Novel bioprocessing for increasing consumption of Nordic berries

Abstract

Lingonberry is the highest yielding wild berry found in Finnish forests. Even though lingonberry is a commonly used berry in Finland, the annual harvesting rate is only approximately 10 % of the crop. Black currant is the second most cultivated berry crop in Finland. Both of the berries have a distinct attractive odour and intense flavour properties, which limits their use. Lingonberry and black currant are rich in phenolic compounds, such as anthocyanins, flavonols, and proanthocyanins, which have beneficial effects on human health. However, some of these compounds have negative effects on the berries sensory quality, causing lingonberry and black currant to have a bitter taste and an astringent mouthfeel. The aim of this research was to study the impact of bioprocessing and the application of biopolymers on the compounds contributing to the sensory properties of lingonberry and black currant, thus, investigating the possibility of modifying the flavour. A special focus was placed on the characterisation of the changes in the non-volatile and volatile flavor compounds. The goal was to produce new knowledge on the potential of bioprocessing to modify the quality factors of foods and provide guidance for the juice and fermentation industries as regards bioprocessing of Nordic berries.

Cyclodextrins are used to decrease negative sensory properties, such as bitterness and astringency, by forming inclusion complexes with compounds contributing to the sensory properties. Lingonberry juice diluted from a commercial concentrate was treated with a biopolymer, a cyclodextrin, gelatine, sequentially with two biopolymers, or with NaOH to increase the pH. Generally, the gelatine treatment decreased all the phenolic compound content and the cyclodextrin treatments slightly increased it. Treatment with cyclodextrins alone was not sufficient to modify the sensory properties of the lingonberry juice, but the sequential treatment with gelatine and cyclodextrin decreased the bitterness and astringency of the lingonberry juice.

Enzymatic treatments are commonly used in the juice industry to increase the juice yield. In addition, enzymatic treatments influence the chemical composition and, thus, the sensory quality of the final juice products. Two commercial pectinases, cellulase, and β-glucosidase and one research enzyme product were used to produce lingonberry juice from frozen Finnish lingonberries. Enzymatic treatments were conducted with the minimum or maximum enzyme dosage recommended by the producer and with incubation period of one- or three-hour at 50 °C. All the enzymes used significantly increased the juice yield and the content of most of the phenolic and volatile compounds. Incubation time had more effect on the contents of the phenolic compounds by increasing the content of various phenolic compounds compared to the enzyme dosage.

Beverages with a low content of alcohol are becoming increasingly popular around the world. Non-Saccharomyces yeasts can be used in fermentation to produce soft alcoholic beverages with a low alcohol content due to their characteristic nature production a lower amount of ethanol. They may also have a positive effect on the sensory properties of alcoholic beverage. Black currant juice was prepared from frozen commercial Finnish black currants and fermented with Saccharomyces cerevisiae, S. bayanus, Torulaspora delbrueckii, and Metschnikowia pulcherrima, and M. fructicola yeasts without added sugar. The ethanol content, sugars, organic acids, certain phenolic compounds, and the volatile compounds were measured before and after fermentation. GC-O and generic descriptive sensory analysis was used to determine the sensory differences between the fermented beverages. The ethanol content varied significantly between the fermentations and the sequential fermentations with non-Saccharomyces and Saccharomyces yeasts resulted in the lowest ethanol levels. In general, all fermentations decreased the anthocyanin content and, thus, the colour properties of the fermented beverages. The content of glycosylated nitrile-containing hydroxycinnamic acids, a major phenolic compound group in the currants, were decreased after all the fermentations.

Volatile compounds have an important role in the flavour of fermented beverages. Oenological yeasts produce volatiles at different rates due to their metabolic differences and this results in the different sensory properties of the beverage produced. Ninety-eight volatile compounds were determined from the black currant juice and fermented beverages. All the fermentations significantly effected the volatile composition. Clear differences were observed in the volatile content between the used yeasts: Fermentation with S. bayanus resulted the highest content of esters and terpenes, where as T. delbrueckii ferementation had the lowest levels of these compound groups. The GC-O analysis also revealed clear difference between S. bayanus and T. delbrueckii fermented beverages. In the generic descriptive analysis, a significant difference was observed only in the ‘black currant odour’, the ‘musty odour’, and the viscous mouthfeel between the fermented beverages. Surprisingly, the S. bayanus fermented beverage had the highest ‘mustiness’ and lowest odour and flavour of ‘black currantness’, whereas these attributes were high in the T. delbrueckii fermented beverage.

The research of this doctoral thesis show that these selected bioprocessing methods have the potential to modify the chemical compositions and sensory properties of Finnish lingonberries and black currants. The research findings provide new insight and important references for the bioprocessing of these and other Nordic berries.

Suomen metsissä villinä kasvavista marjoista puolukalla on suurin vuotuinen sato. Puolukkaa käytetään yleisesti suomalaisissa talouksissa, mutta silti sadosta kerätään vuosittain vain noin 10 %. Viljellyistä marjoista mustaherukka on toiseksi eniten viljelty marja Suomessa. Molemmilla marjoilla on houkutteleva tuoksu sekä voimakkaat makuominaisuudet, jotka vaikuttavat näiden marjojen käyttöön sellaisenaan. Puolukka ja mustaherukka sisältävät suuria määriä erilaisia fenolisia yhdisteitä, kuten antosyaaneja, flavonoleja ja proantosyanidiineja. Näillä yhdisteillä on mahdollisia terveyttä edistäviä ominaisuuksia. Samaiset haihtumattomat yhdisteet saattavat kuitenkin vaikuttaa kielteisesti marjojen aistittaviin ominaisuuksiin, koska niiden on kuvattu olevan maultaan karvaita ja suutuntumaltaan kurtistavia ja kuivattavia. Tämän väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli tutkia erilaisten bioprosessointien ja biopolymeerien vaikutuksia marjojen haihtuviin ja haihtumattomiin yhdisteisiin. Tutkimuksen tavoitteena oli tuottaa tieteellistä tietoa lupaavista bioprosessoinneista ja niiden käytöstä mehujen ja käymistuotteiden valmistuksessa suomalaisista marjoista.

Syklodekstriinit sulkevat yhdisteen sisäänsä, jolloin niitä voidaan käyttää vähentämään kielteisiä aistittavia ominaisuuksia, kuten karvasta makua sekä astringoivaa suutuntumaa. Kaupallisesta puolukkamehutiivisteestä laimennettua mehua käsiteltiin syklodekstriineillä, gelatiinilla, näiden polymeerien peräkkäisellä käsittelyllä tai natriumhydroksidilla pH:n nostamiseksi. Gelatiinikäsittely laski ja syklodekstriinit puolestaan nostivat puolukkamehun fenolisten yhdisteiden pitoisuuksia jonkin verran. Syklodekstriinikäsittelyt eivät yksinään muokanneet puolukkamehun aistittavia ominaisuuksia riittävästi, mutta peräkkäinen käsittely gelatiinilla ja syklodekstriinillä vähensi puolukkamehun karvasta makua ja astringoivaa suutuntumaa.

Entsyymikäsittelyjä käytetään mehujen valmistuksessa parantamaan saantoa. Ne vaikuttavat myös mehun kemialliseen koostumukseen ja siten myös aistittaviin ominaisuuksiin. Väitöskirjatyössä puolukkamehua valmistettiin käsittelemällä puolukoita kaupallisilla entsyymivalmisteilla (pektinaasi-, sellulaasija β-glukosidaasientsyymit, kahtena pitoisuutena ja lämpökäsittelyajalla). Kaikki entsyymikäsittelyt nostivat merkittävästi mehusaantoa sekä fenolisten yhdisteiden pitoisuuksia. Pidempi lämpökäsittelyaika vaikutti entsyymin annostusta enemmän fenolisten yhdisteiden pitoisuuksiin.

Matalan alkoholipitoisuuden juomat ovat nouseva trendi ympäri maailmaa. Monet Saccharomyces-hiivoihin kuulumattomat hiivat tuottavat luonnollisesti vähemmän etanolia kuin Saccharomyces cerevisiae, minkä vuoksi niillä voidaan helposti valmistaa matalan alkoholipitoisuuden juomia. Näillä hiivoilla on myös todettu olevan myönteisiä vaikutuksia alkoholijuomien aistittaviin ominaisuuksiin. Väitöskirjatyössä suomalaisista pakastemustaherukoista valmistettu mehu käytettiin ilman lisättyä sokeria S. cerevisiae, S. bayanus, Torulaspora delbrueckii, Metschnikowia pulcherrima ja M. fructicola viinihiivoilla. Etanolin, sokerien, happojen ja tiettyjen fenolisten ja haihtuvien yhdisteiden pitoisuudet määritettiin ennen ja jälkeen hiivakäymisen. Aistittavien ominaisuuksien muutoksia tutkittiin käyttäen kaasukromatografiolfaktometria (GC-O) sekä yleistä kuvailevaa aistittavan arvioinnin menetelmää. Etanoli pitoisuus vaihteli merkittävästi eri viinihiivojen välillä ja alhaisin etanolipitoisuus oli Metschnikowia ja Saccharomyces-hiivoilla tehdyn peräkkäisen käymisen jälkeen. Kaikki hiivakäymiset alensivat antosyaaniväriyhdisteiden pitoisuuksia muuttaen siten juomien väriominaisuuksia. Tietyt mustaherukalle tyypilliset hydroksikanelihapot, jotka sisältävät typpeä ja glykosidiryhmän, ovat mustaherukan isoimpia fenolisten yhdisteiden ryhmiä. Näiden yhdisteiden pitoisuudet laskivat kaikkien käymisreaktioiden aikana.

Viinihiivat tuottavat eri määriä haihtuvia yhdisteitä niiden erilaisen aineenvaihdunnan vuoksi. Haihtuvilla yhdisteillä on tärkeä rooli käymistuotteiden flavorin muodostumisessa ja eri hiivoilla voidaankin saavuttaa hyvinkin erilaisia aistittavia ominaisuuksia. Väitöskirjatyössä mustaherukkamehusta ja - juomista havaittiin 98 haihtuvaa yhdistettä ja kaikki viinihiivakäymiset vaikuttivat merkittävästi juomien yhdistekoostumukseen. S. bayanuksella käyttäminen tuotti eniten estereitä ja terpeeneitä, kun taas T. delbrueckii käymisen jälkeen näitä yhdisteitä oli vähiten. Selkeä ero näiden hiivojen välillä oli myös havaittavissa GC-O-analyysissä. Yleisellä kuvailevalla menetelmällä merkittäviä eroja aistittavassa laadussa oli havaittavissa vain ”mustaherukan tuoksuisen”, ”tunkkaisen tuoksuisen” ja viskoosisen suutuntuman välillä. S. bayanus aiheutti tunkkaisimman tuoksun sekä vähemmän mustaherukkaisen tuoksun ja flavorin, kun taas nämä ominaisuudet olivat matalat T. delbrueckii käymisen jälkeen.

Tämän väitöskirjatutkimus osoitti valittujen bioprosessointimenetelmien mahdollistavan suomalaisen puolukan ja mustaherukan kemiallisen koostumuksen sekä aistittavien ominaisuuksien muokkaamisen. Tutkimuksen tulokset tarjoavat uutta näkemystä ja vertailukohtaa näiden ja muiden pohjoisten marjojen bioprosessointiin ja mahdollistaa marjojen paremman hyödyntämisen teollisuudessa.