Marjoissa piilevä hyödyntämätön potentiaali

Transkriptio

1 Marjoissa piilevä hyödyntämätön potentiaali Workshop-tilaisuus Arktiset Aromit ry: Luonnontuotteiden tuotekehitys ja erilaiset myyntiväylät Kajaani Riitta Puupponen-Pimiä Teknologian tutkimuskeskus VTT y 30/09/2016 1

2 Sisältö Pohjoisen marjat ja niiden bioaktiiviset yhdisteet Marjoja voidaan hyödyntää uusilla teknologioilla Marjojen sivuvirtojen kuivafarktioinnilla luonnollisia säilöntäaineita Puristekakun märkäjauhatus muokkaa marjaraakarakennetta Marjojen bioprosessointi entsyymien ja mikrobisolujen avulla Marjojen soluviljelyteknologia avaa uusia mahdollisuuksia 2

3 Pohjoisen luonnon marjat Kotimaisia syötäviä marjoja lähes 40 Poikkeuksellisen suuri määrä bioaktiivisia yhdisteitä Paljon arvokkaita rasvahappoja Ainutlaatuinen maku ja aromi sekä voimakas väri Vuotuiset sadot huomattavia, 500 milj.kg Pitkä perinne kansanlääkinnässä: marjat ovat terveellisiä kiinnostava ja houkutteleva raaka-aine elintarvikeja kosmetiikka-teollisuudelle Ainoastaan murto-osa marjoista hyödynnetään 95% viennistä on pakastemarjaa Suomi tarvitsee korkean jalostusasteen marjatuotteita! 3

4 Uutta liiketoimintaa marjojen antimikrobisista yhdisteistä Tekes-TUTL-projekti Tarve Synteettisten säilöntäaineiden korvaaminen luonnollisilla yhdisteillä, joita pidetään terveellisinä ja turvallisina Uusi liikeidea Hyödynnetään marjojen omaa laajaa antimikrobista kirjoa teollisuussovelluksissa Tausta Teknologiainnovaatiot ja mittava suomalainen marjaosaaminen Vahva tieteellinen ymmärrys marjojen antimikrobisista ominaisuuksista 4

5 Mesimarja Rubus arcticus Mustikka Vaccinium myrtillus Mustaherukka Ribes nigrum, var. Öjeby Aronia Aronia melanocarpa Var. Viking Vadelma Rubus idaeus, var. ttawa Pensasmustikka Vaccinium corymbosum Kaarnikka Empetrum nigrum Pihlajanmarja Sorbus aucuparia Lakka Rubus chamaemorus Puolukka Vaccinium vitis-idaea Karpalo Vaccinium oxycoccus Tyrnimarja Hippophae rhamnoides Mansikka Fragaria ananassa, Var. Senga Sengana 30/09/2016 5

6 Marjojen polyfenolien luokittelu Flavonoidit Antosyaanit Pelargonidiini Syanidiinn Delfinidiini Peonidini Petunidiini Malvidiini + Syanidiini Fenolihapot Kanelihapot Kahvihappo p-kumariinihappo Ferulahappo Kahvihappo H 3 C H 3 C Lignaanit CH 3 3 Sekoisolarikiresinoli Stilbeenit Resveratroli Kompleksiset fenolipolymeerit (polymeeriset tanniinit) Ellagitanniinit C C C C C Flavonolit Kversetiini Myrisetiini Kemferoli Flavanolit (Katekiinit) (+)-Katekiini (-)-Epikatekiini Gallokatekiini Epigallokatekiini Kversetiini (+)-Katekiini Bensoehapot Protokatekiinihappo p-hydroksibentsoehappo ppo Gallihappo Gallihappo Ref. Puupponen-Pimiä et al BioFactors 23:243 Kasuariktiini Proantosyanidiinit Trimeerinen prosyanidiini (flavanoli) 6

7 Antimikrobiset yhdisteet kosmetiikassa Uusi tuotekategoria on tulossa markkinoille Ihon mikrobiston tasapainotus ja hoito Tuotteen kontaminoitumisen esto Mikrobien eliminaatio iholta Synteettisiä säilöntäaineita korvataan luonnollisilla antimikrobisilla yhdisteillä 7

8 Antimikrobiset marjayhdisteet kosmetiikassa VTT:n tutkimus Sivuvirrat ja siemenet Marjat ja prosessoidut marjat Marjojen soluviljelmät 8

9 Marjojen kuivafraktiointi bioaktiivisiksi jakeiksi 30/09/ Photo Jouko Lehmuskallio

10 Mikroskooppileikekuva lakan siemenestä. Stereomikroskooppikuvia lakasta. Kuivafraktiointi: Marjakakku kuivataan, jauhetaan ja seulotaan erikokoisten seulojen läpi: hedelmäliha, kuoret, siemenet, hieno ja karkea siemenfraktio A) Lakan siemenet; B); Hieno siemenfraktio C) Kiekkomyllyllä jauhetut siemenet; D) Marjan kuoret ja E) Karkea siemenfraktio. Puupponen-Pimiä et al. 2016, Food Chem. 197:950 10

11 Siemenkuoressa on paljon mikrobien kasvua estäviä yhdisteitä Marja sivuvirta VTT IPR 1 Siemenkuoren hiominen Siemenkuorijauhe VTT IPR 2 Aktiiviyhdisteiden uuto Hydrotermaalinen uutto Antimikrobinen kosmetiikka ingredientti Uuttojäännös Ei toksisia liuottimia tai prosesseja Vesiliukoisia Monivaikutteisia (antimikrobinen, antioksidatiivinen, antiinflammatorinen) 30/09/

12 Lakan ja tyrnin siemenkuorijauheen antimikrobinen teho Staphylococcus aureus bakteeria vastaan 12

13 Ruusunmarjat ja siemenet 30/09/

14 Ruusunmarjan siemenet 30/09/

15 Märkäjauhatusteknologia 30/09/ Photo Jouko Lehmuskallio

16 Märkäjauhatus Masuko -Supermass Colloider-laitteella Equipment manufactured by Masuko Sangyo Co., Ltd., Japan 30/09/

17 Marjapuristekakku voidaan jauhaa hyvin pieneen partikkelikokoon märkäjauhatuksella (22 ja 9 % kuivaainepitoisuus) Partikkelikoko (μm) 415 μm μm 156 μm 257 μm D 50 = 50% of particles (μm) D 90 = 90% of particles (μm) 93 μm D50 D90 73 μm /09/

18 Esimerkkituotteita, joissa on märkäjauhettua mustikkakakkua Leivonnaisia, joissa mustikkaa ja suklaata Kaikki marjaraaka-aine on puristekakkua (6%) >6% kuitua Muffinsit, joissa mustikkaraitoja Kaikki marjaraaka-aine on puristekakkua (10%) >7% kuitua Marjanauhat Sisältävät marjaa (mustikka, mansikka, omena), vesi, sokeri ja tärkkelys kuivattuna sopivaan koostumukseen 1/3 marjaraaka-aineesta puristekakkua 30/09/

19 Märkäjauhetusta mustikkakakusta tehtyä jäätelöä Kuva: Paula Bergqvist 30/09/

20 Marjojen bioprosessointi entsyymien ja fermentaation avulla 30/09/ Kuva: Jouko Lehmuskallio

21 Aromia ja terveyttä Pohjolan marjoista Miksi bioprosessointi? Bioprosessoinnilla entsyymien tai fermentaation avulla voidaan muokata marjaraaka-ainetta hyvin kokonaisvaltaisesti, sen rakennetta, makua, väriä, säilytysaikaa ja voidaan myös vapauttaa bioaktiivisia yhdisteitä marjaraaka-aineesta. Hyödyt Uudenlaisia tuotteita ja ainesosia elintarvikeja kosmetiikkateollisuudelle Enemmän bioaktiivisia yhdisteitä (antioksidantteja ja haittamikrobien kasvua estäviä aineita) ja enemmän mehua Uudenlaisia bioaktiivisia yhdisteitä Lisää aromia, voimakkaampi väri, pitempi säilytysaika 30/09/

22 Marjojen bioprosessointi entsyymien tai fermentaation avulla Jäiset marjat Marjojen murskaus Kuumennus/lämmitys Entsyymikäsittely/ fermentaatio Mehun puristus Marjaraaka-aineen kokonaisvaltainen muokkaus Soveltuu erilaisille marjoille Soluseinää hajottavat entsyymit LAB ja hiivat Prosessit ylösskaalattu Puristekakku Mehu Enemmän Anti-inflammatorista tehoa Enemmän antimikrobista aktiivisuutta Enemmän antioksidantteja Enemmän bioaktiivisia yhdisteitä Uusi aromi ja maku 22

23 Mustikan entsymaattinen mehunpuristus Mehusaanto Antosyaaniglykosidien jakaantuminen mustikkamehussa Unknown Arabinosides Glucosides Galactosides 0 23 Ref. Pectinex Ultra SP-L Pectinex Smash Pectinex BE-3L Biopectinase CCM Ref.(for Econase) Econase CE Pectinex Smash Pectinex BE-3L Biopectinase CCM Ref. (for Econase) Econase CE Pectinex Ultra SP-L Ref. Saanto Pitoisuus (mg/kg -1 ) Ref. Buchert et al. (2005) J. Sci. food Agric. 85:

24 Pectinex BE XXL entsyymikäsittelyn vaikutus Salmonella- bakteeriin cfu/ml 1,00E+10 1,00E+09 1,00E+08 1,00E+07 1,00E+06 1,00E+05 1,00E+04 1,00E+03 Pectinex BE XXL 0-growth control juice control cake BE XXL 10 nkat juice BE XXL 10 nkat, cake BE XXL 50 nkat juice BE XXL 50 nkat, cake 1,00E Kasvatusaika (h) Puupponen-Pimiä et al. 2008, J. Agric. Food Chem. 56:681 30/09/

25 VTT: mikrobikantakokoelmat Yli 200 maitohappobaktterilajia: Lactobacillus acidophilus Lactobacillus buchneri Lactobacillus brevis Lactobacillus casei Lactobacillus delbrueckii Lactobacillus fermentum Lactobacillus reuteri Lactobacillus paracasei Lactobacillus plantarum VTT:n mikrobikantakokoelmassa (VTTCC) on noin 6500 mikrobikantaa ja kasvisolulinjaa, jotka kattavat yli 800 bakteerilajia, jotka edustavat 225 sukua, yli 600 sienilajia, jotka edustavat 255 sukua, ja vuodesta 2014 lähtien myös noin 50 kasvisolulinjaa. Monet kannat ovat ainutlaatuisia ja saatavilla ainoastaan VTT:n kantakokoelmasta. 30/09/

26 Entsyymikäsittely vähentää puolukan hapanta makua Puolukan fermentaatio lisää luontaisen säilöntäaineen, bentsoehapon, määrää 30/09/

27 Bioprosessointi pilot-mittakaavan bioreaktoreissa Kapasiteetti noin 15 L 4 lead-ins for sensors, two gas connections Kolmilapainen sekoittaja Säädettävä lämpötila, kasvatusaika, kaasufaasi ja sekoitusnopeus Entsyymireaktoreiden kapasiteetit 2 x 1 L ja 1 x 10 L hjelmoitava sekoituksen ja lämpötilan säätö Tiedon taltiointi HAFIC High Pressure Tincture Press HP 5 H: Hydraulisesto toimiva korkeapainen Hydraulic operated high-pressure tincture press for Noin 5 L täyttötilavuus. 30/09/

28 Marjojen soluviljelmät kosmetiikassa 30/09/ Photo Jouko Lehmuskallio

29 Ainutlaatuinen kokoelma marjojen soluviljelmiä 1. Marjakasvi Suomen luonnosta 2. Pieni osa kasvia + hormonit erilaistumaton haavasolukko eli kallus 3. Kallussolukon valinta ja optimointi (kestää noin vuoden) 4. Eriväristen, nopeasti kasvavien kallussolukoiden ylläpito 5. Suspensioviljelmien aloitus 30/09/

30 Marjojen soluviljelyteknologia Jotkin marjalajit ovat uhanalaisia ja yhä harvinaisempia luonnossamme Biotekniikka tarjoaa mahdollisuuden hyödyntää näitä lajeja luontoystävällisellä tavalla Ei ilmastovaikutuksia, ympärivuotinen tuotto Saanto ja laatu eivät juurikaan muutu Ei sairauksia tai kasvituholaisia Ei maatalouskemikaaleja Tuotteen puhdistus ja talteenotto helppo Erilaistumattomia, totipotentteja soluja, kantasoluja Koko marjakasvin biosynteesikapasiteetin hyödyntäminen Mahdollisuus tuottaa uusia yhdisteitä 30/09/

31 Marjojen soluviljelmien tutkiminen Teknologiat Soluviljelmien aloitus Kasvatus olosuhteet Kemiallinen karakterisointi Bioaktiivisuuksien arviointi Ylösskaalaus teollisuuden tarpeisiin Uuttoteknologia Viljelmien kryösäilöntä Soluviljelytuotteet Solut & solu-uutteet Bioaktiiviset yhdisteet Aromiyhdisteet Pigmentit, väriaineet Primääriaineenvaihduntatuotteet rasvat, proteiinit Sekundääriaineenvaihduntatuotteet Fenoliyhdisteet Teollisuuden käyttämiä valmistusaineita Kosmetiikassa Lääkkeissä Hygieniatuotteissa Elintarvikkeissa Rehuissa Jne 30/09/

32 Kemiallinen karakterisointi Analyysi (g / 100 g kp) Marja Soluviljelmä Lakan soluviljelmän ominaisuuksia Proteiini 9 38 Lipidit 3,1-5,6 2,9 Monosakkaridit nd 24 Ravintokuitu ~ 40 ~ 20 C vitamiini ~ 0,4-0,6 ~ 0,1 Fenoliyhdisteet 1,5-3 0,2-1 Antioksidanttiaktiivisuus (DPPH) Mineraalit (korkea tuhkapitoisuus Proteinit Rasvahapot Kuidut Flavanolit 10 x enemmän kuin marjassa 30/09/

33 Lakkamarjan fenoliyhdisteet Flavonoidit Fenolihapot Lignaanit Stilbeenit Polymeeriset tanniinit Antosyanidiinit Pelargonidiini Syanidiini Delfinidiini Peonidiini Petunidiini Malvidiini Flavonolit Kversetiini Myrisetiini Kemferoli + Syanidiini Kversetiini Kanelihapot Kahvihappo P-Kumariinihappo Ferulahappo Kahvihappo Bentsoehapot Protokatekiinihappo P-Hydroksibentsoehappo Gallihappo H 3 C H 3 C CH 3 3 Sekoisolarikiresinoli Resveratroli Ellagitanniinit C C C C C Kasuariktiini Proantosyanidiinit Flavanolit (Katekiinit) (+)-Katekiini (-)-Epikatekiini Gallokatekiini Epigallokatekiini (+)-Katekiini Gallihappo ranssilla merkittyjä yhdisteitä esiintyy marjan hedelmälihassa Proantosyanidiini trimeeri (flavanoli) 33

34 Lakan soluviljelmän fenoliyhdisteet Flavonoids Phenolic acids Lignans Stilbenes Complex phenolic polymers (polymeric tannins) Anthocyanidins Pelargonidin Cyanidin Delphinidin Peonidin Petunidin Malvidin Flavonols Quercetin Myricetin Kaempferol + Cyanidin Quercetin Cinnamic acids Caffeic acid p-coumaric acid Ferulic acid Caffeic acid Benzoic acids Protocatechuic acid p-hydroxybenzoic acid Gallic acid H 3 C H 3 C CH 3 3 Secoisolariciresinol Resveratrol Ellagitannins C C C C C Casuarictin Proanthocyanidins Flavanols (Catechines) (+)-Catechin (-)-Epicatechin Gallocatechin Epigallocatechin (+)-Catechin Gallic acid Vihreällä merkittyjä yhdisteitä esiintyy soluviljelmässä Procyanidin trimer (flavanol) 34

35 Lakkasolukon tuoton ylösskaalaus ja tuotto bioreaktoreissa 300 L teräksinen bioreaktori Suodatus ja pesu Pakkaskuivaus Raaka-aine lopputuotteeseen Kallusviljelmä kasvatusmaljoilla 2 50 L kertakäyttöinen en Wave-tyyppinen bioreaktori Nohynek, L., Bailey, M., Tähtiharju, J., Seppänen-Laakso, T., Rischer, H., ksman-caldentey, K.-M. & Puupponen-Pimiä, R. (2014): Cloudberry (Rubus 35 chamaemorus) cell culture with bioactive substances: establishment and mass propagation for industrial use. Eng Life Sci 14:

36 Marjatutkimus VTT:llä Kaisa Poutanen (terveysvaikutukset prosessointi) Riitta Puupponen-Pimiä (bioaktiivisuudet, soluviljelmät, fraktiointi) Heiko Rischer (soluviljelmät, aineenvaihdunnan muokkaus) Liisa Nohynek (antimikrobisuus, soluviljelmät) Anna-Marja Aura (aineenvaihdunta, suolistomallit) Kaisu Honkapää (bioprosessointi) Panu Lahtinen (märkäjauhatus) Raija-Liisa Heiniö (aistinvarainen arviointi) Emilia Nordlund (entsymaattinen prosessointi) Veera Virtanen (liiketoiminnan kehitys) Kirsi-Marja ksman-caldentey (tutkimuksen johto, biotekniikka) 30/09/

37 37