Prolamin degradation in sourdoughs

This thesis examines protein behaviours that occur during cereal fermentations. The focus is on the prolamin degradation in sourdoughs. The thesis also looks at what happens to the oat globulins during an oat bran acidification process. The cereal prolamins are unique proteins in many respects. The wheat prolamins (glutenins and gliadins) are responsible for the formation of the gluten that provides the viscoelastic properties to wheat doughs whereas the rye prolamins (secalins) are unable to develop gluten-like structures. In addition, many baking technological features, such as flavour, shelf-life and dough properties are affected by the protein degradation that might occur during processing. On the other hand, the prolamins contain protein structures that are harmful to gluten sensitive people. It is thus evident that the degradation of the prolamins in sourdough processes may be approached from various aspects. This thesis describes some of these approaches. Four different cereal fermentations were carried out. Wheat sourdough (WSD) and rye sourdough (RSD) fermentations represented traditional sourdoughs. A germinated-wheat sourdough (GWSD) was a novel sourdough type that was prepared using germinated wheat grains that had high and diverse proteolytic activities. The oat bran fermentation (OBF) represented a fermentation system that lacked functional cereal proteases. The high molecular weight glutenins and rye secalins were degraded during the WSD and RSD fermentations, respectively. It was noteworthy that in WSD only a very limited degradation of the gliadins occurred. The gliadins were, however, hydrolysed very extensively during the GWSD fermentation. No protein degradation was observable in the OBF system. Instead the acidification altered the solubility of the oat globulins and this finally led to their aggregation. This thesis confirms that the endogenous proteases of cereals hydrolyse cereal prolamins in sourdoughs. The thesis also shows that the proteolytic activity of the used cereal raw material determines the extent of proteolysis that occurs in sourdough. This means that bakers may adjust the protein degradation in their sourdoughs by selecting the raw material based on its proteolytic activity. The thesis also demonstrates that by using germinated grains, with high and diverse proteolytic activity in sourdough preparations, the prolamins can be extensively degraded. Whether such highly proteolytic food technology could be used to manufacture new gluten-free cereal-based products for gluten sensitive people remains to be solved.

Syntheses and Self-Assembling Characteristics of Amphiphilic Star Diblock Copolymers

Uusien polymeeripohjaisten teknologioiden ja materiaalien myötä räätälöityjen polymeerien tarve on kasvanut. Viime vuosituhannen lopussa kehitetyt kontrolloidut polymerointimenetelmät ovat avanneet uusia mahdollisuuksia paitsi monimutkaisten polymeerien synteesiin, myös itsejärjestyvyyteen perustuvien funktionaalisten nanorakenteiden suunnitteluun ja valmistukseen. Nämä voivat jäljitellä luonnossa esiintyviä rakenteita, joita muodostavat esimerkiksi lipidit ja proteiinit. Itsejärjestyvät molekyylit ovat usein amfifiilisiä eli ne koostuvat hydrofiilisistä ja hydrofobisista osista ja polymeereissä nämä osat voivat olla omina lohkoinaan, jolloin puhutaan amfifiilisistä lohko- tai blokkikopolymeereistä. Riippuen järjestyneiden rakenteiden koostumuksesta ja muodosta, amfifiilisiä blokkikopolymeerejä on tutkittu tai jo käytetty nanoteknologiassa, elastomeereissä, voiteluaineissa, pinta-aktiivisina aineina, lääkkeenannostelussa, maaleissa, sekä elektroniikka-, kosmetiikka- ja elintarviketeollisuudessa. Tavallisimmin käytetyt amfifiiliset blokkikopolymeerit ovat olleet lineaarisia, mutta viime aikoina tutkimus on suuntautunut kohti monimutkaisempia rakenteita. Tällaisia ovat esimerkiksi tähtipolymeerit. Tähtimäisissä polymeereissä miselleille tyypillinen ydin-kuori-rakenne säilyy hyvin alhaisissakin polymeerikonsentraatioissa, koska polymeeriketjut ovat kiinni toisissaan yhdessä pisteessä. Siten ne ovat erityisen kiinnostavia tutkimuskohteita erilaisten hydrofobisten orgaanisten yhdisteiden sitomiseksi ja vapauttamiseksi. Tässä työssä on tarkasteltu amfifiilisten tähtipolymeerien itsejärjestymistä vesiliuoksissa sekä kokeellisesti ja tietokonesimulaatioin. Työ koostuu kahdesta osasta: tähtipolymeerien synteesistä makrosyklisillä initiaattoreilla ja amfifiilisten tähtimäisten blokkikopolymeerien ominaisuuksien tutkimisesta.

Discovery of oxidative enzymes for food engineering : Tyrosinase and sulfhydryl oxidase

Enzymes offer many advantages in industrial processes, such as high specificity, mild treatment conditions and low energy requirements. Therefore, the industry has exploited them in many sectors including food processing. Enzymes can modify food properties by acting on small molecules or on polymers such as carbohydrates or proteins. Crosslinking enzymes such as tyrosinases and sulfhydryl oxidases catalyse the formation of novel covalent bonds between specific residues in proteins and/or peptides, thus forming or modifying the protein network of food. In this study, novel secreted fungal proteins with sequence features typical of tyrosinases and sulfhydryl oxidases were iden-tified through a genome mining study. Representatives of both of these enzyme families were selected for heterologous produc-tion in the filamentous fungus Trichoderma reesei and biochemical characterisation. Firstly, a novel family of putative tyrosinases carrying a shorter sequence than the previously characterised tyrosinases was discovered. These proteins lacked the whole linker and C-terminal domain that possibly play a role in cofactor incorporation, folding or protein activity. One of these proteins, AoCO4 from Aspergillus oryzae, was produced in T. reesei with a production level of about 1.5 g/l. The enzyme AoCO4 was correctly folded and bound the copper cofactors with a type-3 copper centre. However, the enzyme had only a low level of activity with the phenolic substrates tested. Highest activity was obtained with 4-tert-butylcatechol. Since tyrosine was not a substrate for AoCO4, the enzyme was classified as catechol oxidase. Secondly, the genome analysis for secreted proteins with sequence features typical of flavin-dependent sulfhydryl oxidases pinpointed two previously uncharacterised proteins AoSOX1 and AoSOX2 from A. oryzae. These two novel sulfhydryl oxidases were produced in T. reesei with production levels of 70 and 180 mg/l, respectively, in shake flask cultivations. AoSOX1 and AoSOX2 were FAD-dependent enzymes with a dimeric tertiary structure and they both showed activity on small sulfhydryl compounds such as glutathione and dithiothreitol, and were drastically inhibited by zinc sulphate. AoSOX2 showed good stabil-ity to thermal and chemical denaturation, being superior to AoSOX1 in this respect. Thirdly, the suitability of AoSOX1 as a possible baking improver was elucidated. The effect of AoSOX1, alone and in combi-nation with the widely used improver ascorbic acid was tested on yeasted wheat dough, both fresh and frozen, and on fresh water-flour dough. In all cases, AoSOX1 had no effect on the fermentation properties of fresh yeasted dough. AoSOX1 nega-tively affected the fermentation properties of frozen doughs and accelerated the damaging effects of the frozen storage, i.e. giving a softer dough with poorer gas retention abilities than the control. In combination with ascorbic acid, AoSOX1 gave harder doughs. In accordance, rheological studies in yeast-free dough showed that the presence of only AoSOX1 resulted in weaker and more extensible dough whereas a dough with opposite properties was obtained if ascorbic acid was also used. Doughs containing ascorbic acid and increasing amounts of AoSOX1 were harder in a dose-dependent manner. Sulfhydryl oxidase AoSOX1 had an enhancing effect on the dough hardening mechanism of ascorbic acid. This was ascribed mainly to the produc-tion of hydrogen peroxide in the SOX reaction which is able to convert the ascorbic acid to the actual improver dehydroascorbic acid. In addition, AoSOX1 could possibly oxidise the free glutathione in the dough and thus prevent the loss of dough strength caused by the spontaneous reduction of the disulfide bonds constituting the dough protein network. Sulfhydryl oxidase AoSOX1 is therefore able to enhance the action of ascorbic acid in wheat dough and could potentially be applied in wheat dough baking.

Ruismallasuute vähägluteenisessa kauraleivonnassa

Tutkielman kirjallisuuskatsauksessa tarkasteltiin kauran leivontateknologisia ominaisuuksia, entsyymiaktiivista leivontaa ja ruismaltaan hyödyntämistä vähägluteenisessa leivonnassa. Kokeellisessa osiossa tutkittiin ruismallashapantaikinasta valmistetun uutteen vaikutusta kaurataikinan viskositeettiin ja kauraleivän ominaisuuksiin. Työn tarkoituksena oli kehittää maultaan ja rakenteeltaan onnistunut rukiinmakuinen kauraleipä. Ruismaltaan entsyymien annettiin pilkkoa keliaakikolle haitallisia rukiin prolamiineja hapantaikinaprosessissa. Hapantaikinasta erotettiin uute sentrifugoimalla. Leivontakokeisiin käytettiin entsyymiaktiivista ja kuumentamalla inaktivoitua uutetta. Uutteella korvattiin taikinavettä 15, 25 ja 30 % (taikinan painosta). Leivonta toteutettiin miniatyyrikoossa, vuokaleivontana 20 g:n taikinapaloja käyttäen. Taikinoiden viskositeetti mitattiin tarkoituksena seurata beetaglukaanin hydrolyysiä. Rukiin makua mitattiin koulutetun raadin avulla. Happaman uutteen lisäys laski taikinan pH-arvoa noin 5,8:sta noin 4,4:ään. Entsyymiaktiivisen uutteen lisäys laski taikinan viskositeettia ja inaktivoitu uute puolestaan kasvatti sitä. Leipien sisus tiivistyi, jolloin mitatut sisuksen kovuudet kasvoivat uutteen lisäyksen myötä. Uutelisäys paransi leipien makua ja aromia. Uutteen vaikutuksesta leipien huokoset olivat pienempiä ja ne jakaantuivat tasaisemmin leipämatriisiin. Jos uutetta käytettiin inaktivoituna, leipien murenevuus kasvoi. Tutkimuksessa kehitetyn teknologian avulla oli mahdollista valmistaa hyvänlaatuinen, rukiinmakuinen kauraleipä myös ilman että uutteen entsyymit inaktivoitiin keittämällä. Tähän vaikutti ilmeisesti taikinan alhainen pH, joka inhiboi alfa-amylaasia, ja kauratärkkelyksen korkea liisteröitymislämpötila, jolloin entsyymien inaktivoituminen paiston aikana tapahtui ennen kuin tärkkelys tuli alttiiksi liialliselle pilkkoutumiselle. Tämä mahdollistaa uutteen käytön osana leivontaprosessia ilman inaktivointia. Hapantaikinafermentaatio osana gluteenitonta leivontaa havaittiin toimivaksi yhdistelmäksi, sillä se paransi leivän väriä, makua ja rakennetta. Myös leivän homeeton aika parani jo vähäisenkin uutelisäyksen vaikutuksesta. Näyttää siltä, että tämän teknologian avulla on mahdollista tuoda esille pitkään kaivattua rukiin makua vähägluteenisten kauraleipien valikoimassa. Laskennallisesti ja aiempiin tuloksiin tukeutuen, voitiin päätellä, että leivän prolamiinipitoisuudessa on mahdollista päästä tasolle 63,5 mg/kg, mutta jatkokehityksen avulla päästäisiin luultavasti vielä parempiin tuloksiin.