Influence of Enzymatic Hydrolysis and Fermentation of Lupin Protein Isolates on their Functional, Sensory and Immunoreactive Properties

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2021-12-20
Issue Year
2021
Authors
Schlegel, Katharina
Editor
Abstract

As the global population keeps growing, food system suppliers will face a major challenge in providing essential proteins. Increasing livestock production would not be a sustainable option due to drastic environmental impact such as intensive land use, compromising of air and water quality and emissions. A promising approach could be the partial replacement of animal proteins with plant proteins. Legumes such as lupins are becoming increasingly popular as an alternative protein source due to their high protein content and balanced amino acid profile. However, the use of lupin proteins in some foods is limited due to their functional properties, especially their solubility in the acidic range, and sensory profile. In addition, lupin seeds have been included in the European Union regulations (Regulation (EU) No 1169/2011) as foods that may cause allergic reactions. Therefore, the main objective of this work was to investigate the influence of enzymatic hydrolysis, fermentation and the combination thereof, on the main functional properties such as protein solubility, foam formation, emulsifying capacity, as well as the sensory properties of lupin protein isolates (LPI). In addition, the potential effect of the modifications on the allergic potential was examined.

The results of the enzymatic hydrolysis showed an improvement in protein solubility, foaming and emulsifying properties of lupin protein hydrolysates by most of the proteolytic enzymes used compared to the untreated lupin protein isolate. The changes in the sensory properties of the lupin protein hydrolysates were minimal compared to the non-treated lupin protein isolate. However, it was found that a distinct bitter taste was perceivable as a result of the treatment with the enzyme preparations Alcalase®. Further, treatments with enzyme preparations Alcalase®, papain, and pepsin and combinations of Alcalase® and papain were most effective in the degradation of polypeptides of LPI as measured by sodium dodecyl sulphate–polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE). The results showed the possibility of enzymatic hydrolysis of LPI to destroy the major IgE-reactive polypeptides.

Generally, fermented LPI showed similar foaming and emulsifying properties to non-fermented LPI in this study, although protein solubility at pH 7.0 was decreased. Based on the SDS-PAGE results, it appeared that the fermentation treatment was not sufficiently effective in destroying the protein integrity and thus reducing the allergenic potential of the lupin proteins. Furthermore, fermentation - independent of the microorganism used - showed a tendency to reduce the bitter taste, and significantly influenced the aroma profile of LPI depending on the microorganism. The most prominent changes showed LPI fermented with Staphylococcus xylosus with a cheesy and LPI fermented with Lactobacillus sakei ssp. carnosus with a roasty/popcorn-like key aroma impression.

Analysis with gas chromatography-mass spectrometry/olfactometry revealed a total of 30 aroma-active regions for non-fermented and fermented lupin samples. Acetic acid, butanoic acid, and 2/3-methylbutanoic acid could be identified as key aroma compounds for cheesy characterised LPI fermented with Staphylococcus xylosus. The quantification experiments confirmed the cheesy smell character of LPI fermented with Staphylococcus xylosus providing the highest concentration levels of butanoic acid compared to unfermented LPI and LPI fermented with Lactobacillus sakei ssp. carnosus.

Combined experiments of enzymatic hydrolysis and fermentation showed an increase in foaming capacity and solubility at pH 4.0 for all fermented hydrolysates compared to untreated LPI and a balanced aroma profile. Based on the SDS-PAGE and bead assay results, this treatment of LPI is effective in reducing the major allergen Lup an 1 to a residual level of <0.5%, with the highest decrease for treatments with Alcalase® combined with Lactobacillus amylolyticus and Lactobacillus helveticus where no binding to Lup an 1 antibody could be detected.

Abstract

Angesichts der wachsenden Weltbevölkerung stehen die Nahrungsmittelhersteller vor einer großen Herausforderung bei der Versorgung mit lebenswichtigen Proteinen. Eine Steigerung der Produktion tierischen Proteins wäre aufgrund der drastischen Umweltauswirkungen wie intensive Landnutzung, Verschlechterung der Luft- und Wasserqualität und Emissionen keine nachhaltige Option. Ein vielversprechender Ansatz hingegen könnte die teilweise Substitution von tierischen durch pflanzliche Proteine sein. Leguminosen wie Lupinen werden aufgrund ihres hohen Proteingehalts und ihres ausgewogenen Aminosäureprofils als alternative Proteinquelle immer attraktiver. Allerdings ist die Verwendung von Lupinenproteinen in einigen Lebensmitteln aufgrund ihrer funktionellen Eigenschaften, insbesondere ihrer Löslichkeit im sauren Bereich, und ihres sensorischen Profils begrenzt. Darüber hinaus wurden Lupinensamen in die Verordnungen der Europäischen Union (Verordnung (EU) Nr. 1169/2011) als Lebensmittel aufgenommen, die allergische Reaktionen hervorrufen können. Das Hauptziel dieser Arbeit umfasst die Untersuchung des Einflusses der enzymatischen Hydrolyse, der Fermentation und deren Kombination auf die sensorischen und funktionellen Eigenschaften von Lupinenproteinisolaten (LPI), wie Proteinlöslichkeit, Schaumbildung oder Emulgiervermögen. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Modifikationen auf das allergische Potenzial von LPI untersucht.

Die Ergebnisse der enzymatischen Hydrolyse zeigten eine Verbesserung der Proteinlöslichkeit, der Schaumbildung und der emulgierenden Eigenschaften der LPI Hydrolysate durch die meisten verwendeten proteolytischen Enzyme im Vergleich zum unbehandelten LPI. Die Veränderungen in den sensorischen Eigenschaften von hydrolysiertem LPI waren im Vergleich zum unbehandelten minimal. Allerdings wurde durch den Einsatz von Alcalase® ein bitterer Geschmack wahrgenommen. Die Behandlungen mit Alcalase®, Papain und Pepsin sowie Kombinationen aus Alcalase® und Papain waren am effektivsten im Abbau der Polypeptide von LPI, gemessen durch Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE), und zeigten somit die mögliche Zerstörung der wichtigsten IgE-reaktiven Polypeptide von LPI durch enzymatische Hydrolyse.

Fermentiertes LPI zeigte ähnliche schäumende und emulgierende Eigenschaften wie unfermentiertes LPI, allerdings war die Proteinlöslichkeit bei pH 7,0 verringert. Basierend auf den SDS-PAGE-Ergebnissen zeigte sich, dass die Fermentationsbehandlung nicht ausreichend wirksam war, um die Proteinintegrität zu zerstören und somit das allergene Potenzial der Lupinenproteine zu reduzieren. Darüber hinaus zeigte die Fermentation – unabhängig vom verwendeten Mikroorganismus - eine Tendenz zur Verringerung des bitteren Geschmacks und beeinflusste das Aromaprofil von LPI in Abhängigkeit vom Mikroorganismus signifikant. Die deutlichsten Veränderungen zeigten mit Staphylococcus xylosus fermentiertes LPI mit käsigem und mit Lactobacillus sakei ssp. carnosus fermentiertes LPI mit einem röstig/popcornartigen Hauptaromaeindruck.

Die Analyse mit Gaschromatographie-Massenspektrometrie/Olfaktometrie ergab insgesamt 30 Aroma-aktive Regionen für unfermentiertes und fermentiertes LPI. Essigsäure, Buttersäure und 2/3-Methylbuttersäure konnten als Schlüsselaromastoffe für LPI, fermentiert mit Staphylococcus xylosus, identifiziert werden. Die Quantifizierung stützt die Ergebnisse des als mit käsigem Geruch charakterisierten LPI, fermentiert mit Staphylococcus xylosus, mit der der höchsten Konzentration an Buttersäure im Vergleich zu unfermentiertem LPI und LPI fermentiert mit Lactobacillus sakei ssp. carnosus.

Die abschließenden kombinierten Versuche mit enzymatischer Hydrolyse und Fermentation zeigten für alle fermentierten Hydrolysate im Vergleich zu unbehandeltem LPI eine Erhöhung der Schaumfähigkeit und Löslichkeit bei pH 4,0 sowie ein ausgeglichenes Aromaprofil. Basierend auf den SDS-PAGE- und Bead-Assay-Ergebnissen ist diese Behandlung von LPI wirksam bei der Reduzierung des Hauptallergens Lup an 1 auf einen Restgehalt von <0,5 %, mit der höchsten Abnahme bei Behandlungen mit Alcalase® in Kombination mit Lactobacillus amylolyticus und Lactobacillus helveticus. Hier konnte keine Bindung an Lup an 1-Antikörper mehr detektiert werden.

DOI
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