Enzymatic hydrolysis of vegetable and insect proteins using technical enzyme preparations

Großmann, Kora Kassandra

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Großmann, Kora Kassandra

Enzymatic hydrolysis of vegetable and insect proteins using technical enzyme preparations

Enzymatische Hydrolyse von Pflanzen und Insektenproteinen mittels technischer Enzympräparate

(Übersetzungstitel)

Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-21205
URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2023/2120/

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SWD-Schlagwörter:

Enzym , Proteine , Hydrolyse

Freie Schlagwörter (Englisch):

enzyme , protein , hydrolysis

Institut:

Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie

Fakultät:

Fakultät Naturwissenschaften

DDC-Sachgruppe:

Biowissenschaften, Biologie

Dokumentart:

Dissertation

Hauptberichter:

Fischer, Lutz Prof. Dr. rer. nat.

Sprache:

Englisch

Tag der mündlichen Prüfung:

09.09.2022

Erstellungsjahr:

2021

Publikationsdatum:

07.02.2023

Lizenz:

Veröffentlichungsvertrag mit der Universitätsbibliothek Hohenheim

Kurzfassung auf Englisch:

The present dissertation covers the usage of technical enzyme preparations (TEPs) for vegetable and insect protein hydrolysis, due to the mounting interest in alternative protein sources to cover the increasing demand for food from a growing world population. The TEPs, as defined in this study, are enzyme preparations that include side activities and are used in food processing. Today, TEPs are used by food manufacturers based on the supplier’s information that usually states the main enzyme activity and includes information on side activities only in some cases. However, knowledge about the activity profile is crucial as side activities can contribute to the properties of the protein hydrolysates produced (e.g. degree of hydrolysis [DH], liberation of amino acids) and the final food product quality.
In the first study, an automated photometric analyzer (GalleryTM Plus, Thermo Fisher Scientific) was introduced for the comprehensive activity determination of TEPs. The new setup of the analyzer covered 32 synthetic and natural substrates in order to determine aminopeptidase, carboxypeptidase, dipeptidylpeptidase and endopeptidase activities distinguishably. Accordingly, the overall proteolytic activity of TEPs was quantified and detailed information about the substrate spectra and peptidase side activities was generated. Furthermore, several batches of the industrial TEP Flavourzyme1000L were measured. By determining 32 peptidase activities, batch variations were shown. As Flavourzyme1000L is standardized by its supplier Novozymes on only one activity (leucine aminopeptidase), the additional 31 new peptidase activities determined showed differences of the side activities of the batches. In addition, the study showed that the detailed information of the peptidase activities of the TEPs could explain the properties of the resulting lupine protein hydrolysates (DH and liberation of amino acids). Due to the determination of 32 peptidase activities (so-called “activity fingerprint”), TEPs were selected specifically to increase, for example, the DH. The two TEPs P278 and DZM were selected due to their complementary peptidase activities, as an example of this study. The combination of these two TEPs resulted in an increase of the DH of 47%. Now, TEPs can be selected targeted more on the basis of their peptidase activities to, for example, increase the hydrolysis efficiency of lupine protein by combining complementary peptidase activities.
In the second study, six food-grade TEPs (Flavourzyme1000L, ProteaseP “Amano”6SD, DeltazymAPS-M-FG, Promod278, ProteAX-K and PeptidaseR) were investigated regarding their influence on the hydrolysis of soy, pea and canola protein. The hydrolysates were investigated analytically concerning their DH and free amino acid profiles and sensorically concerning the taste attributes umami and bitter. By using a random forest model, the taste attributes bitter and umami were connected to specific peptidase activities (exo- and endopeptidase activities). Furthermore, out of the six selected TEPs, the usage of ProteAX-K showed high umami and low bitter taste of the vegetable protein hydrolysates (soy, pea and canola). In line with the first study, the second study showed that the detailed information of the peptidase activities of the TEPs could explain the properties of the resulting vegetable protein hydrolysates. Based on these new insights, TEPs can be selected more specifically based on their peptidase activity profiles to direct the formation of desired taste attributes of the protein hydrolysates.
In the third study, two TEPs with various peptidase activities (Flavourzyme1000L, ProteaseA “Amano”2SD) were applied for the hydrolysis of insect proteins. This study investigated the potential of cricket and mealworm protein and their hydrolysates regarding their sensory potential. The sensory profiles of the insect proteins were altered by, firstly, applying proteolytic hydrolysis and then a Maillard reaction (30 min, T = 98°C, 1% (w/v) xylose) to the hydrolysates. The initially earthy-like flavor of the insect proteins resulted in modified taste profiles described by e.g., savory-like attributes, due to both processing steps. Furthermore, 38 odor-active molecules (1 alcohol, 5 acids, 11 aldehydes, 5 ketones and 16 heterocyclic compounds) were identified by gas chromatography-olfactometry (GC-O). The identified molecules are also found in meat and edible seafood products. The third study showed that the flavoring profile of insect proteins was modified and can be developed further by the respective processing.

Kurzfassung auf Deutsch:

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Verwendung von technischen Enzympräparaten (TEP) zur Hydrolyse von Pflanzen- und Insektenproteinen. Alternative Proteinquellen sind von zunehmendem Interesse, um die steigende Lebensmittelnachfrage der wachsenden Weltbevölkerung zu decken. In dieser Studie werden TEP als Enzympräparate definiert, die zur Herstellung von Lebensmitteln verwendet werden und meist Nebenaktivitäten aufweisen. In der Regel werden TEP von Lebensmittelherstellern basierend auf den Informationen der Produzenten verwendet. Diese nennen vorwiegend die Hauptenzymaktivität und selten weitere Nebenaktivitäten der Präparate. Detaillierte Informationen über Nebenaktivitäten sind allerdings wesentlich, da diese die Eigenschaften der erzeugten Proteinhydrolyse (z. B. Hydrolysegrad, Freisetzung von Aminosäuren) und die finale Lebensmittelqualität beeinflussen können.
In der ersten Studie wurde ein automatisiertes photometrisches Analysengerät (GalleryTM Plus, Thermo Fisher Scientific) vorgestellt, um TEP umfangreich hinsichtlich ihrer Peptidaseaktivitäten zu bestimmen. Die neue Installierung des Analysengerätes beinhaltete 32 synthetische und natürliche Substrate, um Aminopeptidase-, Carboxypeptidase-, Dipeptidylpeptidase- und Endopeptidaseaktivitäten von TEP differenzierbar zu messen. Dabei wurden die allgemeine proteolytische Aktivität der TEP quantifiziert, sowie detaillierte Informationen über das Substratspektrum und über proteolytische Nebenaktivitäten generiert. Zudem wurden mehrere Chargen des industriellen TEP Flavourzyme1000L gemessen. Durch die Bestimmung der 32 Peptidaseaktivitäten wurden Batchvariationen aufgezeigt. Da Flavourzyme1000L vom Hersteller Novozymes auf nur eine Aktivität (Leucin Aminopeptidase) standardisiert wird, haben die weiteren 31 neu bestimmten Peptidaseaktivitäten die Unterschiede der Nebenaktivitäten aufgezeigt. Ferner hat diese Studie gezeigt, dass die detaillierten Informationen über die Peptidaseaktivitäten der TEP Auswirkungen auf den resultierenden Hydrolysegrad und die Aminosäurefreisetzung von Lupinprotein-hydrolysaten haben. Durch die Bestimmung der 32 Peptidaseaktivitäten (egl. „activity fingerprint“) wurden TEP gezielt ausgewählt, um beispielsweise den Hydrolysegrad zu erhöhen. Unter anderem wurden die zwei TEP Promod278 und DeltazymAPS-M-FG auf Grund ihrer komplementären Peptidaseaktivitäten ausgewählt und kombiniert, was zu einem Anstieg des Hydrolysegrades um 47% führte. Von nun an können TEP gezielter aufgrund ihrer Peptidaseaktivitäten ausgewählt werden, um durch die Kombination von komplementären Aktivitäten z. B. eine effizientere Hydrolyse zu erzielen.
In der zweiten Studie wurde der Einfluss von sechs lebensmitteltauchglichen TEP (Flavourzyme1000L, ProteaseP “Amano”6SD, DeltazymAPS-M-FG, Promod278, ProteAX-K, PeptidaseR) auf die Hydrolyse von Soja-, Erbsen- und Canolaprotein untersucht. Die Hydrolysate wurden hinsichtlich des Hydrolysegrads, der Aminosäurefreisetzung und der Geschmacksattribute umami und bitter sensorisch untersucht. Mit Hilfe eines Random Forest Algorithmus wurden diese beiden Geschmacksattribute bestimmten Peptidaseaktivitäten (Exo- und Endopeptidase-aktivitäten) zugeordnet. Ferner zeigte, von den sechs untersuchten TEP, der Einsatz von ProteAX-K einen stark umami und schwach bitteren Geschmack der Pflanzenproteinhydrolysate (Soja, Erbse und Canola). Die Ergebnisse der ersten Studie konnten somit untermauert werden, auch hier konnten die detaillierten Informationen über die Peptidaseaktivitäten der TEPs die Eigenschaften der resultierenden Pflanzenproteinhydrolysate erklären. Durch diese neuen Erkenntnisse können TEP auf Grund ihrer Peptidaseaktivitäten künftig gezielter ausgewählt werden, um die Entwicklung von Geschmacksattributen der Hydrolysate zu beeinflussen.
In der dritten Studie wurden zwei TEP mit verschiedenen Peptidaseaktivitäten (Flavourzyme1000L, ProteaseA “Amano”2SD) zur Hydrolyse von Insektenprotein eingesetzt. Diese Studie hat das sensorische Potential von Grillenprotein (Acheta domesticus) und Mehlwurmprotein (Tenebrio molitor) und deren Hydrolysate untersucht. Mittels proteolytischer Hydrolyse und anschließender Maillard Reaktion (30 min, T = 98°C, 1% (w/v) Xylose) wurden die Geschmacksprofile der Insektenproteine verändert. Die zunächst erdig schmeckenden Insektenproteine zeigten nach der technologischen Verarbeitung veränderte Geschmacksprofile durch z. B. herzhafte Attribute auf. Ferner wurden 38 geruchsaktive Moleküle (1 Alkohol, 5 Säuren, 11 Aldehyde, 5 Ketone and 16 hetero-zyklische Verbindungen) mittels olfaktorischer Gaschromatographie (GC-O) bestimmt. Die identifizierten Moleküle kommen auch in Fleisch- und essbaren Meerestieren vor. Die dritte Studie hat gezeigt, dass das Geschmacksprofil der Insektenproteine durch technologische Verarbeitung verändert und weiterentwickelt werden kann.