Investigating the potential of raffinose family oligosaccharides for applications towards food by means of biorefining, fermentation and enzymatic tailoring

Summary

Interessen for belgvekster har økt i de siste årene og forskning og utvikling har fokusert mye på proteiner og deres funksjon i mat produkter. Karbohydratene i belgvekster har samtidig fått mindre oppmerksomhet. En av karbohydrattypene i belgvekster er raffinose oligosakkarider (RFOs), som utgjør opp mot 6 % av frøet. Mennesker er ikke i stand til å bryte ned disse oligosakkaridene selv og derfor havner de i tykktarmen hvor mikroorganismer nyttiggjør seg av dem. Dette er grunnlaget for at RFOs kategoriseres som FODMAPs (fermenterbare oligo-, di- og monosakkarider og sukkeralkoholer) og at de ved inntak kan forårsake negative symptomer hos mennesker som oppblåsthet, kvalme og diaré. Mennesker med fordøyelsessykdom som IBS (irritabel tarm syndrom) er ofte anbefalt å unngå disse i kostholdet sitt. For sunne mennesker kan slike oligosakkarider derimot stimulere til vekst av gunstige tarmbakterier som gir positive helseeffekter, og disse karbohydratforbindelsene kan da klassifiseres som prebiotika. Hypotesen i denne avhandlingen er at det er mulig å utnytte RFOs bedre enn det gjøres i dag og at dette kan gjøres ved å bruke moderne bioraffinerings-, fermenterings- og enzymteknologier. I det første arbeidet (manuskript 1) ble det utviklet en industrianvendelig bioraffinerings prosess for å isolere RFOs fra protein konsentrater fra nordiske belgvekster. Studien viste, at ved å bruke skalerbart utstyr og vann med noe redusert pH, kan man produsere 1 kg med RFO-ekstrakt per 10 kg proteinkonsentrat. RFO innholdet i ekstraktet varierte mellom åkerbønner og erter (30-50% RFOs), men den opprinnelige protein fraksjonen fikk likevel redusert RFO inneholdet med 70-90 % og fikk samtidig et noe høyere protein innehold (+5-6 %) enn ved startpunktet. Prosessen skaper dermed en mer verdifull proteinfraksjon (mer protein, mindre FODMAPs), samtidig som karbohydratene som fjernes kan brukes videre til å lage andre mat produkter, prebiotika og ingredienser. For å teste mulige anvendelser ble det i manuskriptet 2 undersøkt om hvordan RFO ekstraktene kan stimulere vekst av ønskede melkesyrebakterier i fermenterte mat produkter og samtidig hvordan sensoriske egenskaper blir påvirket. 14 bakteriestammer ble testet for vekst på RFOs isolert fra arbeidet med manuskript 1 i både generelle vekstkultur media og øl hvor veksthemmende substanser (etanol, humle) er til stede. Etter screeningen ble tre stammer (to Lactobacillus og en Lactococcus) valgt for å produsere to typer surøl med RFOs og gjær (Brettanomyces) i co-kulturer. Kromatografisk analyse av produktene viste at bakteriene omsatte RFOs og at konsentrasjon av syrer og andre metabolitter økte innen tre uker. I tillegg sammenlignet et trent smakspanel de RFObaserte surølene med et tradisjonelt belgisk surøl, samt kontroll-øl uten RFOs. Panelet fant at RFO tilsetning økte flere smakskarakteristikker og at noen av dem er sammenlignbare med belgisk øl som trenger flere år å produseres. Spennende nok, økte RFO tilsetning ikke smak av bønner, ofte et problem med ingredienser fra belgvekst, og det belgisk ølet smakte ifølge den sensoriske testen mest av bønner. I manuskript 3 ble en annen bioteknologisk bruk av RFOs undersøkt: Enzymatisk modifisering. Bruk av laktose og sukrose er vanlig for å produsere prebiotiske oligosakkarider gjennom enzymatisk transglykosylering. Her er potensiale til RFOs mindre utforska. Derfor brukte studien RFOs sammen med laktose og det velkjente enzymet BgaD-D fra Niallia circulans til å produsere nye typer oligsakkarider med flere ulike typer glykosidbindinger. Hypotesen er at disse er mindre fermenterbare av tarm bakteriene og dermed vil redusere de typiske symptomer av FODMAPs. Reaksjoner viste at RFOs fungerer som akseptor i transglykolyseringen og at viktige reaksjonsparameter ligner på de reaksjonene med laktose alene. Med NMR (kjernemagnetisk resonansspektroskopi) kunne produktene identifiseres og det ble vist at produktene hovedsakelig er av typen galactosyl-(β1-4)-RFO. Disse produktene ble deretter fermentert med 12 bakteriestammer som er relevante for mat og fordøyelse. Resultatene indikerer redusert fermenterbarhet av noen stammer, mens vekst av noen typiske tarmbakterier som er tilpasset vekst på komplekse glykaner (Bacteroides sp.) er tilnærmet upåvirket. Denne studien viste dermed potensiale for enzymatisk modifisering av RFOs til å redusere FODMAP symptomer. Oppsummert viser avhandlingen at betydelige mengder RFOs kan ekstraheres fra kommersielle råstoffer og at de kan fungere som utgangspunkt for å lage mat og ingredienser. Dette reduserer sidestrømmer fra matproduksjonen, kan bidra til forbedring av belgvekstprodukter til de av konsumentene som reagerer på RFOs og også utvide produksjonsmulighetene for industrien som produserer ingredienser som er basert på belgvekster.