The impact of enzyme-assisted extraction on the applicability of oat proteins in different food systems

Although oats are a common ingredient in many foods, product development can prove challenging given the limited techno-functional properties of oat protein ingredients. There is a need for such oat protein ingredients with improved techno-functional properties that are processed utilizing mild extraction methods. This study focused on the development of enzyme-assisted extraction methods to produce oat protein concentrates with varying techno-functional properties for different food systems. The effect of these extraction processes on the produced oat protein concentrates was also characterized. The first developed method focused on one-step α-amylase-aided extraction to concentrate commercial oat protein flour. The destarched oat protein concentrate had a protein content of 33% and exhibited limited water solubility due to the extensive heat treatment utilized in the extraction process. Therefore, the applicability of destarched oat protein concentrate in a solid food system was investigated. The destarched oat protein concentrate was successfully texturized with a high-moisture extrusion when blended with pea protein isolate. When the melt temperature of the extruded protein blend was high enough to denature the proteins, fibrillar structures were achieved. The melt temperature where fibrillar structures were obtained corresponded to the protein denaturation temperature of the destarched oat protein concentrate and the pea protein isolate as well as the blend of these proteins. Elevated extrusion temperatures also influenced the protein-protein interactions of the extrudates that promoted the formation of insoluble complexes. The second developed extraction process focused on extracting and concentrating oat proteins from oat flour with an enzyme-assisted extraction process combined with ultrafiltration with or without deamidation by protein-glutaminase. The protein content of these oat protein concentrates varied from 45% to 50% and exhibited improved water solubility. Therefore, the applicability of these ingredients in semi-solid to aqueous food systems was investigated. The parameters of the pilot-scale enzyme-assisted extraction of oat proteins were optimized so that the maximal protein solubility was achieved (84.2%) but utilizing mild extraction conditions and avoiding high-cost factors. The ultrafiltered oat protein concentrates with and without deamidation had significant differences in water solubility and foaming properties at pH 7.0. These differences may be explained by the fact that enzymatic deamidation significantly altered the surface characteristics of the oat proteins by increasing the negative net charge and surface hydrophobicity as well as reducing the average volume-based particle size. However, these changes had little impact on the gelation properties as both oat protein concentrates produced heat-induced gel structures with equal gel elasticity at a protein concentration of 10%. The surface activity of the deamidated and ultrafiltered oat protein concentrate was significantly reduced compared to the ultrafiltered oat protein concentrate. This was attributed to the increased negative net charge that enhanced the repulsion between the oat proteins. This might have decreased the concentration of oat proteins at the air-water interface. Additionally, the role of non-polar and polar lipids in the interfacial properties of oat proteins at the air-water interface was investigated. Removal of polar lipids reduced the surface activity of oat protein concentrates due to the denaturation of albumin and/or globulins. Moreover, foaming properties were shown to be significantly improved when non-polar lipids were removed, but the removal of polar lipids only improved the foaming properties of deamidated and ultrafiltered oat protein concentrate. In conclusion, α-amylase-aided extraction to concentrate commercial oat protein flour showed promise as a method to modify the techno-functional properties of oat proteins increasing their applicability in production of solid food products with high-moisture extrusion. Additionally, this study demonstrated that enzyme-assisted extraction method combined with ultrafiltration with and without deamidation can be utilized to produce oat protein concentrates with improved techno-functional properties that show potential as ingredients for food systems ranging from semi-solid to aqueous.

Kaura on yleinen raaka-aine monissa elintarvikkeissa, mutta uudenlaisten elintarvikkeiden kehittäminen kauran proteiineista on haastavaa johtuen niiden rajallisista teknofunktionaalisista ominaisuuksista. Tämän takia on tarve kehittää kauraproteiini raaka-aineita, joilla olisi paremmat teknofunktionaaliset ominaisuudet, hyödyntämällä miedompia prosessiolosuhteita proteiinien eristämisessä. Tässä tutkimuksessa kehitettiin entsyymiavusteisia proteiinien eristysprosesseja, joilla pystytään tuottamaan kauraproteiinikonsentraatteja monipuolisilla teknofunktionaalisilla ominaisuuksilla erilaisiin ruokasovelluksiin. Lisäksi tutkittiin eristysprosessien vaikutusta kauraproteiinikonsentraatteihin. Ensimmäisessä uuttomenetelmässä kaupallinen kauraproteiinijauho konsentroitiin yksivaiheisella α-amylaasiavusteisella eristysmenetelmällä. Konsentroidun kauraproteiinikonsentraatin proteiinipitoisuus oli 33%, ja sen vesiliukoisuus oli heikko eristysprosessissa käytetyn lämpökäsittelyn vuoksi. Heikosta vesiliukoisuudesta johtuen α-amylaasiavusteisesti konsentroidun kauraproteiinikonsentraatin toimivuutta tutkittiin kiinteässä mallisysteemissä. Mallisysteeminä käytettiin märkäekstruusiolla valmistettua, lihaa rakenteeltaan muistuttavia ekstrudaatteja. Konsentroidun kauraproteiinikonsentraatin ja herneproteiini-isolaatin seos teksturoitiin onnistuneesti märkäekstruusiolla. Proteiiniseoksen sulalämpötilan noustessa ekstruusioprosessissa lämpötilaan, jossa proteiinit denaturoituivat, proteiiniseos muodosti kuitumaista rakennetta. Sulalämpötila, jossa kuitumaista rakennetta muodostui, vastasi α-amylaasiavusteisesti konsentroidun kauraproteiinikonsentraatin, herneproteiini-isolaatin sekä näiden seoksen proteiinien denaturointilämpötilaa. Lisäksi korkeat ekstruusiolämpötilat vaikuttivat ekstrudaattien proteiinien välisiin vuorovaikutuksiin edistämällä liukenemattomien kompleksien muodostumista. Toisessa menetelmässä kauraproteiinit uutettiin kaurajauhosta entsyymiavusteisella eristysmenetelmällä proteiiniglutaminaasin kanssa tai ilman sitä. Lopuksi proteiinit konsentroitiin ultrasuodatuksella. Valmistettujen kauraproteiinikonsentraattien proteiinipitoisuudet olivat 45% ja 50%, ja ne liukenivat erinomaisesti veteen neutraalissa pH:ssa. Proteiinikonsentraattien toimivuutta puolikiinteässä mallisysteemissä arvioitiin tutkimalla geeliytymisominaisuuksia ja soveltuvuutta nestemäisessä mallisysteemissä arvioitiin tutkimalla rajapinta- ja vaahtoutumisominaisuuksia. Pilot-mittakaavan kauraproteiinien uuttoprosessin parametrit optimoitiin, jotta saavutettiin maksimaalinen proteiinien liukoisuus (84,2%) hyödyntäen kuitenkin mahdollisimman mietoja eristysolosuhteita ja välttäen suuria prosessikustannuksia. Deamidoidun ja deamidoimattoman ultrasuodatettujen kauraproteiinikonsentraattien vesiliukoisuus- ja vaahtoutumisominaisuudet poikkesivat merkitsevästi toisistaan neutraalissa pH:ssa. Eroja selittää se, että entsymaattinen deamidaatio merkitsevästi vaikutti kauraproteiinien pintaominaisuuksiin kasvattamalla negatiivisten pintavarausten määrää ja pinnan hydrofobisuutta sekä pienentämällä proteiinien partikkelikokoa. Edellä mainituilla muutoksilla ei ollut vaikutusta kauraproteiinikonsentraattien geeliytymisominaisuuksiin, koska molemmat kauraproteiinikonsentraatit muodostivat yhtä elastisen geelin 10% proteiinipitoisuudessa. Deamidoidun ja ultrasuodatetun kauraproteiinikonsentraatin pinta-aktiivisuus väheni oli merkitsevästi verrattuna ultrasuodatetun kauraproteiinikonsentraatin pinta-aktiivisuuteen. Tämä ero todennäköisimmin johtui kasvaneista negatiivisista pintavarauksista, jotka lisäsivät kauraproteiinien välisiä repulsioita, mikä myös todennäköisesti johti kauraproteiinien konsentraation alenemiseen ilma-vesirajapinnalla. Lisäksi tutkittiin poolisten- ja poolittomien lipidien vaikutusta kauraproteiinien ominaisuuksiin ilma-vesirajapinnoilla. Poolisten lipidien poistaminen vähensi merkitsevästi kauraproteiinikonsentraattien pinta-aktiivisuutta johtuen albumiinien ja globuliinien denaturoitumisesta. Lisäksi kauraproteiinikonsentraattien vaahtoutumisominaisuudet paranivat merkitsevästi poolittomien lipidien poistamisen myötä, mutta poolisten lipidien poistaminen paransi vain deamidoidun ja ultrasuodatetun kauraproteiinikonsentraatin vaahtoutumisominaisuuksia. Lopputuloksena kaupallisen kauraproteiinijauhon konsentrointi α-amylaasiavusteisella uuttomenetelmällä osoittautui lupaavaksi menetelmäksi kauraproteiinien teknofunktionaalisten ominaisuuksien muokkaamiseksi, mikä paransi proteiinien soveltuvuutta kiinteiden lihankaltaisten ekstrudaattien valmistukseen märkäekstruusiolla. Lisäksi entsyymiavusteinen erotusmenetelmä yhdistettynä ultrasuodatukseen osoittautui uudenlainlaiseksi menetelmäksi valmistaa kauraproteiinikonsentraatteja erinomaisilla teknofunktionaalisilla omaisuuksilla. Tällä menetelmällä valmistetut uudenlaiset kauraproteiinikonsentraatit voisivat olla potentiaalisia raaka-aineita puolikiinteisiin elintarvikkeisiin sekä nestemäisiin elintarvikkeisiin.