The role of oxygen in wheat bran fermentation for food applications

Abstract

Wheat bran, which is a good source of fibre, vitamins and minerals, can be used as a supplement in bread-making to ameliorate the nutritional quality. Cereal fermentation prior to bread-making improves stability, safety and nutritional and sensory quality of the product. Oxygen affects this fermentation, but its effects have not been extensively studied. The aim of this study was to investigate the possible effects of oxygen on microbiological and biochemical changes occurring during wheat bran fermentation.

The influence of aerated and anaerobic conditions was studied as a function of time in four different types of fermentation, with Kazachstania exigua and Lactobacillus brevis as starter cultures with and without added enzymes. Wheat bran fermentations were carried out in bioreactors. Samples were taken at 0, 12 and 24 hours to analyse the growth of microbes, production of acids and ethanol, sugar consumption, and metabolite profile. In addition samples were subjected to microbial community analysis.

Yeasts and moulds grew better when aeration was used, whereas the growth of endogenous heterotrophic bacteria and lactic acid bacteria (LAB) was slightly enhanced under anaerobic conditions. Microbial community analysis revealed the changes in microbial population due to the different oxygen conditions and types of fermentation. In addition to starter strains, the presence of enterobacteria and LAB (Weissella, Lactobacillus and Lactococcus) was shown. After 24 hours, anaerobically fermented bran was far more acidic than bran fermented under aerated conditions. Enhanced hydrolysis of arabinoxylan (AX) occurred when aeration was used, increasing the levels of soluble and free arabinose and xylose. As expected the concentration of glucose, fructose and galactose decreased during fermentation, as they were readily used as energy source. Metabolite profiling revealed the increment in the amount of ferulic acid under aerated conditions. The levels of extracellular amino acids were stable under anaerobic conditions.

These findings indicate that the presence of oxygen affects the modification of wheat bran during fermentation due to altered microbial diversity and metabolism, and enzymatic activity of grain and microbial origin. Consequently aeration can be used for adjusting acidity and flavour, enhancing the solubilisation of AX ameliorating bread texture and increasing ferulic acid content.

Vehnälesettä, joka on hyvä kuidun, vitamiinien ja mineraalien lähde, voidaan käyttää leivänvalmistuksessa parantamaan ravitsemuksellista laatua. Leivänvalmistuksessa käytetty viljan raskitus eli mikrobikäyminen parantaa tuotteen stabiiliutta, turvallisuutta sekä ravitsemuksellista ja aistinvaraista laatua. Happi vaikuttaa tähän käymiseen, mutta hapen aiheuttamia vaikutuksia ei juurikaan ole tutkittu. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia hapen vaikutusta vehnäleseen mahdollisiin mikrobiologisiin ja biokemiallisiin muutoksiin raskituksen aikana.

Hapen määrän vaikutusta tutkittiin ajan funktiona käyttämällä neljää erityyppistä raskitusta, joissa starttereina toimivat Kazachstania exigua ja Lactobacillus brevis. Leseraskitukset suoritettiin bioreaktorissa. Näytteet otettiin aikapisteissä 0, 12 ja 24 tuntia, ja niistä tutkittiin mikrobien kasvu, happojen ja etanolin tuotto sekä sokerien kulutus. Lisäksi analysoitiin mikrobipopulaatiota ja tehtiin aineenvaihduntatuotteiden profilointi.

Hiivat ja homeet kasvoivat paremmin ilmastuksen avulla, kun taas endogeenisten heterotrofisten bakteerien ja maitohappobakteerien kasvu oli hieman suurempaa hapettomissa olosuhteissa. Erilaiset olosuhteet ja raskitustyypit aiheuttivat muutoksia mikrobipopulaatiossa. Näytteistä tunnistettiin startterikantojen lisäksi enterobakteereita ja maitohappobakteereita (Weissella, Lactobacillus ja Lactococcus). Voimakas hapontuotto aikaansaatiin hapettomissa olosuhteissa. Arabinoksylaanien hydrolyysi lisääntyi ilmastetuissa olosuhteissa, mikä johti sekä liukoisen että vapaan arabinoosin ja ksyloosin määrän kasvuun. Glukoosia, fruktoosia ja galaktoosia käytettiin energianlähteenä, ja niiden pitoisuudet laskivat odotetusti käymisen aikana. Aineenvaihduntatuotteiden profilointi osoitti ferulahapon määrän lisääntyvän ilmastetun raskituksen aikana. Solun ulkopuolisten aminohappojen pitoisuus sitä vastoin pysyi samana hapettomissa olosuhteissa.

Tulosten mukaan hapen läsnäololla on merkitystä vehnäleseen muokkautumiseen raskituksen aikana, mikä johtuu oletettavasti muutoksista mikrobipopulaatiossa ja -metaboliassa sekä vilja- ja mikrobiperäisten entsyymien aktiivisuudessa. Näin ollen ilmastusta voidaan käyttää raskin happamuuden ja leivän maun säätämiseen, muun muassa ferulahapon pitoisuuden lisäämiseen, sekä arabinoksylaanien liukoisuuden lisäämiseen, ja sitä kautta leivän rakenteen parantamiseen.