< Terug naar vorige pagina

Project

Flavourinstabiliteit van bier: onderzoek naar de vorming en/of de vrijstelling van verouderingsaldehyden

Er wordt verwacht dat de sensorische perceptie van voeding en dranken op het moment van consumptie aangenaam, karakteristiek en consistent is. Voornamelijk bier heeft een beperkte houdbaarheid door smaakbederf tijdens transport en opslag. Alle bieren zijn onderhevig aan zogenaamde flavourinstabiliteit: de instabiliteit van bier met betrekking tot geur, aroma, smaak en mondgevoel. Flavourstabiliteit is van zeer groot economisch belang aangezien de biermarkt enorm is. Daarom is een verlengde flavourstabiliteit essentieel, aangezien het doorslaggevend zou kunnen zijn voor de aanvaarding of weigering van het product door de consument.

Flavourinstabiliteit van bier is gekenmerkt door fysische en chemische veranderingen tijdens de bewaring. Twee fenomenen blijken van het grootste belang inzake flavourverandering tijdens bierveroudering: een daling in intensiteit en kwaliteit van de typische bitterheid van bier, en een toename in concentratie van zogenaamde ‘verouderingsaldehyden’. De focus van dit doctoraat ligt bij het tweede probleem, meer bepaald bij de vorming van verouderingsaldehyden in functie van bierveroudering.

Aldehyden kunnen de novo gevormd worden uit precursoren (zowel tijdens het brouwproces als tijdens bewaring in de fles). Drie belangrijke routes voor de vorming van de novo aldehyden zijn algemeen aanvaard: I) vetzuuroxidatie (met als resultaat bijvoorbeeld trans-2-nonenal), II) Streckerdegradatie van aminozuren (met als resultaat bijvoorbeeld 2-methylpropanal), en III) Maillard reactie (met als resultaat bijvoorbeeld furfural). Daarnaast wordt de vorming van niet-vluchtige, gebonden aldehyden tijdens het mouterij- en brouwerijproces voorgesteld als mogelijk reactiemechanisme om de toename aan verouderingsaldehyden tijdens bierveroudering te verklaren. Niet-vluchtige gebonden aldehyden zouden het brouw- en fermentatieproces kunnen overleven en daarbij finaal terecht komen in het bier. Deze zouden vervolgens kunnen ontbonden worden tijdens bierveroudering met vrijstelling van aldehyden tot gevolg. Een aantal studies suggereren dat gebonden aldehyden zouden kunnen gevormd worden uit reactie tussen aldehyden en bisulfiet tijdens fermentatie of uit reactie tussen aldehyden met aminozuren, peptiden, of proteïnen tot vorming van imines tijdens het mouterij- en brouwerijproces. Daarenboven werd in een zeer recente studie de gebonden vorm tussen aldehyden en cysteïne voorgesteld, de zogenaamde cysteïne-gebonden aldehyden of 2-gesubstitueerde 1,3-thiazolidine-4-carbonzuren, als mogelijks verantwoordelijk voor het bierverouderingsprobleem.

 

Het hoofddoel van dit doctoraat is het beter begrijpen van het bindings- en ontbindingsgedrag van de meest relevante verouderingsaldehyden en het verder onderzoeken van de mogelijke rol van aldehyde-adducten met cysteïne en bisulfiet met betrekking tot bierveroudering.

 

De belangrijkste merker aldehyden inzake bierveroudering zijn 2-methylpropanal, 2-methylbutanal, 3-methylbutanal, methional, benzaldehyde, fenylacetaldehyde, furfural, hexanal en trans-2-nonenal. Daarom werden in een eerste fase van het doctoraat de adducten van al deze aldehyden met cysteïne en bisulfiet gesynthetiseerd. Verificatie van de structuur van deze aldehyde adducten werd bekomen via NMR (1H-NMR en 13C-NMR), en high mass accuracy UHPLC-MS. Bovendien werd de zuiverheid gecontroleerd via high mass accurate UHPLC-MS. Na succesvolle synthese van deze gebonden aldehyden werden ze gebruikt tijdens het doctoraat als referentiemateriaal om alle hierop volgende studies te kunnen uitvoeren. Eerst werd een betrouwbare methode geïmplementeerd om respectievelijk vrije en gebonden aldehyden te kunnen kwantificeren via HS-SPME-GC-MS en UHPLC-MS. Validatie van de methode werd beschreven op basis van lineariteit, juistheid, limiet van detectie (LOD) en kwantificatie (LOQ). Verder werd aangetoond dat de methodes in staat zijn om zowel de vluchtige aldehyden als de niet-vluchtige gebonden aldehyden te kwantificeren in het gewenste concentratiebereik. Dit leidde tot de implementatie van een geïntegreerde analytische GC-MS/UHPLC-MS methode.

Na synthese van de belangrijkste bierverouderingsadducten en implementatie van een geoptimaliseerde analytische methodologie, werden ze toegepast op studies in (1) modeloplossingen en (2) mouterij- en brouwerijstalen. In modeloplossingen werd de invloed van pH en temperatuur op het gedrag van cysteïne-gebonden aldehyden onderzocht. Vrije en cysteïne-gebonden aldehyden werden respectievelijk geanalyseerd via HS-SPME-GC-MS en UPLC-PDA. Om het gedrag van cysteïne-gebonden aldehyden te onderzoeken in een tijdspanne van 24 uur in omstandigheden die relevant zijn voor het mouterij- en brouwerijproces, werden pH waarden van 2,0, 4,4, 5,2, 6,0, en 9,0 en temperaturen 0 ºC, 20 ºC en 40 ºC geselecteerd. Cysteïne-gebonden aldehyden toonden een degradatie bij pH waarden van 4,4, 5,2 en 6,0, waarbij de corresponderende aldehyden werden vrijgesteld. Deze pH waarden zijn relevant voor het mouterij- en brouwerijproces. Bovendien waren de adducten stabiel bij alkalische pH. Een hogere degradatiesnelheid werd vastgesteld bij 40 °C dan bij 0 °C. Samengevat toont onze studie in modeloplossingen het potentiële belang aan van cysteïne-gebonden aldehyden als mogelijke bron van verouderingsaldehyden tijdens bierbewaring.

 

Volgend op het werk in modeloplossingen werden de grondstof mout, tussentijdse brouwerijstalen, finaal bier en geforceerd verouderd bier geanalyseerd met betrekking tot vrije en gebonden aldehyden via de geïntegreerde methode als voorheen beschreven. Vrije aldehyden werden gekwantificeerd in alle geteste stalen (van mout tot bier). Cysteïne-gebonden aldehyden werden gedetecteerd van mout tot de start of het einde van het wortkoken, afhankelijk van het type aldehyde. Daarentegen werden bisulfiet‑gebonden aldehyden niet teruggevonden in de geanalyseerde stalen. Mout bevatte alle onderzochte vrije en cysteïne-gebonden aldehyden. Vergelijking van de stalen aan het begin van het maïschproces met de moutstalen, toonde de hoogste concentraties aan cysteïne-gebonden aldehyden in het begin van het maïschproces en de hoogste concentraties aan vrije aldehyden in mout. Dit wijst op een bijkomende vorming (naast de vorming in het mouterijproces) van cysteïne-gebonden adducten tijdens het inmaïschen. Verder werd een daling van de concentraties aan vrije en cysteïne-gebonden aldehyden waargenomen doorheen het brouwproces. Uitzondering hierop was de vrije aldehyde furfural, deze nam toe bij hittelast, namelijk tijdens het wortkoken en wortklaring. In vers bier werden enkel sporen van vrije aldehyden teruggevonden. Deze namen echter toe tijdens bierveroudering, voornamelijk in het geval van 2-methylpropanal en furfural. Anderzijds konden geen cysteïne-gebonden aldehyden gekwantificeerd worden in verse bierstalen, alsook niet tijdens bierveroudering, behalve voor de cysteïne-gebonden vorm van 2-methylpropanal. Hoewel deze resultaten cysteïne of bisulfiet-gebonden aldehyden niet identificeren als direct verantwoordelijk voor bierflavour instabiliteit in de biermatrix, leveren ze extra bewijs aan het concept van gebonden aldehyden en bieden mogelijkheden tot het verder overwegen en onderzoeken van de potentiële rol van gebonden aldehyden inzake smaakbederf van voedsel en dranken.

 

In het laatste experimentele deel van het doctoraat werden gelabelde aldehyden (2-methylbutanal-d3 en furfural-d3) toegevoegd aan vers commercieel pilsbier om de mogelijke vorming van gebonden aldehyden in de biermatrix verder te onderzoeken. Binding van de geselecteerde gedeutereerde aldehyden kon echter niet worden aangetoond. Daarenboven kon vrijstelling van gedeutereerde aldehyden tijdens bierveroudering ook niet worden gedetecteerd.

Tenslotte werd een initiële studie naar de novo vorming van aldehyden uit aminozuren uitgevoerd in de biermatrix. Hiertoe werden de gelabelde aminozuren leucine-d3 en valine-d8 toegevoegd aan een vers commercieel pilsbier en werd mogelijke vorming van gedeutereerde aldehyden gemonitord tijdens bierveroudering tot 3 maand aan 30 °C. Stijgende concentraties aan beide overeenkomstige vrije aldehyden (2-methylpropanal en 3-methylbutanal) werd waargenomen tijdens veroudering. Dit resultaat is het eerste onmiskenbare bewijs van de novo vorming van aldehyden uit aminozuren in de biermatrix.

Datum:31 mrt 2016  →  19 nov 2020
Trefwoorden:Beer, Flavour instability, Staling aldehydes
Disciplines:Engineering van biomaterialen, Biologische systeemtechnologie, Biomateriaal engineering, Biomechanische ingenieurswetenschappen, Andere (bio)medische ingenieurswetenschappen, Milieu ingenieurswetenschappen en biotechnologie, Industriële biotechnologie, Andere biotechnologie, bio-en biosysteem ingenieurswetenschappen
Project type:PhD project