Δομημένα συστήματα λίπους γάλακτος και φυτικών ελαίων για την παραγωγή καινοτόμων τροφίμων

Abstract

Structured lipid systems represent an innovative approach for replacing fats in food products. The oil structuring is achieved through the self-assembly of structurants. Although the structuring of lipids has been extensively studied, there are still several gaps in understanding the formation of structured systems, as well as challenges in their application in food products. However, complex structurants have been developed to stabilize structured lipid systems. Additionally, there has been a growing consumer demand for products aligned with health claims regarding low saturated fats, as well as plant-based (vegan) or mixed plant and animal-derived products (vegetarian). These specific products have garnered the attention of both the industry and researchers. The thesis focuses on the development of structured lipid and oil systems using plant-based or milk-derived structuring agents, with the ultimate goal of improving the stability of these structured systems. Furthermore, these systems were characterized to delve into the mechanism of their formation and were incorporated into food products with the aim of meeting health claims for low saturated fats. In the first experimental section, the gelling ability of milk fat for the development of structured oil systems was assessed. Dry fractionation of milk fat was performed, and the fractions were characterized using various techniques including gas chromatography (GC), microdifferential scanning calorimetry (μDSC), Fourier-transform infrared (FT-IR) and Raman spectroscopy, rheology, polarized optical microscopy, and confocal laser scanning microscopy (CLSM). Results from GC, FT-IR, and Raman indicated differences in unsaturation degree and carbon chain length of the fats, resulting in alterations in fractions’ crystallization temperature. DSC, microstructure, and rheological results showed modifications in thermal properties and microstructure among the fractions. Additionally, the gelling ability of the fractions was studied through CLSM, DSC, and rheology for the formation of oleogels. The results revealed an increased gelling ability when using milk fat fractions, and the thermal characteristics of milk fat were simulated using a low-saturated fat oleogel system. Emulsions were prepared using using these oleogels as the fat phase and were assessed for droplet size and microstructure, with no significant differences found. Lastly, the emulsions were used to manufacture yogurt-type products and were evaluated for acidification kinetics and water-holding capacity, where no significant differences were observed. In the subsequent sections, the development of structured systems consisting solely of plant-based ingredients was investigated using complex structurants comprised of monoglycerides (MGs) and Tween 20. In the second experimental section, oleogels of MGs and Tween 20 were prepared. These oleogels were characterized using differential scanning calorimetry (DSC), FT-IR, rheology, polarized optical microscopy, and CLSM. Additionally, the effect of ultrasound on the crystallization of these oleogels was studied. Results showed that the polymorphic transition of MGs can be controlled, by accelerating the secondary crystallization of MGs. The addition of Tween 20 and the application of ultrasound were found to influence the thermal properties of MGs oleogels, while CLSM results revealed that the presence of Tween 20 formed an o/o emulsion, where the MGs crystals showed preference in droplets interface. In the third experimental section, structured emulsions products were developed using MGs and Tween 20. The impact of homogenization temperature and ultrasonication intensity was studied, and crystalline structures of MGs and Tween 20 in aqueous solutions were developed. These structured emulsions and dispersions were characterized using DSC, rheology, polarized optical microscopy, and CLSM. The results showed that homogenization temperature played a significant role in stabilizing the emulsions, affecting their thermal properties and microstructure. Moreover, ultrasound intensity was found to enhance the crystallization of MGs, although to a lesser extent. When crystallization occurred in-situ, the system remained stable, as the crystals acted as Pickering particles, whereas pre-crystallization in water led to aggregation phenomena. Finally, selected structured emulsions were incorporated into yogurt-type products and evaluated for acidification kinetics, microstructure and water-holding capacity. These products exhibited delayed gelling but improved structure, as the crystals occupied voids in the matrix, resulting in increased water-holding capacity. The investigation of the above objectives aimed to enhance the existing knowledge of the mechanisms of structured systems formation, ultimately improving their stability and producing innovative low-saturated fat foods with enhanced functional properties.

Τα δομημένα συστήματα ελαίων αποτελούν μια καινοτόμο προσέγγιση για την υποκατάσταση του λίπους σε προϊόντα τροφίμων. Η δόμηση επιτυγχάνεται μέσω της αυτο-διάταξης των πηκτωματοποιητών. Παρόλο που η δόμηση των ελαίων έχει μελετηθεί εκτενώς από την ερευνητική κοινότητα, υπάρχουν αρκετές ελλείψεις στην κατανόηση του τρόπου σχηματισμού των δομημένων συστημάτων και επιπλέον, έχουν δημιουργηθεί αρκετά προβλήματα στην υφή και στη σταθερότητα των προϊόντων τροφίμων μετά τη χρήση δομημένων συστημάτων. Ωστόσο, έχουν αναπτυχθεί σύνθετοι πηκτωματοποιητές για τη βελτίωση της σταθερότητας των δομημένων συστημάτων. Παράλληλα, τα τελευταία χρόνια έχουν αυξηθεί οι καταναλωτικές απαιτήσεις για προϊόντα εναρμονισμένα με τους ισχυρισμούς υγείας περί χαμηλών λιπαρών, για προϊόντα φυτικής προέλευσης και ζωικών παραγώγων ή αποκλειστικά προϊόντα φυτικής προέλευσης. Τα συγκεκριμένα προϊόντα έχουν τραβήξει την προσοχή τόσο της βιομηχανίας, όσο και των ερευνητών. Αντικείμενο της διατριβής ήταν η ανάπτυξη δομημένων συστημάτων λιπών και ελαίων με πηκτωματοποιητές φυτικής προέλευσης ή από παράγωγα του γάλακτος με απώτερο στόχο τη βελτίωση της σταθερότητας των δομημένων συστημάτων. Επιπλέον, τα εν λόγω συστήματα χαρακτηρίστηκαν για να γίνει εμβάθυνση στο μηχανισμό σχηματισμού τους και ενσωματώθηκαν σε προϊόντα τροφίμων, με απώτερο σκοπό να εμπίπτουν στον ισχυρισμό υγείας περί χαμηλών κορεσμένων λιπαρών. Στην πρώτη πειραματική ενότητα αξιολογήθηκε η πηκτωματοποιητική ικανότητα του λίπους του γάλακτος για την ανάπτυξη δομημένων συστημάτων λιπών και ελαίων. Επίσης, πραγματοποιήθηκε ξηρή κλασμάτωση του λίπους του γάλακτος και ακολούθησε ο χαρακτηρισμός των κλασμάτων. Οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον χαρακτηρισμό των κλασμάτων λίπους του γάλακτος ήταν αέρια χρωματογραφία (GC), διαφορική μικροθερμιδομετρία σάρωσης (μDSC), φασματοσκοπίες FT-IR και Raman, ρεολογία, πολωμένη οπτική μικροσκοπία και συνεστιακή μικροσκοπία (CLSM). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις αναλύσεις GC, FT-IR και Raman δείχνουν διαφορές στο βαθμό ακορεστότητας και στο μήκος της ανθρακικής αλυσίδας των λιπαρών, μειώνοντας τη θερμοκρασία κλασμάτωσης. Από τα αποτελέσματα του μDSC, της μικροδομής και της ρεολογίας των κλασμάτων προκύπτουν τροποποιήσεις στα θερμομηχανικά χαρακτηριστικά μεταξύ των κλασμάτων. Επιπλέον, μελετήθηκε η πηκτωματοποιητική ικανότητα των κλασμάτων μέσω CLSM, μDSC και ρεολογίας για το σχηματισμό ελαιοπηκτών ελαιόλαδου. Από τα αποτελέσματα προέκυψε αυξημένη πηκτωματοποιητική ικανότητα, χρησιμοποιώντας κλάσμα λίπους του γάλακτος και προσομοίωση των θερμομηχανικών χαρακτηριστικών του λίπους του γάλακτος χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ελαιοπηκτής χαμηλής περιεκτικότητας σε κορεσμένα λιπαρά. Ακόμα, παρασκευάστηκαν γαλακτώματα με τις συγκεκριμένες ελαιοπηκτές ως λιπαρή φάση και χαρακτηρίστηκαν ως προς το μέγεθος των σταγονιδίων τους και τη μικροδομή τους, όπου δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των δειγμάτων. Τέλος, τα γαλακτώματα χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή ζυμούμενου γαλακτοκομικού προϊόντος, το οποίο αξιολογήθηκε ως προς την κινητική οξίνησης του και την ικανότητα συγκράτησης νερού (ΙΣΝ), όπου δεν βρέθηκαν διαφορές. Στις επόμενες ενότητες, μελετήθηκε η ανάπτυξη δομημένων συστημάτων αποκλειστικά φυτικής προέλευσης χρησιμοποιώντας ένα σύστημα σύνθετων πηκτωματοποιητών από μονογλυκερίδια και Tween 20. Στη δεύτερη πειραματική ενότητα, παρασκευάστηκαν ελαιοπηκτές μονογλυκεριδίων και Tween 20. Οι ελαιοπηκτές χαρακτηρίστηκαν μέσω διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC), FT-IR, ρεολογίας, πολωμένης μικροσκοπίας και CLSM. Ακόμα, στις ελαιοπηκτές μελετήθηκε και η επίδραση των υπερήχων στην κρυστάλλωση τους. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι η μεταστάθεια των μονογλυκεριδίων μπορεί να ελεγχθεί, επιταχύνοντας τη δευτερογενή κρυστάλλωση των μονογλυκεριδίων. Η προσθήκη του Tween 20 και η εφαρμογή υπερήχων επηρεάζουν τα θερμομηχανικά χαρακτηριστικά των ελαιοπηκτών μονογλυκεριδίων, ενώ από τη μικροδομή προκύπτει ότι παρουσία Tween 20 δημιουργείται ένα γαλάκτωμα o/o, όπου οι κρύσταλλοι των μονογλυκεριδίων προτιμούν να τοποθετούνται στη διεπιφάνεια των σταγονιδίων του γαλακτώματος. Στην τρίτη πειραματική ενότητα μελετήθηκε η ανάπτυξη δομημένων γαλακτωμάτων μονογλυκεριδίων και Τween 20. Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας ομογενοποίησης και της έντασης των υπερήχων, αλλά και αναπτύχθηκαν κρύσταλλοι μονογλυκεριδίων και Tween 20 σε υδατικό διάλυμα. Τα δομημένα γαλακτώματα και οι διασπορές MGs/Tw20 χαρακτηρίστηκαν μέσω DSC, ρεολογίας, πολωμένης οπτικής μικροσκοπίας και CLSM. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι η θερμοκρασία ομογενοποίησης παίζει σημαντικό ρόλο στη σταθεροποίηση των γαλακτωμάτων, επηρεάζοντας τα θερμομηχανικά χαρακτηριστικά και τη μικροδομή των γαλακτωμάτων. Επίσης, η ένταση υπερήχων βρέθηκε ότι ενισχύει την κρυστάλλωση των γαλακτωμάτων, αλλά σε μικρότερο βαθμό. Τέλος, όταν η κρυστάλλωση γίνεται in-situ το σύστημα ήταν σταθερό και σε αρκετές περιπτώσεις αυτο-υποστηριζόμενο, καθώς οι κρύσταλλοι δρούσαν ως σωματίδια τύπου Pickering, ενώ όταν το σύστημα προ-κρυστάλλωνε σε νερό παρατηρήθηκαν φαινόμενα συνένωσης. Επιλεγμένα δομημένα γαλακτώματα, ενσωματώθηκαν σε προϊόν τύπου γιαουρτιού και τα παραγόμενα προϊόντα μελετήθηκαν ως προς την κινητική οξίνισης τους, τη μικροδομή τους και την ΙΣΝ. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι τα γαλακτώματα προκάλεσαν υστέρηση στην πήξη του προϊόντος, αλλά ενίσχυσαν τη δομή, καθώς τοποθετήθηκαν οι κρύσταλλοι σε κενούς χώρους και αυξήθηκε η ΙΣΝ των δειγμάτων. Η διερεύνηση των παραπάνω στόχων πραγματοποιήθηκε για την ενίσχυση της υπάρχουσας γνώσης για τους μηχανισμούς σχηματισμού των δομημένων συστημάτων, με απώτερο σκοπό την αύξηση της σταθερότητάς τους και την παραγωγή καινοτόμων τροφίμων χαμηλής περιεκτικότητας σε κορεσμένα λιπαρά και βελτιωμένες λειτουργικές ιδιότητες.