Forschungs- und Innovationsprojekt
OptiPom – Optimierung der Pommes frites Qualitätsproduktion
Foto: Tobias Hase, StMELF
Steigerung der Frittierqualität von in Bayern erzeugten Pommeskartoffeln durch pflanzenbauliche Maßnahmen
Das OptiPom-Projekt ist ein Kooperationsprojekt des Instituts für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der LfL am Standort Freising, der Fakultät für nachhaltige Agrar- und Energiesysteme der HSWT sowie dem Lehrstuhl für ökologischen Landbau und Pflanzenbausysteme der TUM. Finanziert wird das Projekt durch das bayerische Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten von April 2018 bis Dezember 2021.
Hintergrund
Seit Anfang der 2000er Jahre ist bekannt, dass stärkehaltige, stark erhitzte Produkte gesundheitsschädliches Acrylamid beinhalten (Tareke et al. 2002). Dies betrifft auch frittierte Kartoffelprodukte, insbesondere Pommes frites. Während des Frittierens entstehen im Zuge der Maillardreaktion neben den gewünschten Röstaromen auch Bitterstoffe, Acrylamid und dunkle Verfärbungen (Mottram 2007). Als Ausgangsstoffe fungieren Zucker und Aminosäuren (Weisshaar 2004). Um die Produkte der Maillardreaktion auf einem niedrigen Niveau zu halten und trotzdem ein positives Frittierergebnis mit goldgelber Backfarbe und angenehmen Röstaromen zu erhalten, gibt es verschiedene verfahrenstechnische Möglichkeiten (Matthäus et al. 2004). Wenn allerdings bereits die Qualität der Rohstoffe hoch ist, wird die Prozesssteuerung vereinfacht und auch die Bezahlung der Landwirte ist besser. Primäres Qualitätsmerkmale ist hier vor allem ein niedriger Gehalt an reduzierenden Zuckern, welche im Fall der Kartoffel auf die Maillardreaktion limitierend wirken. Ein geringer Gehalt wird im ersten Schritt durch die Wahl von geeigneten Sorten erzielt. Dennoch kommt es jedes Jahr in einigen Kartoffelpartien zu unerwünscht dunkler Frittierfarbe.
In vorangegangenen Untersuchungen in anderen Ländern wurden als Einflussgrößen Stickstoffdüngung (Sun et al. 2018; Muttucumaru et al. 2013), Kaliumdüngung (Gerendás et al. 2007) sowie Bewässerung (Eldredge et al. 1996) identifiziert . Zudem gibt es Effekte durch den Erntetermin (Waxman et al. 2019) sowie die Lagerung (Sun et al. 2018). All diese Faktoren stehen über die resultierende Stressexposition mit der Frittierqualität in Verbindung.
Fragestellungen
- Inwiefern sind Erkenntnisse von anderen Standorten auf bayerische Anbaubedingungen übertragbar?
- Wie kann der Versorgungszustand der Kartoffelpflanzen beziehungsweise das Stresslevel während der Vegetation gemessen werden?
- Welche weiteren möglichen Einflussfaktoren gibt es?
- Wie kann die Frittierfarbe und damit die Frittierqualität objektiv bewertet werden?
Material und Methoden
Inwiefern sind Erkenntnisse von anderen Standorten auf bayerische Anbaubedingungen übertragbar?
Diese Frage ist besonders wichtig, da bisherige Versuchsergebnisse vor allem aus den USA, Kanada, Großbritannien und den Niederlanden stammen. Die klimatischen Verhältnisse auf diesen Standorten sind mit den bayerischen Voraussetzungen nur sehr bedingt vergleichbar, weshalb eine Validierung für Bayern durchaus sinnvoll ist. Daher wurden 2018 zunächst Tastversuche angelegt, um unter anderem die Versuchströpfchenbewässerung zu testen. 2019, 2020 und 2021 erfolgten dann umfangreiche Exaktversuche im Feld. Hierfür wurde mit der Sorte Innovator gearbeitet, welche sensibel auf Stress reagiert. 2019 wurden 20, 2020 22 und in 2021 10 Varianten getestet.
Am Versuchsgut Roggenstein (TUM) bei Fürstenfeldbruck wurden folgende Faktoren untersucht:
- Stickstoffsteigerung
- Stickstoffsplitting
- Kalidüngung
- Bewässerung
- Bewässerungszeitpunkte
Die Nährstoffsteigerungsvarianten wurden zweifaktoriell jeweils mit und ohne Bewässerung angelegt.In einem weiteren Streifenversuch auf zwei Standorten erfolgte die Betrachtung des Einflusses des Erntetermins auf die Qualität. Hierzu wurde jeweils eine Ernte im August, September und Oktober durchgeführt. Das so gewonnene Material diente als Grundlage für Lagerungsversuche für monatliche Auslagerung mit Qualitätserhebung. Auch das Material aus den Exaktversuchen wurde jeweils nach 2 und 5 Monaten im Lager bewertet.
Wie kann der Versorgungszustand der Kartoffelpflanzen beziehungsweise das Stresslevel während der Vegetation gemessen werden?
Zoombild vorhanden
Hyperspektralmessungen an Kartoffeln
Während des Vegetationsverlaufes wurden die Pflanzen regelmäßig mit diversen Messungen beschrieben. Hierzu gehörten auch hyperspektrale Reflexionsmessungen. In der weiteren Auswertung werden Wellenlängen mit der höchsten Informationsdichte mit Pflanzeneigenschaften korreliert. Geeignete Wellenlängen werden über eine Hauptkomponentenanalyse identifiziert. Die verwendeten Pflanzenparameter wurden während der Vegetation durch Zeiternten im zweiwöchigen Rhythmus sowie begleitender Messungen der Bodenfeuchte, der Pflanzenhöhe und des Chlorophyllgehalts sowie visueller Bonitur ermittelt.
Somit könnte es in Zukunft möglich sein, Wellenlängen, die den Zustand der Kartoffelpflanzen beschreiben für die Bestandsführung zu nutzen.
Somit könnte es in Zukunft möglich sein, Wellenlängen, die den Zustand der Kartoffelpflanzen beschreiben für die Bestandsführung zu nutzen.
Welche weiteren möglichen Einflussfaktoren gibt es?
Neben den bereits aus der Literatur bekannten Einflussgrößen, sollten auch bisher wenig beachtete Faktoren überprüft werden. Hierfür wurde als Methode eine Befragung unter Pommeskartoffeln produzierenden Landwirten angewandt. Mit einem umfangreichen Fragebogen mittels eines Telefoninterviews wurden die Betriebsstruktur sowie die ackerbaulichen Maßnahmen zur Kartoffel und ihrer Vorkultur untersucht. Die so erhobenen Daten wurden im Anschluss mit den bei der Anlieferung an der Pommes frites Fabrik ermittelten Qualitätsdaten verrechnet.
Wie kann die Frittierfarbe und damit die Frittierqualität objektiv bewertet werden?
Zunächst werden die Kartoffeln auf ihre Frittierqualität im 3-Minuten Backtest untersucht. Dafür wird aus 20 Knollen derselben Herkunft das Zentralstäbchen vom Kronen- zum Nabelende entnommen. Anschließend werden diese für 3 Minuten bei 180 °C frittiert. Bisher erfolgte im Projekt eine Beurteilung von etwa 1000 Partien. Für die anschließende Bewertung wird in der Praxis die Boniturvorgabe des US-Amerikanischen Agrarministeriums angewandt, die sogenannte USDA Bonitur. Diese sieht eine Bewertung der Frittierfarbe von 0 = keine Beeinträchtigung bis 4 = dunkelbraune Verfärbungen vor.
Wie jede durch Menschen durchgeführte Beurteilung, unterliegt diese immer subjektiven Einflüssen. Für die Auswertung innerhalb des Forschungsprojektes wurden daher eine objektive und auch sensitivere Beurteilung angestrebt.
Zunächst wurde hierfür ein niederländisches System getestet. Dieses führte allerdings nicht zu befriedigenden Ergebnissen, da die Auswertung für ein Forschungsvorhaben nicht genau genug war. Deshalb wurde die Entwicklung eines eigenen digitalen Systems beschlossen. Mit Unterstützung des Institutes für Landtechnik und Tierhaltung wurde eine Fotobox entwickelt, die standardisierte Aufnahmen der Pommesstäbchen generiert. In einem weiteren Schritt erfolgt die Analyse der Fotos in Zusammenarbeit mit der Wolution GmbH & Co. KG, Planegg. Dabei werden die Pommesstäbchen mittels künstlicher Intelligenz auf dem Foto erkannt und die Farbwerte der Oberfläche in RGB-Farbwerten je 1,5 mm Teilabschnitt ausgegeben. Hieraus ist es anschließend möglich verschiedene Boniturwerte zu errechnen. Im Projekt wurde der Quotient aus R/G verwendet, um den Grad der Verbräunung zu beschreiben.
Ausblick
Bisherige Versuchsergebnisse wurden bei diversen Veranstaltungen bereits einem Fachpublikum in Form von Vorträgen vorgestellt. Des Weiteren erfolgte der Wissenstransfer auch bei Feldtagen.
Bis Ende des Jahres, und damit bis Ende des Projektes werden die gesammelten Daten ausgewertet und als Beratungsunterlagen aufbereitet. Zudem wurden Ergebnisse im Rahmen der VDLUFA-Tagung 2021 und der GPW Tagung 2021 vorgestellt. Veröffentlichungen zu den Ergebnissen in der Fachpresse sind in Planung.
Bis Ende des Jahres, und damit bis Ende des Projektes werden die gesammelten Daten ausgewertet und als Beratungsunterlagen aufbereitet. Zudem wurden Ergebnisse im Rahmen der VDLUFA-Tagung 2021 und der GPW Tagung 2021 vorgestellt. Veröffentlichungen zu den Ergebnissen in der Fachpresse sind in Planung.
Erste Ergebnisse
Im Projekt OptiPom konnte zunächst als methodische Grundlage eine opto-elektronisches Verfahren zur objektiven Messung der Frittierfarbe entwickelt werden. Bei den pflanzenbaulichen Fragen zeigte sich, dass Bewässerung das Frittierergebnis in bestimmten Fällen verbessern kann. Sie steigert bei Trockenphasen im Hauptwachstum den Ertrag und verbessert somit die Stickstoffeffizienz. Zudem zeigte sich, dass das Optimum in der der Stickstoffdüngung unterhalb der Maximalgaben lag.
Überprüfung der Tropfschläuche für parzellenscharfe Bewässerung
Hyperspektrale Reflexionsmessungen an Kartoffeln
SPAD-Messung an einem Kartoffelblatt
Zeiternte von Laub und Knollen zur weiteren Analyse
Rohe Pommes-Stäbchen
Durchführung 3-Minuten-Backtest
Literatur
- Eldredge, E. P.; Holmes, Z. A.; Mosley, A. R.; Shock, C. C.; Stieber, T. D. (1996): Effects of transitory water stress on potato tuber stem-end reducing sugar and fry color. In: American Potato Journal 73, S. 517–530. DOI: 10.1007/BF02851697.
- Gerendás, Jóska; Heuser, Florian; Sattelmacher, Burkhard (2007): Influence of Nitrogen and Potassium Supply on Contents of Acrylamide Precursors in Potato Tubers and on Acrylamide Accumulation in French Fries. In: Journal of Plant Nutrition 30 (9), S. 1499–1516. DOI: 10.1080/01904160701555846.
- Matthäus, Bertrand; Haase, Norbert U.; Vosmann, Klaus (2004): Factors affecting the concentration of acrylamide during deep-fat frying of potatoes. In: Eur. J. Lipid Sci. Technol. 106 (11), S. 793–801. DOI: 10.1002/ejlt.200400992.
- Mottram, Donald S. (2007): The Maillard Reaction: Source of Flavour in Thermally Processed Foods. In: Ralf Günter Berger (Hg.): Flavours and fragrances. Chemistry, bioprocessing and sustainability. Berlin, Heidelberg: Springer, S. 269–283.
- Muttucumaru, Nira; Powers, Stephen J.; Elmore, J. Stephen; Mottram, Donald S.; Halford, Nigel G. (2013): Effects of nitrogen and sulfur fertilization on free amino acids, sugars, and acrylamide-forming potential in potato. In: Journal of agricultural and food chemistry 61 (27), S. 6734–6742. DOI: 10.1021/jf401570x.
- Sun, Na; Rosen, Carl J.; Thompson, Asunta L. (2018): Acrylamide Formation in Processed Potatoes as Affected by Cultivar, Nitrogen Fertilization and Storage Time. In: Am. J. Potato Res. 95 (5), S. 473–486. DOI: 10.1007/s12230-018-9647-z.
- Tareke, Eden; Rydberg, Per; Karlsson, Patrik; Eriksson, Sune; Törnqvist, Margareta (2002): Analysis of acrylamide, a carcinogen formed in heated foodstuffs. In: Journal of agricultural and food chemistry 50 (17), S. 4998–5006. DOI: 10.1021/jf020302f.
- Waxman, Addie; Stark, Jeffrey; Thornton, Michael K.; Olsen, Nora; Guenthner, Joseph; Novy, Richard G. (2019): The Effect of Harvest Timing on French Fry Textural Quality of Three Processing Potato Varieties: Russet Burbank, Alpine Russet, and Clearwater Russet. In: Am. J. Potato Res. 96 (1), S. 33–47. DOI: 10.1007/s12230-018-9686-5.
- Weisshaar, Rüdiger (2004): Acrylamide in heated potato products - analytics and formation routes. In: Eur. J. Lipid Sci. Technol. 106 (11), S. 786–792. DOI: 10.1002/ejlt.200400988.
Projektinformation
Projektkoordination: Adolf Kellermann
Projektleitung: LfL, Adolf Kellermann; HSWT, Prof. Dr. Thomas Ebertseder; TUM, Dr. Franz-Xaver Maidl
Projektbearbeitung: Michaela Laumer, Alexander Mayerthaler
Projektpartner: Hochschule Weihenstephan-Triesdorf, Technische Universität München
Projektlaufzeit: 01.04.2018 - 31.12.2021
Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten
Förderkennzeichen: A/18/07