Ranzigkeit glutenfreier Vollkornmehle

Hirse und Reis sind glutenfreie Getreide, die vor allem in Afrika und Asien konsumiert werden. Ihr Vollkornmehl ist jedoch nicht gut lagerbar, da schnell Verderbsprozesse auf Grund des großen Endosperms einsetzen. Deshalb ist das globale Angebot von Hirse- und Reisvollkornmehl limitiert. In dem Forschungsprojekt werden nun die Verderbsprozesse auf molekularer Ebene mit unterschiedlichen spektroskopischen und nasschemischen Methoden untersucht. Im Speziellen soll darauf eingegangen werden, ob und inwieweit Substanzen, die Oxidationsprozesseverlangsamen oder verhindernkönnen,demRanzigkwerden entgegenwirken. Des Weiteren soll untersucht werden wie stark Fettgehalt, Restwassergehalt und Wasseraktivität den Verderb beeinflussen. Zuletzt wird noch analysiert, ob in bestimmten Hirse- und Reiskulturvarietäten Ranzigkeitsprozesse langsamer ablaufen und sich diese somit besser für die Lagerung als Vollkornmehl geeignet ist. Im Projekt werden nasschemische Methoden verwendet, um einzelne Moleküle bzw. Molekülklassen zu studieren. Spektroskopische Methoden hingegen dienen dazu einen Gesamteindruck der Mehle zu gewinnen. Die große Menge an erhobenen Daten wird anschließend mit Hilfe mathematischer Algorithmen ausgewertet. Dabei werden vor allem explorative Verfahren angewandt, um Muster in den Daten zu finden. Dies ermöglicht eine Interpretation welche Regionen in den Spektren von in Verbindung mit Ranzigkeitsprozessen stehen und wie diese Regionen mit den nasschemischen Daten in Verbindung stehen. Es können also relevante Informationen extrahiert und für die Interpretation verwendet werden. Ziel des Projektes ist es folglich das Ranzigwerden von glutenfreien Vollkornmehlen besser zu verstehen und zu erforschen, welche Interaktionen es dabei zwischen Molekülklassen gibt und wie stark sich diese Wechselwirkungen auf den Verderb auswirken. Die Ergebnisse können dann als Basis zur Entwicklung von Strategien dienen, wie Hirse- und Reisvollkornmehl besser gelagert werden kann.

Hirse und Reis sind weit verbreitete glutenfreie Getreide im asiatischen und afrikanischen Raum. Ihre Vollkornmehle neigen auf Grund ihres erhöhten Fettgehalts durch ein größeres Endosperm zu einem schnelleren Verderb im Vergleich zu beispielsweise Weizen. In diesem Forschungsprojekt wurden die Abbauprozesse durch Messung verschiedener ernährungsrelevanter Parameter sowie Marker für Ranzigkeit verfolgt, und Unterschiede im Verderb von Hirse und Reis sowie zwischen verschiedenen Kultivaren dieser Getreidearten erfolgreich untersucht. Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten zeigen, dass Abbauprozesse für unterschiedliche molekulare Klassen in den Mehlen verschieden ablaufen. Während der Fettgehalt kontinuierlich abnimmt und der Fettsäuregehalt kontinuierlich ansteigt, steigt und sinkt die Peroxidzahl zyklisch. Dies deutet darauf hin, dass der Abbau von Peroxiden in Mehlen erst nach Erreichen eines bestimmten Schwellenwerts ausgelöst wird. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass der Verderb nicht linear mit der Temperatur korreliert, sondern dieser bei einer Temperatur über 42 C stark beschleunigt wird. Wassergehalt und Wasseraktivität beeinflussen den Verderb in der Regel ebenfalls stark, jedoch war der Einfluss dieser Parameter während der Experimente auf Grund des geringen Gehalts dieser Parameter vernachlässigbar. Durch Analysen mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) zeigte sich, dass molekulare Veränderungen während des Verderbs unter Hirse-Kultivaren stärker schwanken, als unter Reis-Kultivaren. Im Allgemeinen konnte jedoch gezeigt werden, dass in Hirse und Reis ähnliche Abbauprozesse von Statten gehen. Darüber hinaus war es durch NIRS möglich zu erfahren, dass Veränderungen in der C=O-Schwingungen sehr früh im Verderb stattfinden, was darauf hindeutet, dass Fette als Erstes Abbauprozessen unterliegen. C-H- und O-H-Schwingungen dagegen verändern sich erst zu einem späteren Zeitpunkt und auch nicht zeitgleich mit der C=O Schwingung. Das bedeutet, dass die Oxidation von Fettsäuren zu Peroxiden erst nach der Verseifung von Fetten erfolgt. Diese These wird auch durch die nasschemische Analysen unterstützt. Zusätzlich zu neuen Erkenntnissen bezüglich des Verderbs von glutenfreien Vollkornmehlen gelang es während der Forschungsarbeiten auch, einen neuen Algorithmus für die automatisierte Vorbehandlung von Nahinfrarotspektren, sowie deren quantitative und qualitative Analyse zu generieren. Der Algorithmus durchläuft und kombiniert durch Permutation verschiedene Methoden der spektralen Vorbehandlung, optimiert Parameter für Regressionsmodelle und speichert alle Ergebnisse in einer umfassenden Liste. Dadurch konnte die meist langwierige Arbeit des Testens verschiedenster spektraler Vorbehandlungen, sowie das Durchtestens unterschiedlicher Parameter für die Regression automatisiert werden. Durch den Algorithmus konnte auch gezeigt werden, dass bestimmte spektrale Vorbehandlungen notwendig sind, andere hingegen die Qualität der Analyse nicht substantiell verbessern und somit vermieden werden sollten, um Spektren möglichst unbehandelt zu interpretieren. Folglich, sollte nicht standardmäßig bspw. eine Ableitung der Spektren durchgeführt werden, sondern eine Beschränkung auf der notwendigsten spektralen Vorbehandlungen vorgenommen werden. Zusammenfassend führten die Forschungsarbeiten zu neuen Erkenntnissen über den Verderb glutenfreier Getreide und einem neuartigen Algorithmus für eine verbesserte Datenauswertung und -interpretation.