Een initiatief van :




Wageningen Universiteit





Sitekeuring.NET Award

Food-Info.net> Onderwerpen > Ingrediënten > Kleurstoffen > Bruinkleuring >

Enzymatische bruinkleuring

De enzymatische bruinkleuringsreactie is een chemisch proces dat plaatsvindt in fruit en (in minder mate) in groente. De reactie wordt veroorzaakt door het enzym polyfenoloxidase en heeft bruine pigmenten als resultaat. Enzymatische bruinkleuring kan worden waargenomen in fruit (abrikozen, peren, bananen en druiven), groente (aardappelen, champignons en sla) en ook in sommige schaaldieren (garnalen, krab en kreeften). Enzymatische bruinkleuring is bepalend voor de kwaliteit van een product. Vooral tijdens de opslag na de oogst van vers fruit, sap en sommige schaaldieren. Enzymatische bruinkleuring is verantwoordelijk voor meer dan 50% van de verliezen gedurende de productie van fruit en groente. Aan de andere kant is de enzymatische bruinkleuringsreactie essentieel voor de kleur en de smaak van thee, koffie en chocolade.

 

Polyfenolen – de belangrijkste componenten bij de enzymatische bruinkleuring

Polyfenolen, ook wel fenolische componenten genoemd, behoren tot een groep van chemische componenten die aanwezig zijn in planten (fruit, groente). Ze spelen een belangrijke rol gedurende de enzymatische bruinkleuring, omdat ze als substraat dienen voor de bruinkleuringsenzymen. Fenolische componenten zijn verantwoordelijk voor de kleur van veel soorten planten, zoals appels. Ze zorgen voor een deel voor de smaak van dranken (appelsap, thee) en zijn belangrijke anti-oxidanten in planten.

Polyfenolen zijn meestal complexe organisch chemische componenten, die één of meerdere fenol-groepen bevatten :


Structuur 1: Fenol


Structuur 2: Theaflavine, een polyfenol in thee (Bron)

Polyfenolen kunnen worden verdeeld in veel verschillende subcategorieën, zoals anthocyanen (kleurstoffen in fruit), flavonoïde, (catechine en tannine in thee en wijn) en non-flavonoïde componenten (galluszuur in thee blaadjes). Flavonoïden worden gevormd uit de aromatische aminozuren fenylalanine en tyrosine in planten.


De kleur van appels wordt veroorzaakt door polyfenolen

Gedurende het proces en de opslag van sommige producten worden veel polyfenolen onstabiel doordat ze chemische en biochemische reacties ondergaan. De belangrijkste reactie is de enzymatische oxidatie die bruinkleuring veroorzaakt in fruit en groente. Deze reactie vindt meestal plaats na het snijden of andere mechanische behandeling van producten omdat dan de cellen breken.

Tabel 1: een overzicht van de bekende polyfenolen die betrokken zijn bij bruinkleuring ( bron )

 

Bron

Fenolisch substraat

Aardappel

chlorogeenzuur, koffiezuur, catechol, DOPA, p-cresol, p-hydroxyfenyl propionic acid, p-hydroxyphenyl propionisch zuur, m-cresol

Appel

chlorogeenzuur (vruchtvlees), catechol, catechine (schil), koffiezuur, 3,4-dihydroxyfenylalanine (DOPA), 3,4-dihydroxybenzeenzuur, p-cresol, 4-methylcatechol, leucocyanidine, p-cumarinezuur, flavonolglycosiden

Abrikoos

isochlorinezuur, koffiezuur, 4-methylcatechol, chlorogeenzuur, catechine, epicatechine, pyrogallol, catechol, flavonolen, afgeleiden van p-cumarinezuur

Aubergine

chlorogeenzuur, caffeinezuur, cumarinezuur, afgeleiden van kaneelzuur

Avocado

4-methyl catechol, dopamine, pyrogallol, catechol, chlorogeenzuur, koffiezuur, DOPA

Banaan

3,4-dihydroxyfenylethylamine (Dopamine), leucodelfinidine, leucocyanidine

Cacao

catechines, leucoanthocyanidines, anthocyanines, complexe tannine

Champignon

tyrosine, catechol, DOPA, dopamine, adrenaline, noradrenaline

Druif

catechine, chlorogeenzuur, catechol, koffiezuur, DOPA, tannine, flavonolen, protocatechuic acid , resorcinol, hydroquinone, fenol

Garnaal

tyrosine

Koffieboon

chlorogeenzuur, koffiezuur

Kreeft

tyrosine

Mango

dopamine-HCl, 4-methyl catechol, koffiezuur, catechine, chlorogeenzuur, tyrosine, DOPA, p-cresol

Sla

tyrosine, koffiezuur, afgeleiden van chlorogeenzuur

Peer

chlorogeenzuur, catechol, catechine, koffiezuur, DOPA, 3,4-dihydroxy benzeenzuur, p-cresol

Perzik

chlorogeenzuur, pyrogallol, 4-methyl catechol, catechol, koffiezuur, galluszuur, catechine, dopamine

Pruim

Chlorogeenzuur, catechine, koffiezuur, catechol, DOPA

Thee

flavanolen, catechines, tannine, afgeleiden van kaneelzuur

Zoete aardappel

chlorogeenzuur, koffiezuur, caffeylamide

Polyfenoloxidase (PPO, fenolase)

Polyfenoloxidase is een groep enzymen die voor het eerst ontdekt zijn in champignons en die overal in de natuur te vinden zijn. Ze komen voor in de chloroplasten van planten en ze kunnen ook los in het cytoplasma voorkomen bij het verouderen of de rijping van de planten. Polyfenoloxidase speelt een belangrijke rol in de resistentie tegen microbiologische en virale infecties van planten en bij het aanpassen aan klimatologische condities. Polyfenoloxidase komt ook voor in dieren en verhoogt de resistentie tegen ziektes bij insecten en schaaldieren. Bij aanwezigheid van zuurstof uit de lucht katalyseert het enzym de eerste stap in de biochemische omzetting van fenolische componenten om chinonen te produceren. Deze ondergaan verdere polymerisatie en dit levert donkere, onoplosbare polymeren op die ook wel melanines genoemd worden. Melanine vormt barrières en heeft enkele antimicrobiële eigenschappen die de verspreiding van infecties door kneuzingen in het plantweefsel tegengaat. Planten die een hoge resistentie tegen klimaatstress vertonen bezitten een relatief hoog gehalte aan polyfenoloxidase in vergelijking met de gevoelige soorten. De figuur hieronder laat een voorbeeld van de vorming van melanine zien uit een simpel polyfenol: tyrosine.


Structuur 3: Ontstaan van melanine uit tyrosine (bron)

Polyfenoloxidase katalyseert twee basisreacties: hydroxylatie en oxydatie. Beide reacties benutten moleculair zuurstof (lucht) als een cosubstraat. De reactie is niet alleen afhankelijk van de aanwezigheid van lucht, maar ook van de pH (zuurtegraad). De reactie vindt niet plaats in een zuur (pH <5) of basisch (pH >8) milieu.

Preventie van enzymatische bruinkleuring

Het controleren van de bruinkleuringsreactie is een van de belangrijkste aspecten in de levensmiddelen industrie, omdat kleur een significante eigenschap is van voedsel die de keuze van de consument beïnvloed. Bruine levensmiddelen (vooral bruin fruit) ziet er uit alsof het bedorven is.

Verschillende methodes om enzymatische bruinkleuring te voorkomen kunnen worden toegepast. De methodes zijn gebaseerd op inactivatie van het enzym (hitte) of door het verwijderen van essentiële componenten uit het product (vaak is dat zuurstof).

Blancheren

Blancheren is een korte hitte behandeling om enzymen te inactiveren of vernietigen voordat de producten ingevroren worden (vooral bij groente). Enzymactiviteit kan groente verkleuren of verharden gedurende het invriezen wat resulteert in een verlies van kwaliteit. Blancheren maakt de kleur helderder en verzacht de textuur, maar heeft ook een klein effect op de samenstelling van de nutriënten of de smaak, ook al is het maar een kort proces.

De blancheertemperatuur hangt af van het type enzym dat voorkomt in het product. Over het algemeen ligt de temperatuur tussen de 70 en 100 oC. Soms ligt het wat hoger, als er meer hittebestendige enzymen aanwezig zijn die geïnactiveerd moeten worden. Tabel 2 geeft een indicatie van de temperaturen die nodig zijn om sommige belangrijke enzymen te inactiveren.

 

Tabel 2: Inactivatietemperaturen van verschillende enzymen

 

  enzym

effect

Inactivatie temperatuur
(oC)

Lipolitisch acyl hydrolase

ranzigheid

~ 75

Lipoxygenase

ranzigheid

~ 80

Polyfenoloxidase

bruinkleuring

~100

Peroxidase

bederf

~135

 

Manieren om te blancheren

  • Blancheren in stoom / kokend water

    Blancheren met stoom of kokend water is een type van hitte behandeling voor het controleren van enzymatische bruinkleuring in ingeblikt of bevroren fruit en groente. Het houdt in dat het product in water of stoom wordt gekookt voor een korte periode. Het blancheren met stoom duur 1.5 keer langer dan het blancheren met kokend water.

  • Blancheren in de magnetron

    Blancheren met de magnetron is niet altijd even effectief. Onderzoek toont aan dat sommige enzymen niet geïnactiveerd worden. Het kan resulteren in het verlies van textuur en kleur en het ontstaan van ongewilde smaken.

Koelen

Koeling worden gebruikt om bederf gedurende distributie en verkoop van groente en fruit te voorkomen. Koeling wordt vaak toegepast bij broccoli, bessen, spinazie, bananen, mango's, avocado's, tomaten en peren. Bij temperaturen onder de 7 oC wordt de activiteit van polyfenoloxidase enzymen geremd, maar het enzym wordt niet geïnactiveerd. Daarom moet de temperatuur goed gecontroleerd worden.

Invriezen

Net zoals de koeling remt het invriezen de enzymen, maar inactiveert het niet. Na het ontdooien zal de enzymactiviteit zich weer hervatten.

Verandering van de pH

De enzymactiviteit is afhankelijk van de pH. Verlaging van de pH tot een waarde van 4.0 door het toevoegen van citroenzuur, ascorbinezuur (vitamine C) of een ander zuur, remt de activiteit van het enzym. Bij het bewerken van groente of fruit thuis wordt vaak vaar citroensap of azijn over het product gesprenkeld om bruinkleuring te voorkomen.

Dehydratatie

Dehydratie wordt veroorzaakt door water moleculen te verwijderen van het product. Het PPO enzym heeft voldoende water nodig om actief te zijn. Door het drogen wordt het enzym geremd, maar niet vernietigd. Om smaak– en kwaliteitsverlies te voorkomen mag de dehydratatie geen hitte behandeling bevatten

Veel voorkomende methodes van dehydratatie zijn:

  • Bevriezen/drogen. Vocht wordt verwijderd door sublimatie (de verandering van vaste stof naar gas). Producten zijn bevroren en worden onder vacuüm gedehydrateerd
  • Het verlagen van de wateractiviteit door het toevoegen van waterbindende chemicaliën. De meest gebruikte substanties zijn zout (natrium chloride), suiker en andere suikers, glycerol, propyleenglycol, stroop of honing.

Doorstraling

Doorstraling, of “koude pasteurisatie” zoals het soms genoemd wordt, is een proces waarin levensmiddelen worden blootgesteld aan geïoniseerde straling om bacteriën te doden en de enzym activiteit te verminderen. Doorstraling wordt vaak toegepast in vlees, zeevruchten, fruit, groente en granen voor bewaring gedurende lange tijd. Verschillende typen van doorstralingsmethodes worden gebruikt in levensmiddelenprocessen: gamma straling, Röntgenstraling en versnelde elektronen (elektronenkanonnen). Nadelen van doorstraling zijn het verlies van nutriënten en de lage acceptatie van consumenten. Doorstraling wordt daarom niet vaak gebruikt.

Hoge druk behandeling

Hoge druk behandeling wordt ook wel High Pressure Processing (HPP) genoemd en is een proces waar het voedsel onder hoge druk (500-700 atmosfeer) wordt gebracht om zo afdoding van micro-organismen en enzyminactivatie te verkrijgen. Hoge druk behandeling zorgt voor een minimale verandering in het voedsel in vergelijking met hittebehandelingen. HPP resulteert in levensmiddelen met een versere smaak en een beter uiterlijk, textuur en voedingswaarde. Hoge druk behandeling zonder hitte sluit ongewilde smaken uit. Speciaal voor de hitte gevoelige producten is de techniek erg gunstig, maar is nog steeds erg duur.

Toevoegen van remmers

Remming kan gebeuren op drie verschillende manieren

  • Inactivatie naar het enzym toe (direct op het enzym)
  • Inactivatie naar het substraat toe (verwijdering van het substraat zoals zuurstof of fenolische componenten)
  • inactivatie naar het product toe (verandering van de samenstelling van het product)

Diverse remmers worden toegepast in levensmiddelenprocessen. Dit is afhankelijk van het product en het proces. De belangrijkste remmens zijn gegeven in tabel 3.

Tabel 3: remmers van enzymatische bruinkleuring

 

Categorie

Voorbeeld van remmers

Werking

Reductiemiddel

sulfiet
ascorbinezuur en analoge
cysteine
glutathione

Verwijderen van zuurstof

Gelvormers

fosfaten
EDTA
organische zuren

Verwijderen van metalen (de meeste PPO enzymen bevatten metaalatomen)

Zuren

citroenzuur
fosforzuur

Verlaging van de pH

Enzymremmers

Aromatisch carboxylzuur
peptiden
verzadigde resorcinolen

Reageren met enzymen

Ultrafiltratie

Ultrafiltratie is een membraanscheidingsproces veroorzaakt door een druk gradiënt. Het membraam scheidt vloeistofcomponenten door middel van de grootte en structuur van de componenten. In de levensmiddelenindustrie wordt deze techniek toegepast bij bijvoorbeeld het maken van witte wijn en vruchtensappen. Bij ultrafiltratie is het mogelijk om grotere moleculen zoals polyfenoloxidase te verwijderen, maar componenten met een lager moleculair gewicht zoals polyfenolen te behouedn.

Ultrasonicatie

Ultrasonicatie (behandeling met ultrasoon geluid) is een geavanceerde methode om enzymen te inactiveren. Ultrasone geluidsgolven hebben de mogelijkheid om grote moleculen te vernietigen door actieve radicalen uit water te produceren. Het wordt nog niet op grote schaal toegepast.

Behandeling met superkritisch koolstofdioxide (SC-CO2)

Behandeling met superkritisch koolstofdioxide (vloeibare koolstofdioxide onder hoge druk) wordt meestal toegepast om micro-organismen te vernietigen, maar kan ook worden toegepast voor enzyminactivatie. Het is vooral geschikt voor het inactiveren van PPO in garnalen, kreeft en aardappelen. Inactivatie van het enzym is een resultaat van het verlagen van de pH veroorzaakt door de productie van carbonzuur uit koolstofdioxide

 

Belangrijkste bron: http://www.fao.org/AG/ags/agsi/ENZYMEFINAL/Enzymatic%20Browning.htm

 

 



European Masters Degree in Food Studies - an Educational Journey


Master in Food Safety Law



Food-Info.net is an initiative of Wageningen University, The Netherlands