2.2.7 Carotin, Paprika und Lutein
Carotin, Paprika und Lutein sind chemisch verwandt und werden als Carotinoide bezeichnet. Es handelt sich um eine Reihe von etwa 600 Pigmenten, die in der Natur weit verbreitet sind und ein Spektrum von orangen bis gelben Farben ergeben.14 Obwohl sie aus unterschiedlichen Quellen gewonnen werden, ähneln sich ihre Eigenschaften, Anwendungsmethoden und erforderlichen Formulierungstechnologien, so dass es sinnvoll ist, sie in diesem Kapitel gemeinsam zu behandeln.
Carotin ist als eine Mischung von Carotin-Isomeren, vorwiegend β und α, aus Palmöl erhältlich, wo es in einem der letzten Schritte der Palmölherstellung als Entfärbungsschritt entfernt wird. Extrakte aus überwiegend β-Carotin sind entweder aus halotoleranten Algen (Dunaliella salina) oder aus Pilzen (Blakeslea trispora) erhältlich. In beiden Fällen enthalten die Extrakte über 95 % β-Carotin. Diese natürlichen Quellen sind mit typischerweise 20-30% Carotin in einem Pflanzenöl suspendiert erhältlich. Naturidentisches β-Carotin, das auf petrochemischer Basis hergestellt wird, um chemisch identisch mit dem in der Natur vorkommenden zu sein, ist auch in hochreiner kristalliner Form erhältlich. Die Farbnuancen dieser Ölextrakte sind sehr ähnlich, und die Wahl wird oft durch wirtschaftliche Erwägungen bestimmt. Obwohl alle oben genannten Quellen in Europa als Farbstoffe zugelassen sind, verlangt die derzeitige US-Gesetzgebung einen β-Carotin-Gehalt von über 95 %, was die Verwendung von gemischten Carotinen als Farbstoffe verhindert. Viele Carotinoide haben eine Pro-Vitamin-A-Aktivität, was bedeutet, dass sie nach der Einnahme in Vitamin A umgewandelt werden können. Die Umwandlungsfaktoren sind unterschiedlich, aber β-Carotin wird am effektivsten in Retinol oder Vitamin A umgewandelt.
Paprika wird aus der süßen roten Paprika, Capsicum annum L., gewonnen, die normalerweise in Indien angebaut wird. Wie Karotin wird auch Paprika zunächst als Ölprodukt, das so genannte Oleoresin, hergestellt. Paprika-Oleoresin enthält eine Reihe von Pigmenten, von denen das wichtigste das rote Pigment Capsorubin ist. Das Gewürzmolekül Capsanthin koextrahiert mit Capsorubin und kann, wenn sein Gehalt nicht kontrolliert wird, zu einer Geschmacksverschleppung in der Endanwendung führen. Nach EU-Recht3 muss der Paprikaextrakt mindestens 7 % Carotinoide enthalten, von denen mindestens 30 % Capsanthin/Capsorubin sein müssen. Um sich von Materialien zu unterscheiden, die als Gewürze oder Aromen verwendet werden, muss der Capsanthin-Gehalt unter 250 ppm liegen.
Lutein aus Tagetes erecta L. ist ein gereinigter Extrakt aus Ringelblumen-Oleoresin, das mit organischen Lösungsmitteln aus den Blütenblättern der Ringelblume gewonnen wird. Das Pigment Lutein wird zusammen mit anderen verwandten Carotinoiden extrahiert und liegt in veresterter Form vor. Lutein spielt eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der Augengesundheit und der Vorbeugung degenerativer Erkrankungen wie der altersbedingten Makuladegeneration.
Die Carotinoide Paprika, Carotin und Lutein ergeben eine Reihe ähnlicher Farbtöne, wobei Paprika am orangefarbensten ist, Carotin ein tropisches Gelborange und Lutein ein Eiergelb. Als öllösliches Pigment wird Paprika am häufigsten in Gewürzmischungen, Soßen und emulgierten Fleischwaren verwendet. Karotin in seiner öllöslichen Form findet massenhaft Verwendung in Margarine, wo es einfach der Ölphase des Produktionsprozesses zugesetzt wird. Ohne den Zusatz von Carotin sähe Margarine weiß aus.
Um die Palette der Anwendungen, in denen Carotinoide eingesetzt werden können, zu erweitern, wurden wasserlösliche Formulierungen unter Verwendung von Emulsions- und Dispersionstechnologien entwickelt. Die gebräuchlichste Art von wasserlöslichen Formulierungen sind Emulsionen, bei denen das carotinoidhaltige Öl zu einer diskontinuierlichen Phase innerhalb einer wässrigen kontinuierlichen Phase wird. Häufig werden der Ölphase vor der Emulgierung Antioxidantien zugesetzt, um die Farbstabilität zu erhöhen. Je nach Anwendung sind spezifische Emulgatoren erforderlich, um die Wechselwirkungen zwischen den Inhaltsstoffen zu minimieren oder spezifische Probleme wie den Säuregehalt zu bewältigen.
Durch sorgfältige Auswahl der Emulgatoren und der Verarbeitungsbedingungen können Emulsionen gebildet werden, die in der Endanwendung klar sind. Um dies zu erreichen, sind stabile Öltröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 90 nm erforderlich, was der Wellenlänge des Lichts entspricht. Ein alternativer Ansatz besteht darin, mikronisierte Carotinoid-Kristalle in einem inerten Träger wie Glycerin zu dispergieren. Die typische Größe der Kristalle in solchen Formulierungen beträgt 0,2-0,4 μm. Der Farbton von Formulierungen auf der Grundlage von Carotinoid-Dispersionen ist in der Regel orangefarbener als der ihrer Emulsionsformulierungen. Kommerziell sind die Emulsionsformen am beliebtesten. Die wasserlöslichen/dispergierbaren Formen sind auch getrocknet auf inerten Trägern erhältlich.
Paprika, Lutein und Carotine werden in einer Vielzahl von wasserlöslichen Anwendungen eingesetzt, wobei die endgültige Wahl oft vom gewünschten Farbton abhängt. Paprika wird eher in pikanten Anwendungen wie Soßen, Marinaden, Gewürzmischungen und Beschichtungen verwendet, findet sich aber auch häufig in Süßwaren. Die kommerziell bedeutendste Anwendung für Karotin ist die Verwendung in Getränken aller Art, von stillen bis zu kohlensäurehaltigen Getränken, die nach Geschmack verdünnt werden, bis hin zu Fertiggetränken. Wenn das Getränk orange ist, ist es höchstwahrscheinlich mit Carotin gefärbt.
Carotinoide verändern ihren Farbton nicht wesentlich mit dem pH-Wert, aber der Säuregehalt kann die Funktionalität von Emulgatoren beeinflussen, die zugesetzt werden, um die Wasserlöslichkeit zu verbessern, was zum Zusammenbruch der Emulsion und zur Freisetzung von Öltröpfchen in das Lebensmittel führt. Stabilitätsprobleme bei Carotinoiden betreffen entweder die Farberhaltung des Pigments oder Fragen der Formulierung. Carotinoide zerfallen durch Oxidation, was durch die Zugabe von Antioxidantien in der Farbformulierung oder in der Lebensmittelanwendung abgemildert werden kann. Die Zugabe von Vitamin C in einer Menge von maximal 400 ppm erhöht die Stabilität. Hitze und Lichteinwirkung beschleunigen die Oxidation und den damit verbundenen Farbverlust. Prozessänderungen und die Wahl der Verpackung können helfen, aber auch Feinheiten wie die Lichtquelle (z. B. natürliches Sonnenlicht im Gegensatz zu künstlichem Sonnenlicht) können einen Einfluss haben, wobei direktes Sonnenlicht für ein Carotinoid viel zerstörerischer ist als die Beleuchtung in einem Supermarkt.
Das Vorhandensein von geringen Mengen an pro-oxidierenden Metallen kann ebenfalls einen Einfluss haben. Es gibt Beispiele dafür, dass Standard-Getränke-Rezepturen, die von einer Abfüllanlage in eine andere transferiert werden, einen dramatischen Farbverlust erleiden, der durch eine Änderung der Wasserversorgung und den damit verbundenen Gehalt an prooxidativen Metallen wie Kupfer, Eisen und Mangan verursacht wird. Diese Probleme lassen sich durch eine Kombination aus zusätzlichen Antioxidantien wie Ascorbinsäure und einem Metallsequester wie Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) oder Zitronensäure lösen.
Formulierungsprobleme wie Emulsionszerfall können zur Freisetzung von öligen Carotinoid-Ablagerungen in einem Lebensmittelsystem führen, die klassischerweise als β-Carotin-Halsring in einem Getränk auftreten. Solche Probleme lassen sich in der Regel dadurch lösen, dass man herausfindet, ob es sich um ein Verarbeitungsproblem oder eine Wechselwirkung zwischen den Zutaten handelt, die das Problem verursacht hat, und entsprechende Maßnahmen ergreift, z. B. indem man die Reihenfolge der Zugabe von Zutaten ändert oder die Carotinoidfarbe in ihrer konzentrierten Form nicht mit anderen Zutaten wie dem Aromasystem vormischt.