Mechanistisch inzicht in de ontwikkeling van ‘hard to cook’ in gewone bonen: Integratie van reactiekinetiek en toestandsdiagrammen

In de afgelopen jaren heeft de verschuiving naar plantaardig voedsel het wereldwijde bewustzijn van het nutritioneel belang van peulvruchten en hun potentiële rol in duurzame voedselsystemen aanzienlijk vergroot. Gewone bonen zijn tot op vandaag een belangrijke bron van betaalbare eiwitten en micronutriënten voor veel mensen in ontwikkelingslanden en de toenemende vraag naar gezond en duurzaam voedsel in ontwikkelde landen heeft geleid tot een hernieuwde belangstelling voor de consumptie van peulvruchten in het algemeen. Opslag na de oogst is een fundamenteel onderdeel van de waardeketen van bonen, omdat het toelaat een constante aanvoer te verzekeren en op die manier de kloof tussen verschillende oogstseizoenen te overbruggen. Langdurige opslag van bonen bij hoge temperatuur (>25 °C) en relatieve vochtigheid (>65%), omstandigheden die vooral relevant zijn in de tropische gebieden waar bonen een belangrijk deel van het dieet uitmaken, maakt ze gevoelig aan de ontwikkeling van ‘hard to cook’ (HTC), een kwaliteitsgebrek dat wordt gekenmerkt door een langere kooktijd nodig om de gewenste verzachting van de zaadlob te bereiken. De mechanismen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van HTC tijdens de opslag van bonen zijn complex en ondanks de enorme inspanningen om dit fenomeen te begrijpen, blijven ze grotendeels onopgehelderd.

In deze doctoraatsstudie werd een geïntegreerde benadering uitgewerkt die materiaalwetenschap (glastransitie) en reactiekinetiek combineert om inzicht te verwerven in het mechanisme van HTC-ontwikkeling tijdens de opslag van bonen. Als eerste stap werd de aannemelijkheid van de meest klassieke hypothese van HTC-ontwikkeling (pectine-kation-fytaattheorie) geëvalueerd door de opslag-geïnduceerde veranderingen in intrinsieke factoren (samenstelling) gekoppeld aan deze hypothese te beoordelen in verschillende boonvariëteiten die een verschillende gevoeligheid ( laag, gemiddeld en hoog) vertonen om HTC te ontwikkelen. Vooral de afname van het fytaatgehalte tijdens de veroudering correleerde significant (r=-0,66, p<0,05) met de toename van de kooktijd van de verschillende bonenvariëteiten. Aangezien er geen significante veranderingen werden waargenomen in de graad van methylesterificatie van pectine tijdens veroudering en een toename van het celwandgebonden calciumgehalte voornamelijk significant was tijdens een kookstap na veroudering, werd geconcludeerd dat endogene fytaathydrolyse de belangrijkste stap is van de pectine-kation-fytaattheorie en kationmigratie/mobiliteit het snelheidsbepalende proces is.

Hoewel reeds werd vastgesteld dat temperatuur en relatieve vochtigheid (die het vochtgehalte van de boon beïnvloeden) de snelheid van HTC-ontwikkeling beïnvloeden, zijn de precieze interacties tussen deze extrinsieke factoren en de fysische omgeving van de boonmatrix om (bio)chemische reacties te vergemakkelijken (die resulterend in veranderingen in de kookkwaliteit van opgeslagen bonen) onvoldoende begrepen. Daarom werd de rol van extrinsieke factoren (opslagtemperatuur, vochtgehalte en tijd) bij het faciliteren van de aard en kinetiek van (bio)chemische reacties geëvalueerd. De snelheidsconstanten van verschillende reacties (HTC-ontwikkeling, fytaathydrolyse en vluchtige componenten genererende door (bio)chemische reacties) werden gekoppeld aan opslag boven Tg die de fysieke toestand van de bonenmatrix bepaalt.

De bewaartemperatuur, -vochtgehalte en -tijd hadden geen invloed op de textuur van bonen na opslag, maar wel op hun kookgedrag nadien. De modellering van kooksnelheidsconstanten als functie van de opslagtijd resulteerde in snelheidsconstanten voor HTC-ontwikkeling die varieerden tussen 6,48 ± 3,35 x 10-3 tot 44,2 ± 2,96 x 10-3 week-1 voor bonen die werden opgeslagen bij respectievelijk 8,7% en 14,5 % vochtgehalte en 35 °C. Een regressieanalyse van de invloed van opslagomstandigheden op deze snelheidsconstanen resulteerde in een significante interactie tussen opslagtemperatuur en vochtgehalte, deze twee factoren hadden een synergetisch effect. Er was een hoge correlatie (r=0.742, p<0.05) tussen deze snelheidsconstanten en opslag boven Tg. Hoe verder boven de Tg, hoe hoger de snelheidsconstanten van HTC-ontwikkeling, en vice versa, waarbij deze relatie afhankelijk was het vochtgehalte van de bonen.

Een evaluatie van de kinetiek van endogene fytaathydrolyse in bonen die bewaard werden bij verschillende temperaturen en vochtgehaltes in verhouding tot hun Tg resulteerde in snelheidsconstanten die varieerden tussen 0,008 ± 0,002 tot 0,058 ± 0,003 week-1 voor bonen die werden bewaard bij respectievelijk 25 en 42 °C . De snelheid van fytaathydrolyse werd voornamlijk beïnvloed door de opslagtemperatuur met een beperkte invloed van het boonvochtgehalte. De globale Tg-waarde van de bonen liet niet toe het plasticerend effect van temperatuur en vochtgehalte, waarvan we verwachtten dat ze de endogene fytaathydrolyse zouden beïnvloeden, in te schatten. Dit werd toegeschreven aan het mogelijke bestaan van lokale verschillen in waterbindend vermogen. Desondanks vertoonden de snelheidsconstanten van fytaathydrolyse een hoge significante correlatie (r>0,98, p<0,05) met de snelheidsconstanten voor HTC-ontwikkeling, wat aangeeft dat bonen met een hoge mate van fytaathydrolyse tijdens opslag gevoeliger zijn voor HTC-ontwikkeling.

Een evaluatie van vluchtige componenten als gevolg van (bio)chemische reacties tijdens de opslag van bonen bij variërende temperatuur en vochtgehalte resulteerde in de detectie van een groter aantal vluchtige verbindingen naarmate de opslagtemperatuur en het vochtgehalte toenam (tussen 53 en 120 componenten voor bonen die werden bewaard bij respectievelijk 6,9% en 14,5% vochtgehalte en 35 °C). De geïdentificeerde vluchtige markerverbindingen waren voornamelijk alcoholen, ketonen en benzaldehyden en zijn typerend voor eiwitafbraak en lipide-oxidatiereacties, de belangrijkste (bio)chemische reacties die verband houden met door opslag veroorzaakte veroudering van bonen. Een evaluatie van de kinetiek toonde aan dat de evolutie van bepaalde markerverbindingen relevant was voor specifieke bewaarcondities, wat betekent dat de aard en snelheid van (bio)chemische reacties afhankelijk zijn van bewaarcondities. De snelheidsconstanten voor deze markerverbindingen correleerden sterk (r>0,6, p<0,05) met opslag boven Tg, wat aangeeft dat de Tg-waarde kan gebruikt worden om de snelheid van deze reacties grotendeels te beheersen.

Dit proefschrift resulteerde in een nieuw diepgaand inzicht in de mechanismen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van HTC door een uitgebreid te onderzoeken hoe extrinsieke factoren tijdens de opslag van bonen de aard en kinetiek van (bio)chemische reacties die verband houden met dit fenomeen beïnvloeden en hoe ze afhankelijk zijn van de fysische toestand van de bonen. De bekomen inzichten zijn cruciaal bij het ontwikkelen van praktische oplossingen om het optreden van dit fenomeen te beheersen en om belangrijke hiaten voor verder wetenschappelijk onderzoek aan te wijzen.