Oxidative stability of solid foods with dispersed lipids

Abstract

The consumption of whole grain foods high in fibre is of interest because of the health-promoting effects associated with dietary fibre. Therefore, there is interest in developing new fibre-rich cereal foods. However, these kinds of foods also contain polyunsaturated lipids, which are prone to oxidation. Further, lipids are dispersed in a heterogeneous matrix of starch, proteins and fibre, which increases their tendency to oxidize because of a large surface area and possible contact with prooxidants. The oxidation of lipids decreases nutritional quality and causes the formation of undesirable flavours. Knowledge of the oxidation behaviour of dispersed lipids in solid cereal foods, and of how factors like process parameters, structural features of the products and storage conditions affect lipid oxidation, is limited.

In this thesis, the oxidative behaviour of foods with dispersed lipids was studied using two model systems. The first model system was a spray-dried emulsion containing sunflower oil encapsulated in a Na-caseinate-maltodextrin matrix, with either non-cross-linked or cross-linked proteins. The stability of the total and surface lipid fractions was determined during storage under different relative humidities (RHs). Further, the effect of RH on the amount of volatiles released from oxidized spray-dried emulsions was studied. The second model system consisted of extruded cereals produced from either whole grain oats or rye bran (coarse or fine) using different extrusion parameters. Their oxidative stability was studied during storage at 40 ºC, after milling and standardization to RH 33%. The primary oxidation was measured by peroxide values in the spray-dried emulsions and by losses of tocopherols and tocotrienols in the spray-dried emulsions and rye bran extrudates. Secondary oxidation was determined based on volatile secondary lipid oxidation products analysed by static head space (SHS-GC-FID) in the spray-dried emulsions and by head space solid-phase micro extraction (HS-SPME-GC-MS) in the extruded cereals. In addition to the oxidation parameters, enzymatic hydrolysis of lipids in the oat extrudates and the fatty acid composition of all models were studied by measuring the neutral lipid and fatty acid profiles, respectively.

Increasing the RH improved the oxidative stability of both the total and surface lipid fractions of the stored spray-dried emulsions. This behaviour was mainly linked to the loss of individual powder particles upon caking and collapsing of the matrix at RH 75%. In addition, excess protein may have delayed oxidation via its radical scavenging activity. At RH 54%, cross-linking of the protein slightly improved the oxidative stability. The profiles of the volatile oxidation products from the spray-dried emulsions analysed by HS-SPME were also influenced by the RH. The effect was related to water-induced changes in hydrophilicity, structure and binding ability of the matrix, and to partitioning and solubility of the volatiles. The highest overall amount of volatiles released was obtained at water contents of 3.1% and 5.2% (RH 11% and 33%).

The enzymatic hydrolysis of lipids in oats was effectively prevented by extrusion, even at the lowest temperature of 70 °C. The extrusion temperature could be increased to 110 °C without subjecting the lipids to non-enzymatic oxidation. However, by increasing the temperature to 130 °C, lipid oxidation was promoted, which also yielded losses of neutral lipids over time. In the case of the rye bran, the low water content (13% or 16%) in the extrusion of coarse or fine bran led to the most stable lipids during storage. The improved oxidative stability at low water contents in extrusion was connected with the higher formation of Maillard reaction products, which could have acted as antioxidants. The grinding of rye bran prior to extrusion caused a loss of tocols and increased the amounts of Maillard reaction products formed.

The oxidative stability of the dispersed lipids was shown to be highly related to water induced physical changes in the matrix structure, which makes controlling the RH in the surrounding atmosphere an important factor in storage. Further, the RH affected the amount of volatile lipid oxidation products released, and this needs to be considered in determining lipid oxidation by HS-SPME. Extrusion was shown to inactivate lipases in oats. For the lipid stability in cereal extrudates, low temperature and low water content during extrusion were shown to be beneficial.

Kuluttajat haluavat uudenlaisia tuotteita, joissa on täysjyväviljaa ja jotka sisältävät paljon ravintokuitua. Tällaisten tuotteiden rasva on usein jakaantunut pieniksi pisaroiksi eli dispergoitunut. Kun se lisäksi sisältää runsaasti monityydyttymättömiä rasvahappoja, se hapettuu melko nopeasti. Tämä johtaa haju- ja makuvirheisiin, jotka huonontavat tuotteen laatua.

Tässä työssä tutkittiin dispergoituneen rasvan hapettumiskestävyyttä kahta elintarvikemallia käyttäen. Ensimmäinen malli oli sumutuskuivattu emulsio, joka kuvaa esim. maitojauhetta ja keittojauheita. Työssä osoitettiin, että hapettuneen hajun muodostumiseen varastoinnin aikana vaikutti suuresti ilman suhteellinen kosteus. Se muutti veden määrää sumutuskuivatuissa tuotteissa, mikä johti jauheen rakenteen muutokseen. Nämä rakennemuutokset vaikuttavat hapen diffuusioon jauheeseen, millä on keskeinen merkitys rasvojen hapettumisessa. Ilman suhteellisen kosteuden hallinta varastoinnin aikana on siksi tärkeää elintarvikkeiden säilyvyyden kannalta. Työssä osoitettiin myös, että kosteuden aiheuttamat rakennemuutokset jauheissa vaikuttivat haihtuvien yhdisteiden vapautumiseen. Tämä on tärkeää ottaa huomioon, kun elintarvikkeiden rasvojen hapettumiskestävyyttä mitataan haihtuvien yhdisteiden avulla. Jos hapettumisessa syntyneet haihtuvat yhdisteet eivät vapaudu elintarvikkeesta, niitä ei myöskään pystytä mittaamaa käytössä olevilla tekniikoilla. Tällöin hapettumisen taso voidaan arvioida väärin.

Toisena esimerkkimallina käytettiin kahta ekstruusiolla valmistettua viljatuotetta, jotka kuvaavat aamiaismuroja ja suolaisia välipaloja. Perusraaka-aineina käytettiin täysjyväkaurajauhoa ja ruisleseitä. Molemmissa viljatuotteissa rasvojen hapettumiskestävyys varastoinnin aikana riippui suuresti tuotteiden prosessointiolosuhteista. Kun ekstruusiolämpötila oli 70 °C, se riitti estämään kauran entsyymitoiminnan, joka muuten heikentää tuotteen säilymistä. Työssä voitiin myös osoittaa, että ekstruusiolämpötilaa voitiin nostaa ja vasta 130 °C:ssa ekstrudoitujen kauratuotteiden säilyvyys heikkeni. Näin korkea lämpötila edisti rasvojen kemiallista hapettumista. Ruisleseen ekstruusiossa puolestaan todettiin, että raaka-aineseoksen pieni vesipitoisuus (13 %) paransi tuotteen säilyvyyttä suurempaan vesipitoisuuden (30 %) verrattuna.

Ekstruusiotutkimuksista voidaan yhteenvetona todeta, että seoksen pieni vesipitoisuus ja matala ekstruusiolämpötila paransivat tuotteen varastointikestävyyttä. Myös ruisleseiden partikkelikoon pienentäminen ja ekstruuderin syöttöruuvin nopeuden suurentaminen paransivat tuotteen säilyvyyttä. Tätä tietoa voidaan käyttää tulevaisuudessa kehitettäessä uusia täysjyvävilja- ja lesetuotteita.