12.2 Haltbarkeit von Direktsäften
Zitrusfrüchte sind saisonal. Daraus folgt, dass auch die Produktion von Säften, die nicht aus Konzentrat hergestellt werden, saisonal ist. Auf der anderen Seite ist die Nachfrage nach diesem äußerst beliebten Produkt praktisch das ganze Jahr über gleichbleibend. Folglich ist die Langzeitlagerung von NFC-Saft in einfacher Stärke heute eine industrielle Notwendigkeit (WFLO, 2008). Die zu lagernden Mengen sind enorm, daher ist die Lagerung in relativ kleinen Einzelhandelsverpackungen unpraktisch. Eine Zeit lang bestand die Technologie zur Langzeitlagerung großer Mengen von NFC-Saft darin, den Saft einzufrieren und als große gefrorene Blöcke oder Platten zu lagern, bis er aufgetaut und für den Einzelhandel neu verpackt werden musste. Dies war sehr kostspielig und umständlich. Seit den 1980er Jahren ist die Lösung der Großindustrie für das Problem der langfristigen, großvolumigen Lagerung von Zitrussaft die gekühlte Großlagerung in sehr großen Tanks. Der Saft wird pasteurisiert, entlüftet, auf 0-1°C gekühlt und aseptisch in vorsterilisierte, gekühlte Tanks gepumpt. Es sind Lagertanks mit Kapazitäten von einer Million Gallonen (ca. 3.500 Kubikmeter) und mehr im Einsatz. Sie sind oft aus epoxidharzbeschichtetem Kohlenstoffstahl gefertigt. Die Tanks sind in sogenannten „Tankfarmen“ zusammengefasst, die im Freien oder in gekühlten Gehäusen untergebracht sind. Oft wird Stickstoff eingeblasen, um einen inerten Kopfraum zu schaffen und eine Schwerkraftabscheidung des Zellstoffs zu verhindern. Wenn die Temperatur leicht über dem Gefrierpunkt gehalten und Sauerstoff effizient ausgeschlossen wird, ist eine Haltbarkeit von 1 Jahr gewährleistet. Saft, der aus Konzentrat rekonstituiert wird, muss nicht langfristig gelagert werden, da er je nach Bedarf jederzeit aus gelagertem Konzentrat hergestellt werden kann.
Studien zur Lagerung und Verpackung von Zitrusfruchtsäften und -konzentraten wurden hauptsächlich an Produkten durchgeführt, die in Größeneinheiten für den Einzelhandel verpackt waren. Mehrere Studien untersuchten den Einfluss der Verarbeitungsbedingungen auf die Haltbarkeit. Pérez-Cacho und Rouseff (2008) gaben einen Überblick über die Forschung zu den Auswirkungen von Verarbeitung und Lagerung auf das Aroma von Orangensaft. Mannheim und Havkin (1981) verglichen die Qualität von aseptisch abgefülltem Orangensaft mit heiß abgefülltem Orangensaft während der Lagerung. In dieser Studie wurde die Qualität von aseptisch abgefülltem Saft unmittelbar nach der Abfüllung als besser beurteilt, aber die Unterschiede verschwanden nach der Lagerung. Sadler et al. (1992) führten mikrobielle, enzymatische und chemische Vergleiche an Orangensaft durch, der bei 4°C ohne Pasteurisierung, mit leichter Pasteurisierung (66°C, 10 s) und mit voller Pasteurisierung (90°C, 60 s) mit dem Ziel der Inaktivierung der Pektinesterase gelagert wurde. Die Sauerstoffdurchlässigkeit der Verpackung hatte keinen Einfluss auf die Qualität des unpasteurisierten Saftes. Leicht und vollständig pasteurisierte Säfte in Barrierekartons wiesen jedoch eine geringere Keimzahl, eine bessere Ascorbinsäure-Retention und eine Verlangsamung des Trübungsverlustes bis zur dritten Lagerwoche auf. Während der ersten 22 Tage der Lagerung unterschieden sich die Keim-, Trübungs- und Ascorbinsäurewerte von leicht pasteurisiertem Saft nicht von denen von vollständig pasteurisiertem Saft. Das Lagerverhalten von gekühltem Grapefruitsaft, der mit UV-Strahlung behandelt wurde, wurde von La Cava und Sgroppo (2015) untersucht. Uysal Pala und Kırca Toklucu (2013) untersuchten ebenfalls die Veränderungen von UV-behandeltem Orangensaft während der Kühllagerung und stellten fest, dass die UV-Behandlung die Lagerstabilität des Saftes verbesserte. Die mikrobielle Konservierung von Zitrussäften durch in die Verpackungsfolien eingearbeitete Silber- und Titanverbindungen wurde kürzlich von Peter et al. (2015) untersucht.
Die Auswirkung von Verarbeitungsvariablen und Verpackungsmaterialien auf die Haltbarkeit von aseptisch abgefülltem einprozentigem Orangensaft wurde von Graumlich et al. (1986) und von Ros-Chumillas et al. (2007) untersucht. Es wurden Glas-, mehrschichtige PET- (Polyethylenterephthalat) und einschichtige PET-Flaschen getestet. Monolayer-PET zeigte die geringste Retention von Ascorbinsäure. Wenn jedoch zusätzliche Schutzmaßnahmen wie Sauerstoff-Scavenger, Zugabe von Flüssigstickstofftropfen in den Kopfraum während der Abfüllung, Aluminiumfoliendichtung im Schraubverschluss und gekühlte Lagerung angewendet wurden, konnte die Haltbarkeit in Monolayer-Flaschen auf Werte verlängert werden, die bei Glas- und Multilayer-PET-Flaschen gefunden wurden. Glas hat den Nachteil des Gewichts und der Zerbrechlichkeit. Die beliebteste Verpackung sowohl für NFC als auch für rekonstituierten Saft ist der Mehrschichtkarton. Das Verpackungsmaterial besteht in der Regel aus vier Schichten, nämlich: einer inneren Schicht aus Polyethylen für die Siegelfähigkeit, einer Schicht aus Aluminiumfolie für die Gas- und Lichtundurchlässigkeit, einer Schicht aus Papier für die mechanische Festigkeit und Bedruckbarkeit und einer Schicht aus Polyethylen für den äußeren Schutz. Der rechteckige Querschnitt des Kartons ermöglicht im Vergleich zu runden Flaschen erhebliche Einsparungen bei der Lager- und Ausstellungsfläche. Laminierter und bedruckter Karton wird auf Rollen geliefert und die Behälter werden vor Ort geformt.
Das Lagerverhalten von rekonstituiertem Orangensaft, der durch konventionelle thermische Pasteurisierung (80°C, 30 s) oder durch Behandlung mit hohem hydrostatischen Druck (500 MPa, 35°C, 5 min) verarbeitet wurde, wurde von Polydera et al. (2003) untersucht. Für die Verpackung wurden Polypropylenflaschen und laminierte flexible Beutel verwendet. Die Lagertemperaturen waren 0 und 15°C. Die Verlustraten an Ascorbinsäure waren bei hochdruckbehandelten Säften geringer, was eine längere Haltbarkeit im Vergleich zu konventionell pasteurisiertem Saft bedeutet. Das kinetische Modell zeigte eine stärkere Temperaturabhängigkeit des Ascorbinsäureverlustes in hochdruckbehandeltem Saft. Die berechneten Aktivierungsenergien betrugen 61,1 kJ mol-1 für hochdruckbehandelten Saft gegenüber 43,8 kJ mol-1 für thermisch pasteurisierten Saft. Die Erhöhung der Haltbarkeitsdauer auf Basis der Ascorbinsäure-Retention betrug 11% bzw. 65% für Lagertemperaturen von 15 bzw. 0°C. Die entsprechenden Werte der Haltbarkeitsverlängerung für Säfte in Beuteln betrugen 24 % und 57 %. Die Farbe wurde durch die Verarbeitungsmethode nicht signifikant beeinflusst.
Im Rahmen der Bemühungen, einen pasteurisierten Saft mit weniger thermischer Schädigung des Aromas herzustellen, untersuchten Naim et al. (1988) die Auswirkung der Lagerung auf mäßig pasteurisierten Orangensaft mit zugesetzten Thiolen (Glutathion, L-Cystein, N-Acetyl-L-Cystein) als Aromaschutzmittel. Es wurde festgestellt, dass die Anreicherung mit Thiolen die Bildung von p-Vinylguajakol (die Verbindung, die den Geschmack von gelagertem Orangensaft am meisten beeinträchtigt, siehe Kapitel 2), den Abbau von Ascorbinsäure und die Bräunung während der Lagerung reduziert.
Die wichtigste wahrnehmbare Qualitätsbeeinträchtigung bei der Lagerung ist die nicht-enzymatische Bräunung, die bei Zitronen- und Grapefruitsäften besonders schnell auftritt. Geschmacksverschlechterung und Induktion von Fehlgeschmack treten mit der Bräunung auf. Roig et al. (1999) untersuchten die nicht-enzymatische Bräunung in Zitrussaft, der in TetraBrick-Kartons gelagert wurde. Sie fanden heraus, dass die Bräunung auf Carbonylverbindungen zurückzuführen ist, die durch den Abbau von Ascorbinsäure entstehen, und nicht auf die Carbonyl-Amino-Maillard-Reaktion. Nagy et al. (1990) überwachten die nicht-enzymatische Bräunung von in Dosen und Flaschen abgefülltem, einfach konzentriertem Grapefruitsaft, der 18 Wochen lang bei 10-50 °C gelagert wurde. Die Bräunung war bei in Flaschen abgefüllten Säften schneller und intensiver als bei Säften in Dosen. Bei Saftkonserven, die bei 10 und 20 °C gelagert wurden, trat keine Bräunung auf, was offenbar auf die reduzierende Wirkung von Zinn im sauren Medium zurückzuführen ist. Dieser Befund hat heute wenig Relevanz, da die Konservierung von Saft praktisch obsolet geworden ist.
Wibowo et al. (2015) untersuchten die Auswirkung der Lagerung auf die Farbe von pasteurisiertem einprozentigem Orangensaft und die Beziehung zwischen Farbänderung und Abbau von Carotinoiden. Der Saft wurde während 32 Wochen bei 20, 28, 35 und 42 °C gelagert. Die Farbveränderungen wurden mittels Kolorimetrie unter Verwendung des CIELAB-Systems bestimmt und kinetisch als Reaktion nullter Ordnung beschrieben. Die berechneten Aktivierungsenergien für alle Farbparameter lagen bei 64-73 kJ mol-1. Verschiedene Carotinoide schienen eine unterschiedliche Anfälligkeit für die Lagerung zu haben. Veränderungen der Carotinoide haben jedoch nur eine geringe Bedeutung für die Farbverschlechterung während der Lagerung, die viel stärker von der nicht-enzymatischen Bräunung beeinflusst wird.
Die Farbstabilität während der Lagerung wurde auch mit Blutorangensaft untersucht (Remini et al., 2015). Untersucht wurde die Stabilität von Ascorbinsäure und Farbintensität in pasteurisiertem Blutorangensaft während einer 1-monatigen Lagerung bei 4-37°C. In Anlehnung an das Arrhenius-Gesetz wurden Aktivierungsenergien von 51 bis 135 kJ mol-1 bzw. von 49 bis 99 kJ mol-1 für den Ascorbinsäureverlust und den Farbabbau gefunden. Der Effekt der Ascorbinsäureanreicherung in Höhe von 100 und 200 mg L-1 auf die Kinetik des Ascorbinsäureverlustes und des Farbabbaus war vernachlässigbar. Die Lagertemperatur und die Entlüftung hatten den größten Einfluss auf die qualitätsmindernde Wirkung der Lagerung.
Die nicht-enzymatische Bräunung und der Ascorbinsäureverlust stehen in einer Wechselbeziehung (siehe Kapitel 2). Die Geschwindigkeit des Ascorbinsäureverlustes in handelsüblichem, aseptisch in TetraBrik-Kartons abgefülltem, einfach konzentriertem Orangensaft wurde von Kennedy et al. (1992) bei verschiedenen Lagertemperaturen untersucht. Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff in der Probe nach der Verpackung beeinflusste den L-Ascorbinsäuregehalt signifikant, ebenso wie die Lagertemperatur. Umgekehrt hing die Rate des Verbrauchs von gelöstem Sauerstoff von der Konzentration der L-Ascorbinsäure ab. Die Autoren schlossen daraus, dass sowohl ein aerober als auch ein anaerober Abbau von L-Ascorbinsäure im gleichen System stattfindet (siehe Kapitel 2). Der aerobe Prozess überwiegt und der anaerobe Prozess findet statt, nachdem der Gehalt an gelöstem Sauerstoff das Gleichgewicht erreicht hat. Soares und Hotchkiss (1999) lagerten entlüfteten und nicht entlüfteten Orangensaft bei 7°C in Verpackungen mit unterschiedlicher Sauerstoffdurchlässigkeit. Sowohl bei entlüfteten als auch bei nicht entlüfteten Proben wurde festgestellt, dass die Geschwindigkeit des Ascorbinsäureverlustes umgekehrt mit der Sauerstoffdurchlässigkeit korreliert ist, unabhängig von der ursprünglichen Konzentration an gelöstem Sauerstoff. Diese Ergebnisse scheinen auf die Unwirksamkeit der Entlüftung hinzuweisen und stehen im Widerspruch zu anderen Berichten. Tatsächlich werden in der Industrie Säfte vor der aseptischen Bulk-Lagerung in Tanklagern entlüftet.
Besorgniserregend ist die Gefahr von Aromaverlusten während der Lagerung durch Adsorption durch das Verpackungsmaterial. Pieper et al. (1992) verpackten Orangensaft in mit Polyethylen niedriger Dichte ausgekleideten Kartons und überwachten die Absorption von 19 Aromakomponenten im Polymer während der Lagerung. Es wurde eine Verringerung von d-Limonen um bis zu 50 % beobachtet, aber ein erfahrenes Sensorik-Panel konnte keinen Unterschied zwischen Saft, der in laminierten Kartons gelagert wurde, und Glasflaschen feststellen. Die Adsorption von 10 Zitrus-Aromakomponenten durch Polypropylen-Verpackungsfolie wurde von Lebossé et al. (1997) untersucht. Die praktische Bedeutung dieses als „flavor scalping“ bekannten Phänomens wird unter den Forschern kontrovers diskutiert. Im Gegensatz zu anderen früher veröffentlichten Berichten (Pieper et al., 1992) zeigte die sensorische Bewertung mittels Differenztests von Siegmund et al. (2004), dass sich der in der laminierten Kartonverpackung abgefüllte Saft deutlich schneller veränderte als das in Glasflaschen gelagerte Produkt.