Funktionelles probiotisches Getränk auf Teffbasis, verarbeitet mit ausgewählten probiotischen Bakterien

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-20767
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2022/2076/

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SWD-Schlagwörter:		Fermentation , Lebensmittel
Freie Schlagwörter (Englisch):		Chemical composition of teff , food fermentation , probiotic food , sensory quality of food , two-dimensional fluorescence spectroscopy
Institut:		Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie
Fakultät:		Fakultät Naturwissenschaften
DDC-Sachgruppe:		Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart:		Dissertation
Hauptberichter:		Hitzmann, Bernd Prof. Dr. rer. nat
Sprache:		Englisch
Tag der mündlichen Prüfung:		21.09.2022
Erstellungsjahr:		2022
Publikationsdatum:		31.10.2022
Lizenz:		Veröffentlichungsvertrag mit der Universitätsbibliothek Hohenheim
Kurzfassung auf Englisch:		The recent consumers’ demand have moved from the primary role of food to the healthier action of biologically active food components. For this purpose, production of probiotic functional foods through a fermentation process is the current particular interest. Dairy-based products have been used for probiotics delivery since a very long time; however, due to the drawbacks associated with them such as milk lactose indigestibility, the prevalence of cholesterol related to dairy products, and allergy to milk protein are limited their further utilization for probiotics delivery. Alternatively, cereals are becoming the favorite choices to using as fermentable substrates for the growth and delivery of probiotics. Also, vegetarianisms are increasing through time because of medical reasons. Whole grain cereals are readily available with important nutrient sources of phytochemicals, and other bioactive compounds. Cereals have functioned as an encapsulation materials to improve probiotic stability and their bioactive prebiotics selectively stimulate the growth of probiotics present in the gastrointestinal tract. Particularly, teff is a gluten free and its nutritional value is attractive with high dietary fiber. Amino acids find in teff are well balanced and contains high lysine content. Teff is a good source of essential fatty acids, fiber, minerals, and phytochemicals such as polyphenols and phytates. Consequently, the first primary objective of this research was to compare the quality attributes of whole grain teff flours grown in Ethiopia and South Africa for their proximate composition (moisture, protein, ash, fat, fiber, and carbohydrate), mineral contents (calcium, zinc, and iron), profiles of eighteen amino acids, pasting and thermal properties, and functional properties (water absorption capacity, oil absorption capacity, and swelling power), falling number and color. The proximate composition was examined using the methods of the European Commission Regulation (152/2009). Atomic spectrometer, ion-exchange chromatography, Rapid Visco-Analyzer, and Differential Scanning Calorimetry were used respectively to measure minerals, amino acids, pasting, and thermal properties. Correlation of the measured attributes were analyzed by Pearson correlation and principal component analysis. Significant (p < 0.05) differences were observed in most of the measured attributes between the two teff varieties; however, several significant (p < 0.01) correlations were obtained among the measured attributes by Pearson correlation and principal component analysis. The measured contents of moisture, protein, and zinc in South African teff variety were observed higher than the one grown in Ethiopia. However, much higher calcium and iron contents were found in Ethiopian teff variety. Ethiopian teff variety had showed higher values of foam stability, water absorption capacity, oil absorption capacity, and swelling power as compared to South African teff variety. Results from thermal and pasting properties showed that onset, peak and end temperatures, trough, final, and setback viscosities, as well as peak time, pasting temperature were observed higher in case of South African teff variety. The second primary objective was to examine the suitability of teff made substrates for their potential for the growing and delivering of selected probiotic strains of Lactiplantibacillus plantarum A6 (LPA6) and Lacticaseibacillus rhamnosus GG (LCGG). Single and co-culture fermentations were performed without pH adjustment. In 24 h fermentation with single strain of LPA6, cell count was increased to 8.35 log cfu/mL. Titratable acidity (TA) and pH were measured between 0.33 and 1.4 g/L, and 6.3 and 3.9, respectively. For the investigation of optimum fermentation process variables, Nelder-Mead simplex method was applied and found the optimum values for time and inoculum respectively as 15 h and 6 log cfu/mL. Afterwards, co-culture fermentation was performed by using the optimized process variables. As a result of co-culture fermentation, glucose was progressively consumed while lactic acid and acetic acid were produced. Cell counts of LPA6 and LCGG were able to grow to 8.42 and 8.25 log cfu/mL, respectively, which are a good counts as compared to the minimum required probiotics level of 6 log cfu/mL at consumption time. Findings showed that similar pH and TA values were attained in short time during co-culture fermentation compared to single culture fermentation. Also, without any addition teff substrate was found to be suitable for the growing and delivering of the tested probiotic strains of LPA6 and LCGG. Another focus of this research was to apply two-dimensional fluorescence spectroscopy for the on-line supervision of the fermentation process of teff-based substrate inoculated with LPA6 and LCGG. The fluorescence spectra were measured by using BioView sensor. Analysis of the fermentation process by using the conventional methods such as high performance liquid chromatography for determination of glucose and lactic acid, and using agar plate count for determination of cell counts are time consuming, labor intensive and costly methods. As an alternative the application of fluorescence spectroscopy coupled with partial least square regression and artificial neural network was applied for the on-line quantitative analysis of cell counts of LPA6 and LCGG, glucose, and lactic acid. For the prediction of cell counts of LPA6 and LCGG, the percentage errors of prediction were determined in the range of 2.5-4.5 %. Also, for lactic acid prediction, the percentage error was 7.7 %; however, percentage error for glucose prediction showed a rather high error value. This part of study verified that a two-dimensional fluorescence spectroscopy combined with partial least square regression and artificial neural network can be applied during fermentation process to predict cell counts of LPA6 and LCGG, and content of lactic acid with low uncertainty. Finally, this study was focused on the effect of refrigerator storage on the physicochemical characteristics and viability of LPA6 and LCGG in a teff-based probiotic beverage. As well as a 9-point hedonic scale was applied for sensory test of the beverage. For these determinations, a teff-based probiotic beverage was produced through the fermentation of whole grain teff flour inoculated with co-culture strains of LPA6 and LCGG. Then, the beverage was stored in refrigerator (4-6 ℃) for 25 days. Samples were taking every five days including the first day of storage to quantify cell counts of LPA6 and LCGG, pH, TA, glucose, acetic acid, lactic acid, and maltose. Over the storage time, cell counts of LPA6 and LCGG were decreased from 8.45 and 8.15 log cfu/mL to 8.28 and 7.86 log cfu/mL, respectively. While cell counts were decreased during storage, their cell counts are still observed above the minimum suggested level of 6-7 log cfu/mL at the time of consumption. Lactic acid, acetic acid, glucose, and maltose as well as TA were increased with reduction of pH over the storage time. Metabolic activities observed over the storage time indicated presence of active enzymes that were produced during fermentation process. As examined the beverage, E. coli, Pseudomonas aeruginosa, coagulase-positive Staphylococci, presumptive Bacillus cereus, Salmonella spp., and Listeria monocytogenes weren’t detected. Sensory test attributes of color, appearance, aroma, and taste of the beverage were observed between 6.2 and 6.9, which are in the accepted range. Six and above average score values of the sensory test attributes are considered to be accepted by the panelists. Overall, it could be possible to say the proposed aim for the production of a teff-based probiotic functional beverage was accomplished successfully.
Kurzfassung auf Deutsch:		Die Nachfrage der Verbraucher hat sich in letzter Zeit von der primären Rolle der Lebensmittel auf die gesundheitsfördernde Wirkung biologisch aktiver Nahrungsbestandteile verlagert. Zu diesem Zweck ist die Herstellung von probiotischen funktionellen Lebensmitteln durch einen Fermentationsprozess derzeit von besonderem Interesse. Produkte auf Milchbasis werden schon seit langem für die Zufuhr von Probiotika verwendet; aufgrund der mit ihnen verbundenen Nachteile, wie z. B. die Unverdaulichkeit von Milchzucker, die Prävalenz von Cholesterin im Zusammenhang mit Milchprodukten und Allergien gegen Milcheiweiß, ist ihre weitere Verwendung für die Zufuhr von Probiotika jedoch begrenzt. Alternativ dazu werden Getreideprodukte als fermentierbare Substrate für das Wachstum und die Zufuhr von Probiotika immer beliebter. Auch der Vegetarismus nimmt aus medizinischen Gründen immer mehr zu. Vollkorngetreide ist leicht erhältlich und enthält wichtige Nährstoffquellen mit sekundären Pflanzenstoffen und anderen bioaktiven Verbindungen. Getreide dient als Verkapselungsmaterial, um die Stabilität von Probiotika zu verbessern, und ihre bioaktiven Präbiotika stimulieren selektiv das Wachstum von Probiotika im Magen-Darm-Trakt. Vor allem Teff ist glutenfrei und sein Nährwert ist aufgrund seines hohen Ballaststoffgehalts attraktiv. Die in Teff enthaltenen Aminosäuren sind ausgewogen und enthalten einen hohen Anteil an Lysin. Teff ist eine gute Quelle für essenzielle Fettsäuren, Ballaststoffe, Mineralien und sekundäre Pflanzenstoffe wie Polyphenole und Phytate. Das erste Hauptziel dieser Untersuchung war daher der Vergleich der Qualitätseigenschaften von Teff-Vollkornmehlen aus Äthiopien und Südafrika hinsichtlich der Zusammensetzung (Feuchtigkeit, Protein, Asche, Fett, Ballaststoffe und Kohlenhydrate), des Mineralstoffgehalts (Kalzium, Zink und Eisen), der Profile von achtzehn Aminosäuren, der Verkleisterungs- und thermische Eigenschaften sowie der funktionellen Eigenschaften (Wasseraufnahmefähigkeit, Ölaufnahmefähigkeit und Quellfähigkeit), der Fallzahl und der Farbe. Die Zusammensetzung der Proben wurde nach der Methoden der Verordnung der Europäischen Kommission (152/2009) untersucht. Atomspektrometer, Ionenaustauschchromatographie, Rapid Visco-Analyzer und Differential Scanning Calorimetry wurden jeweils zur Messung von Mineralien, Aminosäuren, Klebereigenschaften und thermischen Eigenschaften verwendet. Die Korrelation der gemessenen Eigenschaften wurde mittels Pearson-Korrelation und Hauptkomponentenanalyse analysiert. Bei den meisten der gemessenen Eigenschaften wurden signifikante (p < 0,05) Unterschiede zwischen den beiden Teffsorten festgestellt; es wurden jedoch mehrere signifikante (p < 0,01) Korrelationen zwischen den gemessenen Eigenschaften durch Pearson-Korrelation und Hauptkomponentenanalyse ermittelt. Die gemessenen Gehalte an Feuchtigkeit, Protein und Zink waren bei der südafrikanischen Teffsorte höher als bei der in Äthiopien angebauten Sorte. Der Kalzium- und Eisengehalt der äthiopischen Teffsorte war jedoch wesentlich höher. Die äthiopische Teffsorte wies im Vergleich zur südafrikanischen Teffsorte höhere Werte bei der Schaumstabilität, der Wasseraufnahmefähigkeit, der Ölaufnahmefähigkeit und dem Quellvermögen auf. Die Ergebnisse der Verkleisterungs- und thermischen Eigenschaften zeigten, dass die Anfangs-, Spitzen- und Endtemperaturen, die Tiefst-, Endviskosität sowie die Zeit der maximalen Viskosität und die Verkleisterungstemperatur bei der südafrikanischen Teffsorte höher waren. Das zweite Hauptziel bestand darin, die Eignung von aus Teff hergestellten Substraten auf ihr Potenzial für das Wachstum und die Abgabe ausgewählter probiotischer Stämme von Lactiplantibacillus plantarum A6 (LPA6) und Lacticaseibacillus rhamnosus GG (LCGG) zu untersuchen. Die Fermentationen in Einzel- und Co-Kultur wurden ohne pH-Regelung durchgeführt. Bei der 24-stündigen Fermentation mit dem Einzelstamm von LPA6 stieg die Zellzahl auf 8,35 log cfu/ml. Der pH-Wert und die pH und titrierbare Säure (TA) -Wert wurden zwischen 6,3 und 3,9 bzw. 0,33 und 1,4 g/L gemessen. Für die Untersuchung der optimalen Fermentationsprozessvariablen wurde die Nelder-Mead-Simplex-Methode angewandt und die optimalen Werte für die Fermentationszeit und Inokulumskonzentration wurden mit 15 h bzw. 6 log cfu/mL ermittelt. Anschließend wurde eine Co-Kultur-Fermentation unter Verwendung der optimierten Prozessvariablen durchgeführt. Als Ergebnis der Co-Kultur-Fermentation wurde Glukose zunehmend verbraucht, während Milchsäure und Essigsäure produziert wurden. Die Zellzahlen von LPA6 und LCGG konnten auf 8,42 bzw. 8,25 log cfu/ml anwachsen, was eine gute Zahl im Vergleich zu der erforderlichen Mindestkonzentration an Probiotika von 6 log cfu/ml zum Zeitpunkt des Verbrauchs darstellt. Die Ergebnisse zeigten, dass bei der Co-Kultur-Fermentation in kurzer Zeit ähnliche pH- und TA-Werte erreicht wurden wie bei der Einzelkultur-Fermentation. Außerdem erwies sich das Teff-Substrat ohne jeglichen Zusatz als geeignet für das Wachstum und die Abgabe der getesteten probiotischen Stämme von LPA6 und LCGG. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Forschung war die Anwendung der zweidimensionalen Fluoreszenzspektroskopie für die Online-Überwachung des Fermentationsprozesses von Teff-Substrat, das mit LPA6 und LCGG beimpft wurde. Die Fluoreszenzspektren wurden mit dem BioView-Sensor gemessen. Die Analyse des Fermentationsprozesses mit Hilfe herkömmlicher Methoden wie der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie zur Bestimmung von Glukose und Milchsäure und der Agarplattenzählung zur Bestimmung der Zellzahl ist zeitaufwändig, arbeitsintensiv und kostspielig. Als Alternative wurde die Fluoreszenzspektroskopie in Kombination mit einer Hauptkomponentenregression und einem künstlichen neuronalen Netz für die quantitative Online-Analyse der Zellzahlen von LPA6 und LCGG, Glukose und Milchsäure eingesetzt. Für die Vorhersage der Zellzahlen von LPA6 und LCGG wurde der mittlere quadratische Fehler der Vorhersage im Bereich von 2,5-4,5 % ermittelt. Auch bei der Vorhersage der Milchsäure lag der prozentuale Fehler bei 7,7 %; der prozentuale Fehler bei der Vorhersage der Glukose wies jedoch einen recht hohen Wert auf. In diesem Teil der Studie wurde nachgewiesen, dass die zweidimensionale Fluoreszenzspektroskopie in Verbindung mit der Hauptkomponentenregression und dem künstlichen neuronalen Netz während des Fermentationsprozesses eingesetzt werden kann, um die Zellzahlen von LPA6 und LCGG sowie den Milchsäuregehalt mit geringer Unsicherheit vorherzusagen. Schließlich konzentrierte sich diese Studie auf die Auswirkungen der Kühllagerung auf die physikochemischen Eigenschaften und die Lebensfähigkeit von LPA6 und LCGG in einem probiotischen Getränk auf Teffbasis. Für die sensorische Prüfung des Getränks wurde eine 9-Punkte-Hedonik-Skala verwendet. Für diese Untersuchungen wurde ein probiotisches Getränk auf Teff-Basis durch Fermentation von Teff-Vollkornmehl hergestellt, das mit Co-Kultur-Stämmen von LPA6 und LCGG geimpft wurde. Anschließend wurde das Getränk 25 Tage lang im Kühlschrank (4-6 °C) gelagert. Alle fünf Tage, einschließlich des ersten Tages der Lagerung, wurden Proben entnommen, um die Zellzahlen von LPA6 und LCGG, pH-Wert, TA, Glukose, Essigsäure, Milchsäure und Maltose zu bestimmen. Während der Lagerzeit sank die Zellzahl von LPA6 und LCGG von 8,45 und 8,15 log cfu/mL auf 8,28 bzw. 7,86 log cfu/mL. Obwohl die Zellzahlen während der Lagerung abnahmen, lagen sie zum Zeitpunkt des Verzehrs immer noch über dem empfohlenen Mindestwert von 6-7 log cfu/ml. Milchsäure, Essigsäure, Glukose und Maltose sowie TA stiegen mit der Verringerung des pH-Werts während der Lagerungszeit an. Die während der Lagerzeit beobachteten Stoffwechselaktivitäten wiesen auf das Vorhandensein aktiver Enzyme hin, die während des Fermentationsprozesses gebildet wurden. Bei der Untersuchung des Getränks wurden keine E. coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylokokken, Bacillus cereus, Salmonella spp. und Listeria monocytogenes nachgewiesen. Die sensorischen Testattribute Farbe, Aussehen, Geruch und Geschmack des Getränks lagen zwischen 6,2 und 6,9, was im akzeptierten Bereich liegt. Sechs und mehr durchschnittliche Punktwerte für die sensorischen Testattribute werden von den Panelisten als akzeptabel angesehen. Insgesamt kann man sagen, dass das vorgeschlagene Ziel der Herstellung eines probiotischen Funktionsgetränks auf Teffbasis erfolgreich erreicht wurde.

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