-Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass drei Proteinfraktionen aus dem Testa-Schleim einen antimykotischen Effekt haben, nämlich Glucanase (33 kDA), Chitinase (28,8 kDa) und Osmotin (24,1 kDa). Es konnte gezeigt werden, dass die Testa-Schleim-Proteine bei Lagerungen über 24 Stunden bei 40 oC und bei 50 oC nicht stabil waren.
Eine Verminderung der Pulpa um 90% kann das Wachstum der Starterkultur inhibieren. Insbesondere wird das Wachstum der Hefen nach 48 Stunden Fermentationszeit inhibiert, was einen Hinweis auf die Hemmung der Hefen durch die antimykotisch wirkenden Proteine des Testa-Schleimes darstellt
Untersuchungen zur Bildung von Vitamin B12 durch Acetobacter pasteurianus und zur Co-Fermentation von Tofu und Pflanzenmaterial durch Propionibacterium freudenreichii und Lactobacillus reuteri für die Anreicherung mit Vitamin B12
No full textFür eine vegane Lebensweise ist die Verfügbarkeit von Vitamin-B12-Quellen eingeschränkt.
Dies führt bei Veganern dazu, dass sie sehr viel weniger als die geschätzte angemessene tägliche Zufuhr für Erwachsene von 4 µg Vitamin B12 pro Tag zu sich nehmen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, war es das Ziel dieser Arbeit, eine neue pflanzliche Quelle für Vitamin B12 zu erschließen und Tofu mit Pflanzenmaterial als festes Substrat submers zu cofermentieren, um es so mit Vitamin B12 anzureichern.
Da nur wenige cobalaminproduzierende Bakterienarten bekannt sind, welche sich für Lebensmittelfermentationen eignen, wurde der Stamm Acetobacter pasteurianus DSM 3509 analysiert. Es wurde durch die im Folgenden beschriebenen Untersuchungen festgestellt,dass er die Fähigkeit besitzt, Cobalamin zu synthetisieren.
Ein Prototrophietest und eine zusätzliche genetische Untersuchung des Gens der Uroporphyrinogen-III-Synthase deuteten auf die Fähigkeit hin, Cobalamin synthetisieren zu können. Durch einen modifizierten mikrobiologischen Test auf Basis von Lactobacillus delbrueckii ssp.lactis DSM 20355 wurden 4,57 ng/mL Cyanocorrinoide und 0,75 ng/mL nicht-corrinoidale Wachstumsfaktoren nachgewiesen. Das durch Immunaffinitätschromatographie in Cyanidform extrahierte und isolierte Produkt hatte das gleiche UV-Spektrum wie der Cyanocobalamin Standard und Coα-[α-(7-adenyl)]-(Coβ-cyano)-cobamid, auch bekannt als Pseudovitamin B12. Dies wird von Lactobacillus reuteri DSM 20016 hergestellt. Das chromatographisch getrennte Produkt von A. pasteurianus wurde einer massenspektrometrischen Analyse unterzogen. Dort erwies sich sein Fragmentierungsmuster als zu dem von Cyanocobalamin äquivalent, das auch von Propionibacterium freudenreichii ssp. freudenreichii DSM 20271 produziert wird und sich deutlich von Pseudovitamin B12 unterscheidet. Das Vorhandensein von A. pasteurianus in verschiedenen Lebensmittelprodukten, kann darin zur Cobalaminbildung führen.
Aufgrund der begrenzten Mengen an Vitamin B12, die von A. pasteurianus gebildet wurden,wurde die Co-Fermentation von Tofu und Pflanzenmaterial mit L. reuteri und P. freudenreichii untersucht. Für die Prozessentwicklung wurden 68 essbare Pflanzen mit hohem Cobaltgehalt bzw. Artverwandte mittels ICP-MS auf ihren Cobaltgehalt hin analysiert. 49 Proben zeigten höhere Cobaltgehalte als der Tofu selbst. 41 davon wurden zusammen mit Tofu in einem Glukose-Fed-Batch-Verfahren mit Zusätzen von Betain und Riboflavin cofermentiert. Die elf Pflanzenmaterialien, die nach der Fermentation die höchsten Mengen an Vitamin B12 lieferten, wurden mit heißem Wasser extrahiert und für die Fermentation verwendet. Für die schließlich ausgewählten Cicer arietinum L. Samen wurde ein Optimierungsexperiment der Extraktion durchgeführt, indem die Quellzeit, das Brechen von Kichererbsen und die Kochtemperatur variiert wurden. Ein Regressionsmodell konnte an die Ergebnisse der Vitamin-B12-Gehalte angepasst werden, die zwischen 110 ng/mL und 171 ng/mL in der Fermentationsbrühe streuten. Das berechnete Modell besaß ein kreuzvalidiertes Bestimmtheitsmaß von Q2 = 0,54. Für die Ausbeute der Extraktion konnte ein Regressionsmodell mit einem kreuzvalidierten Bestimmtheitsmaß von Q2 = 0,94 berechnet werden.
Die Bioverfügbarkeit von Cobalt ist pflanzenspezifisch und kann nicht auf seine Konzentration reduziert werden. Die höchste Konzentration an Vitamin B12, die während der Tofufermentation mit einem Kichererbsenextrakt erreicht wurde, betrug 0,171 µg/mL in der Fermentationsbrühe. Das entspricht dem Verzehr von 23 mL Fermentationsbrühe, um den Schätzwert für die angemessene tägliche Zufuhr bei Erwachsenen von 4 µg Cobalamin zu erreichen. Darüber hinaus ist es möglich, eine Vorhersage der Extraktausbeute während des Extraktionsprozesses für Kichererbsen zu treffen, so dass wirtschaftliche und ökologische Aspekte berücksichtigt werden können.The availability of vegan sources for vitamin B12 is very limited. For vegans, this leads to daily intakes way below the presumed necessary amount for adults of 4 µg vitamin B12 per day. To counter this problem the aim of this work was to unlock a new plant-based source of vitamin B12 by co-fermenting tofu with plant material as a submerged solid substrate to enrich it with vitamin B12.
As only a few cobalamin-producing bacterial species are known which are suitable for food fermentations, the strain Acetobacter pasteurianus DSM 3509 was investigated. It was found to have the capability to synthesize cobalamin. A survival test and a preliminary genetic study of the gene of uroporphyrinogen-III synthase indicated the ability to synthesize cobalamin. By a modified microbiological assay based on Lactobacillus delbrueckii ssp. lactis DSM 20355, 4.57 ng/mL of cyanocorrinoids and 0.75 ng/mL of noncorrinoid growth factors were detected. The product extracted and isolated by immunoaffinity chromatography in its cyanide form had the similar UV spectrum as standard cyanocobalamin and Coα-[α-(7-adenyl)]-(Coβ-cyano)-cobamide, also known as pseudovitamin B12, produced by Lactobacillus reuteri DSM 20016. The chromatographically separated product of A. pasteurianus was subjected to mass spectrometrical analysis. There, its fragmentation pattern turned out to be equivalent to that of cyanocobalamin produced by Propionibacterium freudenreichii ssp. freudenreichii DSM 20271 and clearly differs from pseudovitamin B12. Due to the presence of this species in several food products, there might be cobalamin in food fermented with these bacteria.
Owing to the limited amount of vitamin B12 produced by A. pasteurianus, L. reuteri and P. freudenreichii were used for the co-fermentation of tofu and plant material. For the process development 68 edible plants with high reported cobalt content or related plants were screened by ICP-MS for their ability to deliver a cobalt source. 49 samples revealed higher cobalt concentrations than tofu itself. 41 of those were co-fermented with tofu in a glucose fed-batch process with the supplementation of betain and riboflavin. The 11 plant materials that resulted in the highest vitamin B12 concentration after fermentation were extracted with hot water and used for fermentation. For the finally selected Cicer arietinum L. seeds an optimization experiment of the extraction was performed by varying the soaking time, the breaking of chickpeas, and the cooking temperature. A regression model could be fitted to the optimization data for the results of vitamin B12 that scattered between 110 ng/mL and 171 ng/mL in the fermentation broth with a cross-validated Q2 = 0.54. For the yield of extraction a regression model could be fitted with a cross-validated Q2 = 0.94.
The bioavailability of cobalt is plant dependent and cannot be reduced to its concentration. The highest concentration of vitamin B12 achieved throughout the tofu fermentation with chickpea extract was 0.171 µg/mL in the fermentation broth. This corresponds to the intake of 23 mL fermentation broth to meet the presumed necessary amount for adults of 4 µg. Furthermore the prediction of extract yield during the extraction process is possible for chickpeas so economic and environmental considerations can be taken into account
Untersuchungen zur Wirksamkeit von Chitosan als bioaktive essbare Beschichtung zur Konservierung von Fleisch von Nordseegarnelen (Crangon crangon)
No full textThe potency of various charges of chitosan was tested for their antimicrobial activity to inhibit seafood spoilage bacteria tested. Simultaneously, the concentrations, pH values, and physical characteristics, such as molecular mass (Mn)and degree of deacetylation (DDA) of chitosan charges were optimized. From this test, chitosan charge SN 22 (Mn of 1.5x105 g/mol, DDA of 80%)showed the best antimicrobial activity against the four test strains at a concentration of 0.1% (w/v) and at pH value of 5.5. Chtitosan SN 22 was added with glycerol as a plasticizer to form a coating solution for shrimp meat preservation, followed by storage samples for up to 14 d at refrigerator and room temperature. The changes in microbiological paremeters (growth of total aerobic mesophilic bacteria, gram-positive, and gram-negative bacteria) as well as biochemical parameters (pH, water activity, content of total volatile basic nitrogen, and content of biogenic amines) were monitored during storage. Chitosan SN 22 at a concentration of 0.1% (w/v) markedly inhibit the growth of spoilage bacteria and extend the shelf life of shrimp meat.To strengthen the antimicrobial activity of chitosan SN 22, garlic extract was incorporated. The results of microbiological and biochemical parameters assessments of shrimp meat coated with chitosan-garlic extract demonstrated that chitosan-garlic extract coating solution can maintain the quality and shelf life of shrimp meat during a 30 d of storage at refrigerator and room temperature.Die Wirksamkeit verschiedener Chitosan-Chargen wurde zunächst an Bakterien getestet, die am Verderb der Meeresfrüchte beteilgt sind. Gleichzeitig wurden die Konsentrationen und die pH-Werte der zum Einsatz kommenden Chitosan-Chargen optimiert. Die physikalischen Eigenschaften von Chitosan, wie molekulare Masse(Mn)und Deacetylierungsgrad(DDA)wurden ermittelt, um deren Einfluss auf die antimikrobielle Aktivität von Chitosan zu analysieren. Die Chitosan-Charge SN 22 (Mn of 1.5x105 g/mol, DDA of 80%) zeigte bei einer Konzentration von 0,1% (w/v)und einem pH-Wert von 5.5 die beste antimikrobielle Aktivität gegen die vier untersuchten Stämme. Chitosan wurde darüber hinaus als Besichtungslösung unter Zusatz eines Weichmachers (Glycerin)zur Konservierung der Garnelenfleischproben benutz, die dann bis zu 14 Tage bei Raum- und Kühlschranktemperature gelagert wurden. Chitosan SN 22 kann bei einer Konzentration von 0,1% (w/v) das Wachstum der bakteriellen Verderb von Garnelenfleisch hemmen. Genauso kann Chitosan somit die Haltbarkeit des Garnelenfleisches verlängern. Um eine verbesserte Konservierung von Garnelenfleisch zu erzielen, wurde der Chitosan-Beschichtungslösung ein Knoblauchextract beigefügt. Chitosan-Knoblauchextract mit einer Konzentration von 0,1% (w/v) zeigt eine fast vollständige bzw. vollständige des Wachstums der getesteten Bakterienstämme. Die Ergebnisse der biochemischen Analysen zeigen, dass Chitosan-Knoblauchextract für einen Lagerszeitraum von 30 Tagen die biochemische parameters (pH, wasser aktivität, Gehalt von TVBN und biogenen Aminen) hält. Es ist gelungen zu zeigen, dass die Beschichtungslösung aus Chitosan-Knoblauchextract beim Einsatz als Konservierungsmittel einen sehr guten Effekt aufdie Qualität und die Haltbarkeit von Garnelenfleisch während der Lagerung hat
Cacao (Theobroma cacao L.) in Peru: Its varieties, quality potential, and risk for cacao farmer and final consumer
No full textAerobe deproteinization of crustacean waste for chitin extraction
No full textGarnelenschalenabfälle stellen in den produzierenden Länder aufgrund ihres hohen biologischen Sauerstoffbedarfs und potenzieller pathogener Keime, welche die Schalen als Substrat nutzen ein Umweltproblem dar (Islam et al., 2004). Auf der anderen Seite wächst der Bedarf an Chitinprodukten aufgrund der stetig voranschreitenden Entwicklung an Anwendungsmöglichkeiten dieses Biopolymers. Für ein Land wie Indonesien, einer der Hauptproduzenten von Garnelen in Aquakultur, bedeutet eine wertschöpfende Aufarbeitung dieser Abfälle die Eröffnung eines neuen lukrativen Industriezweiges.
Garnelenschalenabfälle bestehen neben Chitin überwiegend aus Proteinen, Mineralstoffen und Carotinoiden, welche entfernt werden müssen. Das klassische chemische Aufarbeitungsverfahren beinhaltet einen Demineralisierungs- und Deproteinierungsprozess mit Säuren und Laugen sowie die Dekoloration des Endproduktes. Eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Alternative besteht in der biotechnologischen Aufarbeitung der Schalen.
In dieser Arbeit wurde ein biotechnologischer Deproteinierungsprozess entwickelt. Dazu wurden zunächst proteolytische Stämme von Garnelenschalen isoliert und in einem Screening auf ihre hydrolytische Leistung hin untersucht. Stämme der Gattung Bacillus erwiesen sich hier als besonders geeignet. Weiterhin zeigte sich, dass ein Prozess unter thermophilen Bedingungen (55 °C) Vorteile gegenüber den üblich gewählten Prozessbedingungen bei 30 oder 37 °C bietet. Diese bestehen zum einen darin, dass auf den energieaufwendigen Sterilisationsschritt verzichtet werden kann, da die übliche Verderbsflora der Abfälle überwiegend unterdrückt wird. Weiterhin stellt 55 °C eine optimale Temperatur für die enzymatische Wirkung vieler extrazellulärer Proteasen dar.
Als besonders gut geeignet erwies sich eine Mischkultur aus zwei Stämmen (F5 und F11). Diese konnten nach biochemischer und phylogenetischer Analyse als Vertreter der Art B. licheniformis identifiziert werden.
Nach Optimierung des Kulturmediums wurden unterschiedliche Schalensubstrate für den Prozess getestet. Hier zeigten sich frische Schalen als besonders geeignet. Des Weiteren konnte durch eine Aufarbeitung des Abfallmaterials der Proteingehalt schon vor dem eigentlichen Fermentationsschritt um 70 % reduziert werden. Dieses führte zu einer deutlichen Erniedrigung des Restproteingehalts des Endproduktes von 10 % auf 2,1 %. Eine weitere Verbesserung konnte durch eine pH Kontrolle bei pH 8,0 erreicht werden. Aufgrund der durch den Verderbnisprozess und durch die hydrolytische Spaltung während des Prozesses entstandener Amine steigt der pH-Wert der Kulturen deutlich an. Bei pH-Werten über 8,0 vermindert sich die proteolytische Aktivität des Kulturüberstandes was sich negativ auf die Deproteinierungsleistung auswirkt. Unter optimierten Prozessbedingungen konnte so ein Chitin mit einem Restproteingehalt von 1,5 %, einem Restaschegehalt von 0,2 % und einem Chitingehalt von 92 % der Trockenmasse erhalten werden. Dieses entspricht der Qualität chemisch produzierter Produkte. Weiterhin liegt die Viskosität des biotechnologisch hergestellten Produktes mit durchschnittlich 70 mPas über der eines vergleichbaren chemischen Produktes mit 10 mPas, was auf eine höheres Molekulargewicht schließen lässt.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der umweltschädliche chemische Prozess durch ein biotechnologisches Verfahren ersetzt werden kann und dass ein Produkt von gleicher Qualität mit höherem Molekulargewicht erhalten wird
Die Untersuchung der Feststofffermentation von Maniokabfällen für die Tierernährung
No full textThe present work studies the protein and water-soluble vitamin enrichment of cassava bagasse by solid substrate fermentation (SSF) using edible filamentous fungi Rhizopus spp. Both the substrate cassava bagasse and the microorganisms Rhizopus spp. were first subjected to proximate analysis and strain selection, respectively, before both were used in combination in a fermentation system. Cassava bagasse, a solid waste of the tapioca starch processing industry, was found to be nutritionally poor, consisting (in g/100 g) mainly of starch (70.17) and fibres (11.24), with very low contents of crude protein (1.21), crude lipids (0.18), and ash (1.24). After screening on cassava bagasse media, five out of twenty-eight Rhizopus strains were selected as the best growing strains, namely R. oryzae Fi, Mala, EN, ZB and R. oligosporus Tebo. An optimisation of the fermentation conditions using R. oryzae ZB was subsequently carried out and the following optimal conditions were obtained: incubation temperature of 27-30°C, inoculum density of 10^2–10^4 spores/g initial substrate, initial moisture content of 68%, initial substrate’s pH of 5.3–6.6, fermentation period of 120 hours, and mineral supplementation (in g/100 g initial substrate) with potassium dihydrogen phosphate (1.7), ammonium sulphate (3.6), and urea (3.4). The resulting fermented product, termed cassava bagasse tempe, had physical characteristics very similar to its mature soybean tempe counterpart. Depending on the Rhizopus strain used, the initial protein content was increased from 1.45 to 6.6–9.2 g/100 g. The fermentation also resulted in the enrichment (in µg/g) of thiamine (from 0.11 to 0.49–1.18), riboflavin (from 2.05 to 8.45–11.13), pyridoxine (from 0.07 auf 0.98-2.89), niacin (from 5.0 to 184.1–261.0), and biotin (from 0.03 to 0.71–1.21). No increase in folic acid was measured except when R. oryzae EN was used as the fermenting fungus, where the concentration increased from 0.18 to 0.62 µg/g. Since these protein and water-soluble vitamin contents were comparable to those of certain conventional feedstuffs, cassava bagasse tempe can thus be viewed as a potential alternative for animal feed.Die vorliegende Arbeit untersucht die Anreicherung von Protein und wasserlöslichen Vitaminen in Maniokbagasse durch Feststofffermentation mit dem essbaren Schimmelpilz Rhizopus. Zunächst wurden das Maniokbagasse-Substrat und die Rhizopus spp. Pilze jeweils kurzcharakterisiert und ausgewählt, bevor die beiden in einem Fermentations-System kombiniert verwendet wurden. Die Maniokbagasse ist ein fester nährstoffarmer Abfall der Maniokstärke verarbeitenden Industrie, und durchschnittlich bestehend aus (in g/100 g) Stärke (70,17) und Ballaststoffen (11,24) mit sehr niedrigen Gehalten an Protein (1,21), Lipiden (0,18) und Asche (1,24). Nach dem Screening auf den Maniokbagasse-Medien wurden fünf von achtundzwanzig Rhizopus Stämmen als die am besten wachsenden Stämme ausgewählt, nämlich R. oryzae Fi, Mala, EN, ZB und R. oligosporus Tebo. Optimierungen der Fermentationsbedingungen wurden mit R. oryzae ZB durchgeführt und die folgenden optimalen Fermentationsbedingungen erreicht: Eine Inkubationstemperatur von 27-30°C, eine Inokulum-Dichte von 10^2-10^4 Sporen/g Anfangssubstrat, ein anfänglicher Feuchtigkeitsgehalt von 68%, ein Anfangs-pH-Wert im Substrat von 5,3-6,6, eine Fermentationsdauer von 120 Stunden und eine mineralische Supplementierung (in g/100 g des ersten Substrates) mit Kaliumdihydrogenphosphat (1,7), Ammoniumsulfat (3,6), und Harnstoff (3,4). Das daraus resultierende fermentierte Produkt, Maniokbagasse-Tempe genannt, hatte sehr ähnliche physikalische Eigenschaften wie reifes Sojabohnen-Tempe. Abhängig von dem verwendeten Rhizopus-Stamm wurde der ursprüngliche Gehalt des Proteins von 1,45 auf 6,6-9,2 g/100 g erhöht. Die Fermentation führte ebenfalls zu einer Anreicherung (in µg/g) bei Thiamin (von 0,11 auf 0,49-1,18), bei Riboflavin (von 2,05 auf 8,45-11,13), bei Pyridoxin (von 0,07 auf 0,98-2,89), bei Niacin (von 5,0 auf 184,1-261,0), und bei Biotin (von 0,03 auf 0,71-1,21). Eine Erhöhung der Folsäure wurde nicht beobachtet, ausser wenn R. oryzae EN als fermentierender Pilz verwendet wurde, in denen die Konzentration von 0,18 auf 0,62 µg/g erreicht wurde. Da diese Gehalte an Proteinen und wasserlöslichen Vitaminen mit einigen konventionellen Futtermitteln vergleichbar waren, kann Maniokbagasse Tempe somit eine mögliche Alternative für die Tierernährung sein
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