Flanders' FOOD

OPPORTUNITEIT & PROBLEEMSTELLING

Zetmeel is de belangrijkste bron van energie in een evenwichtige menselijke voeding. Chemisch gemodificeerd zetmeel wordt vaak als (voedings)additief gebruikt. De chemische modificatie wijzigt de zetmeeleigenschappen sterk, waardoor zetmeel bijvoorbeeld gemak-kelijker water kan opnemen en zwellen (bij gehydroxypropyleerd zetmeel) of een stabielere viscositeit bij warme temperaturen vertoont (bij verknoopt zetmeel). De consument van vandaag ervaart ‘chemische modificatie’ echter als negatief. Daarenboven heeft het gebruik van gemodificeerd zetmeel implicaties voor het label van producten die het als ingrediënt bevatten. Door op wetenschappelijke basis alternatieven te zoeken voor de veelvuldig gebruikte chemisch gemodificeerde zetmelen (o.a. als verdikkings- of bindmiddel), wordt de basis gelegd voor ‘clean label’-toepassingen van zetmeel. Zo kan bijvoorbeeld aardappelzetmeel, waarvan de granules snel zwellen, gebruikt worden om bepaalde eigenschappen van gehydroxypropyleerd zetmeel te benaderen. Hittebehandeling leidt dan weer tot zetmeel met stabielere viscositeiten, en kan dus mogelijk een alternatief voor verknoopt zetmeel opleveren. Er is momenteel echter nog geen gefundeerde modus operandi beschikbaar om gericht de chemisch gemodificeerde zetmelen te vervangen.

Via de ontwikkeling van een grondige kennis over het geleringsgedrag van zetmelen of zetmeelcombinaties, kan ook een oplossing gevonden worden voor problemen, zoals synerese en vries-dooi-instabiliteit van zetmeelhoudende gelsystemen, waarmee de industrie geconfronteerd wordt.

INHOUD ONDERZOEK

Het project wenst nieuwe zetmeelfunctionaliteiten te ontwikkelen gebaseerd op een rationeel gebruik van (combinaties van) niet-chemisch gemodificeerde zetmelen.

Na doorgedreven karakterisering van al deze verschillende, al dan niet behandelde, zetmelen, zullen verschillende combinaties ervan nader bestudeerd worden, om zo die eigenschappen die gewenst zijn bij chemisch gemodificeerd zetmeel, te evenaren of zelfs te verbeteren.

WERKPAKKETTEN

• WP1 – Karakterisering van zetmelen
  De specifieke eigenschappen van zowel natieve zetmelen van verschillende botanische origine als chemisch gemodificeerde zetmelen zullen gekarakteriseerd worden met behulp van differentiële scanning calorimetrie (DSC), rapid visco analyser (RVA), X-stralen diffractie, reometrie, microscopie, granulegrootte-bepaling, bepaling van concentratie van de dichtste stapeling en bepaling van de hoeveelheid beschadigd zetmeel. Ook de textuur van de via deze zetmelen bekomen gelen zal geanalyseerd worden met een Texture Analyzer, en dit zowel onmiddellijk na bereiding als tijdens bewaring. Veroudering wordt ook opgevolgd met nuclear magnetic resonance (NMR). Verder wordt de vries-dooi stabiliteit, de synerese en de stabiliteit tegen hoge shear, hoge temperatuur en lage pH gemeten. Dit zal als basis dienen voor de identificatie van een aantal essentiële eigenschappen van gemodificeerde zetmelen die nodig zijn in specifieke toepassingen.
• WP2 - Niet-chemische behandeling van zetmelen
  •  DP2.1 – (Droge en vochtige) hittebehandeling van zetmelen
    Zetmeel kan zowel droog als vochtig hittebehandeld worden. Dit resulteert in gewijzigde karakteristieken, zoals hogere verstijfselingstemperaturen (te meten in DSC) en een gewijzigd viscositeitsgedrag van de resulterende zetmeelgelen (zoals vast te stellen met onder andere RVA en dynamische reometrie). Deze behandeling kan mogelijk ook resulteren in zetmeelgranules met beter geordende kristallijne gebieden wat kan bepaald worden via X-stralendiffractie.
  • DP2.2 – Mechanische beschadiging van zetmelen
    Door mechanische beschadiging van zetmeel (bijvoorbeeld door een kogelmolen) kunnen zetmeelgranules beschadigd worden en zo sneller water binden en zwellen. Ook dit heeft gevolgen voor het verstijfselings- en geleringsgedrag van het zetmeel. Door de bepaling van de hoeveelheid beschadigd zetmeel, in combinatie met de typische DSC- en RVA-eigenschappen kan ook dit mogelijk interessante eigenschappen opleveren.
• WP3 – Combinaties van zetmelen
  In dit werkpakket zullen de (combinaties van) eigenschappen van gemodificeerd zetmeel, zoals bepaald in WP1, als uitgangspunt genomen worden voor de bereiding van alternatieven. Naast de mogelijkheid dat al een natief zetmeel van bepaalde origine geïdentificeerd wordt met interessante eigenschappen, zal ook naar combinaties van de verschillende types zetmeel gekeken worden. Mogelijke synergieën kunnen aan het licht komen, bijvoorbeeld door combinatie van een snelzwellend zetmeel met zetmeel met een heel stabiele eindviscositeit.

RESULTATEN EN TOEGEVOEGDE WAARDE VOOR DE BEDRIJVEN

De noden van de bedrijven kunnen in die mate voldaan worden dat het project leidt tot een alternatief voor de, veelvuldig gebruikte, chemisch gemodificeerde zetmelen. Daarnaast wordt ook een beter inzicht geleverd in het zetmeelgedrag, voornamelijk in dat van gelen, waardoor fenomenen zoals synerese en vries-dooi-instabiliteit mogelijk uitgeklaard kunnen worden.

De valorisatie-opportuniteiten en toepassingen kunnen als volgt omschreven worden:

• Inzicht in de eigenschappen van combinaties van zetmelen
• Nieuwe kwaliteitscriteria voor zetmelen in gelsystemen
• Transfer van de projectresultaten naar alle zetmeelhoudende (voedings)systemen
• Toepassen van de (combinaties van) zetmelen als een additief in clean label producten.
• Inzicht in een mogelijke synergie tussen zetmelen

De valorisatie bevat:

• Productdifferentiatie en -ontwikkeling
• Controle van de finale zetmeelkwaliteit

De kennistransfer in de loop van het project zal op geregelde basis gebeuren via voorstelling van de experimentele data op een aantal ad hoc vergaderingen met de industriële partners.

DOELGROEPBEDRIJVEN

De doelgroep van dit projectvoorstel bevat voornamelijk soep-, saus-, bakkerij- en snoepproducenten. Verder is dit project zeker interessant voor alle bedrijven die zetmeel produceren, met zetmeel werken of met zetmeelgerelateerde problemen, zoals synerese, geconfronteerd worden..

UITVOERDER(S)

De onderzoeksmissie van het laboratorium voor Levensmiddelenchemie en -biochemie (LMCB) (http://www.biw.kuleuven.be/lmt/labolmc/labolmc.htm) is het genereren van basisinzicht in reserve- en fysiologisch actieve proteïnen van granen, niet-zetmeelpolysachariden en zetmeel. Dit basisinzicht wordt toegepast in biotechnologische graangebaseerde processen om procesparameters, organoleptische kwaliteit en gezondheidsbevorderende effecten van de producten te verbeteren. Het LMCB voert bijgevolg hoofdzakelijk onderzoek uit op granen.

De onderzoeksgroep heeft de voorbije jaren een grote expertise opgebouwd rond karakterisering van zetmeel van verschillende origine, zoals rijst in het doctoraal werk van Greet Vandeputte ‘Rice starch: structure-physical behaviour relations’, rogge in het doctoraal werk van Tiny Verwimp ‘Isolation, characterization and structural features of rye flour starch and non-starch polysaccharide constituents’, cassava in het doctoraal werk van Isabel Defloor ‘Factors governing the breadmaking potential of cassava (Manihot esculenta Crantz) flour in wheatless bread recipes’, durum tarwe in het doctoraal werk van Jan Vansteelandt ‘The role of durum wheat starch and its interactions in pasta quality’ en aardappel in het doctoraal werk van Sara Gomand ‘The molecular structure of starch: a key to understanding biosynthesis, lamellar structure and physico-chemical behaviour’.

Bovendien is er ook ervaring met betrekking tot (hitte)behandeld zetmeel met het doctoraal werk van Relinde Eerlingen ‘Formation, structure and properties of enzyme resistant starch’, Heidi Jacobs ‘Impact of annealing on physico-chemical properties of starch’ en Veerle Derycke ‘Parboiling of rice: changes in starch en protein and their relation to cooking properties’.

Hiernaast zijn er ook tal van andere doctoraten die, naast zetmeeleigenschappen, het effect van additieven hierop bestuderen, zodat ook daaruit meer kennis over de rol van zetmeel in gel- en broodsystemen verworven werd. Dit is, onder andere, terug te vinden in de doctoraatswerken van Annabel Bijttebier ‘Increased insight into the hydrolysis of starch by amylolytic enzymes’, Joke Putseys ‘Structural and functional characteristics of amylose-inclusion complexes and their applications’ en Liesbeth Derde ‘Amylases and starch functionality’ (dit laatste in uitvoering).

De expertise in verband met zetmeel werd, hiernaast, eveneens verworven in meerdere onderzoeksprojecten. Relevant in deze context zijn het IWT-project ‘Verhoging van basisinzicht in het functioneel gedrag van rijstzetmeel (1999-2002)’, de recente FWO projecten ‘Invloed van amylolytische enzymen en inhibitoren ervan op broodveroudering en broodhardheid (2004-2007)’ en ‘Verhoogd inzicht in de enzymatische hydrolyse van amylose, amylose-lipidecomplexen en amylopectine (2007-2010); het EU Integrated project ‘Healthgrain (www.healthgrain.org; 2005-2010)’.

Het LMCB beschikt over de nodige infrastructuur voor de uitgebreide karakterisering en studie van de fysico-chemische eigenschappen van zetmeel.

De onderzoekseenheid maakt deel uit van LFoRCe (Leuven Food Science and Nutrition Research Centre), dat de onderzoeks- en valorisatie-activiteiten van de K.U.Leuven inzake levensmiddelentechnologie, de relatie tussen voeding en gezondheid en de maatschappelijke aspecten in verband met voeding samenbrengt. Ook in het Methusalemprogramma ‘Food for the Future’ van de KULeuven is het aanreiken van innovatieve en wetenschappelijk onderbouwde concepten voor onder meer de optimalisatie van graangebaseerde processen een centraal thema. De onderzoeksgroep is reeds sinds de oprichting van Flanders’ FOOD actief als kennisinstelling binnen verschillende projecten (vet-, suiker- en zoutreductie, fysico-chemische houdbaarheid, bloemfunctionaliteit).

Daarnaast onderhoudt het LMCB binnen de K.U.Leuven goede contacten met de Afdeling Toegepaste Reologie en Kunststofverwerking (o.a. prof. Paula Moldenaers en prof. Peter Van Puyvelde) voor reometrie- en met de Afdeling Moleculaire en Nanomaterialen (prof. Bart Goderis) voor X-stralendiffractiemetingen.