Effects of high-pressure processing on lipophilic food ingredients Einfluss der Hochdruckbehandlung auf lipophile Lebensmittelinhaltsstoffe

Abstract

Die Ernährung ist ein körperliches Grundbedürfnis des Menschen, in welchem zunehmend die Themen Gesundheit und Nachhaltigkeit an Bedeutung gewinnen. Aufgrund einer wachsenden Weltbevölkerung und klimatischer Veränderungen steht dabei auch das lebensmittelverarbeitende Gewerbe vor einer herausfordernden Aufgabe. So wird geschätzt, dass etwa ein Drittel der produzierten Lebensmittel weltweit als Abfall verloren gehen und zugleich den Grünhausgas-Fußabdruck entlang der Wertschöpfungskette bis zur Deponierung erhöhen. Folglich kann die Konservierung von Lebensmitteln entscheidend für die Reduktion von Lebensmittelverschwendung und damit verbundenen Erhöhung der Nachhaltigkeit in dem Nahrungsmittelsektor sein. Die Hochdruckbehandlung bietet hierbei den Vorteil, dass nicht nur durch geringe Temperaturen, sondern auch durch eine Wiederverwendung des genutzten Druckmediums, ein für Lebensmittelinhaltstoffe schonender und nachhaltiger Konservierungsprozess angeboten werden kann.

Im Vergleich zu der konventionellen Hitzesterilisation ist die Hochdruckbehandlung auch hinsichtlich der Vermarktung druckbehandelter Lebensmittel noch eine alternative und neuartige Konservierungsmethode. Zu den gängigen HPP-Parametern zählen unter anderem die Anpassung von Druckregimen, Haltezeiten sowie der Temperatur entsprechend der zu behandelnden Matrix und der gewünschten Verlängerung der Lagerfähigkeit. Häufig wird bei der Hochdruckbehandlung von einem schonenden Prozess ausgegangen, welcher weitgehend für hydrophile, bioaktive Pflanzenstoffe bestätigt werden konnte. Folglich liegt die Hypothese nahe, dass auch lipophile, sekundäre Lebensmittelinhaltstoffe wie Carotinoide, Vitamin E und amphiphile Chlorophylle keiner signifikanten Reduktion im Gehalt durch das HPPVerfahren unterliegen. Allerdings wurde die Hypothese insbesondere unter Berücksichtigung von Niedrigdruck, Hochdruck, Druckzyklen, Druckhaltezeiten und erhöhten Temperaturen nicht ausreichend wissenschaftlich untersucht.

Die Dissertation hatte folgende Zielstellungen für Studien an einer Grünkohl-Matrix:

In der vorliegenden Dissertation konnten sieben Carotinoide, Chlorophyll a/b und Vitamin E quantitativ sowie Pheophytin-Isomere semiquantitativ in Grünkohl bestimmt werden. So wurden die Effekte der technischen HPP-Parameter von Druckregimen (10-600 MPa), Haltezeiten (5-40 min) und der Temperatur (10-80 °C, 600 MPa) sowie bis zu drei Druckzyklen (600 MPa) mit Labor-, Pilot- und Industriehochdruckanlagen untersucht. Weiterhin konnten über lichtmikroskopische Studien Hinweise auf Druckeffekte hinsichtlich der Änderungen zellulärer Strukturmerkmale in Grünkohl ermittelt werden. Ein Vergleich zwischen der Hochdruckbehandlung und der konventionellen Hitzesterilisierung erfolgte auch bezüglich der Lagerfähigkeit von Grünkohlproben bis zu acht Wochen unter Lichtausschluss bei 5 °C.

Innerhalb von Untersuchungen mit einer HPP-Laboranlage konnte gezeigt werden, dass die Extrahierbarkeiten lipophiler Pflanzenstoffe in Abhängigkeit von den gewählten Druck- und Haltezeitparametern signifikant im Vergleich zu unbehandelten Proben variieren können. Insbesondere die Probenvorbehandlung zu einem Püree oder zu einer gehackten Matrix konnte auf unterschiedliche Effekte der Druckregime und Haltezeiten zurückgeführt werden. Eine Erhöhung des hydrostatischen Drucks resultierte in einem Grünkohlpüree in reduzierten Gesamtcarotinoid- und Chlorophyllgehalten, während ein entgegengesetzter Effekt für gehackten Grünkohl ermittelt wurde. Eine Verlängerung der Druckhaltezeiten konnte innerhalb mehrerer Druckregime mit erhöhten Extrahierbarkeiten lipophiler bioaktiver Pflanzenstoffe sowohl in einem Grünkohlpüree als auch einer gehackten Matrix in Verbindung gebracht werden. Lipophile antioxidative Kapazitäten (L-ORAC, αTEAC) korrelierten mit ermittelten Extrahierbarkeiten der untersuchten Verbindungen aus druckbehandelten Proben.

Eine konventionelle Dampfsterilisation resultierte im Vergleich zu der Hochdruckbehandlung in signifikant reduzierten Gesamtcarotinoid- und Chlorophyllgehalten, während eine Temperaturstabilität von Vitamin E bestätigt werden konnte. Die lipophilen, antioxidativen Kapazitäten korrelierten bei dampfsterilisierten Proben nicht mit signifikant reduzierten Gehalten der Gesamtcarotinoide und Chlorophylle, wodurch von zugleich antioxidativ wirksamen, thermischen Abbauprodukten ausgegangen werden könnte. Diese konnten jedoch im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht vollständig identifiziert und quantifiziert werden. Längere Lagerfähigkeiten wurden für dampfsterilisierte Proben in Bezug auf Gesamtcarotinoid- und Vitamin-E-Gehalte, jedoch nicht bezüglich der lipophilen, antioxidativen Kapazitäten, ermittelt. Das HPP-Verfahren kann daher im Vergleich zu der thermischen Behandlung als schonender Prozess mit parameterabhängiger, reduzierter Lagerfähigkeit beschrieben werden.

Die thermische Labilität von Carotinoiden und Chlorophyllen wurde nach dem PATPVerfahren in einer HPP-Pilotanlage an einem Grünkohlpüree bestätigt. Eine Temperaturerhöhung bis zu 80 °C bei 600 MPa korrelierte mit einer Gehaltsreduktion der untersuchten Verbindungen mit Ausnahme von Vitamin E, dessen Extrahierbarkeit signifikant im Vergleich zu unbehandelten Proben anstieg. Kontrollproben bei moderater Temperatur (40 °C, atmosphärischer Druck) resultierten in signifikant erhöhten Gehalten an Chlorophyllen und Gesamtcarotinoiden im Vergleich zu Proben nach einer Behandlung mit 600 MPa (40 °C Starttemperatur). Insgesamt konnte der PATP-Prozess im Gegensatz zu der thermischen Dampfsterilisation als schonendes Konservierungsverfahren beschrieben werden, weil der Verlust thermisch labiler Verbindungen durch eine Kombination aus Druck und Temperatur reduziert werden konnte. Im Kontrast zu der PATP-Pilotanlage bei moderaten Temperaturen konnten keine signifikant erhöhten Chlorophyllgehalte in einem Grünkohlpüree aus einer industriellen HPP-Anlage (10 °C Starttemperatur) bei 600 MPa ermittelt werden, sondern lediglich erhöhte Gesamtcarotinoidgehalte (p < 0,05) nach einer einmaligen Druckbehandlung. Eine zyklische Verfahrensweise mit bis zu drei gepulsten Hochdruckanwendungen resultierte lediglich nach einem zweifachen Zyklus in signifikant erhöhten Vitamin-E-Gehalten. Daher erwies sich die Zyklenoperation diesbezüglich nicht als industriell relevant. Insgesamt konnten mit einer industriellen HPP-Anlage jedoch parameterabhängig signifikant erhöhte Extrahierbarkeiten von lipophilen Lebensmittelinhaltsstoffen ermittelt werden, welche zuvor mit einer Laboranlage in reduzierten Gehalten nach der Druckbehandlung vorlagen.

In-vitro-Resorptionsverfügbarkeiten von (all-E)-β-Carotin, (all-E)-Lutein und Vitamin E wurden reproduzierbar in einer saisonal unterschiedlichen Grünkohlmatrix nach den Hochdruckbehandlungen in Labor-, Pilot- und Industrieanlagen untersucht. Eine potentielle Abhängigkeit von der Polarität lipophiler Verbindungen resultierte wiederholt in geringen Mizellarisierungsraten von (all-E)- β-Carotin im Vergleich zu (all-E)-Lutein und Vitamin E. Insbesondere das PATP-Verfahren resultierte in signifikant erhöhten Resorptionsverfügbarkeiten von (all-E)- β-Carotin und (all-E)-Lutein durch Kombinationen von Druck und Temperatur bis zu 600 MPa (80 und 60 °C) sowie erhöhten Vitamin-E-Verfügbarkeiten (p ≥ 0,05). Das Hochdruckverfahren bei niedrigen Temperaturen von 10 °C (industrielle Anlage) sowie bei Raumtemperatur (Laboranlage) konnte mit nicht-signifikanten Trends hinsichtlich erhöhter Resorptionsverfügbarkeiten nach Verlängerung der Druckhaltezeiten, Erhöhung der Druckregime und der Zyklen in Verbindung gebracht werden.

Im Rahmen einer Niedrigdruck-Pilotstudie konnte erstmals mit einer Laboranlage eine um mehr als 100 % erhöhte Vitamin-E-Extrahierbarkeit in Grünkohlpüree nach der Druckbehandlung bei 10 MPa und 50 MPa (40 min) ermittelt werden. Die Erhöhung des Druckregimes auf 100 MPa (5-10 min) resultierte im Vergleich zu anderen Druckstufen (10-600 MPa) in hohem und im Vergleich zu unbehandelten Proben in einem signifikanten Verlust an Gesamtcarotinoiden. Inwiefern Biosyntheseprozesse bzw. enzymatische Abbauprozesse zu Änderungen der Extrahierbarkeiten geführt haben können, konnte in der vorliegenden Arbeit nicht geklärt werden. Jedoch wurde lichtmikroskopisch eine Abhängigkeit der Plastoglobuli-Durchmesser (Lipidkörper) in Grünkohl von gewählten Druckstufen ermittelt, welche im Zusammenhang mit einer Vitamin-E-Biosynthese stehen könnten. Weiterhin ergaben signifikant reduzierte Resorptionsverfügbarkeiten von (all-E)- β-Carotin und (all-E)-Lutein nach einer Niedrigdruckbehandlung (50-100 MPa) einen Hinweis darauf, dass durch eine druckinduzierte Lipoxygenase-Aktivierung die Carotinoidgehalte in Grünkohl reduziert sein könnten.

Zusammenfassend konnte mit der vorliegenden Arbeit belegt werden, dass die Hochdruckbehandlung parameterabhängig sowohl zu einer signifikant reduzierten als auch erhöhten Extrahierbarkeit lipophiler, bioaktiver Pflanzenstoffe aus Grünkohl beitragen kann. Die Probenvorbehandlung erwies sich als potenziell wichtiger Faktor im Vergleich zwischen pürierter und gehackter Rohware. In Bezug auf den Verlust von Carotinoiden und Chlorophyllen können die Hochdruckbehandlungen bei niedrigen Temperaturen und Raumtemperatur sowie das PATP-Verfahren im Vergleich zu einer konventionellen Dampfsterilisation als schonende Konservierungsverfahren beschrieben werden. Dabei wurden mehrere potenzielle Verfahrenswege ermittelt, um erhöhte Extrahierbarkeiten von gesundheitsfördernden Verbindungen wie Vitamin E sowie Carotinoiden und Chlorophyllen durch eine Druckbehandlung zu erreichen. Sowohl eine Temperaturerhöhung bei Hochdruck als auch eine Niedrigdruckbehandlung bei Raumtemperatur konnte zu signifikant erhöhten Vitamin-E-Gehalten beitragen. Für Carotinoide und Chlorophylle resultierte nicht nur die klassische Hochdruckbehandlung in höheren Extrahierbarkeiten, sondern auch für eine milde Temperaturerhöhung wurden signifikant gestiegene Resorptionsverfügbarkeiten ermittelt. Deshalb kann sich zukünftig eine Kombination aus Niedrigdruckverfahren und einer milden Druckpasteurisation zu einem interessanten Forschungsgebiet für erhöhte Extrahierbarkeiten und Resorptionsverfügbarkeiten lipophiler, bioaktiver Pflanzenstoffe entwickeln.

Nutrition is a basic human need, in which topics of health and sustainability are becoming increasingly important. Due to a growing world population and climate change, food processing industry is also faced with a challenging task. It is estimated that around a third of globally produced food is lost in terms of waste, which increases greenhouse gas footprints along the whole value chain including landfill. Consequently, food preservation can be crucial for reducing food waste and increasing sustainability in the food sector. High-pressure processing (HPP) offers the advantage that a gentle and sustainable preservation process for food ingredients may be offered not only in terms of low temperatures, but also by reusing the pressure medium.

Compared to conventional heat sterilization, high-pressure processing is also an alternative and new type of preservation with regards to marketing of pressure-treated food. Common HPP parameters may include the adjustment of pressure regimes, holding times and temperature according to a matrix to be treated and the desired extension of shelf life. High-pressure processing is often assumed being a gentle process, which was largely confirmed for hydrophilic, bioactive phytochemicals. Consequently, the hypothesis suggests itself that lipophilic, secondary food ingredients such as carotenoids, vitamin E and amphiphilic chlorophylls are not subject to any significant degradation in content by HPP processes. However, the hypothesis has not been sufficiently and scientifically investigated, especially considering low pressure, high pressure, pressure cycles, pressure holding times and elevated temperatures.

The dissertation included the following objectives for studies on a kale matrix:

In the present dissertation, 7 carotenoids, chlorophyll a/b and vitamin E in kale could be determined quantitatively including pheophytin isomers semi-quantitatively. The effects of technical HPP parameters such as pressure regimes (10-600 MPa), holding times (5-40 min) and temperature (10-80 °C, 600 MPa) as well as up to three pressure cycles (600 MPa) were examined with laboratory, pilot and industrial high-pressure plants. Furthermore, indications of pressure effects with regards to changes in cellular, structural features in kale could be determined via light microscopic studies. A comparison between high-pressure treatment and conventional heat sterilization was also carried out with regards to the storability of kale samples for up to 8 weeks under dark conditions (5 °C).

Investigations with an HPP laboratory system showed that extractabilities of lipophilic plant substances may vary significantly compared to untreated samples, depending on selected pressure and holding time parameters. In particular, sample pre-treatment towards a puree or to a chopped matrix could be traced back to different effects of pressure regimes and holding times. Increasing hydrostatic pressure in mashed kale resulted in reduced total carotenoid and chlorophyll levels, while an opposite effect was found for chopped kale. An increase of pressure holding times could be associated with increased extractabilities of lipophilic, bioactive plant substances in both a kale puree and a chopped matrix within several pressure regimes. Lipophilic, antioxidant capacities (L-ORAC, αTEAC) correlated with determined extractabilities of investigated compounds from pressure-treated samples. Conventional steam sterilization resulted in significantly reduced total carotenoid and chlorophyll content compared to high-pressure treatment, while thermal stability of vitamin E could be confirmed. Lipophilic, antioxidant capacities in steam-sterilized samples did not correlate with significantly reduced levels of total carotenoids and chlorophylls, which means that a presence of thermal degradation products with an antioxidant effect could be assumed at the same time. However, these compounds could not be fully identified and quantified within the present work. Extended storability was determined for steam-sterilized samples in terms of total carotenoid and vitamin E levels, but not in terms of lipophilic antioxidant capacity. Compared to thermal treatments, HPP processing can therefore be described as a gentle process with a parameter-dependent, reduced storability.

Thermal lability of carotenoids and chlorophyll in mashed kale was confirmed by PATP methodology in an HPP pilot plant. A temperature increase of up to 80 °C at 600 MPa correlated with reduced contents of investigated compounds with the exception of vitamin E, whose extractability increased significantly compared to untreated samples. Control samples at moderate temperature (40 °C, atmospheric pressure) resulted in significantly increased levels of chlorophyll and total carotenoids compared to samples treated at 600 MPa (40 °C start temperature). Overall, PATP methodology could be described as a gentle preservation process compared to conventional steam sterilization because a loss of thermally labile compounds could be reduced by a combination of pressure and temperature. In contrast to the PATP pilot plant at moderate temperatures, no significantly increased chlorophyll levels could be determined in a kale puree from an industrial HPP plant (10 °C starting temperature) at 600 MPa, but only increased total carotenoid levels (p < 0.05) after a single pressure treatment. A cyclic procedure with up to three pulsed high-pressure applications resulted in significantly increased vitamin E levels only after a double cycle. Therefore, cycle operation turned out being not of industrial relevance. Overall, significantly increased extractabilities of lipophilic food ingredients could be determined with an industrial HPP system in contrast to previously determined reduced ingredient levels after pressure treatments with a laboratory plant.

In-vitro bioaccessibilities of (all-E)- β-carotene, (all-E)-lutein and vitamin E were reproducibly investigated in seasonally different kale matrices after high-pressure treatments in laboratory, pilot and industrial plants. A potential dependence on the polarity of lipophilic compounds repeatedly resulted in low micellarization rates of (all-E)- β-carotene compared to (all-E)-lutein and vitamin E. In particular, the PATP procedure resulted in significantly increased bioaccessibilities of (all-E)- β-carotene and (all-E)-lutein by combination of pressure and temperature up to 600 MPa (60-80 °C) as well as in an elevated vitamin E bioaccessibility (p ≥ 0,05). High-pressure processing at low temperatures of 10 °C (industrial plant) and at room temperature (laboratory plant) could be associated with non-significant trends in terms of increasing bioaccessibilities after extending pressure holding times, increasing pressure regimes and applied pressure cycles.

As part of a low-pressure pilot study, it was possible for the first time to determine a more than 100% increase in vitamin E extractability in kale puree after pressure treatments at 10 MPa and 50 MPa (40 min) with a laboratory plant. Increasing pressure regimes to 100 MPa (5-10 min) resulted in a significant loss of total carotenoids compared to other pressure levels (10-600 MPa). It could not be clarified to what extent biosynthetic processes or enzymatic degradation processes may have led to changes in extractabilities in the present work. However, a dependence of plastoglobule diameters (lipid bodies) in kale on selected pressure was determined by light microscopy, which might be related to vitamin E biosynthesis. Furthermore, significantly reduced bioaccessibilities of (all-E)- β-carotene and (all-E)-lutein after lowpressure treatment (50-100 MPa) indicated that pressure-induced lipoxygenase activation may have led to reduced carotenoid contents in kale.

In summary, the present work demonstrated that high-pressure processing may contribute to both a significantly reduced and increased extractability of lipophilic, bioactive plant ingredients in kale, depending on pre-treatment and HPP parameters. Sample pre-treatment turned out to be a potentially important factor in comparison between pureed and chopped raw material. With regards to a loss of carotenoid and chlorophyll content, high-pressure treatments at low temperatures and room temperature as well as PATP methodology can be described as a gentle preservation technique compared to conventional steam sterilization. Several potential processing conditions were identified to achieve increased extractabilities of health-promoting compounds such as vitamin E as well as carotenoids and chlorophyll via pressure treatments. Both an increase of temperature at high pressure and a low-pressure treatment at room temperature could contribute to significantly increased vitamin E levels. For carotenoids and chlorophylls, conventional high-pressure treatment at low temperatures as well as a moderately elevated temperature parameter resulted in significantly increased bioaccessibilities. Therefore, in future, a combination of lowpressure processes and mild pressure pasteurization may lead to an interesting research area for significantly increased extractabilities and bioaccessibilities of lipophilic, bioactive phytochemicals.