< Terug naar vorige pagina

Project

Inzicht in niet-enzymatische bruinkleuring van shelf-stable sinaasappelsap tijdens bewaring

Niet-enzymatische bruinkleuring (NEB) van shelf-stable fruitsappen (waaronder ook sinaasappelsap) tijdens bewaring is een belangrijke kwaliteitsafwijking van deze levensmiddelen. Men veronderstelt dat NEB in gepasteuriseerd shelf-stable sinaasappelsap veroorzaakt wordt door de degradatie van ascorbinezuur en/of suikers. Het exacte mechanisme van NEB is echter nog niet volledig ontrafeld en dit ondanks het feit dat NEB bepalend is voor de houdbaarheidsdatum van shelf-stable fruitsappen. Meer onderzoek over NEB om nieuwe kennis te verwerven over dit fenomeen lijkt dan ook noodzakelijk.

Dit doctoraatsonderzoek had als doel meer inzicht te bekomen over NEB van shelf-stable sinaasappelsap tijdens bewaring door gebruik te maken van verschillende benaderingen. In een eerste aanpak werd sinaasappelsap gefractioneerd in serum, cloud en pulp. Deze fracties werden vervolgens gekarakteriseerd om de veranderingen in verschillende fracties van sinaasappelsap en hun relatieve bijdrage tot NEB na te gaan. In een eerste fractionatie-experiment werd commercieel gepasteuriseerd shelf-stable sinaasappelsap bewaard voor 15 weken bij 42 °C. De verschillende fracties van het bewaarde sinaasappelsap (serum, cloud en pulp) werden bekomen door 70% ethanol precipitatie en werden vervolgens geanalyseerd. De bruine componenten die gevormd werden tijdens bewaring waren aanwezig in de drie geanalyseerde fracties. In het serum waren de bruine componenten vermoedelijk aanwezig in vrije toestand. Voor de bruine componenten aanwezig in de onoplosbare fracties van sinaasappelsap (cloud en pulp) werd de hypothese gesteld dat deze geassocieerd zijn met proteïne eenheden (bv. arabinogalactan proteïnen, proteïne-pectine complexen). Ondanks de aanwezigheid van de bruine componenten in deze fracties van een bewaard staal, was het moleculair gewicht, het profiel van neutrale suikers en het proteïnegehalte niet significant verschillend ten opzichte van deze van een onbewaard staal. Hierdoor kon de hypothese gesteld worden dat de bruine componenten slechts een klein deel van de onoplosbare fracties vertegenwoordigden. De veranderingen in oplosbare componenten in het serum van sinaasappelsap, oa. ascorbinezuur, suikers, furfural en 5-hydroxymethylfurfural (HMF), vertoonden een sterke correlatie met de ontwikkeling van de bruine kleur tijdens bewaring van sinaasappelsap. In een tweede fractionatie-experiment werd commercieel sinaasappelsap gescheiden in fracties met oplosbare en onoplosbare componenten. Het sinaasappelsap en de bekomen fracties werden vervolgens gepasteuriseerd en bewaard op 42 °C. De ontwikkeling van een bruine kleur tijdens bewaring van het sinaasappelsap en van de verschillende fracties werd bestudeerd en de veranderingen in eigenschappen gelinkt aan NEB (zijnde ascorbinezuurdegradatie, veranderingen in het gehalte aan sucrose, glucose en fructose en de vorming van furfural en HMF) werden kinetisch gemodelleerd. De fracties met oplosbare componenten (bv. ascorbinezuur en suikers) kleurden bruin, terwijl de fracties met onoplosbare componenten (bv. polysachariden) niet verkleurden. De resultaten suggereren dat de oplosbare componenten van sinaasappelsap een belangrijke rol spelen in NEB dit in tegenstelling tot de onoplosbare componenten. De geschatte kinetische parameters geven daarnaast aan dat de ontwikkeling van de bruine kleur en de veranderingen in ascorbinezuur, suikers, furfural en HMF tijdens bewaring van de fracties met oplosbare componenten vergelijkbaar zijn met de veranderingen van deze eigenschappen in het commerciële sinaasappelsap. De fractie met oplosbare componenten die bekomen werd uit het commerciële sinaasappelsap kan dus beschouwd worden als een relevant modelsysteem voor sinaasappelsap met verlaagde complexiteit dat bruikbaar is in vervolgstudies over NEB.

In een tweede benadering werd het eerder vermelde modelsysteem voor sinaasappelsap gebruikt om het effect van pH en toevoeging van een aantal NEB precursoren (ascorbinezuur, fructose en arginine) op NEB te bestuderen. Het verlagen van de pH van het modelsysteem van 3,8 naar 1,5 versnelde de afbraak van ascorbinezuur, de hydrolyse van sucrose tot glucose en fructose en de vorming van furfural en HMF tijdens bewaring op 42 °C voor acht weken. Dit resulteerde in een hogere intensiteit van bruinkleuring die meer uitgesproken was op het einde van bewaring voor het staal met de lage pH. Het toevoegen van meer ascorbinezuur en fructose zorgde voor een sterke toename in de vorming van respectievelijk furfural en HMF en een hogere intensiteit van bruinkleuring. Toevoeging van arginine aan het modelsysteem resulteerde niet in een significante verandering in bruinkleuring tijdens bewaring. Een mogelijke verklaring voor deze observatie is dat het gehalte aminozuren dat van nature aanwezig is in het modelsysteem voldoende was opdat de bruinkleuringreacties plaats konden vinden. Een verhoging van het aminozuurgehalte door toevoeging van een overmaat arginine zal niet zorgen voor een versnelling van NEB. Het verlagen van de pH van het modelsysteem van sinaasappelsap of toevoeging van ascorbinezuur of fructose, maar niet arginine, zal bruinkleuring versterken tijdens langdurige bewaring.

In het laatste deel van dit doctoraatsonderzoek, en als derde benadering, werd het potentieel van 1H-NMR fingerprinting voor het bestuderen van NEB in modelsystemen en commercieel sinaasappelsap onderzocht. Verschillende modelsystemen met een toenemende complexiteit van de NEB precursoren werden geformuleerd in citroenzuurbuffer. Ascorbinezuur, drie suikers (sucrose, glucose en fructose) en zes aminozuren (proline, arginine, asparagine, asparaginezuur, serine, en glutaminezuur) werden geselecteerd als precursoren op basis van de samenstelling van een reëel sinaasappelsap. De modelsystemen werden gepasteuriseerd en gedurende 16 weken bewaard op 42 °C. Uit de resultaten bleek dat de aanwezigheid van ascorbinezuur essentieel was voor bruinkleuring in de initiële fase van bewaring. De intensiteit van bruinkleuring in de modelsystemen met ascorbinezuur werd versterkt door de aanwezigheid van suikers en aminozuren. Daarnaast bleek dat suikers en aminozuren een belangrijke rol speelden voor bruinkleuring in een latere fase van bewaring. 1H-NMR fingerprinting werd gebruikt voor het analyseren van (1) een eenvoudig modelsysteem met enkel ascorbinezuur, (2) een complex modelsysteem met ascorbinezuur, suikers en aminozuren en (3) commercieel sinaasappelsap. In het modelsysteem met ascorbinezuur was de degradatie van ascorbinezuur tot de intermediairen xylonzuur, azijnzuur en erythrulose de reactieweg die de leidde tot meeste veranderingen tijdens bewaring. In het complexere modelsysteem met ascorbinezuur, suikers en aminozuren en in het commerciële sinaasappelsap bleek de hydrolyse van sucrose tot glucose en fructose de belangrijkste reactieweg die aanleiding gaf tot verschillen tussen de stalen tijdens bewaring. De drie aanwezige suikers domineerden de NMR spectra van het complexe modelsysteem en van het sinaasappelsap. Hierdoor waren verschillende belangrijke componenten voor NEB, zoals ascorbinezuur en zijn degradatieproducten, niet zichtbaar. Het gebruik van meer geavanceerde NMR experimenten, zoals 13C-NMR analyses en tweedimensionale NMR analyses, kunnen in de toekomst gebruikt worden om onbekende componenten gerelateerd aand NEB reacties te identificeren.

Dit doctoraatsonderzoek leidde tot nieuwe inzichten in NEB tijdens bewaring van sinaasappelsap door de karakterisatie van de veranderingen in de verschillende fracties van sinaasappelsap. Verschillende reacties blijken verantwoordelijk voor de bruinkleuring van sinaasappelsap, met de degradatie van ascorbinezuur als belangrijkste reactieweg. De aanwezigheid van suikers en aminozuren versterkt bruinkleuring. Naast de aanwezigheid en concentratie van precursoren van NEB, wordt NEB beïnvloed door de intrinsieke eigenschappen van een levensmiddel zoals de pH. Verlagen van de pH van sinaasappelsap (tot bv. 1,5) versnelt bruinkleuring tijdens bewaring.

1H-NMR fingerprinting is een niet-destructieve en snelle screeningstechniek die toelaat de veranderingen in sinaasappelsap en modelsystemen tijdens bewaring in kaart te brengen. Om op basis van deze techniek mechanistisch inzicht te verwerven in de NEB moet dit echter gecombineerd worden met meer geavanceerde NMR experimenten en/of LC-MS/MS  analyses.

Datum:21 sep 2015 →  15 jun 2020
Trefwoorden:Orange juice, Non-enzymatic browning, Storage
Disciplines:Engineering van biomaterialen, Biologische systeemtechnologie, Biomateriaal engineering, Biomechanische ingenieurswetenschappen, Andere (bio)medische ingenieurswetenschappen, Milieu ingenieurswetenschappen en biotechnologie, Industriële biotechnologie, Andere biotechnologie, bio-en biosysteem ingenieurswetenschappen, Levensmiddelenwetenschappen en (bio)technologie
Project type:PhD project