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Main Title: Einsatzmöglichkeiten eines saponinreichen Extrakts aus Quillaja saponaria Molina zur Formulierung und Stabilisierung von funktionellen Lebensmittelinhaltsstoffen
Translated Title: Application of an extract of Quillaja saponaria Molina rich in saponins for formulation and stabilization of functional ingredients
Author(s): Tippel, Janine
Advisor(s): Drusch, Stephan
Referee(s): Drusch, Stephan
Rohn, Sascha
Rauh, Cornelia
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Emulgatoren werden in der Lebensmittelindustrie häufig zur Herstellung disperser Trägersysteme verwendet, welche eine Solubilisierung und Erhöhung der Stabilität von lipophilen Lebensmittelinhaltsstoffen ermöglichen. Für flüssige Lebensmittelsysteme können mizellare Systeme und Emulsionen eingesetzt werden. Eine Sprühtrocknung ermöglicht hier die Umwandlung flüssiger Formulierungen in feste Pulver, welche den Transport und die Einbringung in das Endprodukt vereinfachen. Zudem können durch Verkapselung in einer kohlenhydratbasierten Matrix oxidationsempfindliche Inhaltsstoffe gegenüber Umwelteinflüssen wie Licht und Sauerstoff stabilisiert werden. Die Wahl des Emulgators beeinflusst dabei entscheidend die Grenzflächenstrukturierung und folglich die physikalische Stabilität flüssiger und pulverförmiger Formulierungen. Darüber hinaus kann der Emulgator einen positiven Einfluss auf die chemische Stabilität der meist bioaktiven Substanzen haben und somit deren ernährungsphysiologischen Wert für die menschliche Gesundheit erhalten. Aus gesellschaftlichen und lebensmittelrechtlichen Aspekten ist die Anzahl der lebensmitteltauglichen Emulgatoren jedoch begrenzt und die Erschließung neuer Quellen von großem Interesse. In der vorliegenden Arbeit wurde daher untersucht, ob Saponine aus dem chilenischen Seifenrindenbaum (Quillaja saponaria Molina) als natürliche, grenzflächenaktive Substanzen zur Formulierung und Stabilisierung funktioneller Lebensmittelinhaltsstoffe geeignet sind. Grenzflächenuntersuchungen des Saponin-Extraktes belegten eine hohe Grenzflächenaktivität und Funktionalität im Hinblick auf die Mizellierung eines bioaktiven, lipophilen Luteinester-Extrakts. In Abhängigkeit vom Medium zeigten die mizellaren Lösungen unterschiedliche Solubilisierungskapazitäten. Diese konnten mittels cryo-Transmissonselektronenmikroskopie zum Teil auf die Struktur der Mizellen zurückgeführt werden. Allerdings sind thermodynamisch stabilisierte Systeme in ihrer Beladung begrenzt. Durch die Herstellung von Nanoemulsionen, einem alternativen kolloid-dispersen Trägersystem, konnte eine deutlich höhere Beladung mit hoher Stabilität erzielt werden. Hinsichtlich der Sprühtrocknung der dispersen Systeme konnte festgestellt werden, dass die Stabilisierung mit Quillaja-Saponinen eine Desintegration der eingeschlossenen Substanz und damit Strukturveränderungen während der Zerstäubung und Trocknung, vermutlich aufgrund der Bildung viskoelastischer Filme, verhindert. Des Weiteren resultierte der Einsatz des Quillaja-Saponin-Extrakts in Makroemulsionen in einer deutlich erhöhten Oxidationsstabilität eines oxidationsempfindlichen Öles, wenn zuvor die natürlich im Extrakt vorkommenden prooxidativen Metallionen komplexiert wurden. Dabei wurde erstmalig zur Aufklärung der antioxidativen Kapazität eines Quillaja-Saponin-Extraktes Elektronenspinresonanzspektroskopie neben photometrischen Methoden angewandt. Dieses ermöglichte den Nachweis von Antioxidantien in der wässrigen und lipophilen Phase und belegte damit dessen antioxidative Aktivität in dispersen Systemen. Weitere spektroskopische und mikroskopische Untersuchungen zur Grenzflächenstruktur könnten den Beitrag der Saponine und der phenolischen Bestandteile hinsichtlich der Oxidationsstabilität aufklären. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Quillaja-Saponin-Extrakt eine effektive Quelle natürlicher Emulgatoren und Antioxidantien darstellt und daher für den Einsatz in einer Vielzahl von Lebensmitteln als auch Futtermitteln zur physikalischen und chemischen Stabilisierung funktioneller Lebensmittelinhaltsstoffe geeignet ist.
Emulsifiers are commonly used in the food industry for the preparation of dispersed carrier systems, which allow solubilisation and increase the stability of lipophilic food ingredients. For liquid foods micellar systems and emulsions can be applied. Spray drying enables the conversion of liquid formulations into solid powders, which facilitate their transport and placement in the final product. Furthermore by encapsulation in a carbohydrate-based matrix the stability of sensitive ingredients to environmental impacts such as light and oxygen can be enhanced. The type of emulsifier has a decisive influence on the interfacial properties and as a consequence affects the physical stability of liquid and solid formulations. Moreover, the emulsifier may have a positive impact on the chemical stability of bioactive substances and thus obtain their nutritional value for human health. In terms of social concerns and food regulatory requirements a major drawback is the limited availability of suitable natural food-grade emulsifiers. Thus, in the present study saponins, the surface active substances from the natural food-grade extract of the Chilean soapbark tree (Quillaja saponaria Molina) were investigat-ed to elucidate their functional properties with regard to their suitability as a carrier system and their effect on the physico-chemical stabilisation of functional food ingredients. Studies of the interfacial properties of the saponin extract displayed a high surface activity and functionality in terms of micellisation of a lipophilic bioactive lutein ester extract. The composition of the aqueous phase affected the lutein ester load. This could be explained in part by the structure of micelles as revealed by cryo-transmission electron microscopy. However, thermodynamically stabilised systems are limited in their loading capacity. Higher loading capacity and good stability could be achieved by preparing nanoemulsions as an alternative colloidally dispersed system. With regard to spray drying, Quillaja saponins prevent disintegration of the encapsulant and therefore inhibit structural changes during atomisation and drying. This is presumably due to the high viscoelasticity of the interfacial films. Furthermore, by binding the naturally occurring metal ions into complexes prior to the emulsifying process an increase in the oxidative stability of an oil rich in polyunsaturated fatty acids could be shown. For the first time the antioxidant capacity of a Quillaja saponin extract was investigated by electron spin resonance spectroscopy in addition to photometric methods proving the presence of antioxidants in the aqueous and lipophilic phase and thus its antioxidant activity in dispersed systems. From the scientific point of view further spectroscopic and microscopic methods could be employed to elucidate the contribution of saponins and phenolic compounds with respect to lipid oxidation. The results of the present study demonstrate that Quillaja saponin extract is a promising source of emulsifiers and antioxidants that can physically and chemically stabilise functional food ingredients in a wide range of food and feed.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6259
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5818
Exam Date: 5-Dec-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 3-Apr-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::660 Chemische Verfahrenstechnik::664 Lebensmitteltechnologie
Subject(s): Mizellen
Saponine
Emulsionen
funktionelle Inhaltsstoffe
antioxidative Eigenschaften
micelles
saponins
emulsions
functional ingredients
antioxidant properties
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