Terveellisisä marjatuotteita uusilla prosessointimenetelmillä Riitta Puupponen-Pimiä, VTT Terve valinta ammattikeittiöseminaari,

Transkriptio

1 Terveellisisä marjatuotteita uusilla prosessointimenetelmillä Riitta Puupponen-Pimiä, VTT Terve valinta ammattikeittiöseminaari, , Seinäjoki Photo Jouko Lehmuskallio Photo Jouko Lehmuskallio Photo Jouko Lehmuskallio

2 31/10/ Sisältö Johdanto marjojen terveysvaikutuksiin Tutkimusesimerkkejä Luonnollisia säilöntäaineita uusia tuotteita matkalla markkinoille Bioprosessointi marjaraaka-aineen kokonaisvaltainen muokkaaminen Photo Jouko Lehmuskallio Märkäjauhatus uusi koostumus marjatuotteisiin Biotekniikka avaa uusia mahdollisuuksia marjojen harvinaisten tai arvokkaiden yhdisteiden tuottoon Yhteenveto Photo Jouko Lehmuskallio

3 31/10/ Pohjoisen luonnon marjat Photo Jouko Lehmuskallio Kotimaisia syötäviä marjoja lähes 40 Luonnonmarjojen sadot Suomessa huomattavia, mutta vain osittain hyödynnetty Arktiset kasvuolosuhteet suuret pitoisuudet bioaktiivisia yhdisteitä: Super berries Arvokas siemenöljy, voimakas aromi, intensiivinen väri Marjoilla pitkä perinne kansanlääkinnässä: mustikka ja karpalo Osa luonnonmarjoista harvinaisia, biotekniikka tarjoaa uusia mahdollisuuksia

4 31/10/ Mesimarja Rubus arcticus Vadelma Rubus idaeus, var. Ottawa Mustaherukka Ribes nigrum, var. Öjeby Aronia Aronia melano-carpa, var. Viking Pensasmustikka Vaccinium corymbosum Karpalo Vaccinium oxycoccus Mustikka Vaccinium myrtillus Puolukka Vaccinium vitis-idaea Lakka Rubus chamaemorus Kaarnikka Empetrum nigrum Pihlajanmarja Sorbus aucuparia tyrni Hippophae rhamnoides Mansikka Fragaria ananassa, var. Senga sengana

5 31/10/ Bioaktiiviset yhdisteet Hiilihydraatit Sokerit Kuitu Vitamiinit ja karotenoidit C,E ja A vitamiinit Foolihappo Mineraalit K, Mg, Fe, Zn, Mn Proteiinit ja peptidit Orgaaniset hapot Sterolit Lipidit Fenoliyhdisteet Flavonoidit Tanniinit Fenolihapot

6 31/10/ Marjoissa esiintyvien fenoliyhdisteiden luokittelu Flavonoids Phenolic acids Lignans Stilbenes Complex phenolic polymers (polymeric tannins) Anthocyanidins Pelargonidin Cyanidin Delphinidin Peonidin Petunidin Malvidin Flavonols Quercetin Myricetin Kaempferol + O Cyanidin O O Quercetin Cinnamic acids Caffeic acid p-coumaric acid Ferulic acid Caffeic acid Benzoic acids Protocatechuic acid p-hydroxybenzoic acid Gallic acid O H 3 CO H 3 CO OCH 3 3 Secoisolariciresinol Resveratrol Ellagitannins OC OC O O CO OC O O O OC O Casuarictin Proanthocyanidins O Flavanols (Catechines) (+)-Catechin (-)-Epicatechin Gallocatechin Epigallocatechin O O Gallic acid O O (+)-Catechin Puupponen-Pimiä et al BioFactors 23:243 Procyanidin trimer (flavanol)

7 31/10/ MARJAFENOLIEN LÄÄKKEELLISET VAIKUTUKSET Marjojen voimakkaan väriset yhdisteet (antosyaanit) Rubus-marjojen, eli lakan, mesimarjan ja vadelman yhdisteet (ellagitanniinit) Puolukan ja karpalon yhdisteet (proantosyanidiinit) Antioksidantti aktiivisuus (kaikki marjat) Antimikrobinen aktiivisuus (Rubus-marjat, karpalo, puolukka) Tulehdusta hillitsevä aktiivisuus (tummat marjat) Vaikutusta lipidi-, glukoosi- ja insuliiniaineenvaihduntaan (tummat marjat) Syöpäsolujen kasvua estävää vaikutusta (Rubus-marjat + muut?) O + Photo Jouko Lehmuskallio O Glu

8 31/10/ MARJAFENOLIEN LÄÄKKEELLISET VAIKUTUKSET Syöpäsairauksien ehkäisy? Diabeteksen ehkäisy? Silmäsairauksien ehkäisy? Muistisairauksien ehkäisy? Vanhenemiseen liittyvät aineenvaihdunnalliset häiriöt? Pitkäaikainen ja säännöllinen marjojen syönti saattaa ennaltaehkäistä tai hidastaa kroonisten sairauksien syntyä Marjojen monipuolinen nauttiminen olisi parasta, sillä siten voisi parhaiten varmistua eri marjojen hyödyistä Tulevaisuuden sovellukset terveyttä edistävissä elintarvikkeissa, lääkkeissä, ja kosmetiikassa! Photo Jouko Lehmuskallio

9 31/10/ TUTKIMUSESIMERKKI 1 MARJOJEN ANTIMIKROBINEN AKTIIVISUUS Photo Jouko Lehmuskallio

10 31/10/ Marjojen antimikrobinen aktiivisuus Antimikrobiset yhdisteet vaikuttavat tuotteessa ja suolistossa Antimikrobiset ominaisuudet Marjatuotteet Fenoliyhdisteet Suolistomikrobisto Aineenvaihdunta suolistossa Aineenvaihduntatuotteet Imeytyminen, aineenvaihdunta ja erittyminen

11 31/10/ Marjojen antimikrobinen aktiivisuus Tutkitut mikrobit: Pilaajamikrobit/ ihmisen patogeenit mikrobit/ probiootit Hiivat Candida albicans, C. krusei Saccharomyces cerevisiae Bakteerit Bacillus cereus Bacteroides fragilis Bifidobacterium sp (probiotic strains) Campylobacter jejuni Enterococcus faecalis Escherichia coli Helicobacter pylori Lactobacillus species (also probiotic strains) Listeria innocua, L. monocytogenes Pseudomonas aeruginosa, P. fragi Salmonella enterica sv. Typhimurium; S. infantis Staphylococcus aureus, S. epidermidis

12 31/10/ Marjojen antimikrobinen aktiivisuus Marjat ja marjojen fenolit estävät monen suolistopatogeenin ja pilaajabakteerin kasvua Marjojen fenoliyhdisteillä ei ole vaikutusta hyödyllisiin maitohappobakteereihin Ellagitanniinit ja antosyaanit on identifioitu antimikrobisiksi yhdisteiksi Useita vaikutusmekanismeja Staphylococcus aureus E ,00E+09 1,00E+08 1,00E+07 cfu ml -1 1,00E+06 1,00E+05 1,00E+04 Control Cloudberry /VTT Rowanberry /VTT Rowan leaves /VTT 1,00E Growth period (h)

13 31/10/ ANTIMIKROBISEN AKTIIVISUUDEN HYÖDYNTÄMISMAHDOLLISUUKSIA ELINTARVIKKEISSA Elintarvikkeiden mikrobiologisen laadun kontrollointi Patogeenien tai pilaajamikrobien kasvun esto ja kontrollointi Synteettisten säilöntäaineiden korvaaminen luonnollisilla Megatrendi elintarviketeollisuudessa Suolistomikrobiston muokkaus Suolistomikrobiston stabilointi Yleinen hyvinvointi ja terveys Suolistoinfektioiden/sairauksien esto

14 31/10/ Photo Jouko Lehmuskallio

15 31/10/ Marjat Mikrobit Entsyymit Marjafermentaatioprojekti Tekes Bioprosessointi Mehun puristus Kuivaus ja jauhaminen Entsyymit, mikrobit Bioprosessoitu marjajauho Mehu Puristekakku Spray-kuivaus pakkaskuivaus Kuivaus ja jauhaminen Bioprosessoitu puristekakkujauho Mehujauho 1 Mehujauho 2 Fraktiointi DF4 DF1 DF5 DF2 DF6 DF3

16 31/10/ Entsyymiavusteinen marjojen prosessointi Entsyymikäsittely Pakastemarjat Sulatus&Murskaus Kuumennus Entsyymikäsittely Marjamateriaalin kokonaisvaltainen muokkautuminen ja bioaktiivisten yhdisteiden vapautuminen ja edelleen muokkautuminen kasvin soluseinää pilkkovien entsyymien vaikutuksesta Raw material Useat marjat Puristekakku Antimikrobinen aktiivisuus kasvaa Mehun puristus Enemmän Bioaktiivisia yhdisteitä Mehu Suurempi Antioksidanttiaktiivisuus Soluseinää pilkkovat entsyymit Sellulaasit, hemisellulaasit, pektinaasit, ksylanaasit ine. Prosessin ylösskaalaus: Kapasiteetti noin 10 L

17 Saanto Konsentraatio (mg/kg -1 ) 31/10/ Mustikan entsyymiavusteinen mehunpuristus Mehun saanto Antosyanidiini-glykosidien jakautuminen mustikkamehussa Unknown Arabinosides Glucosides Galactosides Ref. Pectinex Ultra SP-L Pectinex Smash Pectinex BE-3L Biopectinase CCM Ref. (for Econase) Econase CE Ref. Pectinex Ultra SP-L Pectinex Smash Pectinex BE-3L Biopectinase CCM Ref.(for Econase) Econase CE Ref. Buchert et al. (2005) J. Sci. food Agric. 85:

18 LOG (cfu/ml) LOG (cfu/ml) 31/10/ Entsyymikäsitellyillä mustikkanäytteillä on erilainen vaikutus Salmonella-bakteerin kasvuun Testatun näytteen konsentraatio oli 0.1 g / ml viljelyalustaa Entsyymiannos: 100 nkat/marjat Reference: Puupponen-Pimiä et al. 2008, J. Agric. Food Chem. 56: Salmonella VTT E [h] Salmonella VTT E [h] Kontrollikasvatus Käsittelemätön näyte Pectinex Smash Pectinex BE 3-L Pectinex Ultra SP-L Pectinex 3XL Pectinex BE XXL Pectinex Smash XXL Kontrollikasvatus Käsittelemätön näyte Biopectinase CCM Rohapect Biopectinase Super

19 31/10/ Prosessoitujen marjojen aistinvaraisten ominaisuuksien ja kemian välisen yhteyden ymmärtäminen Entsyymikäsittelyn vaikutus mustaherukan haihtuviin aromiyhdisteisiin Sensory profile of enzyme treated blackcurrant (crushed berries) Murskattujen marjojen aistinvarainen profiili: Maun kokonaisvoimakkuus Käyneen maun voimakkuus Hajun raikkaus Mustaherukan hajun voimakkuus Käyneen hajun voimakkuus Pectinase 500 nkat Pectinase 500 nkat + Glycosidase 1000 nkat Maun astringoivuusy Hajun kokonais voimakkuus Pectinase 500 nkat + Peroxidase 1000 nkat Pectinase 500 nkat + Glucose oxidase 100 nkat Maun happamuus Värin kirkkaus Pectinase 500 nkat + Peroxidase 100 nkat + Glucose oxidase 100 nkat Rakenteen tasaisuus

20 31/10/ Aistinvaraisen ja instrumentaalisen tulosaineiston yhdistäminen (PLSR)

21 31/10/ VTT:n kehittämä marjafermentaatioteknologia Marjat Marjamäski Fermentaatio Esikäsittely Mikrobit Fermentaatio Kasvimateriaalin kokonaisvaltainen muokkaus: rakenne, maku, väri, säilyvyys ja bioaktiivisten yhdisteiden vapautuminen Raaka-aine Puolukka, lakka, vadelma Mehun puristus, Kuivaus, fraktiointi Mikrobit Maitohappobakteerit, hiivat Uusi aromi Enemmän Bioaktiivisia yhdisteitä Uusi väri Prosessin ylösskaalaus: Kapasiteetti noin 15 L

22 31/10/ VTT:n mikrobien kantakokoelma Yli 200 maitohappobakteeria Lactobacillus acidophilus Lactobacillus buchneri Lactobacillus brevis Lactobacillus casei Lactobacillus delbrueckii Lactobacillus fermentum Lactobacillus reuteri Lactobacillus paracasei Lactobacillus plantarum Lactobacillus rhamnosus Lactobacillus ruminis Lactobacillus sakei Lactococcus lactis Leuconostoc mesenteroides Pediococcus parvulus Pediococcus pentosaceus Weissella confusa

23 31/10/ VTT:n bioprosessoinnin pilot-laitteistoa Capacity approx. 15 litres 4 lead-ins for sensors, two gas connections Mixer with 3 blades Adjustable temperature, incubation time, gas phase and mixing rate Capacity of pilot scale enzyme reactors 2 x 1 L and 1 x 10 L Programmed mixing and temperature adjustment Record for data HAFICO High Pressure Tincture Press HP 5 H: Hydraulic operated highpressure tincture press for approx. 5 litres filling material.

24 31/10/ Bioprosessoinnilla terveellisimpiä ja maukkaampia marjatuotteita Entsyymikäsittelyllä voidaan vähentää puolukan luontaista hapanta makua Fermentaatiolla voidaan lisätä luontaisen säilöntäaineen, bentsoehapon, pitoisuutta

25 31/10/ TUTKIMUSESIMERKKI 4: MARJASIVUVIRTOJEN MÄRKÄJAUHATUS Photo Jouko Lehmuskallio

26 31/10/ VTT s patent Claim 1: A method for using side streams from berry industry in the manufacture of food products, characterized in that the method comprises the steps where at least one side stream comprising pomace, press cake or sediment or a combination thereof, originating from berries, is wet ground from 1 to 5 passes in the presence of water to obtain a homogeneous suspension comprising particles having average particle size from 50 to 1000 pm, followed by blending said suspension with a food product or with starting materials during the manufacture of a food product.

27 31/10/ Wet milling by Masuko Supermass Colloider Equipment manufactured by Masuko Sangyo Co., Ltd., Japan

28 Particle size (µm) 31/10/ Marjan puristekakun märkäjauhatus (22 ja 9 % kuiva-ainetta) µm 415 µm µm 257 µm 93 µm D50 D90 73 µm D 50 = 50% of particles (µm) D 90 = 90% of particles (µm)

29 TUTKIMUSESIMERKKI 3 MARJOJEN SOLUVILJELY 31/10/ Photo Jouko Lehmuskallio

30 31/10/ Marjojen soluviljely Koko marjakasvin biosynteesikapasiteetin hyödyntäminen Marjamateriaalin tasalaatuinen ympärivuotinen tuotto Marjamateriaali täysin vapaa saasteista tai tuholaismyrkyistä Harvinaisten marjojen aromiaineiden tai väriaineiden tuotto Bioaktiivisten yhdisteiden pitoisuudet eivät vaihtele

31 31/10/ MARJASOLUJEN TUOTTAMINEN VAIHE 1 Viljelmän aloitus Olosuhteiden optimointi VTT:llä on ainutlaatuinen kokoelma suomalaisten marjojen soluviljelmiä: Lakka, mesimarja, mustikka, puolukka, karpalo, vadelma, pihlajanmarja ja mansikka Solulinjojen selektio Olosuhteiden optimointi lakkakasvin osa: varsi siemen lehti kallussolukko kallussolulinjoja solususpensioviljelmä

32 31/10/ LAKAN SOLUVILJELMÄN TUOTTAMINEN VAIHE 2 Soluviljelmän kasvattaminen Soluviljelmän talteenotto Solujen pakkaskuivaus 300 l bioreaktori Pesu, suodatus, pakastus Lakan kantasolut

33 31/10/

34 31/10/ Yhteenveto Pohjoisen marjat ainutlaatuinen raaka-aine Marjat tutkitusti terveellisiä, positiivinen tieto lisääntyy koko ajan Tarvitaan uusia tuoteinnovaatioita ja korkean jalostusasteen tuotteita, joilla on vientipotentiaalia Uusilla prosessointimenetelmillä voidaan lisätä marjatuotteiden kirjoa, vaikuttaa makuun, väriin ja terveysvaikutteisten yhdisteiden pitoisuuksiin Biotekniikka voi olla uusi tapa tuottaa harvinaisia tai arvokkaita marjaperäisiä yhdisteitä elintarviketeollisuuden käyttöön

35 31/10/ VTT:n tutkimustiimi Riitta Puupponen-Pimiä Liisa Nohynek Heiko Rischer Kirsi-Marja Oksman Anna-Marja Aura Heli Nygren Tuulikki Seppänen-Laakso Mari Lämsä Michael Bailey Tuija Kössö Riikka Juvonen Mirja Mokkila Juhani Sibakov Kaisu Honkapää Emilia Nordlund Raija-Liisa Heiniö Kaisa Poutanen (marjojen bioaktiivisuus, soluviljelmät) (soluviljelmät, in vitro mallit) (sekundääriaineenvaihdunta, soluviljelmät) (soluviljelmät, metaboliamuokkaus) (aineenvaihduntatuotteet, suolistomallit), (analytiikka) (analytiikka) (fenoliyhdisteiden fraktiointi, bioreaktorit) (bioreaktoreiden ylösskaalaus) (marjojen prosessointi ja fraktiointi) (marjojen prosessointi, mikrobiologia) (marjojen prosessointi) (prosessointi) (marjateknologiat, prosessointi) (marjojen entsymaattinen prosessointi) (aistinvaraiset analyysit) (terveysvaikutukset ja prosessointi)

36 31/10/ KIITOS! Photo Jouko Lehmuskallio

37 31/10/ VTT creates business from technology