Entwicklung und Standardisierung der Verarbeitungstechnik für Fertigprodukte

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 185 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Schwarze Karotten sind reich an bioaktiven Stoffen, werden jedoch aufgrund ihrer kurzfristigen Verfügbarkeit und Verderblichkeit nur unzureichend genutzt. Traditionell werden schwarze Karotten für die Zubereitung von Kanji verwendet – einem fermentierten milchfreien Getränk, das durch natürliche Fermentation durch Milchsäurebakterien und einige Gewürze hergestellt wird. Dieses pflanzliche probiotische Getränk verfügt über hohe antioxidative Eigenschaften, es besteht jedoch die Gefahr einer Kontamination mit Krankheitserregern aufgrund einer unkontrollierten Fermentation während der Lagerung. Um die Verfügbarkeit dieses nahrhaften Getränks das ganze Jahr über zu verbessern und die mikrobiologische Sicherheit des traditionell fermentierten Produkts zu gewährleisten, war in der vorliegenden Studie geplant, den Prozess für die kontrollierte Fermentation unter Verwendung gefriergetrockneter Milchsäurebakterienkulturen (LAB) und Brechungsfenster zu optimieren. getrocknetes schwarzes Karottenpulver. Die physikalisch-chemischen und mikrobiologischen Profile von LAB-fermentiertem Kanji wurden analysiert. Die getrocknete Kanji-Mischung kann in ein natürlich fermentiertes probiotisches Getränk mit einzigartigem Geschmack und Aroma umgewandelt werden, das gleichzeitig mikrobiologische Sicherheit und einen erhöhten kommerziellen Wert gewährleistet.

Die Verbrauchernachfrage nach funktionellen Nichtmilchprodukten ist gestiegen und Probiotika werden zur Herstellung von Fertiggetränken aus Obst und Gemüse eingesetzt. Fermentierte Lebensmittel pflanzlichen Ursprungs wurden als Vektoren für die Verabreichung probiotischer Milchsäurebakterienkulturen bewertet, nachdem die Produktion fermentierter Produkte auf pflanzlicher Basis mithilfe von Milchsäurebakterien erfolgreich war1. Darüber hinaus nimmt die Vorliebe der Verbraucher für frische, minimal verarbeitete, nahrhafte, gesundheitsfördernde und durstlöschende Fertiggetränke zu2. Traditionell wird die Fermentation von Lebensmitteln mit Milchsäurebakterien seit jeher durchgeführt und der Einsatz funktioneller Starterkulturen verbessert die funktionelle Qualität der Produkte.

Schwarze Karotten (Daucus carota subsp. sativus) sind aufgrund ihres hohen Gehalts an Antioxidantien, Anthocyanen und anderen sekundären Pflanzenstoffen im Interesse der Verbraucher größer3,4. Allerdings verändern schlechtes Nacherntemanagement und verzögerte Vermarktung die Konzentrationen seiner bioaktiven Verbindungen erheblich5,6. Fermentiertes und probiotisches Getränk aus schwarzen Karotten ist aufgrund seiner hohen antioxidativen Aktivität eine gesunde Option und hilft gegen Zivilisationskrankheiten und chronische Beschwerden. Zu den Eigenschaften gehören die Verbesserung des Laktosestoffwechsels, die Vorbeugung von Darminfektionen, die Stärkung der Immunität, die Senkung des Serumcholesterinspiegels und die Stimulierung der Kalziumabsorption. Synthese von Vitaminen (Vitamin B, Folsäure und Nikotinsäure), Verbesserung der Proteinverdaulichkeit und Bekämpfung schädlicher Auswirkungen von durch Lebensmittel übertragenen Krankheitserregern7.

Traditionelles, mit Milchsäure fermentiertes, servierfertiges Getränk aus schwarzen Karotten, allgemein bekannt als „Kanji“, das bei der Behandlung von Verdauungsstörungen, Appetitlosigkeit und Lebererkrankungen hilfreich ist. Bei der traditionellen Fermentation von schwarzen Karotten verleiht die natürliche Milchsäuregärung den minimal verarbeiteten Getränken probiotische Eigenschaften. Bei dem gelagerten natürlich fermentierten schwarzen Karottengetränk „Kanji“8 wurde jedoch das Risiko einer Kontamination mit den Krankheitserregern Cronobacter sakazakii, Klebsiella pneumonia und Enterobacter hormaechei festgestellt. Daher besteht die Notwendigkeit, die mikrobiologische Sicherheit des traditionellen fermentierten Produkts durch den Einsatz kontrollierter Fermentationstechniken und aseptischer Handhabung für die Produktion im großen Maßstab zu gewährleisten.

Kontrollierte Fermentationsbedingungen unter Verwendung reiner funktioneller Milchsäure-Starterkulturen führen zu einer verbesserten Kontrolle über den Fermentationsprozess und zur Produkteinheitlichkeit. Der hohe Nährwert von fermentiertem Kanji begünstigt jedoch das Wachstum mehrerer verderbniserregender Mikroben während der längeren Lagerung. Daher steht es außerhalb der Saison nicht zum Verzehr zur Verfügung. Die Verfügbarkeit dieses nahrhaften Getränks kann um ein Vielfaches erhöht werden, wenn es lagerstabil gemacht wird, was durch fortschrittliche Trocknungstechniken möglich ist. Obwohl viele Techniken zum Trocknen von Obst/Gemüse in der Praxis eingesetzt werden, sind einige nicht in der Lage, die bioaktiven Verbindungen zu konservieren, wie z. B. Trocknung in der offenen Sonne, Solartrocknung und Heißlufttrocknung usw.9,10. Während die Trocknungstechniken, mit denen bioaktive Stoffe konserviert werden können, wie die Gefriertrocknung recht teuer sind.

Refraktanzfenstertrocknung (RWD) ist ein neues und revolutionäres Verfahren, das von MCD Technologies Inc (Tacoma, Washington, USA)11,12 entwickelt wurde. Der RWD-Ansatz hat sich beim Trocknen wärmeempfindlicher Materialien wie Flüssigkeiten und Pürees zu Pulvern, Flocken oder Blättern als wirksam erwiesen13. Diese Trocknungstechnik übertrifft die herkömmliche Methode aufgrund der geringeren Trocknungstemperatur, Trocknungszeit, des Energieverbrauchs und einer besseren Qualitätserhaltung. Die Forscher haben herausgefunden, dass die Ergebnisse von RW-getrockneten Kartoffeln14, Karotten15, Tomaten16, Goldbeeren17 und Aloe Vera18 eine maximale Qualitätserhaltung aufwiesen. In Anbetracht der Vorteile der RWD-Technik war in der vorliegenden Studie geplant, schwarzes Karottenpüree mithilfe eines RW-Trockners zu trocknen und es anschließend mit gefriergetrocknetem LAB zu fermentieren, um rekonstituiertes Kanji herzustellen.

Frische schwarze Karotten (Sorte Punjab Black Beauty) wurden im Februar geerntet und von der Abteilung für Gemüsewissenschaften der Punjab Agricultural University (PAU) in Ludhiana, Punjab, Indien, bezogen. Schwarze Karotten wurden vor der Verwendung in einem begehbaren Kühlraum bei 10 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit vorgekühlt. Um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, wurden in den Labors der Abteilung für Verarbeitung und Lebensmitteltechnik der Punjab Agricultural University (PAU) in Ludhiana, Indien Experimente durchgeführt. Für Experimente wurden die vorgekühlten schwarzen Karotten gewaschen, mit einem Handschäler geschält und der Oberteil der Karotten entfernt. Die geschälten schwarzen Karotten wurden durch Eintauchen in Natriumhydroxidlösung (NaOH) in drei verschiedenen Konzentrationen (dh 0, 1 und 2 % v/v) behandelt. Die behandelten Proben wurden dann mittels Pulper zu Püree verarbeitet. Das frisch zubereitete Püree wurde unter Verwendung der Brechungsmessung im Batch-Pilotmaßstab getrocknet.

Das RSM wurde verwendet, um die Wirkung zweier unabhängiger Variablen, nämlich Wassertemperatur (x1) und NaOH-Konzentration (x2), auf mehrere Qualitätsmetriken wie Farbänderung, Gesamtflavonoidgehalt, Gesamtphenolgehalt und Rehydrierungsverhältnis zu bewerten. Die Experimente wurden doppelt durchgeführt. Basierend auf einem zweistufigen, dreistufigen Versuchsdesign wurden dreizehn Versuchsläufe entwickelt. Das Experiment wurde randomisiert, wobei der Mittelpunkt fünfmal wiederholt wurde. ANOVA und Regressionsoberflächenanalyse wurden verwendet, um die statistische Signifikanz von Modellvariablen zu beschreiben und eine für das Versuchsdesign geeignete Regressionsverbindung anzupassen. Die statistisch signifikanten Terme (p < 0,05) wurden in das endgültige Modell einbezogen19. Das Folgende ist das verallgemeinerte Polynommodell, das entwickelt wurde, um Antwortvariablen basierend auf unabhängigen Faktoren vorherzusagen:

wobei yk der projizierte Antwortwert des Modells ist; β0, βi, βii und βij sind Konstanten, Regressionskoeffizienten für lineare, quadratische und Interaktionseffektfaktoren, und xi ist die codierte unabhängige Variable. Für den experimentellen Entwurf und die Datenanalyse wurde das Expertenprogramm „Miscellaneous 3-Level Factorial in Design“ (Version 7.0.0) verwendet (Stat-Ease Inc., Minneapolis, MN, USA). Die Reaktionsflächen- und Konturdiagramme wurden für verschiedene Interaktionen erstellt. Diese dreidimensionalen Oberflächen könnten eine präzise geometrische Darstellung sowie wichtige Informationen über das Verhalten des Systems innerhalb des Versuchsdesigns liefern. Das RW-getrocknete Schwarzpulver wurde abgestimmt, um die Mengen unabhängiger Komponenten zu bestimmen, die zu dem geringsten Grad an Farbveränderung und dem höchsten Gesamtflavonoidgehalt, Gesamtphenolgehalt und Rehydrierungsverhältnis führen würden.

Die optimierte getrocknete Probe, die auf der Grundlage minimaler Farbveränderung und maximalem Gesamtflavonoidgehalt, Gesamtphenolgehalt und Rehydrierungsverhältnis erhalten wurde, wurde zur Herstellung eines probiotischen Schwarzkarottengetränks (Kanji) verwendet.

Funktionelle Milchsäurebakterien als Starterkultur für die Zubereitung des traditionellen Kanji-Getränks aus getrocknetem Schwarzkarottenpulver wurden von der Abteilung für Mikrobiologie, PAU, Ludhiana, Indien, bezogen. Eine 24-stündige Kultivierung eines Konsortiums aus zehn LAB in der MRS-Brühe wurde bei 37 °C durchgeführt, um eine Zelldichte von 107 KBE/ml (vor der Lyophilisierung) zu erhalten. Die Zellen wurden durch 5-minütiges Zentrifugieren bei 11.000 × g und 4 ° C extrahiert, gefolgt von drei Wäschen mit sterilem destilliertem Wasser. Der Überstand wurde dann verworfen und die eingefangenen Zellen wurden in 100 ml Medium erneut suspendiert (endgültige Anzahl lebensfähiger Zellen im Bereich von 7–8 log KBE/ml). Vor der Lyophilisierung wurden alle resuspendierten Zellen bei 20 °C eingefroren. Die gefrorenen Suspensionen wurden 48 Stunden lang gefriergetrocknet (Temperatur – 40 ± 2 °C; Vakuumdruck 10–1 Torr) unter Verwendung eines Tisch-Lyophilisators (Modulyo-Tisch-Gefriertrockner, Edwards, Burgess Hill, UK). Die Beibehaltung der mikrobiellen Belastung in der gefriergetrockneten Kultur (5–8 % w/v) erfolgte nach Standardprotokoll. Die Milchsäurebakterienzahl entspricht 7,9–8,96 log KBE/g und ist eine ideale Starterkultur für die Herstellung von gebrauchsfertigen, mit Milchsäure fermentierten Kanji.

Die Mischung wurde unter Verwendung verschiedener Ladungen gefriergetrockneten LAB und unterschiedlicher Konzentrationen optimierten RW-getrockneten schwarzen Karottenpulvers zusammen mit den Standardgewürzen zubereitet, um nach der Rekonstitution die gewünschte Kanji-Formulierung zu erhalten. Die wiederhergestellten Kanji-Formulierungen wurden unter Verwendung von Standardverfahren auf Qualität analysiert. Der Kanji-Mix wurde mithilfe von RSM basierend auf den Antworten des geplanten Experiments optimiert. Die Qualität des rekonstituierten Kanji-Getränks, das unter optimierten Bedingungen zubereitet wurde, wurde mit dem Kontroll-Kanji-Getränk verglichen, das nach traditioneller Methode unter Verwendung frischer schwarzer Karotten zubereitet wurde, um die Akzeptanz der entwickelten gebrauchsfertigen Kanji-Mischung zu bestimmen.

Die Rehydrierungsstandardisierung von RW-getrocknetem schwarzem Karottenpulver in Wasser, um den gleichen gewünschten traditionellen Kanji-Getränkegeschmack zu erhalten, wurde unter Verwendung unterschiedlicher Pulveranteile mit Wasser (10:50, 10:60 und 10:70) auf der Grundlage physikalisch-chemischer Eigenschaften und mikrobiologischer Analyse durchgeführt und sensorische Bewertung.

Die Fermentation des traditionellen Kanji-Getränks wurde durch autochthone Milchsäurebakterien durchgeführt, die in schwarzen Karotten vorkommen, indem der Karottensaft und die zerkleinerten Karotten extrahiert und mit drei Volumina gekochtem und dann auf Umgebungstemperatur abgekühltem Wasser verdünnt und bei Raumtemperatur gären gelassen wurden ( 25 ± 2 °C) für 5 Tage unter Zugabe von Salz und Roggen zu 1,5 %. Die Kanji-Getränkezubereitung durch kontrollierte Fermentation erfolgte mit verdünntem Getränk, das 10–15 s lang bei 82 °C mit einem Pasteurisator (Dairy Tech, Maharashtra, Indien) pasteurisiert und mit 8 % (v/v) aktiv gewachsenem funktionellem Starterinokulum (108 KBE) beimpft wurde ml−1) eines funktionellen Milchsäurebakterienkonsortiums. Andere Gewürze: Rosa Steinsalz (1,5 %), Roggen (1,5 %) wurden vor der Verwendung in der Mischung sterilisiert. Zur Kontrolle des Fermentationsprozesses wurde ein Teil des pasteurisierten Getränks aufbewahrt. Das beimpfte Getränk wurde 24–36 Stunden lang bei 37 °C inkubiert (Bedingungen wurden in Vorversuchen ermittelt). Die Proben wurden aseptisch entnommen und auf mikrobiologische und physikalisch-chemische Parameter analysiert.

Für RW-getrocknetes schwarzes Karottenpulver wurde die Qualität anhand der Farbveränderung, des Gesamtflavonoidgehalts, des Gesamtphenolgehalts und des Rehydrierungsverhältnisses gemessen. Während die Qualität von LAB-fermentierten Kanji-Getränken und traditionellen Kanji-Getränken auf der Grundlage des titrierbaren Säuregehalts, des pH-Werts, des Brix-Säure-Verhältnisses, des Gesamtzuckers, der gesamten reduzierenden Zucker, der antioxidativen Aktivität, des gesamten Flavonoidgehalts, des gesamten Phenolgehalts, der gesamten Carotinoide und der Ascorbinsäure gemessen wurde Inhalt. Die folgenden Methoden jedes Parameters werden unten in verschiedenen Unterüberschriften erläutert:

Zur Bestimmung der Farbe der Proben wurde ein tragbares Kolorimeter (Konica Minolta Sensing Inc, Japan) verwendet20. Die Farbe wird durch die Farbwerte L, a und b definiert. Der Farbumschlag wurde anhand der folgenden Beziehung21 ermittelt:

Dabei stehen Lo, ao und bo für die jeweiligen Messwerte von frischem schwarzen Karottenpüree.

Bei 95 °C wurden die Proben 20 Minuten lang im Verhältnis 1:15 in Wasser getaucht. Das überschüssige Wasser wurde mit dem Whatman-Papier Nr. entfernt. 1, und die Proben wurden gewogen22.

Der pH-Wert des rehydrierten Kanji-Getränks wurde mit einem digitalen pH-Meter (Typ 101, Electronic Corporation of India Limited, Hyderabad) bewertet.

Die gesamten löslichen Feststoffe (TSS) in rehydriertem Karottensaft und -getränk wurden mit einem Erma-Handrefraktometer bei 0–32 °Brix (UNICO) untersucht. Das Refraktometer wurde auf der Nulllinie der Skala kalibriert, indem ein Tropfen destilliertes Wasser auf ein sauberes und trockenes Prisma bei 20 °C gegeben wurde. Der TSS-Wert der Proben wurde bestimmt, indem ein Probentropfen auf das saubere Prisma gegeben und die klare Grenzlinie auf der Skala abgelesen wurde.

Der titrierbare Säuregehalt, ausgedrückt als % Milchsäure, wurde nach dem Verfahren von Helrich23 geschätzt. Es wurde eine bekannte Getränkemenge verwendet und einige Tropfen einer 1 %igen Phenolphthaleinlösung als Indikator hinzugefügt. Die Titration der Lösung wurde gegen standardisiertes 0,1 N Natriumhydroxid (NaOH) durchgeführt, bis der rosafarbene Endpunkt 15 Sekunden lang anhielt.

Das Brix-Säure-Verhältnis wurde berechnet, indem der Gesamtwert der löslichen Feststoffe durch den Gesamtsäuregehalt des rehydrierten Safts und Getränks dividiert wurde, um die Reife der Karotten zu bewerten.

Der Gesamtzucker wurde mit der Technik von DuBois et al.24 bestimmt. In die Reagenzgläser wurden abgemessene Volumina von 0,1–0,5 ml Probe/Standard gegeben und das Volumen mit destilliertem Wasser auf 1 ml erhöht. Jedes Reagenzglas erhielt 1 ml einer 5-prozentigen Phenollösung, die gut geschüttelt wurde. Anschließend wurden 5 ml starke Schwefelsäure zugegeben. Um die beste gelbe Färbung zu erzielen, wurde Schwefelsäure direkt in die Mitte des Reagenzglases gegossen und die Temperatur auf 70 °C erhöht. Die Reagenzgläser wurden 10 Minuten lang bei Raumtemperatur belassen, bevor sie abgekühlt wurden. Die Absorption der erzeugten stabilen gelb-orangen Farbe wurde bei 490 nm mit einem Spektrophotometer (Bausch & Laumb Spectronic-20) gegen einen Reagenzienleerwert gemessen. Die gesamten löslichen Zucker wurden unter Verwendung von Glucose als Standardkurve (20–100 mg mL−1) bestimmt.

Zur Quantifizierung der gesamten reduzierenden Zucker in den Proben wurde die Miller25-Methode verwendet. 3 ml der Probe und 3 ml DNS-Reagenz wurden in das Reagenzglas gegeben und 15 Minuten lang im heißen Wasserbad bei 60 °C gehalten. Dann wurde 1 ml Rochelle-Salzlösung in die Röhrchen gegeben und man ließ sie abkühlen. Die Absorption wurde bei 575 nm mit einem Spektrophotometer (Bausch & Laumb Spectronic-20) gemessen. Die Standardkurve wurde zur Berechnung der Konzentration reduzierender Zucker (20–100 g mL−1) verwendet.

Zur Berechnung der prozentualen antioxidativen Aktivität wurde die DPPH-Technik von de Ancos et al.26 verwendet. Aliquots von 0,1 ml Probe wurden zur Schätzung in einem Reagenzglas gesammelt. Nach der Zugabe von 3,9 ml DPPH-Lösung (1 M DPPH) wurde es 45 Minuten lang im Dunkeln platziert. Die Verfärbung in der Lösung wurde mit einem Bausch & Laubb Spectronic-20 bei 515 nm gemessen.

Der Gesamtflavonoidgehalt wurde mit geringfügigen Modifikationen nach der Methode von Carvalho und Clemente27 bewertet. In ein Reagenzglas wurden 0,2 ml jedes Standards oder jeder Probe gegeben und dann 1 ml Methanol hinzugefügt. Zur Herstellung des Blindwertes wurde 1 ml Methanol verwendet. Jedes Reagenzglas erhielt 0,1 ml einer 10 %igen Aluminiumnitratlösung. Danach wurden 0,1 ml 1 M Kaliumacetat zugegeben, gefolgt von 4,6 ml destilliertem Wasser. Die Materialien wurden ordnungsgemäß kombiniert und 45 Minuten lang bei Raumtemperatur belassen. Die Absorption wurde bei 415 nm gegen einen Methanol-Referenzblindwert gemessen. Der Gesamtflavonoidgehalt (mg Quercetin-Äquivalente) wurde anhand der Quercetin-Standardkurve geschätzt.

Der Gesamtphenolgehalt wurde mit geringfügigen Modifikationen mit der Technik von Slinkard und Singleton28 bestimmt. Von jeder Probe/Standard wurden 0,2 ml in ein Reagenzglas gegeben und mit Methanol ein Volumen von 1 ml hergestellt. Nach Zugabe von 2 ml Folin-Ciocalteu-Reagenz wurden die Materialien gut vermischt und nach vier Minuten wurden 2 ml 15 %ige Na2CO3-Lösung zugegeben. Die Mischung wurde zwei Stunden lang bei Raumtemperatur gehalten. Die Absorption jeder Probe wurde bei 760 nm gegenüber einer Referenz gemessen und bei 760 nm gegenüber einem Blindwert gemessen, der auf ähnliche Weise wie bei den Proben ohne Zugabe von Probe oder Standard hergestellt wurde. Der Gesamtphenolgehalt (mg Gallussäureäquivalente) wurde anhand der Standardkurve der Gallussäure berechnet.

Zur Bestimmung des Ascorbinsäuregehalts wurde die titrimetrische Methode mit 2,6-Dichlorphenol-Indophenol-Farbstoff verwendet29. Das abgemessene Volumen eines Aliquots (10 ml) wurde entnommen und 15 ml Oxalsäurelösung (0,4 %) zugegeben, gefolgt von einer Titration gegen standardisierte Farbstofflösung (0,04 %) bis zum Endpunkt einer rosa Farbe mit 15 s anhaltender Dauer.

Die Extraktion der Carotinoide basierte auf dem von Rodriguez-Amaya und Kimura30 beschriebenen Verfahren. 5 ml jeder Probe wurden mit gekühltem Aceton homogenisiert und mit einem Büchner-Trichter filtriert. Die Technik wurde wiederholt, bis die Rückstände und Pigmente verfärbt und in Petrolether überführt waren; Jede Fraktion wurde mit destilliertem Wasser gespült, um alle Acetonspuren zu entfernen. Nach vollständiger Extraktion wurde der Gesamtcarotinoidegehalt der isolierten Pigmente spektrophotometrisch bei 450 nm gemessen.

Die Lebensfähigkeit von Bakterien in rehydrierten Kanji-Getränken wurde mit der Standardmethode zur Plattenzählung bewertet. Die Bakterienzahl wurde nach 24–48 Stunden bei 37 °C auf Man Ragosa Sharpe Agar (HiMedia Laboratories Pvt Ltd, Mumbai) für die Milchsäurebakterienzahl aufgezeichnet8.

Die 30 ml LAB-fermentierten Kanji-Getränke wurden separat in beschriftete Plastikbecher gefüllt. Diese Becher wurden bei Raumtemperatur (28 ± 3 °C) in einem kubischen Raum mit Tageslicht aufbewahrt. Dreißig Diskussionsteilnehmer (15 Männer und 15 Frauen) wurden aus Mitarbeitern und Studenten der University of Punjab Agricultural University rekrutiert. Den Probanden wurde Trinkwasser zum Ausspülen des Mundes zwischen zwei Getränken zur Verfügung gestellt, und zwischen jedem Getränk wurden fünf Minuten Zeit gelassen. Eine halbqualifizierte Jury bewertete die organoleptischen Eigenschaften des Getränks aus schwarzen Karotten anhand von Aussehen, Geschmack, Farbe, Aroma, Körper, Aroma, Adstringenz und allgemeiner Akzeptanz. Zur Berechnung der Produktakzeptanz wurde die „hedonische Skala“ der Verbraucherakzeptanz verwendet31.

Das RW-getrocknete schwarze Karottenpulver wurde hergestellt, indem zwei Prozessvariablen angepasst wurden, nämlich die Wassertemperatur (70, 80 und 90 °C) und die Konzentration der NaOH-Lösung (0, 1 und 2 % v/v), und die Methode wurde angepasst basierend auf den Auswirkungen auf ausgewählte Reaktionen (Farbveränderung, Flavonoide, Gesamtphenolgehalt und Rehydrierungsverhältnis). Tabelle 1 zeigt die Varianzanalyse für alle Antworten, und es wurden dreidimensionale Antwortoberflächendiagramme (Abb. 1) erstellt, um den Einfluss von Prozessfaktoren auf die Antwortparameter des RW-getrockneten schwarzen Karottenpulvers zu zeigen.

Einfluss der Wassertemperatur und der NaOH-Konzentration auf die Qualitätsparameter getrockneter schwarzer Karotten.

Die Farbe ist ein zentraler Qualitätsfaktor, der zur Beurteilung der Qualität jedes Lebensmittelprodukts herangezogen wird. Daher helfen Farbänderungen dabei, Veränderungen in der Produktqualität zu erkennen32. Die Farbveränderung getrockneter schwarzer Karotten lag zwischen 1,48 und 4,61. Die maximale Farbveränderung wurde bei Proben beobachtet, die in 2 % NaOH-Lösung vorbehandelt und bei 90 °C Wassertemperatur getrocknet wurden, wohingegen die minimale bei unbehandelten Proben festgestellt wurde, die bei 70 °C getrocknet wurden. Der lineare Term aus Wassertemperatur und NaOH-Konzentration hatte einen signifikant positiven Einfluss auf die Farbänderung (p < 0,05). Es wurde beobachtet, dass mit der Erhöhung der NaOH-Konzentration während der Vorbehandlung der schwarzen Karotte die Farbveränderung im Pulver der schwarzen Karotte zunahm (Abb. 1). Dies war auf den Anstieg des „L“-Werts der Karotte zurückzuführen, wodurch sich der Gesamtwert der Farbveränderung im Vergleich zu Frischprodukten erhöhte. Der Anstieg der Wassertemperatur führte auch zu einer Zunahme der Farbveränderung, was auf einen Anstieg des „a“-Werts im Vergleich zum „b“-Wert von schwarzem Karottenpulver zurückzuführen ist33. Bei verschiedenen Lebensmitteln wurde über einen Anstieg des „a“-Werts berichtet, der auf eine chemische Reaktion zwischen Aminosäuren und reduzierenden Zuckern bei der Verarbeitung bei höheren Temperaturen zurückzuführen ist, die zu einer braunen Farbe und dem anschließenden Auftreten der Milliard-Reaktion führt34.

Flavonoide haben sich nachweislich als hilfreich für die menschliche Gesundheit erwiesen, da sie als Fänger freier Radikale und als Mittel zur Reduzierung des Oxidationspotentials dienen und somit vor oxidativen Schäden durch Hydroxylgruppen schützen35. Der Gesamtflavonoidgehalt getrockneter schwarzer Karotten lag zwischen 5,97 und 10,75 mg/100 g dw. Der minimale Gesamtflavonoidgehalt wurde bei Proben beobachtet, die in 2 %iger NaOH-Lösung vorbehandelt und bei 90 °C Wassertemperatur getrocknet wurden, während der Höchstgehalt bei unbehandelten Proben gefunden wurde, die bei 70 °C getrocknet wurden. Der lineare Term der Wassertemperatur hatte einen signifikant negativen Einfluss auf den Gesamtflavonoidgehalt (p < 0,05). Es wurde festgestellt, dass der Gesamtflavonoidgehalt des schwarzen Karottenpulvers mit steigender Wassertemperatur abnahm (Abb. 1). Dies könnte daran liegen, dass höhere Temperaturen einen teilweisen Ligninabbau und einen thermischen Abbau phenolischer Verbindungen verursachten36.

Der Gesamtphenolgehalt getrockneter schwarzer Karotten lag zwischen 22.876,40 und 23.444,30 mg/100gdw. Die maximale Farbveränderung wurde bei unbehandelten Proben beobachtet, die bei 70 °C getrocknet wurden. Das Minimum wurde bei Proben gefunden, die in 2 %iger NaOH-Lösung vorbehandelt und bei 90 °C Wassertemperatur getrocknet wurden. Der lineare Term der Wassertemperatur hatte einen signifikant negativen Einfluss auf den Gesamtphenolgehalt (p < 0,05). Es wurde beobachtet, dass mit steigender Wassertemperatur des Trockners der Gesamtphenolgehalt im schwarzen Karottenpulver abnahm (Abb. 1). Eine solche Erklärung für die Abnahme des gesamten Phenolgehalts bei hohen Temperaturen ist der Einfluss von Hitze auf Tanninverbindungen und das Absterben von Zellen und ihren Vakuolen, was dazu führt, dass sich Phenolverbindungen an andere Verbindungen wie Proteine ​​binden oder ihre chemischen Strukturen verändern18.

Das Rehydrierungsverhältnis getrockneter schwarzer Karotten lag zwischen 4,99 und 6,30. Das minimale Rehydratisierungsverhältnis wurde für Proben beobachtet, die in 2 % NaOH-Lösung vorbehandelt und bei 90 °C Wassertemperatur getrocknet wurden, während das Maximum für unbehandelte Proben gefunden wurde, die bei 70 °C getrocknet wurden. Der lineare Term der Wassertemperatur hatte einen signifikant positiven Einfluss auf das Rehydrierungsverhältnis (p < 0,05). Es wurde festgestellt, dass das Rehydratisierungsverhältnis von schwarzem Karottenpulver mit steigender Wassertemperatur des Trockners abnimmt. (Abb. 1). Dies kann auf eine Überhitzung der Produktoberfläche zurückzuführen sein, die zur Bildung einer undurchlässigen Schicht führt, die es dem getrockneten Produkt erschwert, wieder zu seinem tatsächlichen Volumen und seiner tatsächlichen Form zu rehydrieren33,37.

Mithilfe der numerischen Optimierungstechnik wurden die optimalen Prozessbedingungen für schwarzes Karottenpulver durch Eintauchen schwarzer Karotten in 0 %ige NaOH-Lösung und anschließendes Trocknen im Brechungsfenster bei einer Wassertemperatur von 70 °C erreicht. Schwarzes Karottenpulver, das unter optimierten Bedingungen hergestellt wurde, weist voraussichtlich den höchsten Gesamtflavonoidgehalt auf: 11,11 mg/100 g Trockengewicht, Gesamtphenolgehalt: 23.493,50 mg/100 g Trockengewicht und Rehydrierungsverhältnis: 6,49, während die geringstmögliche Farbveränderung: 2,08 mit allgemeiner Attraktivität vorliegt von 94,8 %. Die Proben wurden in großen Mengen unter den optimierten Prozessbedingungen weiter getrocknet, um schwarzes Karottenpulver für rekonstituiertes Kanji-Getränk herzustellen.

Zur Bewertung des richtigen Rekonstitutionsverhältnisses von RW-getrocknetem schwarzem Karottenpulver für die Getränkeformulierung wurden die drei Pulver-Wasser-Verhältnisse, d. h. 10:50, 10:60 und 10:70, hergestellt und einer sensorischen Bewertung unterzogen. Die sensorische Bewertung erfolgte auf einer 9-stufigen hedonischen Skala. Die von den Prüfern erhaltene Bewertung ist in Tabelle 2 aufgeführt. Aus den sensorischen Bewertungen geht deutlich hervor, dass die 10:60-Kombination aus RW-getrocknetem schwarzem Karottenpulver und Wasser im Vergleich zu anderen eine bessere Akzeptanz (7,8 ± 0,2) zeigte Kombinationen.

Eine funktionelle Milchsäurebakterien-Inokulumkonzentration mit einer Zelllast von 107 KBE/ml wurde als Inokulum bei der Entwicklung eines mit Milchsäure fermentierten Kanji-Getränks verwendet. Die unterschiedlichen Prozentsätze der Konzentration des lyophilisierten Inokulums wurden entnommen (4–8 % w/v) und in das standardisierte RW-getrocknete Kanji-Getränk eingearbeitet, rekonstituiert (10:60) und 24 Stunden lang bei 37 °C fermentiert, um die Variation der Zelllast zu sehen in Bezug auf die Milchsäurebakterienzellbelastung im fermentierten traditionellen Getränk. Die nach Auszählungsstudien bei traditionell fermentierter Fermentation und nach Gefriertrocknungsfermentation erhaltenen Daten sind in Tabelle 3 dargestellt. Die funktionelle Milchsäurebakterienzahl in RW-getrocknetem schwarzen Karottenpulver, fermentiert mit 7 % (Gew./Vol.) gefriergetrocknetem Inokulum, stimmte mit überein Zellbelastung in traditionell fermentierten Kanji-Getränken. Daher ist eine Konzentration des gefriergetrockneten Inokulums von mindestens 7 % (Gew./Vol.) erforderlich, um die Anforderungen in traditionell fermentierten Kanji-Getränken zu erfüllen.

Das schwarze Karottenpulver wurde gemäß der Standardisierung mit Wasser rekonstituiert und mit einer standardisierten gefriergetrockneten Inokulumkonzentration von 7 % (Gew./Vol.) mit einer Zelllast von 9,21 log KBE/ml bei 37 °C 28 Stunden lang fermentiert und die Fermentationskinetik untersucht im Hinblick auf das Wachstum von Milchsäurebakterien während der Fermentation, den pH-Wert und die Gesamtkinetik der titrierbaren Säure. Die Vermehrung von Milchsäurebakterien während der Fermentation kann wichtige Informationen über die Eigenschaften fermentierter Kanji-Getränke liefern. Abbildung 2A zeigt die Veränderung der Menge an Milchsäurebakterien. Die Bakterien passten sich schnell an das rekonstituierte Getränk an, was zu einer Steigerung der Lebensfähigkeit gegenüber der ursprünglichen Fermentation führte. Die Anzahl der Milchsäurebakterien im Getränk stieg innerhalb der ersten 24 Stunden schnell an, was der üblichen mikrobiellen Entwicklungskurve entspricht. Nach den ersten 24 Stunden nahm die Zahl der Milchsäurebakterien leicht ab und stabilisierte sich dann. Außerdem zeigte Abb. 2A, dass das Polynommodell 3. Ordnung das am besten geeignete Modell zur Beschreibung der Steigerung der Lebensfähigkeit von Bakterien mit dem höchsten R2-Wert von 0,985 darstellte. Costa et al.38 entdeckten, dass nach 24-stündiger Fermentation durch L. casei NRRL B-442 die Lebensfähigkeit im Ananassaft 8,65 log KBE/ml erreichte. Nach den ersten 24 Stunden behinderte die Ansammlung von erheblicher Milchsäure und anderen Metaboliten die Vermehrung von Milchsäurebakterien. Kurz gesagt, RWD-getrocknetes schwarzes Karottenpulver, rekonstituiert mit Wasser (Verhältnis 10:60), ist ein geeignetes Substrat für Probiotika und kann als Nährmedium zur Verbesserung der LAB-Entwicklung verwendet werden.

(A) Die Menge an Mikroben (Milchsäurebakterien), (B) pH-Wert und gesamte titrierbare Säure während der LAB-Fermentation von Kanji-Getränken, rekonstituiert bei einer Konzentration von 10:60.

Abbildung 2B zeigt die Ergebnisse einer Untersuchung des pH-Werts und der titrierbaren Säuredynamik fermentierter Getränke. Aufgrund des zunehmenden Gehalts an titrierbarer Säure sank der pH-Wert während der Fermentation. Nach 12 Stunden Fermentation lag der pH-Wert des Kanji-Getränks unter 4,0, was einen Schwellenwert für die Hemmung pathogener und zahlreicher septischer Bakterien darstellt38. In Abb. 2B zeigte das Polynommodell 3. Ordnung das am besten geeignete Modell zur Beschreibung der Abnahme des pH-Werts und der Zunahme der TA im Zeitverlauf, wobei der höchste R2-Wert 0,955 bzw. 0,994 für pH und TA aufwies. Nach 28 h Fermentation stieg der titrierbare Säuregehalt von 0,13 g/100 ml auf 0,96 g/100 ml. Ein ähnlicher Anstieg wurde von Ghosh et al.39 bei der Fermentation von Getränken auf Reisbasis beobachtet. Die zunehmende Konzentration organischer Säuren, die durch den Fermentationsprozess der Milchsäurebakterien entstehen, insbesondere die Bildung von Milchsäure, könnte die Schwankungen des pH-Werts und des titrierbaren Säuregehalts erklären7.

Der Gesamtphenolgehalt, der Gesamtflavonoidgehalt und die Antioxidationskapazität des fermentierten Getränks nach 24 Stunden Fermentation im Vergleich zu den anfänglichen 0 Stunden sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die phytochemischen Konzentrationen steigen nach 24 Stunden im Vergleich zur ersten Stufe an, was darauf hinweist, dass LAB die Konzentration erhöht phytochemische Konzentration des Getränks während des Fermentationsprozesses. Die höheren Konzentrationen sekundärer Pflanzenstoffe in fermentierten Getränken könnten auf die Fähigkeit von LAB zurückzuführen sein, hydrolytische Enzyme zu erzeugen, die die komplexen sekundären Pflanzenstoffe in einfachere Formen hydrolysieren31,40. Der Gesamtphenolgehalt der 24 h fermentierten Proben stieg von 32,73 ± 0,61 mg (bei 0 h) auf 41,84 ± 0,10 mg GAE/ml. Gesamtphenolgehalt sind weitverbreitete sekundäre Pflanzenstoffe, die an der Abwehr von UV-Strahlung oder der Aggressivität von Krankheitserregern beteiligt sind. Epidemiologische Untersuchungen und begleitende Metaanalysen legen eindeutig nahe, dass die langfristige Einnahme einer pflanzlichen, polyphenolreichen Ernährung vor der Entwicklung von bösartigen Erkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes, Osteoporose und neurologischen Störungen schützt41. Darüber hinaus stabilisiert der niedrigere pH-Wert des LAB-fermentierten Kanji-Getränks (3,76) die Polyphenole, da sie mit zunehmendem pH-Wert8 automatisch oxidieren.

Die antioxidative Aktivität (%), wie in Tabelle 4 dargestellt, zeigte einen Anstieg von 0 bis 24 Stunden Fermentation. Kwaw et al.42 entdeckten einen Zusammenhang zwischen polyphenolischen und antioxidativen Aktivitäten. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Verarbeitung fermentierter Getränke den Gesamtphenolgehalt und den Gesamtflavonoidgehalt erhöhte, was zu einer höheren antioxidativen Aktivität im entwickelten Produkt führte.

Die physikalisch-chemischen Parameter variierten bei dem durch Rekonstituierung hergestellten fermentierten Kanji-Getränk im Vergleich zum standardmäßigen traditionellen fermentierten Kanji-Getränk leicht, wie in Tabelle 5 gezeigt. Trotz eines höheren pH-Werts und einer geringeren Ansäuerung wurde bei dem rekonstituierten Getränk im Vergleich zum traditionellen Getränk dort ein höherer pH-Wert und eine geringere Ansäuerung beobachtet Es wurden keine signifikanten Unterschiede (p > 0,05) für den pH-Wert und den titrierbaren Säuregehalt beobachtet.

Der Gesamtphenolgehalt, der Gesamtflavonoidgehalt und die antioxidativen Aktivitätswerte des traditionellen und des rehydrierten Kanji-Getränks liegen im gleichen Bereich. Tangüler43 fand ähnliche Ergebnisse bei der Herstellung von Shalgam-Pulver aus fermentiertem Shalgam (einem traditionellen türkischen Getränk). Mit 3,2 % rekonstituiertes Shalgam-Pulver hat ähnliche physikalisch-chemische Eigenschaften wie das traditionelle Shalgam-Getränk in Bezug auf pH-Wert, titrierbare Säure, Gesamtfeststoffe, Polyphenole, Flavonoidgehalt und antioxidative Kapazität. Daher kann ein Kanji-Getränk, das aus der Rekonstitution von RWD-getrocknetem Pulver hergestellt wird, eine gute Alternative mit längerer Haltbarkeit sein, um das ganze Jahr über funktionelle Vorteile des Kanji-Getränks zu erzielen.

Die durchschnittlichen Akzeptanzwerte von rekonstituiertem Kanji-Getränk und herkömmlichem Getränk sind in Abb. 3 dargestellt. Was den Geschmack und die allgemeine Akzeptanz betrifft, wurde das rekonstituierte Getränk geringfügig besser akzeptiert (p < 0,5) als das traditionelle. Es gab keine signifikanten Veränderungen in Farbe, Adstringenz oder Aroma bei allen Proben (p > 0,05). Die durchschnittliche Akzeptanzbewertung des rekonstituierten Getränks lag auf der hedonischen Skala bei etwa (7,9), was „sehr gut gefallen“ entspricht, was eine starke Akzeptanz der Probe zeigt, die auch für das herkömmliche Getränk zu beobachten war. Santos et al.44 untersuchten gefriergetrocknete Joghurts und fanden im rekonstituierten Produkt einen Feuchtigkeits-, Gesamtfeststoff- und Milchsäuregehalt von 79,44, 20,86 bzw. 0,92 sowie einen pH-Wert von 4,37 und einen Diacetylgehalt von 11,13 mg/50 ml (5). g/20 °C). Diese Forscher erhielten Bewertungen von 6,67, 6,82, 6,77 und 6,45 auf einer hedonischen 9-Punkte-Skala für das Aussehen, den Geschmack, den Geschmack, die Textur und die allgemeine Zustimmung des rehydrierten Produkts.

Gesamtakzeptanzbewertung des traditionellen Kanji-Getränks und LAB-Fermentation des Kanji-Getränks, rekonstituiert bei einer Konzentration von 10:60.

Probiotische Getränke auf pflanzlicher Basis verzeichnen aufgrund der Verbrauchernachfrage nach funktionalen Nichtmilchprodukten einen Anstieg der Nachfrage und der Akzeptanz in der Ernährung der Verbraucher. Das fermentierte schwarze Karottengetränk „Kanji“ ist ein traditionelles Getränk, das seit Jahrhunderten in indischen Haushalten zubereitet wird. Dieses Getränk ist sehr reich an Bioaktivstoffen und Flavonoiden und bietet den Verbrauchern erhebliche gesundheitliche Vorteile. In dieser Studie wurde versucht, ein nährstoffreiches Getränk zuzubereiten, das mithilfe fortschrittlicher Trocknungstechnologien das ganze Jahr über in gebrauchsfertiger Form zum Verzehr verfügbar ist. Die Studie konzentrierte sich auf die Entwicklung und Standardisierung der Bioprozesstechnologie für die lagerstabile Kanji-Mischung, die eine gefriergetrocknete Milchsäurebakterienkultur in RW-getrocknetem schwarzem Karottenpulver und Gewürzen enthält. Schwarzes Karottenpulver wurde durch Eintauchen schwarzer Karotten in 0 %ige NaOH-Lösung und Trocknen des Pürees bei einer Wassertemperatur von 70 °C im RW-Trockner erhalten. Die Kanji-Mischung wurde mit Wasser in einer Konzentration von 10:60 rekonstituiert und einer kontrollierten Fermentation für 24 Stunden unterzogen. Das rekonstituierte Getränk erwies sich als mikrobiologisch sicher und hatte die gleiche Akzeptanz wie traditionell zubereitete Kanji-Getränke. Es wurde der Schluss gezogen, dass mit dieser Technik ähnliche LAB-fermentierte Getränke zubereitet werden können, da die traditionelle Fermentationsmethode nicht kontrolliert wird, was zu einem Anstieg der Bakterienzahl führt und das Getränk für den Verzehr ungeeignet macht.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Amrit Kaur

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PK, PPS und TSD halfen bei der Konzeptualisierung, stellten Ressourcen für die Untersuchung bereit, überwachten und redigierten das Manuskript. RZ und RM führten das Experiment durch, verfassten den Haupttext des Manuskripts und führten die formale Analyse durch. AK half bei der statistischen Analyse. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Ruchika Zalpouri.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kaur, P., Zalpouri, R., Modi, R. et al. Entwicklung und Standardisierung der Verarbeitungstechnik für eine gebrauchsfertige, im Labor fermentierte Kanji-Mischung unter Verwendung von fenstergetrocknetem schwarzem Karottenpulver. Sci Rep 13, 185 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27450-5

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Eingegangen: 25. August 2022

Angenommen: 02. Januar 2023

Veröffentlicht: 05. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27450-5

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