Fortschrittsbericht

Aus dem Zentralinstitut fur Ernahrung in Potsdam-Rehbriicke der Deutschen Akademie der Wissenschaften zu Berlin

(Bereich Chemie und Technologie der Lebensmittel, Leiter: Prof. Dr. habil B. GASSMANN)

Moglichkeiten einer enxymatischen Aromaverbesserung bei Obst und Gemuse

W. RODEL

541.69.002.237 Obst, Gemuse Aroma-Verbesserung

DUPAIGNE [S] nimmt bei den Enzymen bezuglich ihrer Wirkung bzw. ihres Einsatzes im Zusammenhang mit dem Aroma von Lebensmitteln eine Untergliederung in folgende 5 Gruppen vor :

I. 2.

3.

Bildung und Entwicklung naturlicher Aromen durch Enzyme Verbesserung und Wiederherstellung des Aromas durch Enzyme Verbesserung des Geschmacks durch enzymatische Zerstorung bestimmter Kompo- nenten

4. Auftreten unangenehmer Aromakomponenten bei Enzymbehandlung 5. Enzymeinsatz bei der Aromaanalyse.

Im vorliegenden Bericht sollen anhand der Literatur die Moglichkeiten einer enzymati- schen Verbesserung bzw. Regenerierung des Aromas bei Obst und Gemiise untersucht werden.

d llgemeines

Ausgangspunkt einer Reihe von Arbeiten auf diesem Gebiet sind Hypothesen und erste

Abb. I ([IS] zeigt schematisch die Verschlechterung des Aromas behandelter Lebensmittel auf Grund von Verlusten und Veranderungen der fliichtigen Aromastoffe. Diese kann durch Nachbildung aus den sogenannten Vorlaufern bei Zusatz entsprechender Enzyme ausgeglichen werden. Auch das Entstehen der Vorlaufer erfolgt enzymatisch aus Vorstufen. So 1aBt sich die Bildung von Aromastoffen in pflanzlichen Organismen letztlich von Wasser, Kohlendioxid und Sonnenlicht [16] ableiten.

Vielfach sind die Vorlaufer stabiler als die Aromastoffe selbst und noch in ausreichender Menge in behandelten Lebensmitteln vorhanden. Die Enzyme hingegen sind in hitzebehan- delten LebensmitteIn nicht mehr wirksam und miissen daher aus frischem Material gewonnen und den behandelten Lebensmitteln zugesetzt werden. Als potentielle Enzymquellen kom- men hierfiir Gewachse gleicher Art, unterschiedlicher Art oder kommerzielle Enzyme in Frage [ 8 ] . In der angelsachsischen Literatur werden derartige Enzyme als ,,flavorese enzy- mes" bzw. ,,flavor creating enzymes" bezeichnet.

Versuche von HEWITT u. a. [9] aus dem Jahre 1956.

432 RODEL

Geiniise

Expcrimentelle Untersuchungen auf diesem Sektor sind im wesentlichen auf die Arbeits- gruppen von HEWITT [9, 10, 15. 171 und von SCHWIMMER [ZI, 28, 291 beschrankt. Eine Schliisselstellung nimmt hierbei das U. S.-Patent 2.924.521 aus dem Jahre 1960 von HEWITT u. a. [IO] ein. Demgegeniiber ist in der Literatur auBer zusamnienfassenden Benchten von HEWITT selbst [11, 161 eine beachtliche Zahl von Mitteilungen anderer Autoren, die iiber die amerikanischen Arbeiten berichten und sie interpretieren, zu finden [I, 2, 3, 13, 19, 20, 24, 25, 27, 30, 321.

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Abb. I. Schema zur Illustration der Aromaveranderungen und enzymatischen Aromaregene- rierung in bearbeiteten Lebensmitteln (nach MOHLER [I,+])

Die enzymatische Aromaverbesserung ist an folgenden Gemiisearten im LabormaBstab untersucht worden [g, 10, 281 : Brunnenkresse, Kohl, Tomate, Zwiebel, Petersilie, Porree, Meerrettich, Sellerie, Spinat, Erbsen, Bohnen, Karotten, Lauch, Knoblauch, Brokkoli, Beete und Spargel.

Als Substrate finden behandelte Lebensmittel (blanchiert, getrocknet, gefroren, Konser- ven) oder entaromatisierte Precursorlosungen Verwendung. Letztere werden in der Weise hergestellt, daB zerkleinerte blanchierte Proben filtriert bzw. zentrifugiert werden und an- schlieBend Filtrat oder Zentrifugat durch Behandlung mit Aktivkohle und Celite entaromati- siert werden [IO, 281. Versuche mit entaromatisierten Precursorlijsungen erleichtern natiirlich das Erkennen einer enzymatischen Aromabildung, jedoch sind aus praktischer Sicht Versuche mit den behandelten Lebensmitteln selbst aussagekraftiger.

Enzymatische Aromaverbesserung 433

Die Gewinnung der Enzyme erfolgt aus waDrigen Extrakten der frischen Lebensmittel, wobei Acetonfallung, Alkoholfallung, Niedrigtemperaturverdampfung, Gcfricrtrocknung, Ad- sorption mit nachfolgender Elution oder Salzfallung angewandt werden konnen [IO, 281. Wegen der Hitzeinstabilitat der Enzyme mu0 die Praparation unter Kuhlung vorgenommen werden.

Die Precursorlosung bzw. das behandelte Lebensmittel und die Enzympraparation werden zusammengegeben. Nach erfolgter Reaktion kann durch sensorischen Verglcich mit Blind- proben die enzymatische Aromabildung ermittelt werden. Beispicle mit Angaben iibcr Ver- suchsbedingungen sind in Tab. I und z fixiert.

Aus pralrtischer Sicht interessant ist das Mrngenverhaltnis des zu aromatisierenden Lebcns- mittels zu dem fur die Enzymgewinnung aufzuwendenden Lebensmittel. Wic nus Tab. 2 zu entnehmen ist, liegt dieser Wert unter den dort angewandten Bedingungen zwischcn 3 und go, d. h., daI.3 mit einer Probe eines frischen Lebensmittels das Vielfache eincs bchandelten Lebensmittels nachweislich bezuglich des Aromas verandert werden kann.

Eine groI.3e Zahl von Verkostungen rnit nichtgeschulten Priifern zeigt, da13 die Aussichten fiir eine Aromaverstarkung mit dem Lebensmittel variieren [z, 151. KONIGSBACHER u. a. [15] berichten, da13 bei uber 600 Uutersuchungen rnit verschiedenen Materialicn in 98,6% der Falle ein Unterschied zwischen behandelter und unbehandelter Probe fcststcllbar war. Im Durchschnitt wurde zu 79,5y0 die behandelte Probe bevorzugt, wobei folgcnde Zahlen bei einzelnen Lebensmitteln resultierten :

getrockneter Meerrettich 93>9% getrocknete Brunnenkresse 90,Iy)

getrockneter Kohl 862% konservierte Zwiebeln 83.6% konservierter Tomatensaft 82,3% getrocknete Karotten 75,O% konservierte Erbsen und Karotten 28,6%

Eine erfolgreiche Aromaverbesscrung hangt vom Vorhaiidenscin der Vorlanfer in ausrei- chender Menge ab. Obwohl die Precursoren im allgemeinen stabiler aIs die Enzyme sind, muD doch die anzuwendende Technologie hinsichtlich der Zerstorung der Vorlaufer gepruft wer- den. Getrocknete Brunnenkresse zeigt z. B. ohne Blanchieren bei Zusatz von Senfsamenenzym eine starke Aromenentwicklung, dampfblanchiert eine vermindcrte und nach Blanchieren in heiDem Wasser nur noch eine schwache Aromabildung [IO]. Andererseits sind in unblan- chiertem Trockenkohl keine Aromavorlaufer mehr vorhanden, wohl aber in blanchiertem [28] . Insbesondere sollten die Blanchierdauer und die Trocknungstemperatur bei der Behand- lung von Lebensmitteln beobachtet werden [IO].

Die Enzyme sind empfindlich, insbesondere gegen Hitze, wie bereits bei der Beschreibung der Praparationsmoglichkeiten erwahnt wurde. So genugt ein 2 min. Erhitzen auf IOO O C

zur Inaktivierung [29]. Enzympraparate aus Erbsen, Bohnen oder Tomaten verursachen nach einer Lagerung von 6 Monaten bis zu I Jahr bei -12 O C nur ein minderwcrtiges Aroma

Ein bedeutsamer Faktor bei der enzymatischen Aromaregenerierung ist die Spezifitat der Enzyme. So wird immer wieder auf die biologische Verwandtschaft von Enzym- und Substrat- quelle hingewiesen [I, 2, 3, g, 10, 11, 17, 19, 20, 24, 301. Bei der ubcrwiegenden Zahl der Versuche (siehe Tab. I nnd 2 ) wurden daher Enzyme nnd Substrat aus dem gleichen Material verwendet. Interessant erscheint hierbei die im Patent von MORGAN u. a. [21] aufgezeigte Moglichkeit, gefriergetrocknete Proben direkt als Enzymtrager einzusetzen. Begrenzt fiihrt jedoch auch die Verwendung von Enzymen aus biologisch verwandten Materialien zu Aroma- verbesserungen. So erhalt getrocknete Brunnenkresse bei Einwirkung einer Enzymprapara- tion aus weil3em Senfsamen den typischen Geruch und Goschmack frischer Brunnenkresse zu- ruck [IO]. Ein weiteres Beispicl aus der Familie der Kreuzblutler ist die Verwendung von Enzymen aus weiI.3em Senf, schwarzem Senf, Kohlsamen und Kohlblattern auf Kohl [g, 101. In allen Fallen resultiert eine Aromaverstarkung, jedoch ist der Charakter des entstehenden

[281.

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436 RODEL

Aromas unterschicdlich und entspricht nur bei dcm Enzym aus Iiohlblattern dem des fri- schen l<ohls. .\ndcrcrseits ergibt die i\nwcndung von Senfenzym auf Meerrettich den typi- schen Mecrrcttichgcruch [z8]. Enzyme aus weiBcm Senf bzw. aus Kohlblattern vcrursachen keinc hroniabildung bei Zwiebeln, jedoch konnen bci Zwiebel und Porree Enzym bzw. Sub- strat ohtie bemcrkenswerten Unterschied ausgetauscht werden [IO]. SCHWIMMER 128: bc- schreibt die l3ilclung von Zwiebelgeruch bei der Einwirkung einer Enzympraparation aus Sa- men des Zicrstrauchcs .4Zbizzia lophanta auf autoklavierte Zwiebeln [IO, 291. In der Familic dcr Leguininosen ist cine -4romavcrbesserung von gcfrorenen Erbsen mit Enzym aus grcinen Bohnen ‘niiiglich [IO].

Es hat nicht an Versuchen gefehlt, einc Aromaregenerierung bei Gemiise mit kommerziel- Icn Enzyinen zu crreichen. Bemuhungen dieser Art an Zwiebeln [ro], Brunnenkresse [to] und griinen Rohnen [7] sind jedocli bisher erfolglos geblieben. BARTON [6] beschreibt allerdings in einer Patcntschrift eine Aromaverbesserung bei konservierten, gefrorcnen und getrockneten gruncn Eohnen mittels ciner Enzympraparation aus A’Vficrococcus lysodeikticus. Die Aromaver- starkung soll auf der oxydativen Wirkung des mikrobiellen Enzympraparates beruhen und niit cincr Erhiihung des Carbonylgehaltes parallel gehen. Weiterhin erfolgt bei Einwirkung von P-Thioglucosidasc aus Aspergillus sydowi QM 31 c auf Sinigrin die Bildung von Allyliso- thiocyanat - einem charakteristischen Aromastoff von Gemuse aus der Kreuzblutlerfamilie - in Verbindung mit eincm allerdings nicht naher beschriebenen Geruch [ z 6 ] .

Rls weitere 3’Iijglichkeiten zur Enzymgewinnung werden nichteBbare Teile von Pflanzen des zu aroniatisierenden Gemiises diskutiert [3, 6 , 7, 101. Eine Enzympraparation aus den Pflanzen bzw. Sanien von griincn Bohnen soll eine Aromaverbesserung von verarbeiteten grunen Bohncn ermiiglichen [6, 71. uber den Einsatz eines aus Schoten gewonnenen Enzyms wird von HETVITT u. a. [IO] berichtet, die auch Karottenkraut, Sellerieblatter, Kohlstriinke und Brunnenkrcssesamcni als potentielle Enzymquellen nennen.

Die doch recht bcscheidenen Ergebnisse bei der enzymatischen Aromaverbesserung, ins- bcsondere bei Vcrwendung von Enzymen, die nicht aus dem gleichen Material wie das zu aro- inatisicrcnde sind, liegen wohl in der Vielfalt und Komplexitat der Aromen begrundct. So ist das Aroma cines Lebensmittels das Resultat der Reaktionen verschiedener Enzyme mit ver- schiedenen Substraten [r4]. Hierzu kommen noch quantitative Aspekte. Unsere gegenwar- tigen Iienntiiisse iiber die Biogenese der Gemiisearomen sind noch sehr luckenhaft. Bei den lireuzblutlcrn spielt die Spaltung von Senfolglucosidcn zu Isothiocyanaten eine dominiercnde Iiollc [s, 19, 2$ :

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“os0,- + HS0,- So ist clas Glucosid Sinigrin (R:CH,=CH-CH,-) u. a. in schwarzem Senf, Kohl u n d

Meerrettich vcrtreten. M.XKAY u. a. [17j konnten unter Anwendung der Papier- und der Gaschromatographie zcigen, daD bei Einwirkung von Kohlenzym bzw. von Senfsamenenzym auf getrocknctcn Kohl die qualitativ gleichen Senfiile gebildet werden. Ursache fur die trotz- dem vorhandcnen scnsorischen Untersctiiede miissen also entweder quantitative Differenzen und/oder andere, noch unbrkannte enzymatische Reaktionen sein.

Weiterhin nehmen Cystcinsulfoxide eine wicttige Position als Aromavorlaufer bei Gemuse, insbesondere Zwiebel und Knoblauch, ein [s, 19, 251. Sie werden zunachst nach folgendcnt Schema durcli bcirii Zcrreiben des Pflanzengewebes freigesetzte spezifische Enzyme gespal- ten [ 2 3 ] :

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NH, Die gebildeten Sulfensauren sind instabil, und es entstehen schlieBlich Thiosulfinatc, Sulfide,

Disulfide, Trisulfidc und Aldehyde als aromawirksame Substanzen. Schon dieser fliichtige Ein- Hick in das Kcaktionsgeschehcn zweier Gruppen von Aromavorlaufern deutet auf die Viellalt und die damit verbundcnen Schwierigkeiten bei der enzymatischen ;\romaverbesserung hin.

Enzymatische Aromaverbesserung 437

Obst

In der Patentliteratur [ZZ, 101 wird uber eine enzymatische Aromaverbesserung bei fol- genden Produkten berichtet : Ananas, Banane, Erdbeere, Pfirsich, Blaubeere, Apfei, Brom- beere, Himbeere, Rauschbeere, Kirsche, Pflaume, Birne, Aprikose, Pampelmuse, Orangen- saft, Tangerinensaft und Zitronensaft. Die experimentellen Angaben sind allerdings liicken- haft. Weitere Befunde sind den Arbeiten von KOSICSBACHER u. a. [IS] uber Orangen- und Zitronensaft, ATTAWAY u. a. [4] iiber Orangensaft, HULTIN u. a. [IZ] uber Bananen und WEUR- MAS [31] iiber Himbeeren zu entnehmen. WEURMAS [32] weist auf die Moglichkcit der enzy- matischen Aromaverbesserung bei Fruchtsaften, deren Aroma sich durch die technologische Behandlung verschlechtert hat, hin.

Das im vorangegangenen Abschnitt iiber die enzymatische Aromaverbesserung bei Gemuse Gesagte trifft weitgehend auch fur Obst zu. So werden auch hier entweder von Aromastoffen befreite, precursorhaltige Praparate [IO, 311 oder behandelte Obstprodukte, \vie erhitztes Bananenpuree [IZ], Obstkonserven [IO], Orangensaftkonzentrat [4], Orangen- und Zitronen- saft, gefroren, sterilisiert bzw. in Pulverform [15], sowie getrocknete Fruchte [IO, 221 als Sub- strate fur die Laborversuche verwendet. Nach Zusatz von Enzympraparationen wird die Bildung von Aromastoffen sensorisch [4, 10, 12, 15, 311, in maiichen Fallen gekoppelt mit der gaschromatographischen Analyse [4, 311, verfolgt.

Wegen der Substratspezifitat der Enzyme werden fast ausschlieBlich frische Friichte der gleiclien Art als Enzymquelle verwendet. So setzen ATTAWAY u. a. [4] eine Enzymprlpa- ration aus der Mitochondrienfraktion von Orangenpulpe zur Aromaverstarkung von Oran- gensaftkonzentrat ein und weisen sensorisch und gaschromatographisch die Neubildung von Aromastoffen nach. Ebenso ist eine Aromaverstarkung von hitzebehandeltem Bananenpuree mit einem Enzymextrakt aus Bananenpulpe [IZ] und von unreifen Himbeeren rnit einer Enzym- praparation aus den Kernen frischer, vollreifer Himbeeren [31] zu erreichen. Auch HEWITT u. a. [IO] benutzen zur Aromatisierung der bereits aufgezahlten Produkte jeweils die ent- sprechende frische Frucht als Enzymquelle.

Eine Aromaverstarkung mit kommerziellen Enzympraparaten ist bisher nicht gelungen [4, 311. Damit riickt auch bei Obst die Frage nach geeigneten okonomischen Enzymquellen in den Mittelpunkt. Als potentielle Materialien zui- Gewinnung von Enzymen werden bescha- digte und uberreife Friichte [3] sowie nichteDbare Teile der Pflanzen [3, 4, 10, IZ, 221, wie Schale, Haut, Kerne und Blatter, genannt. Experimentelle Befunde in dieser Richtung sind jedoch negativ verlaufen. So sind Albedo und Flavedo von Orangen ebenso wie unreife Oran- gen nicht ftir die Praparation von Enzymen zur Aromaverstarkung von konzentriertem Oran- gensaft verwendbar [4]. Auch Enzympraparationen aus Bananenschalen oder Bananen- samen scheinen nicht geeignet zur Aromaverbesserung von erhitzteni Bananenpuree [I 21. Hiereu im Gegensatz stehen die von MOTZEL u. a. in ihrer Patentschrift [2z] dargelegten Moglichkeiten einer Aromaverstarkung bei einer ganzen Reihe von Obsttrockenprodukten mittels aus Abfallen gewonnener Enzympraparationen.

Einschatzung

Aus der Literatur geht, wie in den voranstehenden Abschnitten dieses Berichtes dargelegt wurde, hervor, da13 eine enzymatische Aromaverbesserung prinzipiell moglich und im Labor- maostab bei einer Anzahl von Lebensmitteln nachweisbar ist. Es darf jedoch in diesem Zu- sammenhang niclit unerwahnt hleiben, daO auch oft der gewtinschte Erfolg ausblieb und die Aussichten auf eine kommerzielle Anwendung beim gegenwartigen Stand der Kenntnisse als beschrankt angesehen werden [4, 18, 19, 25, 30. 311. Die in der Patentliteratur zu findenden Angaben - oft nur wenig experimentell untermauert - diirfen wohl nicht in allen Fallen kritiklos akzeptiert werden.

Unseres Wissens werden z. 2. Enzyme zur Aromaverstarkung kommerziell nicht einge- setzt. Hauptgrund dafiir ist das Fehlen geeigneter okonomischer Enzymquellen. Fur eine praktische Aromaverstarkung dtirfte die Herstellung von Enzympraparationen aus dem Lebensmittel selbst aus finanziellen Grtinden nicht in Frage kommen. Erschwerend wirkt sich auch die geringe Stabilitat der Enzyme aus [IO, 19. 28, 301. Ungeklart ist gegenwartig

438 RODEL

auch die Kontrolle iiber die enzyniatischen Reaktionen [IS, 19, 301, die in unterschiedlicher Weise van pH, Tcmperatur und Konzentration der Heaktionspartner abhangen.

Auf Grund der Komplexizitat der enzymatischen Reaktionen zur Bildung der Aromastoffe in Lebensmitteln scheint die enzyrnatische Synthese von kompletten Obst- und Gemiisearo- men in vitro in naher Zukunft kaum realisierbar. Losbar diirfte aber bei Kenntnis der Haupt- aromastoffe eines Lebensmittels und ihrer biochemischen Bildungsviege eine Verstarkung dcs Aromas auf enzymatischem Wege sein. Trotz der Fortschritte des letzten Jahrzehnts auf dem Gebict der hromaforschung stehen wir aber gerade hier noch ganz am Anfang.

L i t e r a t u r

[ ~ L J V V ~ U K M A N , L., Lanserva 14. 292 11900l.

Dr. W. KGDEL, Zentralinstitut fur Ernahrung, 1505 Bergholz-Rehbriicke, Arthur-Scheunert- Rllee 114-116

Eingegangen I . 10. 1970

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