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Biochemische Indikatoren für Keimung und Fermentation in Samen von Kakao (Theobroma cacao L.)

Stoll, Lina - Universität Hamburg (2010)


Die tropische Nutzpflanze Theobroma cacao L. speichert in ihren rekalcitranten Samen Fette (ca. 50 %), Proteine (10-16 %) und Kohlenhydrate (7-11 %, BELITZ et al., 2007; FRANKE, 1994; LIEBEREI und REISDORFF, 2007). Zusätzlich liegt ein außerordentlich hoher Gehalt an phenolischen Verbindungen (12-18 %, KIM und KEENEY, 1984) vor. Während der Keimung werden die Reserveproteine offensichtlich schon sehr früh abgebaut. Bereits im ungekeimten, reifen Samen ist eine hohe proteolytische Aktivität zu finden. Untersuchungen von BIEHL et al. (1982) zeigen, dass die im Kakao vorhandene Endoprotease und die Exoprotease in der Lage sind, die Speicherproteine in vitro abzubauen. Während der Keimung findet ein signifikanter Abbau der während der Sämlingsentwicklung in den Proteinvakuolen der Speichergewebe eingelagerten Speicherproteine statt.

Dieselben Prozesse, die während der frühen Keimung zum Abbauder Speicherstoffe, speziell der Proteine, führen, lassen auch die Vorstufen für das Kakaoaroma (Precursors) während der Fermentation entstehen.

Zur Bildung des kakaotypischen Aromas ist die Fermentation der Samen von erheblicher Bedeutung. Die Ziele der Fermentation sind die Entfernung der Pulpa, die Konservierung der Samen durch Gerbung und Trocknung, die Reduktion von Bitterstoffen und vor allem die Bildung der Vorstufen des kakaotypischen Aromas. Die Optimierung der Fermentation ist für die Qualität des Rohkakaos von maßgeblicher Bedeutung, da schlecht fermentierte Samen während der Röstung nur wenig oder kein Aroma entwickeln.

Da der Fermentationsprozess je nach der genetischen Herkunft des Kakaobaumes, nach Land- und Klimabedingungen, der Nährstoffverfügbarkeit während des Wachstums und der Fruchtreife, den Bedingungen bei der Ernte und den verwendeten Fermentations- und Trocknungsmethoden sehr unterschiedlich verläuft, variiert die Qualität des Rohkakaos sehr stark. Die Kakaosamen können daher sehr verschieden weit fermentiert sein. Die heute an die Kakaoaufarbeitung gestellten qualitativen Anforderungen beinhalten z.B. eine weitgehende Erhaltung der gesundheitsförderlichen Polyphenole, die bei den Standardaufarbeitungsbedingungen bislang stets starken Oxidationsschritten unterworfen waren.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Beurteilung de s Keimungsprozesses und der Entwicklungen während der frühen Fermentation in den Samen der tropischen Nutzpflanze Kakao unter Berücksichtigung einer Gruppe biochemischer und enzymatischer Indikatoren. Die physiologischen Veränderungen, die im Verlauf der Keimung auftreten, wurden mit den physiologischen Veränderungen, die im Verlauf einer unter fermentationsähnlichen Bedingungen durchgeführten Inkubation auftreten, verglichen. Anhand dieser biochemischen und enzymatischen Indikatoren wurde ein Merkmalskomplex erstellt, der die natürliche Keimlingsentwicklung und den Ablauf in der frühen Fermentationsphase erfasst. Dieser Merkmalskomplex kann zum Verständnis der gemeinsamen bzw. unterschiedlichen Abläufe von Keimung und Fermentation beigetragen.

In der vorliegenden Arbeit wurden folgende Analysen zur Bestimmung der biochemischen und enzymatischen Indikatoren durchgeführt:

  • Die Beurteilung der proteolytischen Aktivität erfolgte anhand des Abbaus der Speicherproteine während der Keimung und der Fermentation. Durch die gezielte Aktivität der Proteasen werden zuerst die Speicherproteine des Samens im Bereich der hydrophoben Aminosäuren hydrolytisch gespalten, so dass Oligopeptide mit hydrophoben Enden entstehen (BIEHL und VOIGT, 1995). Anschließend werden die hydrophoben Aminosäuren von den Enden der Oligopeptide abgespalten. Anhand der Analyse der freien Aminosäuren, der Oligopeptide und des Proteingehaltes lässt sich der Abbau der Speicherproteine beschreiben. Zur genaueren Untersuchung des Proteinabbaus im Verlauf der Inkubation und der Keimung erfolgte die Messung der Aktivität der beiden an der Proteolyse beteiligten Enzyme, der Aspartylendoprotease und der Carboxypeptidase.
  • In unfermentierten Kakaosamen werden Polyphenole in den Vakuolen der Polyphenolspeicherzellen im Mesophyll der Kotyledonen und vakuolär gespeichert. Polyphenolspeicherzellen stellen 10 bis 12 % des Mesophylls der Kotyledonen dar (BIEHL, 1973). Während der Fermentation werden nach der Zerstörung der subzellulären Kompartimentierung die Polyphenole frei. In unfermentierten Samen stellen Polyphenole 12-18 % des Trockengewichtes dar (KIM und KEENEY, 1984). Der Epicatechinanteil beträgt etwa 35 % des Polyphenolgesamtgehaltes in frischen Kakaosamen. Epicatechin und Catechin verursachen einen adstringierenden und sich früh während der Fermentation entwickelnden bitteren Geschmack. Während der Trocknung wird die Adstringenz durch enzymatisch induzierte Oxidation der Flavonoide und die folgende Polymerisation reduziert (ZIEGLEDER und BIEHL, 1988). In der vorliegenden Arbeit wurde die Veränderung der phenolischen Inhaltsstoffe, die sowohl während des Keimungsprozesses als auch während der Fermentation auftritt, erfasst, da phenolische Inhaltsstoffe als chemisch reaktive Komponenten offensichtlich einem geregelten Metabolismus unterliegen, zu dem bislang wenig bekannt ist.
  • Die enzymatische Oxidation der Polyphenole erfolgt durch die Polyphenoloxidasen (PPO). Hierbei handelt es sich um kupferhaltige Enzyme des Sekundärstoffwechsels, die die Oxidation von Polyphenolen zu Chinonen unter Reduktion von molekularem Sauerstoff katalysieren. In intakten Zellen werden die Polyphenole getrennt von der PPO in den Vakuolen der Polyphenolspeicherzellen gelagert. Die PPO kann somit erst nach der Aufhebung der Zellkompartimentierung mit den Polyphenolen reagieren. Die Oxidation phenolischer Substanzen durch die PPO dient in pflanzlichen Geweben der Abwehr von Schädlingen, dem Wundverschluss und der Verschlechterung der Nahrungsnutzung für Herbivore. Während der Fermentation der Kakaosamen besteht die wichtigste Funktion der PPO in der Reduktion des bitteren Geschmacks und der Adstringenz durch die Oxidation der Polyphenole. Die PPO ist an den kakaotypischen Bräunungsreaktionen beteiligt. Daher wurde die Aktivität der PPO als ein Indikator für die fortschreitende Keimung und die Fermentation untersucht.
  • Kakaosamen sind auch durch einen hohen Gehalt an den Methylxanthinen (Theobromin und Coffein) gekennzeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich der Gehalt an den Methylxanthinen Theobromin und Coffein während der Keimung und im Verlauf der Fermentation verändert.
  • Bei der γ-Aminobuttersäure handelt es sich um eine nichtproteinogene Aminosäure, welche unter anderem während der Keimung gebildet wird. In frischen, unfermentierten Kakaosamen ist der γ-Aminobuttersäuregehalt sehr gering. Da es sowohl während der Keimung als auch während der frühen Fermentation zu einem Anstieg der γ-Aminobuttersäure kommt, wurde diese als wichtiger Indikator für die Keimung und die Fermentation untersucht.
  • Bei Polyaminen handelt es sich um biogene Amine, welche durch Decarboxylierung von Aminosäuren entstehen. Bislang konnte ihnen noch keine eindeutige Funktion zugewiesen werden. Es gibt jedoch zahlreiche Indizien dafür, dass sie an Prozessen wie Zellteilung und Differenzierung beteiligt sind. Daher wurde unter sucht, ob der Polyamingehalt als Indikator für die Entwicklung während der frühen Keimung, bzw. während der fortschreitenden Fermentation dienen kann. Neben den grundsätzlichen Informationen zum Keimungsstoffwechsel der Kakaosamen können die durch die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse potentiell der Bestimmung und Beeinflussung des Fermentationsgrades von Kakaosamen dienen.


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