Aspergillus niger -proliiniendopeptidaasi prolamiinien eliminoinnissa

Tutkielman kirjallisuusosassa perehdyttiin vehnän, rukiin ja ohran, eli Triticeaeprolamiinien erityisasemaan keliakianäkökulmasta tarkasteltuna ja prolamiinien hydrolyysiin proliinispesifeillä entsyymeillä. Lisäksi tarkasteltiin prolamiinien immunologisia määritysmenetelmiä. Keliakiassa haitalliset gluteenipeptidit sisältävät runsaasti proliinia ja ovat hankalia pilkkoa muilla kuin proliinispesifeillä peptidaaseilla. Suurin osa immunologisen reaktion aiheuttavista gluteenilähtöisistä peptideistä voidaan pilkkoa idätetyn viljan endogeenisilla entsyymeillä happamissa olosuhteissa, mutta jäljellejäävä prolamiinipitoisuus ylittää edelleen gluteenittomille tuotteille sallitun rajan. Kokeellisen työn tavoitteena oli eliminoida happamalla mallasinkubaatiolla valmistettujen vehnä-, ohra- ja ruismallasautolysaattien sisältämä jäännösprolamiini Aspergillus niger -homeen tuottamalla proliinispesifillä endopeptidaasilla (AN-PEP) siten, että hydrolysaattia voitaisiin käyttää gluteenittomissa leivontasovelluksissa. Proteiinien hydrolyysiä tarkkailtiin kokoekskluusiokromatografialla (SEC), vapaan aminotypen (FAN) muodostumisena ja SDS-PAGE-elektroforeesilla. Jäännösprolamiinien pilkkoutumista seurattiin immunologisella R5-ELISA-menetelmällä. AN-PEP-inkubaatiolla saatiin aikaan voimakasta prolamiinien pilkkoutumista; mallasautolysaattien jäännösprolamiinista pilkkoutui yli 96 %. SEC- ja FAN-analyysien perusteella inkubaatioaikaa kannatti jatkaa yli 4 h, jolloin polypeptidit pilkkoutuivat edelleen pienemmiksi hydrolyysituotteiksi. Vehnä- ja ruismallashydrolysaattien prolamiinipitoisuuden todettiin laskevan 22 h inkubaation aikana alle tason 100 mg/kg R5-ELISA-menetelmällä määritettynä. Matalimmat prolamiinipitoisuudet saavutettiin AN-PEP-pitoisuudella 35 ?l / g mallasautolysaattia. Codex Alimentarius -komission säädöksen mukaan keliakiaruokavalioon soveltuvat ns. erittäin vähägluteeniset tuotteet saavat sisältää gluteenia enintään 100 mg/kg. Erityisesti AN-PEP-käsiteltyä ruismallasraaka-ainetta voitaisiin mahdollisesti käyttää tuomaan rukiista aromia gluteenittomiin leipiin. Ennen kuin mallashydrolysaatit ovat valmiita kaupallisiin sovelluksiin, on tarkasteltava niiden todellisia mahdollisuuksia parantaa elintarvikkeiden makua ja aromia sekä todettava uuden teknologian turvallisuus keliaakikoille.

Aitosuklaa jäätelöpuikon kuorrutteena

Tutkimuksen kirjallisuuskatsauksessa keskityttiin jäätelöpuikkoihin, erilaisiin suklaakuorrutteisiin ja elintarvikkeiden kuorruttamiseen suklaalla. Lisäksi kirjallisuuskatsauksessa perehdyttiin suklaan koostumukseen, nestemäisen suklaan virtausominaisuuksiin ja koostumuksen ja virtausominaisuuksien välisiin vuorovaikutuksiin. Kokeellisessa osassa tavoitteena oli selvittää, miten maitosuklaakuorrutteen rasvapitoisuuden, emulgointiainepitoisuuden ja kuorrutteen lämpötilanvaihtelut vaikuttavat kuorrutteen viskositeettiin, myötöjännitykseen, jähmettymisaikaan ja jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrään. Erityisesti pyrittiin selvittämään, miten jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrää saadaan säädeltyä kuorrutteen rasvapitoisuutta, emulgointiainepitoisuutta ja lämpötilaa muuttamalla. Tutkimuksen koeasetelma tehtiin Box-Behnken-mallilla. Selittäviksi muuttujiksi tutkimukseen valittiin kuorrutteen rasvan määrä, emulgointiaineen määrä ja kuorrutteen lämpötila jäätelöpuikkoja kuorrutettaessa. Vastemuuttujina oli kuorrutteen jähmettymisaika, viskositeetti, myötöjännitys ja jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrä. Tulokset käsiteltiin regressioanalyysin avulla. Muuttujien välisiä vuorovaikutuksia tutkittiin vastepintamallilla. Vastemuuttujien välisiä korrelaatioita tutkittaessa käytettiin Pearsonin korrelaatiokerrointa. Kuorrutteen rasvan määrän lisääntyminen vähensi tilastollisesti merkitsevästi jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrää, kuorrutteen jähmettymisaikaa, viskositeettia ja myötöjännitystä. Emulgointiaineen määrän lisääminen kuorrutteessa pienensi kuorrutteen määrää jäätelöpuikon päällä, kuorrutteen jähmettymisaikaa ja kuorrutteen myötöjännitystä. Kuorrutteen lämpötilan lisääminen jäätelöpuikkoja kuorrutettaessa pienensi kuorrutteen määrää ja viskositeettia. Kuorrutteen jähmettymisaika sen sijaan piteni lämpötilaa lisättäessä. Tutkimuksen perusteella voidaan sanoa, että jäätelöpuikkoja kastettaessa suklaakuorrutteen lämpötila, rasvan määrä ja lesitiinin määrä vaikuttivat jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrään. Vastepintamallinnuksen käyttö soveltui hyvin suklaakuorrutteen määrän tutkimiseen. Sen avulla saatiin selvitettyä, miten jäätelöpuikon päälle jäävän kuorrutteen määrää saadaan säädeltyä muuttamalla kuorrutteen emulgointiainepitoisuutta, rasvapitoisuutta ja lämpötilaa.

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.

Role of heat treatment in the processing and quality of oat flakes

This thesis reports on investigations into the influence of heat treatment on the manufacturing of oat flakes. Sources of variation in the oat flake quality are reviewed, including the whole chain from the farm to the consumer. The most important quality parameters of oat flakes are the absence of lipid hydrolysing enzymes, specific weight, thickness, breakage (fines), water absorption. Flavour, colour and pasting properties are also important, but were not included in the experimental part of this study. Of particular interest was the role of heat processing. The first possible heat treatment may occur already during grain drying, which in Finland generally happens at the farm. At the mill, oats are often kilned to stabilise the product by inactivating lipid hydrolysing enzymes. Almost invariably steaming is used during flaking, to soften the groats and reduce flake breakage. This thesis presents the use of a material science approach to investigating a complex system, typical of food processes. A combination of fundamental and empirical rheological measurements was used together with a laboratory scale process to simulate industrial processing. The results were verified by means of industrial trials. Industrially produced flakes at three thickness levels (nominally 0.75, 0.85 and 0.90 mm) were produced from kilned and unkilned oat groats, and the flake strength was measured at different moisture contents. Kilning was not found to significantly affect the force required to puncture a flake with a 2mm cylindrical probe, which was taken as a measure of flake strength. To further investigate how heat processing contributes to flake quality, dynamic mechanical analysis was used to characterise the effect of heat on the mechanical properties of oats. A marked stiffening of the groat, of up to about 50% increase in storage modulus, was observed during first heating at around 36 to 57°C. This was also observed in tablets prepared from ground groats and extracted oat starch. This stiffening was thus attributed to increased adhesion between starch granules. Groats were steamed in a laboratory steamer and were tempered in an oven at 80 110°C for 30 90 min. The maximum force required to compress the steamed groats to 50% strain increased from 50.7 N to 57.5 N as the tempering temperature was increased from 80 to 110°C. Tempering conditions also affected water absorption. A significantly higher moisture content was observed for kilned (18.9%) compared to unkilned (17.1%) groats, but otherwise had no effect on groat height, maximum force or final force after a 5 s relaxation time. Flakes were produced from the tempered groats using a laboratory flaking machine, using a roll gap of 0.4 mm. Apart from specific weight, flake properties were not influenced by kilning. Tempering conditions however had significant effects on the specific weight, thickness and water absorption of the flakes, as well as on the amount of fine material (<2 mm) produced during flaking. Flake strength correlated significantly with groat strength and flake thickness. Trial flaking at a commercial mill confirmed that groat temperature after tempering influenced water absorption. Variation in flake strength was observed , but at the groat temperatures required to inactivate lipase, it was rather small. Cold flaking of groats resulted in soft, floury flakes. The results presented in this thesis suggest that heating increased the adhesion between starch granules. This resulted in an increase in the stiffness and brittleness of the groat. Brittle fracture, rather than plastic flow, during flaking could result in flaws and cracks in the flake. These would be expected to increase water absorption. This was indeed observed as tempering temperature increased. Industrial trials, conducted with different groat temperatures, confirmed the main findings of the laboratory experiments. The approach used in the present study allowed the systematic study of the effect of interacting process parameters on product quality. There have been few scientific studies of oat processing, and these results can be used to understand the complex effects of process variables on flake quality. They also offer an insight into what happens as the oat groat is deformed into a flake.

Preparation and characterization of potato starch films plasticized with polyols

The present study investigated the potato starches and polyols which were used to prepare edible films. The amylose content and the gelatinization properties of various potato starches extracted from different potato cultivars were determined. The amylose content of potato starches varied between 11.9 and 20.1%. Onset temperatures of gelatinization of potato starches in excess water varied independently of the amylose content from 58 to 61°C determined using differential scanning calorimetry (DSC). The crystallinity of selected native starches with low, medium and high amylose content was determined by X-ray diffraction. The relative crystallinity was found to be around 10 13% in selected native potato starches containing 13 17% water. The glass transition temperature, crystallization melting behavior and relaxations of polyols, erythritol, sorbitol and xylitol, were determined using (DSC), dielectric analysis (DEA) and dynamic mechanical analysis (DMA). The glass transition temperatures of xylitol and sorbitol decreased as a result of water plasticization. Anhydrous amorphous erythritol crystallized rapidly. Edible films were obtained from solutions containing gelatinized starch, plasticizer (polyol or binary polyol mixture) and water by casting and evaporating water at 35°C. The present study investigated effects of plasticizer type and content on physical and mechanical properties of edible films stored at various relative water vapor pressures (RVP). The crystallinity of edible films with low, medium and high amylose content was determined by X-ray diffraction and they were found to be practically amorphous. Water sorption and water vapor permeability (WVP) of films was affected by the type and content of plasticizer. Water vapor permeability of films increased with increasing plasticizer content and storage RVP. Generally, Young's modulus and tensile strength decreased with increasing plasticizer and water content with a concurrent increase in elongation at break of films. High contents of xylitol and sorbitol resulted in changes in physical and mechanical properties of films probably due to phase separation and crystallization of xylitol and sorbitol which was not observed when binary polyol mixtures were used as plasticizers. The mechanical properties and the water vapor permeability (WVP) of the films were found to be independent of the amylose content.

Microfiltration in cheese and whey processing

Milk microfiltration (0.05-0.2 um) is a membrane separation technique which divides milk components into casein-enriched and native whey fractions. Hitherto the effect of intensive microfiltration including a diafiltration step for both cheese and whey processing has not been studied. The microfiltration performance of skimmed milk was studied with polymeric and ceramic MF membranes. The changes caused by decreased concentration of milk lactose, whey protein and ash content for cheese milk quality and ripening were studied. The effects of cheese milk modification on the milk coagulation properties, cheese recovery yield, cheese composition, ripening and sensory quality as well as on the whey recovery yield and composition by microfiltration were studied. The functional properties of whey protein concentrate from native whey were studied and the detailed composition of whey protein concentrate powders made from cheese wheys after cheese milk pretreatments such as high temperature heat treatment (HH), microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) were compared. The studied polymeric spiral wound microfiltration membranes had 38.5% lower energy consumption, 30.1% higher retention of whey proteins to milk retentate and 81.9% lower permeate flux values compared to ceramic membranes. All studied microfiltration membranes were able to separate main whey proteins from skimmed milk. The optimal lactose content of Emmental cheese milk exceeded 3.2% and reduction of whey proteins and ash content of cheese milk with high concentration factor (CF) values increased the rate of cheese ripening. Reduction of whey protein content in cheese milk increased the concentration of caseinomacropeptide (CMP) of total proteins in cheese whey. Reduction of milk whey protein, lactose and ash content reduces milk rennet clotting time and increased the firmness of the coagulum. Cheese yield calculated from raw milk to cheese was lower with microfiltrated milks due to native whey production. Amounts of a-lactalbumin (a-LA) and b-lactoglobulin (b-LG) were significantly higher in the reference whey, indicating that HH, MF and UF milk pretreatments decrease the amounts of these valuable whey proteins in whey. Even low CF values in milk microfiltration (CF 1.4) reduced nutritional value of cheese whey. From the point of view of utilization of milk components it would be beneficial if the amount of native whey and the CMP content of cheese whey could be maximized. Whey protein concentrate powders made of native whey had excellent functional properties and their detailed amino acid composition differed from those of cheese whey protein concentrate powders.

Properties of intramuscular connective tissue in pork and poultry with reference to weakening of structure

The most common connective tissue research in meat science has been conducted on the properties of intramuscular connective tissue (IMCT) in connection with eating quality of meat. From the chemical and physical properties of meat, researchers have concluded that meat from animals younger than physiological maturity is the most tender. In pork and poultry, different challenges have been raised: the structure of cooked meat has weakened. In extreme cases raw porcine M. semimembranosus (SM) and in most turkey M. pectoralis superficialis (PS) can be peeled off in strips along the perimysium which surrounds the muscle fibre bundles (destructured meat), and when cooked, the slices disintegrate. Raw chicken meat is generally very soft and when cooked, it can even be mushy. The overall aim of this thesis was to study the thermal properties of IMCT in porcine SM in order to see if these properties were in association with destructured meat in pork and to characterise IMCT in poultry PS. First a 'baseline' study to characterise the thermal stability of IMCT in light coloured (SM and M. longissimus dorsi in pigs and PS in poultry) and dark coloured (M. infraspinatus in pigs and a combination of M. quadriceps femoris and M. iliotibialis lateralis in poultry) muscles was necessary. Thereafter, it was investigated whether the properties of muscle fibres differed in destructured and normal porcine muscles. Collagen content and also solubility of dark coloured muscles were higher than in light coloured muscles in pork and poultry. Collagen solubility was especially high in chicken muscles, approx. 30 %, in comparison to porcine and turkey muscles. However, collagen content and solubility were similar in destructured and normal porcine SM muscles. Thermal shrinkage of IMCT occurred at approximately 65 °C in pork and poultry. It occurred at lower temperature in light coloured muscles than in dark coloured muscles, although the difference was not always significant. The onset and peak temperatures of thermal shrinkage of IMCT were lower in destructured than in normal SM muscles, when the IMCT from SM muscles exhibiting ten lowest and ten highest ultimate pH values were investigated (onset: 59.4 °C vs. 60.7 °C, peak: 64.9 °C vs. 65.7 °C). As the destructured meat was paler than normal meat, the PSE (pale, soft, exudative) phenomenon could not be ruled out. The muscle fibre cross sectional area (CSA), the number of capillaries per muscle fibre CSA and per fibre and sarcomere length were similar in destructured and normal SM muscles. Drip loss was clearly higher in destructured than in normal SM muscles. In conclusion, collagen content and solubility and thermal shrinkage temperature vary between porcine and poultry muscles. One feature in the IMCT could not be directly associated with weakening of the meat structure. Poultry breast meat is very homogenous within the species.

Genetic and environmental influences on human responses to odors

Olfaction, the sense of smell, has many important functions in humans. Human responses to odors show substantial individual variation. Olfactory receptor genes have been identified and other genes may also influence olfaction. However, the proportion of phenotypic variation in odor response due to genetic variation remains largely unknown. Little is also known about which genes modify specific responses to odors. This study aimed to elucidate genetic and environmental influences on human responses to odors. Individuals from Finnish families (n=146) and Australian (n=413), British (n=163), Danish (n=336), and Finnish (n=399) twins rated intensity and pleasantness of a set of 12 (families) or 6 (twins) odors and tried to identify the odors. In addition, the participants rated their own sense of smell and annoyance experienced with different environmental odors. The odor stimuli of a commercial smell test (The Brief Smell Identification Test; banana, chocolate, cinnamon, gasoline, lemon, onion, paint thinner, pineapple, rose, smoke, soap, and turpentine) were presented in the family study. Based on the results of the family study and a literature survey, a new set of odor stimuli (androstenone, chocolate, cinnamon, isovaleric acid, lemon, and turpentine) was designed for the twin studies. In the family sample, heritabilities of the traits were estimated and underlying genomic regions were searched using a genome-wide linkage scan. In the pooled twin sample, variation in the measured traits was decomposed into genetic and environmental components using quantitative genetic modeling. In addition, associations between nongenetic factors (e.g., sex, age, and smoking) and olfactory-related traits were explored. Suggestive evidence for a genetic linkage for pleasantness of cinnamon at a locus on chromosome 4q32.3 emerged from the family sample. High heritability for the pleasantness of cinnamon was found in the family but not the twin study. Heritability of perceived intensity of androstenone odor was determined to be ~30% in the twin sample. A strong genetic correlation between perceived intensity and pleasantness of androstenone, in the absence of any environmental correlation, indicated that only the genetic correlation explained the phenotypic correlation between the traits (r=-0.27) and that the traits were influenced by an overlapping set of genes. Self-rated olfactory function appeared to reflect the odor annoyance experienced rather than actual olfactory acuity or genetic involvement. Results from nongenetic analyses supported the speculated superiority of females' olfactory abilities, the age-related diminishing of olfactory acuity, and the influences of experience-dependent factors on odor responses. This was the first study to estimate heritabilities and perform linkage screens for individual odors. A genetic effect was detected for only a few responses to specific odors, suggesting the predominance of environmental effects in odor perceptions.

A matter of taste : genetic and environmental influences on responses to sweetness

Diet is a major player in the maintenance of health and onset of many diseases of public health importance. The food choice is known to be largely influenced by sensory preferences. However, in many cases it is unclear whether these preferences and dietary behaviors are innate or acquired. The aim of this thesis work was to study the extent to which the individual differences in dietary responses, especially in liking for sweet taste, are influenced by genetic factors. Several traits measuring the responses to sweetness and other dietary variables were applied in four studies: in British (TwinsUK) and Finnish (FinnTwin12 and FinnTwin16) twin studies and in a Finnish migraine family study. All the subjects were adults and they participated in chemosensory measurements (taste and smell tests) and filled in food behavior questionnaires. Further, it was studied, whether the correlations among the variables are mediated by genetic or environmental factors and where in the genome the genes influencing the heritable traits are located. A study of young adult Finnish twins (FinnTwin16, n=4388) revealed that around 40% of the food use is attributable to genetic factors and that the common, childhood environment does not affect the food use even shortly after moving from the parents home. Both the family study (n=146) and the twin studies (British twins, n=663) showed that around half of the variation in the liking for sweetness is inherited. The same result was obtained both by the chemosensory measurements (heritability 41-49%) and the questionnaire variables (heritability 31-54%). By contrast, the intensity perception of sweetness or the responses to saltiness were not influenced by genetic factors. Further, a locus influencing the use-frequency of sweet foods was identified on chromosome 16p. A closer examination of the relationships among the variables based on 663 British twins revealed that several genetic and environmental correlations exist among the different measures of liking for sweetness. However, these correlations were not very strong (range 0.06-0.55) implying that the instruments used measure slightly different aspects of the phenomenon. In addition, the assessment of the associations among responses to fatty foods, dieting behaviors, and body mass index in twin populations (TwinsUK n=1027 and FinnTwin12 n=299) showed that the dieting behaviors (cognitive restraint, uncontrolled eating, and emotional eating) mediate the relationship between obesity and diet. In conclusion, the work increased the understanding of the background variables of human eating behavior. Genetic effects were shown to underlie the variation of many dietary traits, such as liking for sweet taste, use of sweet foods, and dieting behaviors. However, the responses to salty taste were shown to be mainly determined by environmental factors and thus should more easily be modifiable by dietary education, exposure, and learning than sweet taste preferences. Although additional studies are needed to characterize the genetic element located on chromosome 16 that influences the use-frequency of sweet foods, the results underline the importance of inherited factors on human eating behavior.

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.

Mannans as film formers and emulsion stabilizers

Mannans are abundant plant polysaccharides found in the endosperm of certain leguminous seeds (guar gum galactomannan, GG; locust bean gum galactomannan, LBG), in the tuber of the konjac plant (konjac glucomannan, KGM), and in softwoods (galactoglucomannan, GGM). This study focused on the effects of the chemical structure of mannans on their film-forming and emulsion-stabilizing properties. Special focus was on spruce GGM, which is an interesting new product from forest biorefineries. A plasticizer was needed for the formation of films from mannans other than KGM and the optimal proportion was 40% (w/w of polymers) glycerol or sorbitol. Galactomannans with lower galactose content (LBG, modified GG) produced films with higher elongation at break and tensile strength. The mechanical properties of GG-based films were improved by decreasing the degree of polymerization of the polysaccharide with moderate mannanase treatments. The improvement of mechanical properties of GGM-based films was sought by blending GGM with each of poly(vinyl alcohol) (PVOH), corn arabinoxylan (cAX), and KGM. Adding other polymers increased the elongation at break of GGM blend films. The tensile strength of films increased with increasing amounts of PVOH and KGM, but the effect of cAX was the opposite. Dynamic mechanical analysis showed two separate loss modulus peaks for blends of GGM and PVOH, but a single peak for all other films. Optical and scanning electron microscopy confirmed good miscibility of GGM with cAX and KGM. In contrast, films blended from GGM and PVOH showed phase separation. GGM and KGM were mixed with cellulose nanowhiskers (CNW) to form composite films. Addition of CNW to KGM-based films induced the formation of fiberlike structures with lengths of several millimeters. In GGM-based films, rodlike structures with lengths of tens of micrometers were formed. Interestingly, the notable differences in the film structure did not appear to be related to the mechanical and thermal properties of the films. Permeability properties of GGM-based films were compared to those of films from commercial mannans KGM, GG, and LBG. GGM-based films had the lowest water vapor permeability when compared to films from other mannans. The oxygen permeability of GGM films was of the same magnitude as that of commercial polyethylene / ethylene vinyl alcohol / polyethylene laminate film. The aroma permeability of GGM films was low. All films were transparent in the visible region, but GGM films blocked the light transmission in the ultraviolet region of the spectra. The stabilizing effect of GGM on a model beverage emulsion system was studied and compared to that of GG, LBG, KGM, and cAX. In addition, GG was enzymatically modified in order to examine the effect of the degree of polymerization and the degree of substitution of galactomannans on emulsion stability. Use of GGM increased the turbidity of emulsions both immediately after preparation and after storage of up to 14 days at room temperature. GGM emulsions had higher turbidity than the emulsions containing other mannans. Increasing the storage temperature to +45 ºC led to rapid emulsion breakdown, but a decrease in storage temperature increased emulsion stability after 14 days. A low degree of polymerization and a high degree of substitution of the modified galactomannans were associated with a decrease in emulsion turbidity.

Viilin varahapatteen kehittäminen

Kirjallisuuskatsauksessa käsiteltiin viiliä hapanmaitotuotteena, viilin arviointimenetelmiä sekä viilihapatteissa käytettyjen hapatekantojen vaikutuksia maidossa ja niiden vuorovaikutuksia toisiinsa. Lisäksi pohdittiin viilihapatteiden bakteriofaageja, niiden ehkäisyä sekä solunsisäisiä että -ulkoisia faagiresistenssimekanismeja. Kokeellisessa osassa tutkittiin, onko nykyisten tuotantohapatteiden koostaminen yksittäiskannoista mahdollista, sekä koostettiin uusista Lactococcus lactis ssp. cremoris -kannoista varahapate. Hapatteiden käyttökelpoisuutta tutkittiin rakennemittauksin ja aistinvaraisin menetelmin. Varahapatteen faagikestävyyttä testattiin valmistamalla viiliä ja infektoimalla viilit faaginäytteillä. Hapatekannat viljeltiin fermentorissa, konsentroitiin sentrifugoimalla ja pakastettiin –75 °C:ssa. Hapatteet koostettiin noin 1 päivä ennen viilin valmistusta. Viilit arvioitiin aistinvaraisesti 3–6 hengen ryhmässä ja viileille tehtiin rakennemittaukset (kiinteys, sakeus ja koossapysyvyys) sekä kemialliset analyysit. Aistinvaraisen arvioinnin tulokset käsiteltiin tilastollisesti ja tulosten perusteella tehtiin uudet kantakombinaatiot ja viilit. Tuotantohapatekannoilla valmistetut viilit arvioitiin kolmitestillä (n = 10–11) ja uusilla kannoilla valmistetut viilit arvioitiin profiilitestillä (n = 8). Lisäksi viileille tehtiin rakennemittaukset ja kemialliset analyysit. Varahapatekoosteilla valmistettujen viilien pH laski 4,5:een faagin läsnäollessa 0–10 tunnin viiveellä verrattuna faagivapaisiin viileihin, kun taas tuotantohapatteet eivät hapantuneet faagin läsnäollessa. Aromintuottajat eivät kasvaneet viileissä kunnolla, kun hapate koostettiin yksittäiskannoista. Kolmitestissä ei erotettu nykyisillä tuotantohapatteilla valmistettua viiliä yksittäin koostetusta hapatteesta, eli hapatteita on mahdollista koostaa yksittäiskannoista. Varahapatteilla koostetut viilit poikkesivat profiilitestissä tuotantohapatteella koostetusta viilistä ulkonäkö- ja rakenneominaisuuksiltaan. Makuominaisuuksien suhteen ei viilien välille saatu eroa.

Konjac- ja galaktoglukomannaanipohjaiset emulsiokalvot

Emulsiokalvolla tarkoitetaan kalvoa, joka on valmistettu haihduttamalla ylimääräinen vesi pois emulsiosta. Polysakkaridipohjainen emulsiokalvo koostuu kalvonmuodostuspolysakkaridista, rasvasta, emulgointiaineesta ja pehmittimestä. Kirjallisuusosassa selvitettiin, mitä raaka-aineita polysakkaridipohjaisissa emulsiokalvoissa käytetään ja mitkä tekijät vaikuttavat emulsiokalvojen vesihöyrynläpäisevyyteen ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Tutkimuksen kokeellisen osan tavoitteena oli selvittää, miten konjac-glukomannaani (KGM) ja kuusen galaktoglukomannaani (GGM) soveltuvat emulsiokalvon raaka-aineiksi. Lisäksi selvitettiin, miten rasvan tyyppi ja rasvapitoisuus vaikuttavat GGM-KGM-pohjaisten emulsiokalvojen mekaanisiin ominaisuuksiin ja vesihöyrynläpäisevyyteen. Mehiläisvahasta, mäntyöljystä ja rypsiöljystä valmistettiin emulsiokalvot, joissa oli 30 %:n (paino-% GGM:sta) rasvapitoisuudet. Lisäksi mehiläisvahasta valmistettiin emulsiokalvot, joissa oli 10 ja 50 % mehiläisvahaa. Emulsiokalvoja verrattiin vertailukalvoon, jossa ei ollut rasvaa. Kalvoissa käytetty KGM:n ja GGM:n suhde oli 1:1. Kalvoista mitattiin vesihöyrynläpäisevyys ja -läpäisynopeus, vetolujuus, Youngin moduuli ja murtovenymä. Näiden lisäksi kalvojen poikkileikkaus kuvattiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla. GGM ja KGM soveltuvat emulsiokalvon raaka-aineiksi. Huoneenlämpötilassa kuivatuista kalvoista saatiin tasaisemman näköisiä kuin lämpökaapissa kuivatuista. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvissa vahapisarat olivat öljypisaroita pienempiä, mikä mahdollisesti vaikutti siihen, että vahapisarat pysyivät paremmin kiinnittyneenä kalvomatriisissa. Öljypisaroiden koko oli kalvoissa noin 10 ?m ja vahapisaroiden 2–6 ?m. Vesihöyrynläpäisynopeus oli pienin 50 %:n mehiläisvahakalvolla (p < 0,05). Vesihöyrynläpäisevyys laski lineaarisesti mehiläisvahapitoisuuden suurentuessa. Öljykalvot ja 10 %:n mehiläisvahakalvo eivät eronneet tilastollisesti merkitsevästi vesihöyrynläpäisevyyden suhteen vertailukalvosta. Pienin vetolujuus ja Youngin moduuli oli 50 %:n mehiläisvahakalvolla. Vertailukalvo oli kestävin ja jäykin. Murtovenymän suhteen kalvot eivät eronneet toisistaan tilastollisesti merkitsevästi. Tutkimuksessa onnistuttiin valmistamaan GGM-KGM-pohjaisia emulsiokalvoja, jotka pidättivät vesihöyryä vertailukalvoa paremmin ja silti säilyttivät mekaaniset ominaisuutensa kohtuullisen hyvin.

Kotimaisen tuorekalan tuoreuden arviointi laatuindeksimenetelmällä QIM®

Kalateollisuus ja kalakauppa tarvitsisivat menetelmän, jolla kalan säilyvyyttä voitaisiin arvioida reaaliaikaisesti ja luotettavasti. Laatuindeksimenetelmä QIM® (engl. Quality Index Method) on käytössä jo useassa Euroopan maassa useille eri kalalajeille. QIM® pyrkii lajikohtaisesti ennustamaan aistinvaraisten ominaisuuksien muutoksien perusteella jäljellä olevaa säilyvyysaikaa. Työn tavoitteena oli luoda QIM® meressä kasvatetulle siialle. Tämä on ensimmäinen suomalaiselle kalalle tehtävä QIM®, ja tavoitteena on saada meressä kasvatetun siian QIM® myös viralliseen QIM®-käsikirjaan. Tutkimus tehtiin Elintarviketurvallisuusvirasto Eviralle. Tutkittavat kalat Evira osti Kalatukku E. Eriksson Oy:ltä. QIM®-tuloksen tueksi tutkittiin yhden erän pH ja indikoitiin pilaantuminen myös mikrobiologisesti. Luotiin myös kasvatetun siian profiili (arvioijia 13). Itse tutkimusosassa kaksi profiiliraatia (n = 9) ja QIM®-raati (n = 5) arvioivat raa’an ja kypsän kalan. Tulos varmistettiin myös aistinvaraisella kalan laadunarviointimenetelmällä (Evira 8001). QIM®-raati loi QIM®-luonnoksen ja luonnoksen toimivuutta testattiin. Kiinteänä osana työn toteutusta oli myös eri vaiheiden muutosten valokuvaus. Tämän tutkimuksen mukaan luotu QIM®-luonnos on toimiva pohja validoitaessaa QIM®-menetelmää siialle. Voidaan myös todeta, että QIM® soveltuu meressä kasvatetulle siialle. Kypsän kalan aistinvaraisella laadunarviointimenetelmällä (Evira 8001) analysoitiin säilytysajankohta, jolloin kypsästä kalasta voitiin todeta kalan kauppakelvottomuus – tätä pidettiin ajanhetkenä, jolloin raa’an kalan tutkiminen voitiin lopettaa. Tutkimuksessa käytetty mikrobiologinen menetelmä ”Mikrobien lukumäärän määrittäminen” (Evira 3420/1) korreloi QIM®-tuloksen kanssa; kalanäyte oli tässä tutkimuksessa niin mikrobiologisesti arvioituna kuin laatuindeksinkin mukaan käyttökelvotonta viidentenätoista päivänä. Tutkittujen kalojen pH-arvoja ei voitu verrata laatuindeksiin, sillä tässä tutkimuksessa mitattujen pH-arvojen tuloksista ei voitu päätellä pilaantumisen etenemistä. Kun QIM® meressä kasvatetulle siialle on validoitu (Evira), valmista meressä kasvatetun siian QI-menetelmää voidaan hyödyntää jatkossa Suomen kalateollisuudessa ja -markkinoilla. Olisi hyvä, jos QIM® luotaisiin myös muille Suomen yleisimmille kauppakaloille, jotta pakkauksiin merkityt viimeiset käyttöpäivät perustuisivat yhteen yhteiseen menetelmään ja näin viimeisellä käyttöpäivällä olisi tieteellinen pohja.

Demi-glace-kastikepohjan valmistuksen optimointi ylipainekeittomenetelmälle

Tämän tutkimuksen kirjallisuusosan tavoitteena oli selvittää perinteisen kastikepohjan valmistukseen ja valmistuksen kokonaisvaltaiseen onnistumiseen vaikuttavia seikkoja. Lisäksi käsiteltiin kastikepohjan valmistukseen liittyviä ympäristö- ja energia-asioita, kuten eläinperäisten sivutuotteiden kierrätysmahdollisuuksia. Kokeellisessa osassa tutkimuksen keskeinen lähtökohta oli pyrkiä löytämään ratkaisu ylipainekeittomenetelmään liittyvään kastikepohjan liemiaineksen sameutumisongelmaan. Tutkimuksessa haluttiin löytää syyt sameuden muodostumiseen luiden painekeitossa (max. 1,5 bar). Näin pyrittiin selvittämään keinot sameuden syntymisen estämiseen tai tuotteesta poistamiseen. Ratkaisua etsittiin sekä keittoaika-paine-kombinaatiosta että proteolyyttisen entsyymivalmisteen käytöstä. Tavoitteena oli ulkonäöltään kirkas ja kuiva-ainepitoisuudeltaan mahdollisimman korkea naudanmakuinen demi-glace-kastikepohjaliemi. Liemiaineksista tarkasteltiin kuiva-aine-, kokonaisproteiini- ja sidekudosproteiinipitoisuuksia, pH-arvoja sekä sameutta, ja vertailtiin näitä tuloksia käytettyihin valmistusmenetelmiin ja -olosuhteisiin. Lisäksi otettiin selvää lämmöntalteenoton parantamis-mahdollisuuksista. Tutkimuksessa valmistetun kastikepohjaliemen kuiva-aine koostui pääasiassa proteiineista. Liemen valmistuksessa suuremmalla paineella päästiin hieman nopeammin samoihin kuiva-ainepitoisuuksiin kuin matalammalla paineella. Samoin tapahtui entsyymiä käytettäessä kuin käyttämättä jätettäessä. Tämän tutkimuksen perusteella korkeaa kuiva-ainepitoisuutta tavoiteltaessa kastikepohjaliemen valmistuksessa on valittava korkean sidekudosproteiinin tai sameuden väliltä. Ylipainekeitolla luista saatiin irti lähes pelkästään sidekudosproteiinia, koska luita kuumennettaessa vain kollageeni liukeni veteen muiden proteiinien saostuessa. Lämmöntalteenottojärjestelmien rakentaminen pieneen elintarviketeollisuusyritykseen voi olla kannattamatonta, koska investointikustannuksia ei välttämättä pystytä maksamaan takaisin. Energiatehokkuuden parantaminen pienessä elintarviketeollisuusyrityksessä on haastavaa, mutta kuitenkin mahdollista ammattilaisten tekemien tarkkojen laskelmien ja arviointien avulla.