Zuckerreduktion

Neues Verfahren zur Zuckerreduktion in Fruchtsäften

Programm / Ausschreibung Bridge, Brückenschlagprogramm, 27. Ausschreibung Bridge 1 Status laufend
Projektstart 01.09.2018 Projektende 30.04.2021
Zeitraum 2018 - 2021 Projektlaufzeit 32 Monate
Keywords Zuckerreduktion; Nanofiltration; Verfahren; Fruchtsaft, Apfelsaft, Smoothy

Projektbeschreibung

In weiten Teilen der Weltbevölkerung ist der Zuckerkonsum sehr hoch, so dass beispielsweise die Weltgesundheitsorganisation WHO dringend zur entsprechenden Reduktion rät. Obwohl Fruchtsäfte (z.B. Apfelsäfte) und deren Folgeprodukte (Smoothies usw.) als Nahrungsmittel prinzipiell empfohlen werden können, ist aufgrund des hohen Zuckergehaltes auch hier der Konsum mit Vorsicht zu betrachten. Um auf gesundheitliche Vorteile nicht verzichten zu müssen, kann über eine Reduktion des Zuckergehaltes nachgedacht werden. Allerdings zeigt eine ausführliche Recherche, dass derzeit kein Verfahren existiert, mit dem eine weitestgehend selektive Zuckerreduktion unter Einhaltung notwendiger Kriterien hinsichtlich Qualität und Wirtschaftlichkeit erzielt werden kann. Die Schwierigkeit liegt vor allem in der Trennung zwischen Kohlenhydraten und wertvollen Inhaltsstoffen, die vor allem in der Schale enthalten sind. Zu den praktisch kaum anwendbaren Methoden gehören Vergärung mit Alkoholabtrennung, enzymatische Kohlenhydrattransformation, chromatographische Abtrennung usw. Im vorliegenden Projekt wird eine neue (potentiell industrierelevante) Prozesskombination vorgeschlagen, die vor allem bei Apfelsäften und Folgeprodukten von hohem Interesse ist. Der Prozess (ca. 33% Zuckerreduktion) beruht auf drei wesentlichen Ansätzen:
1) Die Konzentrationen von Zuckern (Glucose, Fructose, Saccharose) und wertvollen Inhaltsstoffen sind in der Frucht nicht homogen verteilt. In den äußeren Schichten des Fruchtfleisches ist der Zuckeranteil höher als darunter. Diese Aspekte sind relativ neu und können vorteilhaft genutzt werden.
2) Mechanische Abtrennung der Schale (erster Prozessschritt zur Abtrennung wertvoller Schaleninhaltsstoffe), sowie Abtrennung des Zuckers aus dem Presssaft zuckerreicherer Schichten des Fruchtfleisches, welches ebenfalls mechanisch abgetrennt wird. Somit werden drei Hauptfraktionen der Frucht betrachtet: Teilfraktion des zuckerreicheren Fruchtfleisches (Pressen und Zuckerabtrennung), Fruchtfleischanteil mit weniger Zucker, sowie Fruchtschale. Die beiden letzten Fraktionen werden vermischt und konventionell zu Saft verarbeitet.
3) Für die Abtrennung der Kohlenhydrate bietet sich vor allem die Nanofiltration (NF) an. Unter Einhaltung entsprechender Massenbilanzen, lässt sich durch Vermischen der beiden Saftströme ein Endprodukt mit rund 33% weniger Zuckergehalt herstellen. Mit dieser neuen Methode der Saftherstellung wird der Gehalt an wertvollen Inhaltsstoffen kaum verändert und es werden relativ geringe Saftmengen für die Zuckerabtrennung verwendet, was für die Qualität und Wirtschaftlichkeit von Bedeutung ist.
Bei der vorgeschlagenen Vorgehensweise steht aus wissenschaftlicher, aber auch aus praktischer Sicht nach wie vor die Zuckerabtrennung im Vordergrund des Interesses. Mit dem neuen Ansatz der vorherigen mechanischen Abtrennung besonders wertvoller Inhaltsstoffe wird die Aufgabenstellung einfacher, trotzdem muss eine geeignete Methode für die Zuckerabtrennung entwickelt werden. Bei einem ersten Vergleich in Frage kommender Prozesse, erscheint die NF deutlich vorteilhafter gegenüber allen anderen Methoden zu sein. Allerdings sind Untersuchungen zur Kohlenhydratabtrennung aus Fruchtfleischsäften mittels NF den Antragstellern nicht bekannt. Unabhängig davon ist der Fragenkomplex über die selektive Abtrennung von Kohlenhydraten in vielen Bereichen z. B. Bioraffinerien, von hohem Interesse. Der wissenschaftliche Partner im Projekt hat sich mit diesem Themenkomplex über viele Jahre auseinandergesetzt.
Was die NF anbelangt sind insbesondere die Aspekte Rückhaltung/Selektivität, Ausbeute/osmotischer Druck sowie Permeatstromdichte, vor dem Hintergrund entsprechender Einflussfaktoren (Membranen, Druck, Temperatur, Überström-geschwindigkeit usw.), von hoher Bedeutung. Aus diesem Grund umfassen diese Themengebiete einen Kernbereich des vorliegenden Forschungsprojektes. Untersuchungen hierzu würden neue Erkenntnisse über die (selektive) Abtrennung von Kohlenhydraten mittels NF liefern, wobei gleichzeitig ein neuer, potentiell interessanter Prozess (Reduktion des Zuckergehaltes in Fruchtsäften) untersucht und entwickelt wird. Dabei müssen verschiedene Fragen (z. B. Oxidation) hinsichtlich Saftherstellung geklärt werden.

Abstract

The currently high consumption of sugar in large parts of the world population has lead the WHO to issue a recommendation to reduce the consumption of food articles with a high sugar content. One of the foodstuffs in question are fruit juices (e.g. apple juice) and related products such as smoothies, which, although recommendable from a nutritional point of view, are known to be naturally rich in sugar. Thus, a partial removal of sugar from fruit juices can be taken into consideration. However, as an extensive research has shown, there are currently no processes for the selective reduction of sugar in fruit juices that meet certain criteria of product quality or economic viability. The major obstacle encountered in practice appears to be the separation of carbohydrates from healthy and valuable contents.
To that end, this project offers a combination of several processes, which can in particular be applied for apple juice. With the overall goal to reduce the sugar content by around 33 %, the process presented is based on three approaches:
1) The concentration of sugars (glucose, fructose and sucrose) and other valuable contents are not distributed homogeneously in the fruit. New research has shown that the sugar content is disproportionally higher in the outer layers of the fruit body.
2) Therefore, the process chains involves the following steps:
• Mechanical peeling of the fruit skin to preserve the valuable contents found mainly in this part of the fruit.
• Mechanical separation of the upper layers of the fruit body with a higher sugar content.
• The sugar-rich juice extracted from this fraction is subsequently treated to remove sugars.
• The peeled skin and the inner layers of the fruit body are blended into one fraction, from which juice can be produced.
• Both juice fractions are mixed together and form the end product.
3) A promising method to remove carbohydrates from the juice fraction is nanofiltration (NF). The final product contains up to 33 % less sugar than conventional apple juice, while retaining almost all of its other valuable contents. In addition, with the presented method a smaller amount of juice is treated for sugar removal, which has beneficial consequences for both product quality and economic viability.
With the described method, the actual separation of sugar remains the main point of interest, both from a practical and a scientific point of view. While nanofiltration appears to be the most suitable separation technique in comparison to otherl methods, currently no studies exist on the separation of carbohydrates from fruit-flesh juices via nanofiltration, to the best knowledge of the project petitioners. Nevertheless, the subject of selective separation of carbohydrates is a topic of considerable interest in many fields (e.g. biorefinery). The scientific partner has many years of experiences dealing with the subject.
Concerning nanofiltration, aspects such as retention, selectivity, yield, osmotic pressure, permeate flux, etc are of interest. These important quantities are influenced by pressure, temperature, flow velocity, membrane type, etc. Therefore, the current research project aims to gather new insights on this subject matter, which in turn would help to create and develop the presented new method of sugar reduction in fruit juices. In addition, several questions regarding juice production (e.g. oxidation) would also have to be addressed.