Feucht-Inkubation als alternative Nacherntebehandlung von Kakaobohnen - Einfluss auf die Aromabildung und Transformation nicht-flüchtiger Inhaltsstoffe

Abstract

Während der traditionellen Nacherntebehandlung von Kakaobohnen wird die Bohnen umgebende zuckerhaltige Fruchtpulpe durch eine spontane Fermentation mikrobiologisch abgebaut. Durch die mikrobielle Bildung von Ethanol und Essigsäure ausserhalb der Bohnen erwärmt sich die Fermentationsmasse auf ca. 50 °C und Essigsäure diffundiert in die Kakaobohnen. Durch die Erwärmung und Ansäuerung des Samens wird der Keimling inaktiviert und die Zellstruktur zerstört. Dies ermöglicht den Kontakt bohneneigener Enzyme und weiterer Inhaltsstoffe wie Proteine, Zucker und Polyphenole in der Kotyledonmatrix, wodurch wichtige Aromavorstufen freigesetzt und die Bitterkeit und Adstringenz des Materials durch Oxidation und Polymerisation der Polyphenole herabgesetzt werden. Da örtlich unterschiedliche Fermentationspraktiken angewendet werden und der Prozess meist als ungesteuerte Spontanfermentation durchgeführt wird, sind Qualitätsschwankungen wie beispielsweise erhöhte Gehalte an Essigsäure, ein heterogener Fermentationsgrad der Bohnen oder Aromafehler keine Seltenheit. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine kontrollierbare alternative Nacherntebehandlung von unfermentierten und getrockneten Kakaobohnen entwickelt und der Einfluss auf die Aromabildung und Transformation nicht-flüchtiger Inhaltsstoffe untersucht. Unfermentierte getrocknete Bohnen sind lagerfähig und die bohneneigenen Enzyme weisen Restaktivität auf. Durch die Rehydrierung von unfermentierten Kakao Kotyledonen mit schwach saurer Lösung wurde der pH-Wert auf den Wirkbereich der bohneneigenen Enzyme (5,0 ‒ 5,5) angepasst, bei 45 °C über 72 h unter aeroben oder anaeroben Bedingungen inkubiert und bei 40 °C getrocknet. Mit Methoden des Sensomics Ansatzes wurde der Einfluss dieser „Feucht-Inkubation“ auf die Bildung von Aromastoffen und Aromavorstufen und die Transformation qualitätsbestimmender nicht-flüchtiger Inhaltsstoffe vor und nach der Behandlung untersucht. Zudem wurde das Aroma nach weiterer Verarbeitung zu einem genussfähigen Produkt in Form von Modellschokolade mit ausgewählten Methoden des Sensomics Ansatzes charakterisiert. Mit der Feucht-Inkubation konnten Zwischen- und Endprodukte produziert werden, die kakaotypische malzige und fruchtige Aromanoten, sowie geringe Adstringenz und Bitterkeit aufwiesen. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Bildung der malzigen Strecker-Aldehyde 2- und 3-Methybutanal und verschiedener fruchtiger Ester, während der Feucht-Inkubation in höheren Mengen im Vergleich zur Fermentation induziert wurde, während flüchtige Säuren wie Essigsäure (stechend) und 2- und 3-Methylbuttersäure (schweissig) und Pyrazine (erdig, röstartig) in deutlich geringerem Umfang gebildet wurden. Aromavorstufen wie D-Glucose, D-Fructose und freie Aminosäuren wurden in vergleichbaren oder höheren Mengen im Vergleich zur Fermentation freigesetzt. Durch die Anpassung der Sauerstoffverfügbarkeit konnte die Oxidation und Polymerisation der Polyphenole gesteuert werden. Aus den Ergebnissen lässt sich schließen, dass eine zeit- und ortsunabhängige Nacherntebehandlung mit unfermentierten und getrockneten Kakaobohnen möglich ist, aus denen Produkte mit typischen qualitätsbestimmenden Merkmalen hergestellt werden können. Im Gegensatz zur mikrobiellen Fermentation ist die Behandlung kontrollierbar und reproduzierbar und bietet die Möglichkeit gezielt qualitätsbestimmende Merkmale wie den Gehalt an flüchtigen Säuren und die Bitterkeit und Adstringenz des Rohmaterials zu beeinflussen.

During the traditional postharvest treatment of cocoa beans, the sugar-containing fruit pulp surrounding the beans is microbiologically degraded by spontaneous fermentation. Due to the microbial formation of ethanol and acetic acid outside the beans, the fermentation mass heats up to about 50 °C and acetic acid diffuses into the cocoa beans. The heating and acidification of the seed inactivates the seedling and destroys the cell structure. This allows contact of bean-derived enzymes and other ingredients such as proteins, sugars and polyphenols in the cotyledon matrix, releasing important flavor precursors and reducing the bitterness and astringency of the material through oxidation and polymerization of polyphenols. Since locally different fermentation practices are used and the process is mostly carried out as an uncontrolled spontaneous fermentation, quality variations such as increased acetic acid contents, a heterogeneous fermentation degree of the beans or aroma defects are not uncommon. In the present work, a controllable alternative postharvest treatment of unfermented and dried cocoa beans was developed and the influence on flavor formation and transformation of non-volatile ingredients was investigated. Unfermented dried beans are storable and the beans' own enzymes exhibit residual activity. By rehydrating unfermented cocoa cotyledons with weakly acidic solution, the pH was adjusted to the active range of the beans' own enzymes (5.0 ‒ 5.5), incubated at 45 °C for 72 h under aerobic or anaerobic conditions, and dried at 40 °C. Sensomics approach methods were used to investigate the influence of this "moist incubation" on the formation of aroma compounds and aroma precursors and the transformation of quality-determining non-volatile ingredients before and after treatment. In addition, the aroma was characterized after further processing into an edible product in the form of model chocolate using selected methods of the Sensomics approach. By applying the moist-incubation technique intermediate and final products could be produced that exhibited cocoa-typical malty and fruity aroma notes, as well as low astringency and bitterness. It was demonstrated that the formation of the malty Strecker-aldehydes 2- and 3-methybutanal and various fruity esters was induced in higher amounts during moist-incubation in comparison to fermentation, while volatile acids such as acetic acid (pungent) and 2- and 3-methylbutanoic acid (sweaty) and pyrazines (earthy, roasty) were formed in much lower amounts. Flavor precursors such as D-glucose, D-fructose, free amino acids were released in comparable or higher amounts compared to fermentation. Oxidation and polymerization of polyphenols could be controlled by adjusting oxygen availability. The results indicate that time- and location independent postharvest treatment with unfermented and dried cocoa beans could be used to obtain products with typical quality-determining characteristics. In contrast to microbial fermentation, the treatment is controllable and reproducible and offers the possibility of specifically influencing quality-determining characteristics such as the contents of volatile acids and the bitterness and astringency of the raw material.