Dry fractionation and functionalisation of cereal side streams for their improved food applicability

Abstract

The agro-food industry generates annually substantial amounts of side streams, resulting in the loss of high-quality protein and dietary fibre, whereas their incorporation into the food chain would positively contribute to resource sufficiency and healthier diets. However, plant-based ingredients, especially proteins, typically deliver limited performance in certain food applications, such as beverages and spoonable products, when compared with their animal-based counterparts. Therefore, fractionation and functionalisation techniques are investigated and applied to improve the applicability of the plant-origin ingredients in a wider range of food matrices where they can offer alternatives to animal-based ingredients. Dry fractionation provides a sustainable and gentle processing technology, which allows the production of multicomponent hybrid-ingredients, enriched in protein but also containing considerable amounts of dietary fibre or starch, depending on the raw material. The aim of the current work was to investigate the use of dry fractionation, more specifically, dry milling and air classification, for increasing the protein content of cereal side streams, namely, wheat, rice and rye brans, and the barley endosperm fraction. In addition, the objective was to understand the factors affecting the technological functionality and applicability of the protein-enriched ingredients in the relevant food matrices. To facilitate a more efficient fractionation, pre-treatments, including defatting with supercritical carbon dioxide (SC-CO2) for rice bran, moisture removal for wheat and rye brans and mixing with a flow aid for the barley endosperm fraction, were elucidated. The technological functionality of the protein-enriched fractions was examined, and bioprocessing and physical processing approaches for improving the ingredient applicability in high-moisture food systems were investigated with rice and barley fractions.

This study revealed that the fat removal, drying and use of flowability aids were effective in enhancing dry fractionation by improving the processability, particle size reduction and dispersability of rice bran, wheat and rye brans, and the barley endosperm fraction, respectively. Pin disc milling and air classification of a SC-CO2-extracted rice bran increased the protein content from 18.5 to 25.7% with 38.0% protein separation efficiency (PSE). Alternatively, a two-step air classification of the defatted rice bran allowed to reach a slightly higher protein content (27.4%) with lower PSE (20.2%) compared with the one-step air classification approach. Air classification of the dried and pin disc-milled wheat and rye brans increased the protein content from 16.4 and 14.7%, respectively, to 30.9 and 30.7%, with PSE of 18.0 and 26.9%. Additionally, soluble-to-insoluble dietary fibre ratios were increased and phytic acid was considerably enriched in bran fractionations. The maximum protein content reached by air classification from the barley endosperm fraction, initially containing 80.0% starch and 8.3% protein, was 28.3% with 21.7% PSE, while reaching a lower protein enrichment level of 22.3% allowed obtaining PSE of 59.4%.

The protein-enriched fractions, especially those from rice and wheat, exhibited higher protein solubility than the raw material brans, presumably due to the enrichment of albumin and globulin proteins from the aleurone during air classification, which was also indicated by an altered protein profile and the co-enrichment of phytic acid. When the ultra-fine milling of wheat and rye brans was explored as an alternative to fractionation, the formation of damaged starch and lowered protein solubility were observed. The protein-enriched brans and the ultra-finely milled brans both showed improved dispersion stabilities, whereas pasting viscosities, and water and oil binding capacities were lower for the hybrid ingredients compared with the pin disc-milled raw materials. The protein-enriched fraction from barley, on the other hand, exhibited low protein solubility and limited techno-functional properties.

The applicability of the protein-enriched fractions in high-moisture food model systems was tested after ingredient modifications via enzyme treatment, ultrasonication and pH shifting. Phytase treatment of the protein-enriched rice bran fraction improved the behaviour of the ingredient in heat-induced gelation, especially under alkaline conditions. For the protein-enriched barley fraction, ultrasound treatment with or without pH shifting reduced particle size; improved colloidal stability at pH 3, 7 and 9; and increased protein solubility, especially at pH 9.

To conclude, dry fractionation of cereal side streams allowed protein enrichment with a concurrent increase in the soluble-to-insoluble dietary fibre ratios of the brans and considerable reduction in the starch content of the barley endosperm fraction. Additionally, this thesis demonstrated for the first time that cereal side stream-derived, protein-enriched hybrid ingredients exhibit improved technological functionalities that can be further enhanced via enzymatic or physical processes that affect, for example, their gelation and dispersion stability. The bioprocessed protein-enriched rice bran fraction could find potential use as a raw material in spoonable food products delivering a good amount of protein and dietary fibre and allowing the use of the nutritional claim that the food is a ‘source of fibre’. The ultrasound-treated barley protein ingredients, on the other hand, should be further studied in the manufacturing of plant-based milk substitutes. In general, these improved ingredient properties suggest the possibility of developing novel side stream-based food ingredients with increased nutritional and technological qualities that simultaneously contribute positively to raw material resource sufficiency.

Elintarviketeollisuus tuottaa vuosittain merkittäviä määriä sivuvirtoja, minkä seurauksena korkealaatuista proteiinia ja ravintokuitua menetetään, vaikka niiden käyttö ruuantuotannossa parantaisi materiaalitehokkuutta ja sopisi terveellisiin ruokavalioihin. Kasvipohjaiset ainesosat, etenkin proteiinit, toimivat kuitenkin usein eläinperäisiä heikommin elintarvikesovelluksissa, ja siksi on tarpeen tutkia ja kehittää ainesosien toimintaa parantavia menetelmiä ja käsittelyitä.

Kuivaprosesseihin perustuvat erotusmenetelmät ovat kasvimateriaaleille soveltuvia teknologioita, joiden avulla voidaan tuottaa niin sanottuja hybridiraaka-aineita, jotka sisältävät etenkin proteiinia, mutta myös merkittäviä määriä muita ravitsemuksellisesti tärkeitä komponentteja, kuten ravintokuitua tai tärkkelystä. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia kuivaprosessointimenetelmien, etenkin kuivajauhatuksen ja ilmaluokittelun, käyttöä proteiinin rikastamisessa viljateollisuuden sivuvirroista, jotka olivat vehnälese, riisilese, ruislese ja ohran ydinjauho. Työn tavoitteena oli ymmärtää, mitkä tekijät vaikuttivat ainesosien erottumiseen sekä tuotettujen proteiinirikkaiden jakeiden toimintaan ja käytettävyyteen elintarvikemalleissa. Lisäksi riisi- ja ohrajakeita käsiteltiin entsymaattisesti ja ultraäänellä, tavoitteena parantaa jakeiden käytettävyyttä erityisesti korkean vesipitoisuuden elintarvikesovelluksissa.

Tämä väitöskirjatyö osoitti, että kuivaprosesseihin perustuvat erotusmenetelmät mahdollistivat proteiinin rikastamisen viljateollisuuden sivuvirroista. Proteiinipitoisuus nousi ilmaluokituksella riisileseellä 18,5 %:sta 27,4 %:iin, vehnäleseellä 16,4 %:sta 30,9 %:iin, ruisleseellä 14,7 %:sta 30,7 %:iin ja ohran ydinjauholla 8.3 %:sta 28,3 %:iin. Lisäksi lesenäytteiden liukoisen kuidun suhde liukenemattomaan kuituun nousi ja ohran ydinjakeen osalta tärkkelyspitoisuus laski huomattavasti. Työssä osoitettiin ensimmäisen kerran, että sivuvirtapohjaisten proteiinirikkaiden hybridiraaka-aineiden teknologiset ominaisuudet ovat parempia lähtöraaka-aineisiin verrattuna, ja näitä ominaisuuksia voitiin yhä parantaa entsymaattisella prosessilla tai ultraäänellä, jotka vaikuttivat esimerkiksi näytteiden geeliytymiseen tai nesteseosten stabiiliuteen. Tutkimustulosten perusteella entsyymikäsiteltyä proteiinirikasta riisilesejaetta voitaisiin tulevaisuudessa käyttää raaka-aineena esimerkiksi lusikoitavissa elintarvikkeissa, joista kuluttaja saa proteiinia, mutta myös ravintokuitua siinä määrin, että tuotteeseen voidaan liittää ravitsemusväittämä ”kuidun lähde”. Ultraäänellä käsiteltyjä ohraproteiinituotteita voitaisiin puolestaan soveltaa kasvipohjaisten maidonkaltaisten juomien valmistuksessa. Yleisesti ottaen voidaan todeta, että työssä tutkitut teknologiat ja kehitetyt hybridiraaka-aineet mahdollistavat viljateollisuuden sivuvirtojen hyödyntämisen elintarviketuotteissa, joissa sekä ravitsemukselliset että teknologiset ominaisuudet ovat tasapainossa. Lisäksi sivuvirtojen hyötykäyttö elintarvikkeissa parantaa ruuantuotannon kestävyyttä ja lisää materiaalitehokkuutta.