Impact of water content on enzymatic modification of wheat bran

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Poutanen, Kaisa, Academy Prof., VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo, Finland
dc.contributor.advisor Nordlund, Emilia, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo, Finland
dc.contributor.author Santala, Outi
dc.date.accessioned 2014-06-03T09:00:10Z
dc.date.available 2014-06-03T09:00:10Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-951-38-8266-2 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8149-8 (printed)
dc.identifier.issn 2242-1203 (electronic)
dc.identifier.issn 2242-119X (printed)
dc.identifier.issn 2242-119X (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/13295
dc.description.abstract Enzymatic treatments of plant-based materials are generally conducted in excess water because reduction of water content usually decreases enzymatic conversion. Processing at high solids content would offer economical advantages, but in the area of enzymatic bioprocessing of plant materials for food applications, the role of water content has seldom been studied. Wheat bran is one of the most important by-products of the cereal processing industry and comprises the outer tissues of grain. Bran is a good source of dietary fibre (DF), protein and phytochemicals, but its use in food applications is limited because unprocessed bran is usually detrimental to product quality. The present work aimed to examine and develop techniques to utilize hydrolytic enzymes, especially xylanase, at reduced water content in order to increase the technological functionality of wheat bran in food applications. The impact of water content on the action of xylanase was studied by treating wheat bran with a commercial xylanase enzyme preparation at water contents ranging from 20 to 92% using different processing methods including both continuous mixing and short pre-mixing combined with stationary incubation. The action of xylanase was measured by the solubilisation of bran arabinoxylan (AX), the main DF polysaccharide of wheat. The minimum required water content for the action of xylanase on wheat bran during continuous mixing was between 20 and 30%, corresponding to a water activity (aw) of 0.83–0.89. Xylanase action was significantly enhanced at a water content of 40% (aw 0.93), at which the granular material was transformed to a continuous paste. AX was solubilised at a similar level at 40 and 90% water contents when continuous mixing was used, but at water contents of 50–80% AX solubilisation was lower. Furthermore, it was shown that the use of an extruder for pre-mixing and forming a bran-water mixture increased the action of xylanase during stationary incubation at a water content of ≤54%, as compared to pre-mixing with a blade-mixer. The results indicated that the formation of a continuous paste is important for efficient enzyme action at low water content, and that it is possible to increase the enzyme action by changing the granular structure of the material to a continuous paste using an extruder, without increasing the water content. The extruder-aided pre-mixing process enabled efficient xylanase action at low water content without the requirement for continuous mixing. Neither water content nor processing method affected the apparent average molecular weight (MW) of water extractable AX (WEAX) precipitated with 65% EtOH at water contents above 40%. When bran was treated with continuous mixing, the A/X ratio of the bran water extract decreased similarly at both water contents of 40% and 90%, suggesting that AX was solubilised from the same bran tissues regardless of the processing conditions studied. The bran treated at a water content of 40% was characterized by higher solubilisation of DF polysaccharides, smaller average particle size, lower water holding capacity and more changes in bran proteins than the treatment at a water content of 90%. The more intensive changes in the properties of bran treated at low water content were related to the compact consistency and thus higher impacts of shear exerted on the bran-water mixture. Reduction of particle size, either prior to the treatment by grinding or during the treatment by intensive mixing and shear, was shown to enhance AX solubilisation and xylanase action, presumably due to improved substrate availability as a result of increased surface area. Small particle size also favoured the transformation of the bran-water mixture from granular mass to a continuous paste, which also enhanced enzyme action. The technological functionality of modified bran was demonstrated in endosperm-flour based expanded extrudates supplemented with 20% of bran. Bran was treated with commercial xylanase and cellulase enzymes at a water content of 48% using the extrusion-aided low-water process, followed by oven or freeze drying. The modified bran ingredients increased the crispiness and reduced the hardness and bulk density of the bran-enriched expanded extrudates. The improvements in extrudate properties were attributed to the increased WEAX content and decreased water holding capacity of the modified brans. The results of the work showed that enzymatic solubilisation of bran AX and improved technological functionality of bran can be achieved by enzymatic modification at a water content of 40–50%, which is well below the point of absence of free bulk water (70–80%). The consistency of the reaction mixture, mixing method and bran particle size were found to be important factors affecting the intensity of the modification process at low water content. The results can be utilized for improving the technological functionality of bran in food applications and for developing new processes for the enzymatic modification of plant raw materials at reduced water content. en
dc.description.abstract Kasviperäisten materiaalien entsymaattinen muokkaus tehdään yleensä suuressa vesimäärässä, koska vesipitoisuuden vähentäminen useimmiten heikentää entsyymien toimintaa. Teollisissa prosesseissa vesipitoisuuden vähentäminen toisi taloudellisia hyötyjä, mutta toistaiseksi vesipitoisuuden vaikutusta kasvimateriaalien entsymaattisessa muokkauksessa elintarvikesovelluksia varten on tutkittu hyvin vähän. Jyvän kuorikerroksista koostuva vehnälese on yksi viljateollisuuden tärkeimmistä sivutuotteista. Lese on hyvä ravintokuidun, proteiinin ja fytokemikaalien lähde, mutta sen käyttö elintarvikkeissa on hankalaa, koska käsittelemätön lese yleensä heikentää tuotteen laatua. Työn tarkoituksena oli tutkia ja kehittää menetelmiä hydrolyyttisten entsyymien, erityisesti ksylanaasien, käyttämiseen matalassa vesipitoisuudessa vehnäleseen teknologisen toimivuuden lisäämiseksi elintarvikesovelluksissa. Vesipitoisuuden vaikutusta ksylanaasin toimintaan tutkittiin käsittelemällä vehnälesettä kaupallisella ksylanaasia sisältävällä entsyymiseoksella vesipitoisuuksissa 20–92 %. Työssä käytettiin erilaisia prosessointimenetelmiä, joissa lesettä sekoitettiin inkuboitaessa joko jatkuvatoimisesti tai vain lyhytaikaisesti käsittelyn alussa. Ksylanaasin toiminta mitattiin määrittämällä vehnän tärkeimmän ravintokuitukomponentin, arabinoksylaanin (AX) liukenemista. Vähimmäisvesipitoisuus, jossa ksylanaasi alkoi toimia jatkuvaa sekoitusta käytettäessä, oli 20:n ja 30 prosentin välillä, vastaten veden aktiivisuutta (aw) 0.83–0.89. Ksylanaasin toiminta tehostui huomattavasti vesipitoisuudessa 40 % (aw 0.93), jossa koostumukseltaan rakeinen materiaali muuttui yhtenäiseksi plastiseksi massaksi. AX:n liukeneminen jatkuvan sekoituksen prosessissa oli yhtä tehokasta 40:n ja 90 %:n vesipitoisuuksissa, mutta vesipitoisuuksissa 50–80 % AX:a liukeni vähemmän. Lisäksi osoitettiin, että verrattuna lapasekoittimeen lese-vesimassan esisekoitus ekstruuderilla ja sen aikaansaama plastisen massan muodostuminen tehosti ksylanaasin toimintaa ilman sekoitusta tapahtuvassa inkuboinnissa ≤54 %:n vesipitoisuudessa. Ekstruuderiavusteinen prosessi mahdollisti ksylanaasin tehokkaan toiminnan matalassa vesipitosuudessa ilman jatkuvaa sekoitusta. Tulokset osoittivat, että yhtenäisen, plastisen massan muodostuminen on tärkeää tehokkaalle entsyymin toiminnalle matalassa vesipitoisuudessa ja että entsyymin toimintaa on mahdollista tehostaa nostamatta vesipitoisuutta muuttamalla materiaali rakeisesta yhtenäiseksi massaksi ekstuuderin avulla. Käsittelyn vesipitoisuus tai prosessointimenetelmä ei vaikuttanut 65 %:n etanolipitoisuudessa saostetun vesiliukoisen AX:n (WEAX) keskimääräiseen molekyylipainoon yli 40 %:n vesipitoisuudessa. Kun käytettiin jatkuvaa sekoitusta, leseen vesiuutteen arabinoosi-ksyloosisuhde laski samalla tavalla vesipitoisuuksissa 40 ja 90 %, viitaten siihen että liuennut AX oli lähtöisin samoista leseen soluseinän osista riippumatta käytetyistä prosessiolosuhteista. Verrattuna 90 %:ssa käsiteltyyn leseeseen 40 %:n käsittelyn jälkeen lese sisälsi enemmän liukoisia ravintokuitupolysakkarideja, leseen proteiineissa havaittiin enemmän muutoksia ja leseen partikkelikoko ja vedensidontakapasitetti oli pienempi. Suuremmat muutokset matalassa 40 %:n vesipitoisuudessa käsitellyssä leseessä johtuivat todennäköisesti seoksen kompaktista rakenteesta ja siitä johtuvasta suuremmasta leikkausvoimien vaikutuksesta leseeseen. Partikkelikoon pienentäminen joko ennen käsittelyä lesettä jauhamalla tai käsittelyn aikana tehokkaan sekoituksen ja leikkausvoimien vaikutuksesta ja siitä seurannut partikkelien pinta-alan kasvu lisäsi AX:n liukenemista ja ksylanaasin toimintaa, mikä todennäköisesti johtui substraatin saatavuuden parantumisesta. Pieni partikkelikoko myös edesauttoi seoksen rakenteen muuttumista rakeisesta yhtenäiseksi massaksi, mikä myös tehosti entsyymin toimintaa. Muokatun leseen teknologinen toimivuus osoitettiin endospermijauhopohjaisissa puffatuissa ekstrudaateissa, joissa 20 % jauhoista oli korvattu leseellä. Lesettä käsiteltiin ensin kaupallisilla ksylanaasi- ja sellulaasientsyymeillä 48 %:n vesipitoisuudessa käyttämällä ekstruusioavusteista matalan vesipitoisuuden prosessia, jonka jälkeen lese kuivattiin joko uuni- tai kylmäkuivauksella. Muokatut lesetuotteet paransivat lesettä sisältävien ekstrudaattien rapeutta ja vähensivät niiden kovuutta ja tiheyttä. Ekstrudaattien ominaisuuksien parantumisen katsottiin johtuvan muokattujen leseiden kasvaneesta WEAX-pitoisuudesta ja pienentyneestä vedensidontakapasiteetista. Tulokset osoittivat, että leseen AX:n entsymaattinen liuottaminen ja leseen teknologisten ominaisuuksien parantaminen on mahdollista tehdä entsymaattisella muokkauksella 40–50 %:n vesipitoisuudessa, joka on selvästi matalampi kuin rajapitoisuus (70–80 %) jossa kaikki seoksen vesi on sitoutuneena leseeseen. Reaktioseoksen fysikaalinen koostumus, sekoitusmenetelmä sekä leseen partikkelikoko todettiin tärkeiksi tekijöiksi, jotka vaikuttavat muokkausprosessin tehokkuuteen matalassa vesipitoisuudessa. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää leseen teknologisen toimivuuden parantamiseen elintarvikesovelluksissa. Tulosten perusteella voidaan myös kehittää uusia entsymaattisia prosesseja kasvimateriaalien muokkaamiseksi matalassa vesipitoisuudessa. fi
dc.format.extent 97 + app. 52
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher VTT Technical Research Centre of Finland en
dc.publisher VTT fi
dc.relation.ispartofseries VTT Science en
dc.relation.ispartofseries 59
dc.relation.haspart [Publication 1]: Outi Santala, Pekka Lehtinen, Emilia Nordlund, Tapani Suortti, and Kaisa Poutanen. 2011. Impact of water content on the solubilisation of arabinoxylan during xylanase treatment of wheat bran. Journal of Cereal Science, volume 54, number 2, pages 187-194. doi:10.1016/j.jcs.2011.02.013.
dc.relation.haspart [Publication 2]: Outi K. Santala, Emilia A. Nordlund, and Kaisa S. Poutanen. 2013. Treatments with xylanase at high (90 %) and low (40 %) water content have different impacts on physicochemical properties of wheat bran. Food and Bioprocess Technology, volume 6, number 11, pages 3102-3112. doi:10.1007/s11947-012-0967-6.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Outi Santala, Emilia Nordlund, and Kaisa Poutanen. 2013. Use of an extruder for pre-mixing enhances xylanase action on wheat bran at low water content. Bioresource Technology, volume 149, pages 191-199. doi:10.1016/j.biortech.2013.09.029.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Outi Santala, Anish Kiran, Nesli Sozer, Kaisa Poutanen, and Emilia Nordlund. 2014. Enzymatic modification and particle size reduction of wheat bran improves the mechanical properties and structure of bran-enriched expanded extrudates. Journal of Cereal Science, in press. doi:10.1016/j.jcs.2014.04.003.
dc.subject.other Biotechnology en
dc.title Impact of water content on enzymatic modification of wheat bran en
dc.title Vesipitoisuuden vaikutus vehnäleseen entsymaattisessa muokkauksessa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Biotekniikan ja kemian tekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Biotechnology and Chemical Technology en
dc.subject.keyword wheat bran en
dc.subject.keyword arabinoxylan en
dc.subject.keyword xylanase en
dc.subject.keyword enzymatic modification en
dc.subject.keyword solubilisation en
dc.subject.keyword water content en
dc.subject.keyword high solids hydrolysis en
dc.subject.keyword bran particle size en
dc.subject.keyword high torque mixing en
dc.subject.keyword stationary incubation en
dc.subject.keyword extrusion en
dc.subject.keyword mechanical properties en
dc.subject.keyword extrudate structure en
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-951-38-8266-2
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Ojamo, Heikki, Prof., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Espoo, Finland
dc.opn Boom, Remko, Prof., Agrotechnology & Food Sciences, Food Process Engineering, Wageningen University, Wageningen, the Netherlands
dc.rev Andersson, Roger, Prof., Department of Food Science, Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala, Sweden
dc.rev Sahlstrøm, Stefan, Dr., The Norwegian Institute of Food, Fisheries and Aquaculture Research, Ås, Norway
dc.date.defence 2014-06-13


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account