Fruktanaasin osittainen karakterisointi ja sovellukset leipomoteollisuudessa

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2016-10-31
Department
Major/Subject
Biotekniikka ja elintarviketekniikka
Mcode
KE3002
Degree programme
KEM - Kemian tekniikan koulutusohjelma
Language
fi
Pages
70 + 9
Series
Abstract
Fruktaanit ovat polysakkarideja, jotka koostuvat fruktoosimolekyyleistä ja yleensä yhdestä glukoosimolekyylistä. Fruktaanit luokitellaan FODMAP-yhdisteisiin (fermentoituvat oligo-, di-, monosakkaridit ja polyolit), jotka lisäävät suolisto-ja vatsaoireita ihmisillä, joilla on esimerkiksi ärtyneen suolen oireyhtymä. Fruktaaneja sisältävät ruoka-aineet kuten sipulit, maa-artisokka vehnä ja ruis. Fruktanaasit ovat entsyymejä, jotka hydrolysoivat fruktaaneja fruktoosiksi ja/tai FOS-yhdisteiksi (frukto-oligosakkarideiksi). Työn kokeellisessa osassa tutkittiin uuden fruktanaasin perusominaisuuksia ja sen soveltuvuutta fruktaanien pilkkomiseen vehnä-ja ruisleivonnassa. Entsyymin tutkittuja ominaisuuksia olivat eri substraattien hajotuskyky, lopputuotteiden muodostuminen ja aktiivisuuden muutos erilaisissa olosuhteissa. GPC-SEC-määritysten perusteella reaktiossa muodostuu lopputuotteena fruktoosia sekä FOS-yhdisteitä, joiden polymerisoitumisasteet olivat noin 2-4. Fruktanaasin hydrolysointitapa viittaisi sen olevan eksotyyppinen entsyymi, joka muodostaa sitä enemmän FOS-yhdisteitä, mitä pidempää substraatti on. Ruisuutteen fruktaani hydrolysoitui paremmin fruktoosin muodostumisen perusteella kuin suoraketjuiset inuliinivalmisteet, jonka vuoksi entsyymi saattaa suosia substraattina β(2-6)-sidoksellisia fruktaaneja. Tutkitun fruktanaasin optimilämpötila ja -pH olivat fruktanaaseille tyypillisiä. Korkeinta aktiivisuus oli pH-välillä 4,5–5,5 optimin ollessa 5,0. Aktiivisuus laski merkittävästi pH-arvoissa 3 ja 7. Optimilämpötila oli 50 °C. Fruktanaasi toimi varsin laajalla lämpötila-alueella sillä, aktiivisuudesta säilyi 80 % lämpötiloissa 30–60 °C. Fruktoosi toimi inhiboivana yhdisteenä pitoisuuksissa 10–20 mg/ml. Fruktanaasin lisäys ruis-ja vehnätaikinoihin laski fruktaanipitoisuudet kahden tunnin nostatuksen aikana alle 0,1 m-%:n. Valmiissa ruisleivässä fruktaanipitoisuus oli 0,15 m-% ja 0,05 m-% vehnäleivässä. Sen sijaan entsyymin lisäys ruistaikinaan aiheutti noin 1 %-yksikön korkeamman fruktoosipitoisuuden verrattuna kontrolliin. Vehnätaikinoissa havaittiin hiivan invertaasientsyymillä olevan myös suuri vaikutus taikinan fruktaanipitoisuuteen, sillä kontrollitaikinan fruktaanista pilkkoutui puolet. Koeleipien ulkoisiin ominaisuuksiin ei entsyymillä juurikaan ollut vaikutusta. Kaiken kaikkiaan fruktanaasi soveltui hyvin alhaisen fruktaanipitoisuuden omaavien leipien valmistamiseen.

Fructans are polysaccharides consisting of fructose molecules and generally one glucose molecule. They are classified as FODMAP (fermentable oligo-, di-, monosaccharides and polyols) compounds which increase intestinal and gastrointestinal symptoms in humans with conditions such as irritable bowel syndrome. Onions, Jerusalem artichokes, wheat and rye are examples of fructan-containing food materials. Fructanases are enzymes that hydrolyse fructans into fructose and/or FOS compounds (fructo-oligosaccharides). In the experimental part of the study, basic features of a new fructanase enzyme and its suitability for decreasing the content of fructans in wheat and rye baking were investigated. Basic properties of the enzyme were studied by exploring the enzyme’s capability to hydrolyse different substrates, formation of end-products and the effect of different reaction conditions on enzyme activity. Based on GPC-SEC analysis, the end-products formed were fructose and FOS compounds having a degree of polymerisation of 2-4. The pattern of hydrolysis indicated that the fructanase belongs to exoacting enzymes and the longer the substrate, the more FOS compounds are formed. Based on the rate of fructose formation, fructan from rye flour was hydrolysed more efficiently than linear chain inulins. Therefore, the fructanase enzyme seems to favour β(2-6)-linked fructans as a substrate. Activity of the fructanase studied was highest in the pH range of 4.5 – 5.5 with a maximum at pH 5.0. Activity was decreased significantly at pH 3.0 and 7.0. The optimum temperature for the enzyme was 50 °C, and at least 80 % of the maximum activity remained in the temperature range of 30 - 60 °C. These optimum conditions are typical also for other fructanases reported. Fructose inhibited the enzyme in concentrations of 10-20 mg/ml. Supplementation of wheat and rye doughs with the fructanase enzyme decreased the content of fructans to less than 0.1 w-% during two-hour leavening. Concentrations of fructans in the finished wheat and rye breads were 0.05 w-% and 0.15 w-%, recpectively. Fructose contents of 1 %-unit higher than in control breads were detected in rye breads baked from enzyme-supplemented doughs. In addition to the fructanase used, the invertase of baker’s yeast had a significant effect on the fructan content of wheat doughs, since fructan concentration decreased by 50 % in wheat doughs also without the fructanase. The use of fructanase had only negligible effects on external characteristics of the test breads. In conclusion, the fructanase was shown to suit well for developing breads with low fructan content.
Description
Supervisor
Linder, Markus
Thesis advisor
Loponen, Jussi
Vahvaselkä, Marjatta
Keywords
FODMAP-yhdisteet, fruktanaasi, vehnäleipä, ruisleipä
Other note
Citation