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.

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.

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.