Analyse technologisch bedingter Veränderungen phenolischer Verbindungen in Kakao und Kakaoprodukten mit LC-MS und Kapillarelektrophorese

Abstract

Kakao und Kakaoprodukte zeichnen sich durch hohe Gehalte an phenolischen Verbindungen aus, insbesondere geprägt von Catechinen und Procyanidinen. Der Verzehr von Kakaoprodukten wird mit diversen positiven physiologischen Effekten auf den menschlichen Organismus verbunden, welche meistens in Bezug zum Herz-Kreislauf-System stehen. Die technologischen Prozesse bei der Kakaoverarbeitung verändern das Spektrum der phenolischen Verbindungen stark. Die Veränderungen beinhalten Konzentrationsänderungen und strukturelle Modifikationen, wodurch möglicherweise ein Einfluss auf die Bioverfügbarkeit der betreffenden Substanzen resultiert. Die Zusammenhänge zwischen der Prozessführung und den Veränderungen der phenolischen Verbindungen sind noch wenig untersucht und waren Forschungsziel dieser Arbeit.<br /> Ein fermentierter Kakao wurde mit Fourier-transformations-Ionenzyklotronresonanz- und Ionenfallen-Massenspektrometrie analysiert, um die Komplexizität des Spektrums an phenolischen Verbindungen aufzuzeigen. Die Abhängigkeit der Veränderungen von den technologischen Parametern wurde in verschiedenen Verarbeitungsstufen von Kakao für Flavanole, N-Phenylpropenoyl-L-Aminosäuren und Quercetinglykoside mit Flüssigchromatographie und Kapillar-elektrophorese analysiert. Dafür wurden im Technikumsmaßstab Kakaobohnen bei verschiedenen Temperatur-Zeit-Kombinationen geröstet und eine Schokolade hergestellt. Weitere Proben waren unfermentierte und fermentierte Kakaobohnen sowie Kakaopulver unterschiedlicher Alkalisierungsgrade. Dabei sollten die jeweils kritischen Prozessschritte identifiziert und Unterschiede in der Stabilität, innerhalb und zwischen den verschiedenen Verbindungsklassen, aufgezeigt werden. Die Untersuchung der Epimerisierungsreaktion der Catechine war dabei von besonderem Interesse und wurde auch auf Procyanidine ausgeweitet.<br /> Die massenspektrometrische Analyse der phenolischen Verbindungen von fermentierten Kakaobohnen aus Java führte zur Charakterisierung von insgesamt 216 verschiedenen Substanzen. Insbesondere in der Gruppe der Flavanole konnten diverse Substanzen aus der Literatur bestätigt aber auch neue vorläufig identifiziert werden. In dieser Hinsicht könnten weitere Analysen klären, ob diese Substanzen für Kakaobohnen bestimmter Sorten oder Herkünfte spezifisch sind. <br /> In den verschiedenen Proben der Kakaoverarbeitung wurden zwischen den phenolischen Substanzklassen unterschiedliche Stabilitäten in Bezug auf die Verarbeitungsprozesse festgestellt. Der Polymersiationsgrad von Flavanolen verändert sich zugunsten geringer polymerisierter Oligomere. Zudem wurden für dimere und trimere Procyanidine Profilverschiebungen, analog zur Epimerisierung der Catechine, festgestellt. Die Deoligomerisierungen und Epimerisierungen können das Flavanolprofil im resultierenden Kakaoprodukt maßgeblich verändern. Der Einfluss dieser Veränderungen auf die Bioverfügbarkeit ist unklar und bedarf weiterer Forschung.<br /> Das Ausmaß von Konzentrationsänderungen und Epimerisierungen kann durch die Wahl der Röstparameter und der Kakaobohnen beeinflusst werden. So wiesen beispielsweise die Kakaobohnen von der Elfenbeinküste kaum Verluste in den analysierten Flavanolen auf. Zur Identifizierung ursächlicher Faktoren sind weitere Untersuchungen mit einer größeren Anzahl an vollständig charakterisierten Proben (z.B. Herkunft, Sorte, chemische Zusammensetzung) notwendig<br /><em>N</em>-Phenylpropenoyl-L-Aminosäuren zeigen durch die Kakaoverarbeitung auch Verluste, jedoch bleiben die Konzentrationsverhältnisse der Substanzen zueinander bei allen untersuchten Verarbeitungsprozessen unverändert. Mit dieser Verbindungsklasse ist möglicherweise eine Prüfung auf Authentizität von Kakaoprodukten möglich.

<strong>Analysis of technologically induced changes of phenolic compounds in cocoa and cocoa products with LC-MS and capillary electrophoresis</strong><br /> Cocoa and cocoa products are distinguished by high levels of phenolic compounds, mainly characterized by catechins and procyanidins. The consumption of cocoa products is associated with various positive physiological effects on the human organism, which are mostly related to the cardiovascular system. Due to the technological cocoa processing the composition of the phenolic compounds is greatly altered. The alterations include changes in concentration and structural modifications, which may have an influence on the bioavailability of the substances concerned. The relationships between the process parameters and the alterations of the phenolic compounds are still poorly studied and were research objective of this work.<br /> A fermented cocoa was analyzed by Fourier-transform ion cyclotron resonance and Ion trap mass spectrometry to demonstrate the complexity of the phenolic compounds. The dependency between the changes and the technological parameters was analyzed in various stages of the cocoa processing for flavanols, N-phenylpropenoyl-L-amino acids, and quercetin glycosides by liquid chromatography and capillary electrophoresis. Therefore, in pilot plant scale cocoa beans were roasted with different temperature-time-combinations and a chocolate was produced. Additional samples were fermented and unfermented cocoa beans and cocoa powders with different degrees of alkalization. Critical process steps and differences in stability, within and between the classes of compounds, should be identified. The investigation of the epimerization of the catechins was of particular interest and has been extended to procyanidins. <br /> The mass spectrometric analysis of the phenolic compounds from fermented cocoa beans from Java, led to the characterization of a total of 216 different substances. In particular in the group of flavanols several components, which are already described in literature, and also new compounds could be tentatively identified. In this regard, further analysis could clarify whether these substances are specific to certain varieties of cocoa beans or origins.<br /> Different stabilities between the phenolic compound classes in relation to the processing were determined by analyzing the various samples of the cocoa processing. The degree of polymerization of flavanols changed in favor of less polymerized oligomers. In addition, profiles of dimeric and trimeric procyanidins revealed same shifts similar to the epimerization of the catechins. Deoligomerizations and epimerizations can significantly alter the profile of flavanols in the resulting cocoa products. The impact of these changes on the bioavailability of these compounds is unclear and requires further research. The amount of losses in concentration and epimerization can be influenced by the choice of the roasting parameters and cocoa bean selection. For example, for the cocoa beans from the Ivory Coast no losses of the analyzed flavanols could be detected. To identify causing reasons further studies with higher sample amounts of fully characterized cocoa beans (e.g. origin, variety, chemical composition) are needed. <br /> The contents of <em>N</em>-phenylpropenoyl-L-amino acids are also reduced due to the cocoa processing, but the concentration ratios of the substances remain unchanged during all investigated processing steps. This class of compounds might be used to proof authenticity of cocoa products.