Prolamin degradation in sourdoughs

Abstract

This thesis examines protein behaviours that occur during cereal fermentations. The focus is on the prolamin degradation in sourdoughs. The thesis also looks at what happens to the oat globulins during an oat bran acidification process.

The cereal prolamins are unique proteins in many respects. The wheat prolamins (glutenins and gliadins) are responsible for the formation of the gluten that provides the viscoelastic properties to wheat doughs whereas the rye prolamins (secalins) are unable to develop gluten-like structures. In addition, many baking technological features, such as flavour, shelf-life and dough properties are affected by the protein degradation that might occur during processing. On the other hand, the prolamins contain protein structures that are harmful to gluten sensitive people. It is thus evident that the degradation of the prolamins in sourdough processes may be approached from various aspects. This thesis describes some of these approaches.

Four different cereal fermentations were carried out. Wheat sourdough (WSD) and rye sourdough (RSD) fermentations represented traditional sourdoughs. A germinated-wheat sourdough (GWSD) was a novel sourdough type that was prepared using germinated wheat grains that had high and diverse proteolytic activities. The oat bran fermentation (OBF) represented a fermentation system that lacked functional cereal proteases.

The high molecular weight glutenins and rye secalins were degraded during the WSD and RSD fermentations, respectively. It was noteworthy that in WSD only a very limited degradation of the gliadins occurred. The gliadins were, however, hydrolysed very extensively during the GWSD fermentation. No protein degradation was observable in the OBF system. Instead the acidification altered the solubility of the oat globulins and this finally led to their aggregation.

This thesis confirms that the endogenous proteases of cereals hydrolyse cereal prolamins in sourdoughs. The thesis also shows that the proteolytic activity of the used cereal raw material determines the extent of proteolysis that occurs in sourdough. This means that bakers may adjust the protein degradation in their sourdoughs by selecting the raw material based on its proteolytic activity. The thesis also demonstrates that by using germinated grains, with high and diverse proteolytic activity in sourdough preparations, the prolamins can be extensively degraded. Whether such highly proteolytic food technology could be used to manufacture new gluten-free cereal-based products for gluten sensitive people remains to be solved.

Tutkimus selvitti viljan proteiineissa tapahtuvia muutoksia viljan hapattamisprosesseissa. Tutkimus vahvisti käsityksen siitä, että viljaproteiineja hapattamisen aikana hajottavat nimenomaan viljan omat entsyymit - eivät siis hapattamisessa käytetyt mikrobit. Viljan proteiineja hajottavat entsyymit toimivat parhaiten nimenomaan happamissa olosuhteissa.

Viljaproteiinien hajoamisella on monia leivontateknologisia vaikutuksia. Proteiinien hajoamisessa muodostuu aminohappoja, jotka voivat muuntua raskin mikrobien toimesta tai paistossa leivän makua lisääviksi aromiyhdisteiksi. Aminohapot voivat myös muuntua leivän säilyvyyttä parantaviksi homeiden kasvua estäviksi yhdisteiksi. Toisaalta vehnän proteiinien hajoaminen heikentää taikinan sitkoa. Lisäksi vehnän, rukiin ja ohran proteiinien tiedetään sisältävän rakenteita, jotka aiheuttavat keliakiaa. Viime aikoina on julkaistu paljon tutkimuksia, joissa näitä keliakiaa aiheuttavia proteiinirakenteita on pyritty eliminoimaan entsyymien avulla.

Tutkimuksesta saadut tulokset osoittavat, että perinteisissä vehnä- ja ruishapantaikinoissa tapahtuu käytännössä aina viljaproteiinien hajoamista. Sen sijaan kauralesevellin hapattamisessa kauran proteiinit eivät hajoa. Viljaproteiinien hajoamisen voimakkuus riippuukin käytettyjen viljaraaka-aineiden entsyymiaktiivisuudesta. Jos halutaan että proteiinit eivät hajoa hapattamisessa, tulee raaka-aineen entsyymit tuhota esim. kuumennuksen avulla. Kun taas tavoitteena on voimakas proteiinien hajoaminen, tulee raaka-aineen sisältää paljon aktiivisia entsyymejä. Tällaisen voimakkaan proteiinien hajoamisen tavoitteena voi olla aminohappojen tuotto aromin muodostuksen tehostamiseksi tai haitallisten proteiinirakenteiden eliminoiminen.

Tuorein väitöskirjan osatutkimuksista osoittikin, että vehnän gluteeni-proteiinit hajosivat tehokkaasti, kun vehnähapantaikina valmistettiin idätetystä vehnää, jossa on erittäin paljon proteiineja hajottavia entsyymejä. Tällaisen korkeaan entsyymiaktiivisuuteen perustuvan teknologian käyttö leivonnassa on teknologisesti haastavaa, mutta se voisi tulevaisuudessa avata ovia uudentyyppisille keliakia-kelpoisille täysjyväviljaa sisältäville tuotteille. Tällaisissa erikoistuotteissa keliaakikoille haitalliset proteiinit olisi pilkottu niin tehokkaasti, että niiden vahingolliset vaikutukset olisivat eliminoituneet. Tällaiset tuotteet toisivat vaihtelua gluteenittomien tuotteiden valikoimaan monipuolistamalla niiden makuominaisuuksia ja ravitsemuksellisuutta. Huomioitavaa on, että tässä tutkimuksessa ei kuitenkaan vielä selvitetty oliko gluteeni-proteiinien hajoaminen edennyt niin pitkälle, että niiden keliakia-haittavaikutukset olisivat poistuneet.