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Characterisation of functional and sensory properties of lupin proteins

Charakterisierung der funktionellen und sensorischen Eigenschaften von Lupinenproteinen
 
: Mittermeier, S.

:
Fulltext (PDF; )

Nürnberg, 2013, 199 pp.
Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2013
URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-45838
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IVV ()

Abstract
Seeds of sweet lupins are valuable sources for the production of lupin protein isolates due to their high protein content and their high nutritive value. Besides, lupin proteins exhibit excellent functional properties regarding protein solubility and emulsifying properties. However, the sensory characteristics of the lupin protein isolates and changes during storage impede their commercial availability. Therefore, the aim of the present work was to characterise impact factors on the functional properties of protein isolates during processing. Additionally, the odour-active compounds most likely responsible for the characteristic flavour of lupin flours and protein isolates were identified using high resolution gas chromatography-olfactometry/mass spectrometry. Furthermore, de‑oiling with organic solvents and supercritical CO2 was investigated as possibilities to improve the flavour of the isolates. First of all, the effects of different lupin species (L. albus cv. TypTop, L. luteus cv. Bornal) and lupin varieties of L. angustifolius L. on the chemical composition of flours and isolates as well as on the functional characteristics of the produced isolates were investigated. Diverging protein functionalities were obtained for protein isolates derived from different lupin species. The protein isolates of L. angustifolius L. revealed excellent emulsifying properties, whereas only moderate emulsifying characteristics were observed for the protein isolates derived from the other species. Compared with the LPI of the other species, the proteins of L. albus cv. TypTop formed viscous gels at a concentration of 15% (w/w). Thus, the LPI with different functional profiles are suitable for various food applications, e.g. as emulsifiers in case of L. angustifolius L. and as a gelling agent in case of L. albus cv. TypTop. The diverging functionalities seem to be caused by the presence of different protein fractions with varying molecular weights as shown by one-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis. Altogether, greater variations were obtained between lupin species than between lupin varieties, but also environmental conditions during growth seemed to influence dry matter recoveries during protein isolation. Due to its availability and the highest protein recovery among the narrow-leafed lupin species, L. angustifolius cv. Boregine was chosen for further investigations. Thereby, the present thesis focussed on the identification of odour-active compounds in lupin flour and potential changes during storage and isolate production. The odorants, which were identified for the first time in lupin flour and protein isolates, comprised compounds of various chemical classes including aldehydes, ketones, carboxylic acids, 3-alkyl-2-methoxypyrazines and lactones. According to the different chemical properties and the specific structural features of the identified odorants different metabolic and reaction pathways like lipoxygenase-mediated reactions, oxidation of fatty acids or secondary plant metabolism leading to these substances can be assumed. Besides, the aroma profile of the protein isolate changed significantly to higher intensities of fatty, hay-like, green and oat flakes-like odour impressions in relation to the lupin flour samples. Consequently, higher FD-factors were obtained for saturated and unsaturated aldehydes in the isolate compared to lupin flour representing oxidation of fatty acids, which is most likely related to the activity of lipoxygenase. In order to improve the aroma of the LPI, lipid oxidation should be avoided, which might be accomplished by either enzyme inactivation or by de-oiling of lupin flakes. In the present thesis the effect of de-oiling by the application of various organic solvents as well as supercritical CO2 on the flavour and the functional properties of the isolates were investigated. Only de-oiling with ethanol and 2-propanol resulted in slightly decreased protein solubilities of the flakes, which subsequently resulted in lower protein recoveries. Furthermore, independent of the de‑oiling process all isolates revealed excellent functional properties. The overall acceptance of the LPI produced from supercritical CO2-extracted flakes was rated higher than that of the protein isolates derived from organic solvent de-oiled and from full-fat lupin flakes, respectively. Therefore, de-oiling with supercritical CO2 is a preferable alternative to de-oiling with organic solvents considering the protein recoveries, the functional and the sensory properties of the isolates. The present thesis highlighted the potential of narrow-leafed lupin varieties, in particular L. angustifolius cv. Boregine, as a valuable source for the efficient production of highly functional protein isolates with improved flavour due to de-oiling with supercritical CO2. However, the inactivation of enzymes for flavour improvement was not part of the present work and should be addressed in future.

 

Aufgrund ihres hohen Protein- und Nährstoffgehalts stellen Süßlupinen eine wertvolle Quelle für die Herstellung von Proteinisolaten dar. Außerdem verfügen Lupinenproteine über hervorragende Proteinlöslichkeiten und Emulgiereigenschaften. Allerdings erschweren ihre sensorischen Eigenschaften und Veränderungen dieser während der Lagerung ihre kommerzielle Verfügbarkeit. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, Einflussfaktoren auf die funktionellen Eigenschaften von Proteinisolaten während der Herstellung zu untersuchen. Außerdem wurden die aroma-aktiven Substanzen, welche für das charakteristische Aromaprofil von Lupinenmehlen und -proteinisolaten verantwortlich sind, mittels Gaschromatographie-Olfaktometrie und zwei-dimensionaler Gaschromatographie-Massenspektrometrie identifiziert. Weiterhin wurde als Möglichkeit zur Verbesserung der sensorischen Eigenschaften der Lupinenproteinisolate die Entölung mit Hilfe von organischen Lösemitteln und überkritischem CO2 untersucht. Zunächst wurde der Einfluss unterschiedlicher Lupinensorten (L. albus cv. TypTop, L. luteus cv. Bornal) und -varietäten von L. angustifolius L. auf die Zusammensetzung der Mehle und Isolate sowie auf die funktionellen Eigenschaften der daraus hergestellten Proteinisolate untersucht. Insgesamt wiesen die Proteinisolate von L. angustifolius L. herausragende Emulgiereigenschaften auf, wohingegen bei den Isolaten der anderen Lupinensorten nur mäßige Emulgiereigenschaften beobachtet werden konnten. Im Vergleich zu den Isolaten der anderen Lupinensorten bildeten die Proteine von L. albus cv. TypTop bei einer Konzentration von 15 Gew.-% viskose Gele. Die Proteinisolate mit ihren unterschiedlichen funktionellen Eigenschaften sind für den Einsatz in verschiedensten Lebensmittelsystemen geeignet, wie beispielsweise als Emulgator im Fall von L. angustifolius L. und als Gelbildner im Fall von L. albus cv. TypTop. Diese divergierenden funktionellen Eigenschaften der Proteinisolate könnten auf die Anwesenheit unterschiedlicher Proteinfraktionen mit verschiedenem Molekulargewicht zurückzuführen sein, was mittels 1-dimensionaler Gelelektrophorese gezeigt wurde. Insgesamt zeigte sich, dass zwischen den einzelnen Lupinensorten größere Unterschiede bestanden als zwischen Varietäten; jedoch beeinflussten auch die Umweltbedingungen während des Wachstums die Trockenmasse-Ausbeuten während des Isolierungsprozesses. Aufgrund der Verfügbarkeit und der höchsten Proteinausbeute aller untersuchten Schmalblättrigen Lupinenvarietäten wurde L. angustifolius cv. Boregine für die weiterführenden sensorischen Untersuchungen ausgewählt. Dabei konzentrierte sich die vorliegende Arbeit auf die Identifizierung von Aromastoffen in Lupinenmehl und die Identifizierung von möglichen Veränderungen während der Lagerung und der Herstellung von Proteinisolaten. Die Aromastoffe, die zum ersten Mal in Lupinenmehlen und -proteinisolaten identifiziert wurden, bestanden aus Verbindungen verschiedenster chemischer Strukturklassen wie Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren, 3-Alkyl-2-Methoxypyrazine und Lactone. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Eigenschaften und der spezifischen strukturellen Merkmale der identifizierten Aromastoffe können unterschiedliche Reaktionswege für die Bildung dieser Substanzen angenommen werden. Diese Reaktionswege beinhalten höchstwahrscheinlich Lipoxygenase-vermittelte Reaktionen, Oxidation von Fettsäuren, Abbau von Aminosäuren und Produkte des sekundären Pflanzenstoffwechsels. Außerdem veränderte sich das Aromaprofil der Lupinenproteinisolate im Vergleich zum Profil des Lupinenmehls signifikant hin zu stärkeren Intensitäten von fettigen, heuartigen, grünen und haferflockenartigen Geruchseindrücken. Ebenso wurden in den Isolaten im Vergleich zu den Lupinenmehlen höhere FD-Faktoren für gesättigte und ungesättigte Aldehyde ermittelt. Um das Aroma der Lupinenproteinisolate zu verbessern, sollte die Oxidation von Fetten vermieden werden, was entweder durch Enzyminaktivierung oder durch Entölung der Lupinenflocken erreicht werden könnte. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss einer Entölung mit verschiedenen organischen Lösemitteln und überkritischem CO2 auf die funktionellen und sensorischen Eigenschaften der Isolate untersucht. Lediglich eine Entölung mit Ethanol oder 2-Propanol verursachte eine Reduzierung der Proteinlöslichkeiten der Lupinenflocken, was zu geringeren Proteinausbeuten führte. Darüber hinaus besaßen alle Proteinisolate – unabhängig von der Entölungsmethode – herausragende funktionelle Eigenschaften. Die Gesamtbeliebtheit der Isolate, die aus CO2-extrahierten Flocken hergestellt wurden, war höher als die Akzeptanz der Isolate, die mit Lösemittel-entölten Flocken, und die mit vollfetten Flocken, hergestellt wurden. Daher ist eine Entölung mit überkritischem CO2 einer Entölung mit organischen Lösemitteln im Hinblick auf die Proteinausbeuten, auf die funktionellen und sensorischen Eigenschaften der Isolate vorzuziehen.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-438971.html