MATUSEK ANIKÓ okleveles biomérnök FRUKTO-OLIGOSZACHARIDOK ALKALMAZÁSÁNAK MODELLEZÉSE OZMOTIKUS DEHIDRATÁLÁSI MŐVELETTEL DIFFÚZIÓS ÉS BOMLÁSKINETIKAI MEGKÖZELÍTÉSBEN PhD értekezés Témavezetı: Dr. Czukor Bálint Konzulens: Dr. Örsi Ferenc Központi Élelmiszer-tudományi Kutatóintézet 008
Drága Nagyszüleimnek KÖSZÖNET Köszönöm témavezetımnek DR. CZUKOR BÁLINTNAK, hogy szakmai tudásával, tapasztalatával munkám során végig támogatott. Köszönöm DR. BÁNÁTI DIÁNA fıigazgatónak és DR. CSERHALMI ZSUZSANNA fıosztályvezetınek, hogy a Központi Élelmiszer-tudományi Kutatóintézetben lehetıséget biztosítottak kutatómunkám elvégzéséhez. Szeretném megköszönni munkatársaimnak a Központi Élelmiszertudományi Kutatóintézetben, FÖVENYESSY ANDRÁSNÉNAK, MÁRKUS PÁLNÉNAK, LÉDER FERENCNÉNEK, BLAHA MÁRTÁNAK valamint BOZÓ IS TVÁNNAK hogy elméleti és gyakorlati tanácsaikkal segítették a kísérleteim elvégzését. Köszönöm DR. ÖRSI FERENC konzulensi munkáját, értékes, hasznos tanácsait, valamint GYÖKÉRNÉ DR. WITTMANN MÁRIA segítségét a bomláskinetikai számítások elvégzéséhez. Köszönetemet fejezem ki a BME Alkalmazott Biokémiai és Élelmiszertudományi Tanszék tanszékvezetıjének, DR. SALGÓ ANDRÁSNAK, valamint kollégáinak a kutatómunka során nyújtott szakmai segítségért és számos vizsgálat elvégzéséhez kapott lehetıségért. Köszönettel tartozom a Richter Gedeon Nyrt-ben dolgozó kollégáimnak, a fıosztály vezetıinek DR. GREINER IS TVÁNNAK, NÁRAY ZSÓ FIÁNAK ÉS DR. KESERŐ GYÖRGYNEK, hogy lehetıvé tették számomra a PhD munka befejezését. Köszönöm CSALÁDOMNAK a támogatást, a bátorítást, a rengeteg szakmai és lelki segítséget, amit e nem mindig könnyő idıszakban nyújtottak.
TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés... 6. Irodalmi áttekintés... 9.1 A frukto-oligoszacharidok... 9.1.1 A frukto-oligoszacharidok szerkezete, elıfordulása, elıállítása 9.1. A frukto-oligoszacharidok élettani hatásai... 11.1.3 A frukto-oligoszacharidok fiziko-kémiai tulajdonságai, felhasználása... 14.1.4 A frukto-oligoszacharidok bomlása... 15. Az ozmotikus dehidratálás... 18..1 Az OD gyakorlati alkalmazása... 19.. A mőveleti paraméterek hatása... 1..3 Az ozmotikus dehidratálás elméleti megközelítése... 8..4 Az ozmotikus dehidratálás matematikai megközelítése, a modellezés lehetısége... 39 3. A kísérleti munka során alkalmazott vizsgálati módszerek ismertetése... 46 3.1 Kísérleti minták, alkalmazott anyagok és elıkészítésük a vizsgálatokhoz... 47 3. Alkalmazott mintakezelési eljárások... 47 3..1 Mintaelıkészítés... 47 3.. Blansírozás... 48 3..3 Ozmotikus dehidratálás... 48 3.3 Vizsgálati módszerek... 49 3.3.1 Szárazanyag- és víztartalom, vízaktivitás meghatározása... 49 3.3. Vízoldható szárazanyag-tartalom meghatározás... 49 3.3.3 Vízvesztés meghatározása... 49 3.3.4 Szárazanyag-növekmény meghatározása... 50 3.3.5 Szénhidrát összetétel meghatározás... 50 3
3.3.6 Térfogat meghatározás... 51 3.3.7 Sőrőség és porozitás meghatározása... 51 3.3.8 Membrán-áteresztıképesség vizsgálat... 5 3.3.9 Állományjellemzık meghatározása... 53 3.3.10 Érzékszervi tulajdonságok meghatározása... 55 3.3.11 A diffúziós együttható számításának módszere... 55 3.4 Kísérleti körülmények adaptálása... 57 3.4.1 Az izotóniás koncentráció biztosítása... 57 3.4. A minta-oldat arány meghatározása... 59 3.4.3 A frukto-oligoszacharidok bomlásának értékelési módszere... 60 3.5 Matematikai statisztikai értékelés... 63 4. Eredmények bemutatása... 64 4.1 Az ozmotikus dehidratálást megelızı kezelések hatása... 64 4.1.1 Blansírozás hatása az állományjellemzıkre, az OD alatt lejátszódó transzportfolyamatokra... 65 4.1. Mikrohullámú kezelés hatása az állományra... 7 4.1.3 Elıkezelési módok hatásának jellemzése a gyümölcsszövet diffúziós ellenállásával... 73 4. Szacharóz és oligofruktózok összehasonlító jellemzése ozmotikus dehidratálás során... 76 4..1 Szacharóz és oligofruktózok bruttó diffúziós együtthatójának összehasonlítása... 76 4.. A transzportfolyamatok összehasonlítása szobahımérséklető OD során... 78 4..3 Szacharóz és frukto-oligoszacharidok, mint ozmotikus ágens összehasonlítása... 8 4..4 Oligomer komponensek diffúziójának összehasonlítása... 93 4.3 Vákuummal kombinált ozmotikus dehidratálás vizsgálata frukto-oligoszacharidok jelenlétében... 94 4
4.3.1 Vákuum-kezelés paramétereinek hatása a felvett oldat térfogatára... 95 4.3. Vákuum-kezelés hatása az effektív víz és oldott anyag diffúziós együtthatókra... 98 4.3.3 Oligomer komponensek diffúziójának összehasonlítása vákuumkezelést követı OD során... 99 4.3.4 Vákuum-blansírozás hatása a diffúzióra... 101 4.4 Frukto-oligoszacharidok bomlásának kinetikai értékelése...104 4.4.1 Oligofruktóz bomlása pufferelt vizes közegben... 109 4.4. Oligofruktóz bomlása almamátrixban... 113 4.4.3 Oligofruktózok bomlásának kinetikai modellezése... 115 4.5 Termékelıállítási próba...11 5. Összefoglalás...13 6. A PhD dolgozat tézisei...18 7. Gyakorlati alkalmazhatóság...19 8. Irodalomjegyzék...130 9. NYILATKOZAT...139 10. Melléklet, jelölésjegyzék...140 5
1. Bevezetés A korszerő táplálkozás irányelvei a XXI. század élelmiszer elıállítóit és az élelmiszer-tudomány kutatóit olyan új, táplálkozás-élettani szempontból értékes, egészség megırzı tulajdonságokkal rendelkezı élelmiszerek kifejlesztésére sarkallják, melyek jellegüknél fogva hozzájárulnak a jó egészségi állapot fenntartásához, korszerő diéták elemeiként alkalmazhatók, valamint megjelenésüknél fogva képesek a fogyasztói érdeklıdést megragadni, kiváló minıségükön keresztül pedig megtartani azt. A funkcionális élelmiszerek piaca napjainkban egyre bıvül, számos probiotikus, prebiotikus, vitaminnal, antioxidánsokkal, ásványi anyagokkal dúsított, kiegészített illetve ezek kombinációját tartalmazó termék található e rendkívül széles spektrumban. Tejtermékek, sütıipari termékek, hústermékek egyaránt képviseltetik magukat a funkcionális élelmiszerek kínálatában. A hazai táplálkozási szokások ismeretében figyelemfelkeltı a magyar lakosság gyümölcsfogyasztásának, valamint rostfogyasztásának rendkívül alacsony volta, mely a korszerő dietetikai irányelvek térhódításával is csak csekély mértékben növekszik. Így a funkcionális élelmiszerek terén kiemelkedı fontossággal bírhatnak a gyümölcs alapú, értékes komponensekkel dúsított új élelmiszer-készítmények. PhD dolgozatom témaválasztásakor e gondolatkör fı szerepet játszott. A gyümölcsfogyasztás szezonalitásának kiküszöbölését is szolgáló aszalt, szárított gyümölcsök elıállítási technológiájának részét képezheti az elsısorban, illetve hagyományos értelemben víztelenítést célzó ozmotikus dehidratálási mővelet. A mővelet alkalmazása során lejátszódó transzportfolyamatok ismeretében a fellépı szárazanyag dúsulás kiaknázásával funkcionális komponensek növényi mátrixba történı bejuttatása valósítható meg. A mőveleti paraméterek gondos megválasztásával hatékony funkcionális komponens bevitel érhetı el, az alapanyag természetesen jelen lévı értékes tápanyagainak megırzésével. Az ozmotikus dehidratálási technológia kíméletes feldolgozási lépésként hozzájárul ily módon az alapanyag táplálkozási értékének növeléséhez, a 6
termékminıség javításához. Az ozmotikus dehidratálás eddig alkalmazott technológiájában az ozmotikum azonban általában szacharóz vagy fruktóz, mely szénhidrátokkal történı dúsítás nem felel meg a korszerő táplálkozás szénhidrát bevitelt, glikémiás indexet mérséklı irányelvének. A publikált tudományos közlemények alapján a frukto-oligoszacharidok még nem ismertek, mint ozmotikus ágens. Táplálkozás-élettani elınyeik következtében funkcionális élelmiszer-összetevık. A fruktooligoszacharidok gyümölcs mátrixba diffúzióval történı bejuttatása, mint megoldandó ipari technológiai probléma jelentkezett, ezért munkám céljául tőztem ki a frukto-oligoszacharidok ozmotikumként történı felhasználási lehetıségének technológiai jellegő kutatását. A frukto-oligoszacharidok számos táplálkozás-élettani jelentıséggel bírnak, melyek közül kiemelkedı fontosságú prebiotikus aktivitásuk, vagyis, hogy változatlan formában haladnak át a humán emésztırendszeren, majd a vastagbélben szelektíven aktiválják a hasznos baktériumokat, más szóval a probiotikumok táplálékául szolgálnak, így hozzá járulnak azok elszaporodásához, túlsúlyba kerüléséhez, kedvezı összetételő vastagbél mikroflórát eredményezve. Kimutatottan szoros összefüggés áll fenn a vastagbél mikroflóra összetétele, valamint az immunrendszer mőködése között, így állítható, hogy a prebiotikus tulajdonságokkal bíró fruktooligoszacharidokkal dúsított élelmiszerek közvetetten hozzájárulnak az immunrendszer erısítéséhez. Különösen fontos probléma ez egy olyan országban, ahol a vastagbél mikroflóra összetételével szoros kapcsolatban álló betegség a vastagbélrák elıfordulási valószínősége riasztóan nagy, az évente ebben a megbetegedésben elhunytak aránya pedig kétszer akkora, mint más európai országban. Emellett a szintén erısen bélmikroflóra függı Candidiázis is egyre nagyobb mértékben terjed. Ha a frukto-oligoszacharidok ph és hımérséklet hatására bomlanak, bomlástermékeik már nem rendelkeznek azon pozitív élettani hatásokkal, amelyek miatt alkalmazásuk elınyös, így nagyon fontos az élelmiszer elıállítási technológia tervezése során ennek figyelembe vétele. A fruktooligoszacharidok bomlásának megismerése, bomláskinetikájának 7
tanulmányozása elengedhetetlen fontosságú a megfelelı technológia kialakításához. A dolgozatomban elméleti összefoglalást adok az oligofruktózok szerkezetérıl, elıfordulásáról, élettani hatásairól, fiziko-kémiai tulajdonságairól és a bomlásukra vonatkozó ismeretekrıl. Bemutatom az ozmotikus dehidratálás mőveletét jellemzı fiziko-kémiai folyamatok vizsgálatára alkalmazott mai, korszerő módszereket, az ozmotikus dehidratálás leírására szokásos modell-jellegő matematikai eszközöket. A gyakorlati tevékenység leírása során az alkalmazott vizsgálati módszereket követıen a célokhoz kapcsolódóan szerkesztve ismertetem a kísérleti terv részleteit és a kapott eredményeket. A kísérleti munka célja a technológiai szempontból lényeges területek vizsgálata: A frukto-oligoszacharidok (Raftilose P95, ORAFTI) és a szacharóz diffúziós együtthatójának összehasonlító meghatározása, az oligomer komponensek egyedi diffúziós viselkedésének elemzése, a transzportfolyamatok leírása. Az ozmotikus dehidratálást megelızı kezelések (blansírozás, mikrohullámú kezelés) állományra, sejtmembrán áteresztıképességre, szárazanyag-tartalom változásra, valamint az ozmotikus dehidratálás során fellépı transzportfolyamatokra gyakorolt hatásának vizsgálata alma modellel (Malus domesticus cv. Idared). A vákuum-kezeléssel kombinált ozmotikus dehidratálás jellemzése, a dehidratálódás jellegére és az állományra gyakorolt hatás vizsgálata. A technológiai mőveletek során bekövetkezı hidrolitikus bomlások sebességének meghatározása. A bomlás laboratóriumi szimuláción alapuló kinetikai leírása. 8
. Irodalmi áttekintés.1 A frukto-oligoszacharidok.1.1 A frukto-oligoszacharidok szerkezete, elıfordulása, elıállítása A frukto-oligoszacharidok fruktóz monomerbıl felépülı oligoszacharidok, melyek a természetben legnagyobb mennyiségben polimerként inulin formájában vannak jelen. Az inulin a növényvilág egyik elterjedt poliszacharidja (1. ábra). Liliaceae-, Compositae- és Graminaceaecsaládba tartozó növények gumójában, illetve földalatti szerveiben halmozódik fel. Rose (1804) izolálta elıször. Oldékonysága az amilózéhoz hasonlít, meleg vízben kolloidálisan oldódik, az oldat lehőlésekor finom szemcsék alakjában fı tömege újra kiválik. A tiszta inulin összegképlete (C 6 H 1 0 O 5 ) n, molekulasúlya kb. 6000. Savas hidrolízisénél D-fruktóz és kevés, mintegy 6% D-glükóz is képzıdik. Az inulin molekulája kb. 36 β( 1) kötéssel kapcsolódó fruktofuranóz részbıl épül fel. Az utolsó fruktozid csoport egy D-glükóz rész glikozidos szénatomjához kapcsolódik szacharóz jellegő láncvégi csoportot alkotva. A fruktóz részek közé a láncon belül is beilleszkedik egy glükóz rész 1. és 3. hidroxilcsoportjával (Bruckner, 1981). A frukto-oligoszacharidok maximálisan 10 monomer egység összekapcsolódásából álló β( 1) fruktóz láncok, melyek egyik végét α( 1) kötéssel kapcsolódó glükóz egység zárja. Egyes szerzık rövid láncú frukto-oligoszacharidként definiálják a az 1-5 egység fruktózt tartalmazó molekulákat (Yun, 1996, Bornet és mtsai., 00). 1. ábra Az inulin és a frukto-oligoszacharidok szerkezete 9
Az inulin tartalék szénhidrátként természetes összetevıje egyes növényeknek. Kiemelkedıen magas inulin tartalmú növényi részek a csicsóka és a cikória gumó (-3. ábra). Az inulin felhalmozódását szabályozó enzimek aktivitása a gének által determinált, ezáltal jelentıs a fajták szerepe (Angeli és mtsai., 000).. ábra Csicsóka gumó 3. ábra Cikória gyökér Természetes frukto-oligoszacharid források (1. táblázat) a csicsóka és a cikória mellett a hagyma, a búza (Triticum aestivum), a fokhagyma, valamint a banán. 1. táblázat Frukto-oligoszacharidok (GF n, n < 9) természetes elıfordulása és megoszlása ehetı növényekben (Bornet és mtsai., 00) Fruktán GF GF 3 GF 4 GF 5-8 Összesen % * a fruktánok %-ában Hagyma 5-40 61% 5% 10% 3% 99% Búza 1-4 30% 13% 6% 50% 99% Cikória 15-0 4% 5% 5% 16% 30% Csicsóka 16-0 DP + < 9 jelenléte 50% Fokhagyma 5-35 DP < 9 jelenléte 10-0% * szárazanyagra vonatkoztatott %, + polimerizációs fok A frukto-oligoszacharidok elıállításuk volumenét tekintve a bifidogén oligoszacharidok egyik legjelentısebb csoportját alkotják. Elıállításuk két különbözı módon történik (4. ábra), a két eljárás szerkezetében kissé különbözı végterméket eredményez. 10
SZACHARÓZ α-d-glü-(1 )-β-d-fru α-d-glü-(1 )-[β-d-fru-(1 )-] n ahol n = -4 FRUKTO-OLIGOSZACHARIDOK β-d-fru-(1 )-[β-d-fru-(1 )-] n ahol n = 1-9 és α-d-glü-(1 )-[β-d-fru-(1 )-] n ahol n = -9 β-fruktofuranozidáz INULIN α-d-glü-(1 )-[β-d-fru-(1 )-] n ahol n > 10 inulináz 4. ábra Oligofruktózok elıállítása szacharózból és inulinból (Crittenden és Playne, 1996) Szacharózból történı OF elıállítás esetén a β-fruktofuranozidáz enzim transzfruktozidáz aktivitását használják ki. A kiindulási anyag nagy koncentrációjú jelenléte szükséges a hatékony transzglikoziláláshoz. Az ilyen módon elıállított frukto-oligoszacharidok β(1 )-kötéssel kapcsolódó -4 fruktóz egységbıl és a hozzá kapcsolódó terminális α-dglükóz egységbıl épülnek fel. Ezek elnevezése: 1-kesztóz (Glü-Fru ), 1- nisztóz (Glü-Fru 3 ) és 1-fruktozilnisztóz (Glü-Fru 4 ). Melléktermékként glükóz, kis mennyiségő fruktóz, valamint nem reagált szacharóz marad vissza a reakcióelegyben, amit kromatográfiás eljárással távolítanak el, így tiszta frukto-oligoszacharid termék állítható elı. A frukto-oligoszacharidok elıállításának másik módja az inulin poliszacharid kontrollált enzimes hidrolízise. Az így elıállított OF elegyben nem mindegyik β(1 )-kötéssel kapcsolódó fruktozil lánc végzıdik terminális glükóz egységgel, valamint a frukto-oligomer láncok általában hosszabbak, mint a szacharózból történı frukto-oligoszacharid elıállítás esetén (Crittenden és Playne, 1996)..1. A frukto-oligoszacharidok élettani hatásai A nemzetközileg elfogadott functional food szóösszetétel magyar megfelelıje a funkcionális élelmiszer kifejezés idegen hangzású a magyar szókörnyezetben, azonban hasonlóan egyéb kifejezésekhez, általánosan elfogadott, magyar megfelelıje nincs. Így dolgozatomban a 11
szakirodalmi összefoglalás esetén ezt a kifejezést használom, törekedve lehetséges szinonímák (pl.: egészségırzı, egészségvédı, aktív élelmiszer) alkalmazására. Az inulin az emberi emésztıtraktusban nem abszorbeálódik, valamint a megfelelı inulináz enzim hiánya miatt nem is bomlik le. Ezáltal az emberi táplálkozásban ballasztanyagként szerepel, és csupán a vastagbélben képesek a baktériumok az inulint bizonyos mértékig bontani. Az inulin hasításánál keletkezı fruktóz-oligomerek az inulinhoz hasonlóan nem abszorbeálódnak és szintén ballasztanyagnak tekinthetık (Angeli és mtsai., 000). A frukto-oligoszacharidok a vastagbél szakaszát elérve az ott jelen lévı bifidogén baktériumoknak szénforrásként, tápanyagként szolgálnak, amelyet laktáttá, rövid szénláncú zsírsavakká (acetát, propionát, butirát), és gázzá alakítanak, hasonlóan más diétás rostokhoz. Fermentációjuk következménye, hogy kalóriaértékük körülbelül kcal/g (Bornet és mtsai., 00). Az elmúlt években számos kutatást folytattak az inulin és a fruktooligoszacharidok táplálkozás-élettani hatásainak feltérképezésére, pontos megismerésére. Ezen tulajdonságok közül kiemelkedı a már említett prebiotikus aktivitásuk, vagyis az a tény, miszerint serkentik a vastagbélben a hasznos bélbaktériumok, a bifidobaktériumok és a tejsavbaktériumok szaporodását, mivel e baktériumok rendelkeznek az OF metabolizálásához szükséges enzimrendszerrel (Rao, 001; Roberfroid, 000, 00; Biedrzycka és Bielecka, 004; Van de Wiele és mtsai., 004; Macfarlane és mtsai., 006). Ennek eredményeképpen a bélcsatornában elıforduló azon baktériumok arán ya, amel yek nem képesek a fruktooligoszacharidok hasznosítására (rothasztó baktériumok) lecsökken, így a bél mikroflórája pozitív irányba változik. A rothasztó baktériumok számának és ebbıl következıen az általuk termelt metabolitok (fenol, krezol, indol) mennyiségének csökkenésével a májra kevesebb feladat hárul. A kedvezı bélmikroflóra az immunrendszerre is elınyösen hat, ezen keresztül csökken a vastagbélrák kialakulásának kockázata (Losada és Olleros, 00; Bornet és Brouns, 00; Hsu és mtsai., 004). Egyes vizsgálatok szerint a frukto-oligoszacharidok stimulálják a mukózális 1
immunrendszert, valamint javíhatják egyes orális vakcinák (pl.: Salmonella typhimurium) hatékonyságát (Benyacoub és mtsai., 008). A szívkoszorúér megbetegedés a leggyakoribb halálozási okok egyike a fejlett országokban. A betegség szoros összefüggésben áll az életstílussal, a táplálkozással. Az egyszeresen telítetlen zsírsavakban, diétás rostban és alacsony glikémiás indexő (GI) élelmiszerekben gazdag diéta elınyösen befolyásolja a vérben az inzulin (Frost és mtsai., 1996), a cukor és a zsír mennyiségét (Hung és mtsai., 003). A lassan emésztıdı oligoszacharidok, keményítık kis GI értékkel bírnak. Az alacsony glikémiás indexő étrend fogyasztásakor javul a glükóztolerancia és nı az inzulin iránti érzékenység, valamint csökken a vér koleszterin- és trigliceridszintje (Antal, 00). Japán klinikai kutatások szerint a rendszeres oligofruktóz fogyasztás a vér teljes koleszterol és triglicerid szintjének csökkenéséhez vezet (Losada és Olleros, 00). A frukto-oligoszacharidok fogyasztása a csontrendszerre is elınyösen hat, szignifikánsan növeli a Ca abszorpcióját a csontokba (Griffin és mtsai., 003). A frukto-oligoszacharidok ismertetett, számos tudományos kutatás által megalapozott pozitív élettani hatásai következtében funkcionális élelmiszerek alapanyagként felhasználhatók (Prosky, 000). Az ipar nem csak kedvezı élettani hatásai miatt alkalmazza, hanem bizonyos érzékszervi, összetételi jellemzıkre gyakorolt jótékony hatásai miatt is. Az oligoszacharidoknak rendkívül nagy szerepe van a csecsemık táplálkozásában. Az anyatej olyan oligoszacharidokat tartalmaz, amelyek a már említett prebiotikum jellegüknél fogva hozzájárulnak az egészséges bélflóra kialakításához, ami további elınyt jelent a fejlıdés során (Coppa és mtsai., 00; Mountzouris és mtsai., 00). A tápszerrel etetett csecsemık bélflórájának összetétele azonban kedvezıtlen irányba változhat a készítmény hiányos összetétele esetén. A tápszerhez bifidobaktériumokat, illetve oligoszacharidokat (frukto- vagy galakto-oligoszacharidok) adagolva, olyan termék állítható elı, mely a természetes anyatejhez hasonlóan kedvezıen befol yásolja a csecsemık bél-mikroflóráját (Rivero- Urgell és Santamaria-Orleans, 001). 13
.1.3 A frukto-oligoszacharidok fiziko-kémiai tulajdonságai, felhasználása A frukto-oligoszacharidok íz-profiljukban hasonlítanak a szacharózhoz, azonban édesítı erejük csaknem 30 %-kal kisebb. Vízkötı képességük nagyobb, mint a szacharózé. Mivel nem redukáló cukrok, ezért nem vesznek részt Maillard-reakcióban (Bornet és mtsai., 00). Vízben való oldhatóságuk a molekulaméret és a polimerizációs fok növekedésével növekszik (Gennaro és mtsai., 000). Az inulin és a fruktooligoszacharidok tejben vagy vízben történı homogenizálása krémes textúrát alakít ki, amely zsírra jellemzı érzetet kelt a szájban. Ez a jelenség a mikrokristályokba rendezıdésnek köszönhetı, amely a folyadékban való eloszlatáskor lép fel (Zuleta és Sambucetti, 001). Ezt a tulajdonságot kihasználva a fent említett termékeken kívül fagylaltban, sajt- és húskészítményekben is használják. Fıtt kolbász elıállítás során a zsírtartalom bizonyos hányadának (végtermékre vonatkoztatva -1 %) kiváltására alkalmaztak rövid szénláncú (GF n, n 4) fruktooligoszacharidokat (Actilight 950P). Mind az állományra, mind az érzékszervi tulajdonságokra vonatkozó vizsgálatok nagyon pozitív eredménnyel zárultak, az OF-ok alkalmasak kolbász termékekben a zsír bizonyos hányadának - kiváltására, jó minıségő termék kialakítása mellett. Az OF hozzáadásával így 35 %-os energiatartalom csökkentést értek el a termékben. A csökkentett energia tartalom mellett a fruktooligoszacharidok egyéb más pozitív élettani hatásait figyelembe véve funkcionális termék elıállítása válik lehetıvé felhasználásukkal (Cáceres és mtsai., 004). Az inulin zsírkiváltó tulajdonsága mellett, vízkötı képességének köszönhetıen gélképzı, zselésítı, sőrítı anyagként is felhasználható (Vendrell-Pascuas és mtsai., 000). Az OF erısen higroszkópos an yag, minek következtében a fruktooligoszacharidokkal dúsított, liofilizált termékek hosszabb ideig történı eltarthatósága problematikus. Egy koncentrációjában megegyezı szacharóz oldathoz hasonlítva viszkózusabb (Yun, 1996). 14
.1.4 A frukto-oligoszacharidok bomlása A frukto-oligoszacharidok egyes mőveleti paraméterek (hımérséklet, ph) hatására bomlást szenvedhetnek, amely tény az élelmiszeripar, illetve a termék elıállítás szempontjából nagy jelentıséggel bír, mivel a bomlástermékek (elsısorban fruktóz, glükóz, szacharóz) már nem rendelkeznek az oligomerekre jellemzı táplálkozás-élettani pozitívumokkal. A bomlási folyamat pontos ismerete, a bomlást befolyásoló paraméterek hatásterének meghatározása fontos feladat a technológia-tervezés, termékfejlesztés oldaláról egyaránt. Hıstabilitásuk nagyobb, mint a szacharóznak. Az élelmiszerek bizonyos hányadára jellemzı ph-tartományban (ph: 4-7) stabil (Yun, 1996). Szerkezetük stabil marad ph > 3 és T < 130 C esetén. Ezen tulajdonságok alapján kekszek, sütemények, müzliszeletek, gabonapehely-termékek, valamint tejtermékek összetevıiként alkalmazhatók a gyakorlatban (Bornet és mtsai., 00). A frukto-oligoszacharidok nem enzimes bomlásának tanulmányozására vonatkozóan az irodalomban kevés utalás található. L homme és mtsai (003a) az élelmiszer feldolgozási mőveletek oligofruktóz degradációra gyakorolt hatását vizsgálták gyümölcsökben, gyümölcs termékekben. Az 1- kesztóz mennyiségét követték nyomon HPAEC-PAD (nagy teljesítményő anion cserélı kromatográfia pulzáló amperometriás titrálással) vizsgálattal. Eredményeik szerint a nyersanyagok 1-kesztóz tartalma lényegesen nagyobb volt, mint a késztermékeké. Banán püré 80-110 C-on 30 percig történı inkubálása során azonban a várakozással ellentétben nem tapasztaltak degradációt, az 1-kesztóz szerkezete stabil maradt e kísérleti beállítás mellett. Ebbıl arra következtettek, hogy a frukto-oligoszacharid vesztésért inkább a molekula szerkezet, mint a különbözı feldolgozási eljárások (fızés, pasztırızés) felelıs. Blecker és mtsai (00) öt kereskedelmi forgalomban elérhetı oligofruktóz készítmény (Actilight 950P, Raftilose P95, Fibrulose 97, Fibruline Instant, Fibruline Long Chain) savas közegben végbemenı hidrolízisét, a fruktóz képzıdés sebességén keresztül vizsgálta a ph, a 15
hımérséklet, valamint a szárazanyag-tartalom függvényében. Az oligofruktózok hidrolízisét fruktóz HPLC-vel történı meghatározásával követték nyomon. Az öt vizsgált termék átlagos lánchosszúságában, valamint az inulo- (IOS vagy F n ) illetve frukto-oligoszacharidok (FOS vagy GF n ) relatív koncentrációjában különbözik egymástól. (Inulooligoszacharidon a csak fruktóz egységbıl felépülı láncokat, míg fruktooligoszacharidon a glükóz egységgel záródó fruktóz láncokat értik a szerzık.) Számos konszekutív és kompetitív sav által katalizált reakciónak fruktóz és glükóz a végterméke. A teljes mechanizmus pontos leírása nagyon nagy számú reakció konstans definiálását tenné szükségessé, melyek többsége ismeretlen. A fruktózt eredményezı reakciók a következıkben foglalhatók össze: + H ' R F R F + F (1) ahol R F intermedier, ami lehet inulo- vagy frukto-oligoszacharid. Ezek koncentrációja a bomlás során komplex módon változik. Kinetikai szempontból nyilvánvalónak tőnik, hogy az R-gyök kémiai természete befolyásolja a lánc végi hasadás reakciósebességét. Ezt támasztja alá az a megfigyelés is miszerint az inulobióz (F ) bomlási sebessége nagyobb a szacharózénál (GF). Ezzel szemben azonban a kinetikai konstans csak csekély mértékben függ a lánchosszúságtól DP DP7 között. A kezdeti reakciósebesség alapján hasonlítva össze a különbözı körülmények mellett végbemenı reakciók sebességét. A nagyon változatos átlagos lánchosszúságú oligofruktóz minták vizsgálata során megállapítható, hogy a hidrolízis során a fruktóz keletkezési sebessége függ a fruktozil láncvégek koncentrációjától, így az átlagos lánchosszúságtól. A fruktóz képzıdés sokkal kisebb a hosszú molekulák esetében, ahol a láncon belüli hasadás valószínősége nagyobb. A legnagyobb fruktóz képzıdési sebesség a Raftilose P95-nél figyelhetı meg, ahol a legmagasabb a fruktozil láncvégek koncentrációja a többi vizsgált mintával összehasonlítva. Ez abból adódik, hogy ezt a terméket relatíve rövid átlagos lánchosszúságú oligomerek alkotják, valamint a legmagasabb F n koncentráció jellemzi, amely így fruktozil láncvéget jelent szemben a GF n sorba tartozó 16
molekulákkal. A kezdeti reakciósebesség lineárisan nı a fruktozil láncvégek koncentrációjával, tehát a kiindulási anyag szerkezete befolyásolja a bomlást, a kezdeti reakciósebességet. A hosszú láncú inulin esetében a fruktozil-láncvégek koncentrációja kezdetben nagyon alacsony, így a hasadások fıleg a láncon belül következnek be, rövidebb láncokat eredményezve. A láncvégi hasadások valószínősége kicsi, így a szabad fruktóz koncentrációja csak kismértékben növekszik, míg a láncvégek mennyisége gyorsan emelkedik. Amikor a láncok eléggé megrövidülnek, láncvégi hasadások következnek be, ami a fruktóz képzıdés felgyorsulásához vezet. Ezzel ellentétben a rövidebb oligomerek esetében viszonylag magas a láncvégek koncentrációja, ami nagy szabad fruktóz képzıdési sebességet jelent. A hidrolízis során csak néhány új láncvég képzıdik a hosszabb láncok hasadásából, amelyekbıl kevés van ezekben a termékekben. A fruktóz prekurzorok összes koncentrációja folyamatosan csökken a reakció során csakúgy, mint a fruktóz képzıdési sebessége. E megfigyeléseik alapján a Raftilose P95 bomlás valódi elsırendő kinetikával jellemezhetı. Az inulin hidrolízise függ a [H + ] koncentrációtól (ph), azonban független az alkalmazott sav típusától. A hımérsékletfüggés az Arrhenius összefüggéssel leírható. Az oligofruktózok bomlás kinetikájának megismerése gyakorlati szempontból az élelmiszer feldolgozás során fellépı veszteségek elkerülése miatt rendkívül jelentıs. A hımérséklet és a ph, valamint a felhasznált oligofruktóz készítmény fajtája és a degradáció mértéke közti összefüggést (Blecker és mtsai., 00): Log a 0 () 73,1 + T ( I R) = y ph ahol IR a kezdeti reakciósebesség, % képzıdı fru/min; T - a hımérséklet, C; a, y0 az oligofruktóz készítménytıl függı paraméterek pl.: Raftilose P95-re a = 567, y0 = 19,048. 17
. Az ozmotikus dehidratálás Az ozmotikus dehidratálás módszerét az emberiség régóta ismeri. Alkalmazása hosszú idın keresztül az élelmiszer alapanyagok átmeneti tartósítására, továbbá különleges választékok elıállítására szolgált elsısorban. Már az ókori Mezopotámiában felismerték, ha a halat erısen besózzák, akkor kiszárad és hosszú ideig fogyasztható marad. Bár nem tudták, az ozmotikus dehidratálás elınyeit használták ki. A sózott tengeri hal fogyasztását már a bronzkor óta ismerjük és még ma is ezen az elven alapul a tartósított haltermékek elıállítása. Késıbb terjedt el elıször a vad, majd a háziasított állati eredető termékek tartósítása, sózásos ozmotikus dehidratálást követı szárítási eljárással. Manapság a húsok tartósításában ennek kisebb a szerepe, de a magyar konyha hagyományai között is megtalálható, pl.: sonka, szalonna. Hasonlóan ısi múltra tekint vissza az ozmotikus dehidratálás alkalmazása gyümölcsök ízesítésére, tartósítására. A cukorral történı ozmotikus dehidratálás nyomait elıször az i.e. elsı évezredben a Földközi tenger medencéjében élı népeknél (Egyiptom, Palesztina, Izrael) találták meg. Késıbb az iszlám (arab, török) közvetítésével jutott Európába. Ma is igen népszerőek a cukrozott gyümölcsbıl készült termékek, s egyre újabb formában (pl. müzli, müzliszelet) kerülnek a fogyasztók asztalára. Az élelmiszer-tudományi és technológiai ismeretek bıvítése, a táplálkozástudomány által feltárt újabb és újabb összefüggések ezt a technológiai mőveletet is új megvilágításba helyezték, vizsgálatát és értékelését újabb szempontoknak is alárendelik. Az ozmózison alapuló technológia ugyanis az egyéb élelmiszerfeldolgozási mőveletek között kitőnik kíméletes jellegével, melynek során az élelmi alapanyagok eredeti tápanyagkészlete kevéssé sérül, így jobb minıségő, tápanyagban értékesebb termék állítható elı. Az ozmotikus dehidratálás ugyanakkor alkalmas arra is, hogy a növényi és állati szövetek, nyersanyagok összetételét tudatosan választott, természetes vagy mesterséges összetevıkkel dúsítsák, így funkcionális élelmiszerek elıállításának eszközéül is választható, ezzel a választék további bıvítése, megújítása érhetı el. Az ozmotikus dehidratálás ezzel együtt megırizve ısi, eredendı funkcióját - a vízaktivitás csökkentése révén - az élelmi 18
alapanyagok tárolási biztonságát is javítja a megfelelı alkalmazás esetén, ami elsı számú élelmiszer biztonsági követelmény...1 Az OD gyakorlati alkalmazása Az ozmotikus dehidratálás (OD) a mai gyakorlatban általában a gyümölcsök, zöldségek szárítását megelızı technológiai lépés, melynek célja az alapanyag nedvességtartalmának csökkentése és a sejtek szárazanyag-tartalmának növelése a termék elıállítás gazdaságossága, illetve az eltarthatósági idı növelése, valamint a választékbıvítés és minıségjavítás érdekében. A tudományos/technológiai szakirodalomban számtalan növényi nyersanyaggal végzett OD vizsgálatokról számoltak be az elmúlt évtizedben, amelynek megoszlását az 5. ábra jellemzi. 5% 6% 6% % %1% 3% 3% 7% 7% 7% 45% alma mangó répa burgonya ananász barack eper kivi banán papaja paprika kókusz grapefruit gesztenye körte paradicsom hagyma karfiol 5. ábra OD kezelt gyümölcs-zöldség fajták elıfordulása tudományos publikációk tárgyaként (100 publikáció alapján, a vizsgálatok száma %-ban az összes publikációszámra vetítve) Igen feltőnı az almavizsgálatok jelentısége, amely az alma igen sokoldalú ipari felhasználhatóságával függhet össze. Ozmotikus dehidratálás során az alapanyagot zöldséget, gyümölcsöt hipertóniás cukor vagy só oldatba helyezik, az oldatnak nagyobb az ozmotikus nyomása és alacsonyabb a vízaktivitása, ezért a szövet nedvességtartalmának 19
kiáramlása (ozmózis) biztosítja a kémiai potenciál (koncentráció) kiegyenlítıdését. A felület és szövet szemipermeabilitása következtében egyidejőleg oldott anyag beáramlás indul meg a sejtekbe, illetve a sejtközötti állományba. Nem csak víz, hanem egyéb biológiailag értékes anyagok is távozhatnak a sejtekbıl, mint pl. ásványi anyagok, aromakomponensek, vitaminok (Torreggiani, 1993; Taiwo és mtsai., 00; Peiró és mtsai., 006). Az ozmotikus dehidratálás folyamata tehát szimultán lejátszódó víz és oldott anyag diffúzió (Lerici és mtsai., 1985). A diffúziós folyamat tulajdonságait kihasználva az OD alkalmas funkcionális élelmiszerek elıállítására, az ozmotikum biológiailag értékes anyagokkal történı dúsításán keresztül. Funkcionális élelmiszer elıállítására speciális kísérleteket is végeztek: a vákuumkezelés és az ozmotikus dehidratálás együttes alkalmazását vizsgálták, valamint modellt dolgoztak ki ásványi anyagokkal dúsított gyümölcsök elıállítására (Fito és mtsai., 001a). Táplálkozási oldalról elınyös, hogy az OD jól beilleszthetı olyan technológiákba, melyek célja az un. minimal processing (kíméletes feldolgozás) megvalósítása. A 6. ábra szemlélteti az OD és a vele kapcsolatban lévı eljárások egyik lehetséges rendszerét (Torreggiani, 1993). Gyümölcs vagy zöldség Elıkezelés Szirup OD Besőrítés Lecsepegtetés Szirup Gyümölcs vagy zöldség Fagyasztás Szárítás Appertizáció Lényerés 6. ábra Az OD és a hozzá kapcsolódó lehetséges mőveletek rendszere 0