Inzicht in de functionele eigenschappen van pectinearme citrusvezels als texturerend ingrediënt

De wereldwijde hoge productie van citrusvruchten, waarbij grote delen van de geoogste vruchten worden verwerkt in de voedingsindustrie, creëert een aanzienlijke hoeveelheid nevenstromen die een probleem kunnen vormen voor producenten en het milieu. Nochtans zijn deze nevenstromen rijk aan celwandmateriaal (CWM), ook bekend als voedingsvezel, dat uitgebreid is onderzocht vanwege zijn uitstekende technofunctionaliteit en gezondheidsvoordelen. Daarom is er reeds heel wat inspanning besteed aan de valorisatie van citrus nevenstromen. Eén van de belangrijkste valorisatieroutes van citrus nevenstromen is pectine extractie. Deze extractie benut slechts een fractie van de nevenstroom en laat een residu achter dat rijk is aan celwandpolysachariden, namelijk cellulose, hemicellulose en restpectine. Dit residu (‘acid residue’, AR) kan gefunctionaliseerd worden met behulp van hogedruk homogenisering (HDH) om suspensies met uitstekende reologische eigenschappen te creëren.

Verschillende aspecten in verband met de functionalisatie van partieel pectine-verarmd CWM zijn nog maar beperkt of niet onderzocht, zoals bijvoorbeeld het effect van de CWM-bron of de specifieke rol van de verschillende celwandpolysachariden in het residuele CWM en hun structuur op de reologische eigenschappen van de resulterende suspensie. Om de potentiële textuurcreërende eigenschappen  van deze interessante en nieuwe materialen beter te begrijpen zijn dus verdere studies noodzakelijk. Verschillende specifieke onderzoeksvragen worden beantwoord via de experimentele studies beschreven in dit doctoraatsmanuscript. De eerste doelstelling was om de mogelijke verschillen te onderzoeken tussen citrussoorten (citroen, sinaasappel, pompelmoes) en fruitdelen (schil en vruchtvlees) als bron van de ARs. In tweede instantie werd het effect van de samenstelling en structuur van CWM-residuen onderzocht door middel van alkalische extracties uitgevoerd op het AR bij verschillende concentraties alkali. Ten slotte werden verschillende methoden en technieken onderzocht om de vochtafhankelijke veranderingen in de moleculaire mobiliteit van het gefunctionaliseerde AR en de stabiliteit ervan tijdens opslag in droge toestand in detail te bestuderen.

Tijdens het eerste deel van dit onderzoek werd aangetoond dat hoge druk homogeniseren van citrus ARs, ongeacht de bron van de nevenstroom, leidt tot een aanzienlijke verhoging van  de G’-waarde van de AR suspensies, wat aangeeft dat HDH kan benut worden om het textuur creërend  potentieel van citrus AR te verbeteren (functionalisatie). De suspensies aangemaakt met ARs van de schil van pompelmoes en citroen hadden de hoogste G’-waarde.  Deze bronnen van citrus CWM kunnen bijgevolg worden beschouwd als interessantere bronnen voor de gewenste toepassing in vergelijking met de nevenstromen van de andere bestudeerde citrusvruchten. Een bepaalde mate van pectine extractie uit het CWM bevorderde de functionalisatie van het residu. Enkele eigenschappen van het CWM-residu, met name het rhamnose gehalte, de mate van methyl-esterificatie van het resterende pectinegehalte en het glucosegehalte afkomstig van hemicellulose, correleerden sterk met de G'-waarde van de suspensie vóór HDH. Deze correlaties werden echter niet meer vastgesteld na HDH, wat suggereert dat HDH vooral een impact heeft HDH op de (micro)structurele eigenschappen van het residu/AR. Op basis van deeltjesgrootteanalyse en microscopische visualisatie na HDH werd aangetoond dat HDH leidt tot fragmentatie en aggregatie van de partikels.

In het tweede deel van het onderzoek werden extracties uitgevoerd op het AR bij verschillende concentraties alkali (0,1 mM - 6 M KOH), wat resulteerde in CWM-residuen met verschillende polysacharidesamenstellingen. Het gebruik van milde alkali-extractie (tot 1 mM KOH) leidde tot verdere verwijdering van pectine uit het AR (tot een maximale mate van pectine-extractie), terwijl de uitstekende reologische eigenschappen zoals bekomen voor het originele AR  behouden bleven. Residuen verkregen na extractie uitgevoerd op het AR bij de licht verhoogde concentraties alkali (0,1 M - 1 M KOH) vertoonden echter een aanzienlijke verslechtering van de reologische eigenschappen van de overeenkomstige suspensies, terwijl de polysacharidesamenstelling niet significant verschillend was aan deze bekomen voor de residuen verkregen na 1mM KOH extractie. De impact op de reologische eigenschappen van de suspensies werd gelinkt aan de mogelijke veranderingen in de structuur van hemicellulose ten gevolge van de verhoogde alkali concentratie (0,1 M - 1 M KOH) tijdens de extractie uitgevoerd op het AR. Bij gebruik van hoog-alkalische extractiecondities (2 M - 6 M KOH) werd, naast maximale verwijdering van pectine,  hemicellulose ook gedeeltelijk verwijderd uit het AR. Deze residuen konden niet worden gefunctionaliseerd door HDH. Via lichtmicroscopie en scanning elektronen microscopie (SEM) werd aangetoond dat wanneer de partikels werden geopend tijdens HDH, dat deze CWM-residuen effectief konden worden gefunctionaliseerd. Naarmate de concentratie van de alkalische extractie-oplossing toenam, was de structuur van de resulterende partikelscompacter en meer gesloten, waardoor het CWM-residu minder efficiënt of niet kon worden gefunctionaliseerd door HDH. De kristalliniteitsindex van cellulose nam af bij hogere alkaliconcentratie, maar wijzigde niet door HDH. Een duidelijk verband tussen de kristalliniteit van cellulose en de reologische eigenschappen van het CWM in suspensie werd niet waargenomen.

In een vervolgstudie werden de veranderingen in microstructuur en het netwerk dat werd gevormd in de suspensies gemaakt met verschillende CWM-residuen met verschillende reologische eigenschappen onderzocht. Voor CWM-residuen met een hoge functionaliteit veroorzaakte HDH een afname van de beweeglijkheid van het ingesloten water in de suspensie vanwege de vorming van kleinere holtes in een sterker netwerk opgebouwd door het CWM-residu. Hoewel de suspensies aangemaakt met CWM als residu na milde alkali extractie de hoogste G'-waarde hadden, was de suspensie gevoeliger voor sedimentatie en was de beweeglijkheid van het water hoger dan voor suspensies aangemaakt met CWM-residuen met lagere G' (de AR suspensie). Betere algemene reologische eigenschappen kwamen dus niet altijd overeen met sterkere CWM-residu netwerken in suspensie. In het geval van CWM-residu dat niet kon worden gefunctionaliseerd (suspensie met een zeer lage G’-waarde na HDH) als gevolg van de hoog-alkalische extractie (≥ 1M KOH), gaven resultaten bekomen door immunolabeling aan dat de structuur van het residuele pectine was gewijzigd (mate van methyl-esterificatie en RG-I was minder toegankelijk). De hoog-alkalische condities tijdens de extractie leidden waarschijnlijk tot het meer dens en compacter worden van de partikels van deze CWM-residuen , waardoor hemicellulose niet toegankelijk was voor enzymatische hydrolyse.

Een analyse van de glastransities in AR, onderzocht in het laatste deel van dit doctoraatsonderzoek, toonde de beperkingen aan van differentiële scanning calorimetrie om de veranderingen in de vocht geïnduceerde moleculaire mobiliteit van het AR in te schatten. Deze moleculaire mobiliteit is een belangrijke eigenschap om de stabiliteit van een materiaal tijdens bewaring in te schatten. De structurele relaxaties in AR konden worden geïdentificeerd op basis van mechanische eigenschappen gemeten met behulp van een thermo-mechanische compressie test en dynamische mechanische thermische analyse (TMCT-DMTA) en in het bijzonder op basis van de tan δ-curve verkregen uit DMTA. Deze structurele relaxaties correleerden wel met de resultaten van de stabiliteit van het materiaal tijdens bewaring. De temperatuur bij aanvang van wijzigingen in de tan δ-curves (bepaald bij verschillende vochtgehaltes) geven de bewaarcondities (temperatuur en vochtgehalte) aan die de stabiliteit van de functionaliteit van het CWM-residu waarborgen, dus condities waarbij collapse en verlies van de functionele eigenschappen in suspensie niet optreedt of zeer beperkt is.

Het experimenteel werk in dit doctoraat liet toe het proces van functionalisatie van CWM-residuen, verkregen uit nevenstromen van citrus verwerking, beter te begrijpen. Deze kennis laat toe CWM-residuen te behandelen om textuur creërende ingrediënten met gewenste eigenschappen te bekomen. Een gedeeltelijke pectine verwijdering bevordert de vorming van een CWM-residu met een open structuur, waardoor de functionalisatie door HDH wordt gefaciliteerd. Collapse van het materiaal, waardoor een gesloten structuur bekomen wordt, dient ten allen tijde vermeden te worden. Dit is in het bijzonder relevant bij de selectie van de geschikte condities tijdens bewaring van het gedroogde materiaal om de door vocht geïnduceerde verhoogde moleculaire mobiliteit te voorkomen en op die manier collapse en verlies van functionele eigenschappen van het materiaal te vermijden.