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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-37150
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2008/3715/


Zusammensetzung und histologische Verteilung der phenolischen Substanzen in Samen von Massen- und Edelkakao-Varietäten (Theobroma cacao L.)

Contents and Histological Distribution of Phenolic Compounds in Seeds of Bulk and Fine Flavour Cocoa Varieties (Theobroma cacao L.)

Elwers, Silke

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Theobroma , Kakao , Phenole , Polyphenole
Freie Schlagwörter (Englisch): Theobroma , cocoa , polyphenols , phenolic
Basisklassifikation: 44.35 , 42.41
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Lieberei, Reinhard (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.04.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 07.07.2008
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden der Gesamt-Polyphenolgehalt sowie die wichtigsten monomeren phenolischen Inhaltsstoffe von Criollo-, Forastero- und Trinitario-Kakaosamen 6 verschiedener Standorte untersucht. Der Hauptschwerpunkt lag in dem Auffinden genetisch bedingter und standortspezifischer Unterschiede in Gehalt, Zusammensetzung und Verteilung dieser Inhaltsstoffe in reifen Kakaosamen.
Neben frischen, reifen Samen wurden auch Proben verschiedener Reife- und Fermentationsstadien analysiert. Außer der biochemischen Analyse per Folin-Ciocalteu-Phenolreagenz und RP-HPLC-PDA kamen auch lichtmikroskopische Verfahren zum Einsatz.

Hinsichtlich des Gesamt-Polyphenolgehaltes und des (-)-Epicatechins wurden keine genetisch bedingten Unterschiede zwischen den reifen Kakaoproben gefunden. Bezüglich der Anthocyangehalte konnte der Kakaotyp Criollo und die aus Selbstbestäubung hervorgegangenen Samen des Klons Catongo durch das weitgehende Fehlen dieser Substanzen von den anderen Proben unterschieden werden.
Reife Criollo-Samen zeichneten sich durch signifikant höhere Gehalte an Kaffeesäure-aspartat aus jene der anderen untersuchten Kakaotypen.

Kakaosamen von ungedüngten Standorten zeichneten sich durch höhere Gesamt-Polyphenolgehalte und höhere Gehalte an (-)-Epicatechin und den Anthocyanen aus. Gleichzeitig enthielten sie jedoch niedrigere Mengen an Kaffeesäure-aspartat als jene gedüngter Standorte.

Hinsichtlich der Verteilung der Polyphenolzellen (PZ) im Keimblattgewebe von T. cacao L gibt es keine signifikanten, genetisch determinierten Unterschiede. Die Polyphenolzellen machen einheitlich einen Anteil von ca. 10% des Parenchyms aus und sind recht gleichmäßig verteilt. Zumeist liegen sie in Clustern vor, die aus 3 bis 7 Einzelzellen bestehen. Unterhalb der adaxialen Keimblattepidermis kommt es daneben zur Ausbildung von Reihen aus bis zu 10 Einzelzellen. Im Bereich der Leitbündelelemente treten gehäuft lange Reihen prosenchymatischer PZ auf.
Typspezifische Unterschiede wurden bezüglich der Größe der Keimblattparenchymzellen gefunden. Demnach besitzt der Typ Criollo signifikant größere PZ und Speicherzellen (SZ) als die anderen Kakaoproben.
Die biochemischen und mikroskopischen Untersuchungen des reifenden Keimblattgewebes von T. cacao L. zeigen eine positive Korrelation zwischen dem Füllungsgrad der Polyphenolvakuolen und den Gehalt an phenolischen Inhaltsstoffen. Dabei gibt es genetisch bedingte Unterschiede in der Zeitdauer bis zum Erreichen der Samenreife.
Die mikroskopischen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit belegen, dass die Akkumulation phenolischer Inhaltsstoffe bereits abgeschlossen ist, bevor die umgebenden SZ vollständig mit Fett und Speicherproteinen gefüllt sind. Daher können auch unreife Kakaosamen bereits durch Anthocyane violett gefärbt sein. Dies begünstigt ihre Verwendung zur Herstellung von Rohkakao, wodurch es zu Defiziten in der Flavour-Entwicklung kommt.

Im Rahmen der Arbeit wurde nachgewiesen, dass es in Criollo-Samen im Verlauf der Fermentation zu einem schnelleren Abbau der phenolischen Inhaltsstoffe kommt als in Samen anderer Kakaotypen. So verlieren Criollo-Samen während ihrer 3 Tagen andauernden Fermentation über 90 % des ursprünglichen Gehaltes an (-)-Epicatechin. Ein derart hoher Verlust tritt in Samen anderer Kakaotypen erst nach einer deutlich längeren Fermentationszeit auf oder wird gar nicht erreicht.
Den geringsten Abbau während der Criollo-Fermentation zeigt das Kaffeesäure-aspartat, von welchem nach deren Abschluss im Schnitt noch 39 % des ursprünglichen Gehaltes vorhanden sind.
Während der Gesamt-Polyphenolgehalt und der Gehalt an (-)-Epicatechin in reifen, unfermentierten Criollo-Samen jenem anderer Kakaotypen entspricht, liegen diese im fertigen Rohkakao, trotz kürzerer Fermentationszeiten, in deutlich geringeren Mengen vor.
Die Ursache für den raschen Verlust phenolischer Inhaltsstoffe im Verlauf der Criollo-Fermentation sollte in weiterführenden Arbeiten untersucht werden. Interessant wäre es hierbei zu klären, inwieweit die oben beschriebenen, signifikant größeren Zellen des Keimblattparenchyms von Criollo-Kakao in diesem Zusammenhang eine Rolle spielen.

Zukünftige Arbeiten zum Thema Kakaoqualität sollten stets berücksichtigen, dass Kakaosamen biologische Produkte sind, die sowohl strukturell als auch chemisch durch genetische Disposition, Anbaubedingungen und Reifegrad geprägt werden. Erst eine umfassende Kenntnis dieser Zusammenhänge gewährleistet auch die vollständige Entschlüsselung der Vorgänge während der Kakao-Prozessierung. Diese könnte für eine gezieltere Beeinflussung der Flavour-Qualität genutzt werden. Zudem könnte auf Grundlage solcher Studien erstmals eine Aufstellung jener Parameter erfolgen, welche einen Edelkakao bereits vor der Prozessierung von einem Massenkakao unterscheiden.
Kurzfassung auf Englisch: In the present study total polyphenols and the main phenolic monomers were examined in seeds of Forastero, Trinitario and Criollo type cocoa of 6 different origins. The main objective was to find correlations between the genetical and the site-specific variability of the samples and their contents, composition and distribution of phenolic ingredients. Besides ripe and unfermented cocoa seeds, samples of different maturing and processing stages were analized. Biochemical features of the samples were investigated by means of Folin Ciocalteu and RP-HPLC-PDA. Additionally, semi-thin sections of seed cotyledons stained with Toluidine Blue were analized by light microscopy.

As far as the amounts of total polyphenols and the substance (-)-epicatechin are concerned, no genetically determined differences within the mature cocoa samples were found.
As for the anthocyanins, Criollo samples and seeds resulting from self-pollination of the Forastero clone Catongo contain only few or none of these substances, whereas they occur in significantly larger amounts in most of the other samples.
Criollo seeds contain significantly higher amounts of caffeic acid aspartate than the Forastero and Trinitario samples.

Significantly higher contents of total polyphenols, flavan-3-ols and anthocyanins were found in cocoa seeds from sites without fertilization. The same seeds contain significantly lower quantities of caffeic acid aspartate than those from fertilized locations.

Regarding the amount and the distribution of the polyphenol cells in the cotyledon tissue, no significant differences were found between the various cocoa types. In all examined samples, these cells amount to about 10% of all parenchyma cells and are distributed quite evenly within the tissue. Here, most of them form clusters of 3 to 7 (or sometimes more) cells. Underneath the adaxial epidermis of the cotyledon, rows of up to 10 polyphenol cells can be found. Close to the vascular bundles larger amounts of polyphenol cells are located, often in long lines.

A type-specific difference in the size of the polyphenol and storage cells was found. The cotyledons of the Criollo samples possess significantly larger polyphenol and storage cells than those of the other examined cocoa types. No significant correlation could be found between the cell sizes and the respective seed sizes.

The biochemical and microscopical investigations of the maturing cocoa seeds show a positive correlation between the accumulation of phenolic substances in the cell vacuoles and the amounts of phenolic ingredients in the same ripening stages. Substantial clone-specific differences were found in the length of time needed for maturation. The accumulation of phenolic ingredients in the cotyledon tissue is finished before the surrounding storage cells contain their final amounts of fat and storage proteins. Thus, cocoa seeds develop purple cotyledons before they are totally ripe. This may lead to the use of unripe cocoa seeds for the production of raw cocoa, which provokes deficits in the development of cocoa flavour.

For the first time the present study examines the amounts of polyphenols in Criollo seeds of different processing stages. After three days of fermentation over 90% of the original content of (-)-epicatechin in the Criollo seed samples were degraded. According to previous studies, equivalent losses of (-)-epicatechin in seeds of other cocoa types were found, if at all, after a significantly longer fermentation time. The contents of the other phenolic substances quantified in Criollo seeds also decreased rapidly during fermentation. Caffeic acid aspartate turned out to be the most stable compound among those substances. In fully fermented Criollo seeds an average amount of 39% of its original content was found.

Although the contents of whole polyphenols and (-)-epicatechin in unfermented Criollo seeds do not differ from the contents in seeds of other cocoa types, considerably smaller quantities of these substances are present in processed Criollo seeds. The reason for the rapid loss of phenolic ingredients during Criollo fermentation should be examined in further studies. It would be interesting to find out if the significantly larger cells of the Criollo cotyledon tissue play a role in this context.

The present study indicates that both biochemical and histological aspects are important for a proper research of cocoa polyphenols. Future research on cocoa quality should always consider that cocoa seeds are formed both structurally and chemically by genetical composition, conditions of cultivation and degree of maturation. Knowing more about these aspects is necessary for trials to improve cocoa quality. In addition, such studies are important to find out which parameters of unprocessed cocoa seeds determine their individual flavour potential.

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