Terveellisempiä ja kestävämpiä liha-analogeja funktionalisoimalla 

Ilmastonmuutos ja kasvava väestö ovat lisänneet kiinnostusta kasviperäisiin proteiineihin kuten liha-analogeihin vaihtoehtona eläinperäisille. Eläinperäisten tuotteiden, kuten maidon ja lihan, kulutukseen liittyy merkittäviä ympäristöhuolia kuten kasvihuonekaasujen päästöt ja korkea vedenkulutus. Kasviproteiiniraaka-aineet, kuten märkäfraktioinnilla tuotetut proteiini-isolaatit ja kuivafraktioinnilla valmistetut proteiinikonsentraatit, tarjoavat kestävän vaihtoehdon näihin haasteisiin.  

Proteiini-isolaatit ja kuivafraktioinnilla tuotetut konsentraatit eroavat merkittävästi toisistaan. Isolaatit käyvät läpi intensiivisemmän prosessoinnin, joka poistaa suurimman osan ei-proteiinikomponenteista ja ne sisältävät yleensä 75–90 prosenttia proteiinia. Tämä prosessi usein denaturoi proteiinit ja johtaa hyvin matalaan liukoisuuteen. 

Kuivafraktioinnilla tuotetut konsentraatit sisältävät vain 40–65 prosenttia proteiinia, mutta säilyttävät proteiinit natiivissa muodossaan ja niissä on enemmän tärkeitä ravintoaineita kuten ravintokuitua.  

Ei-liukoiset proteiini-isolaatit, joiden proteiinipitoisuus on korkea, sopivat erinomaisesti liha-analogien valmistukseen. Proteiinikonsentraatit, joiden proteiinipitoisuus on matalampi, taas harvoin muodostavat tarvittavaa säikeisyyttä lihaa korvaaviin tuotteisiin. 

Vaikka proteiini-isolaatit säikeistyvät hyvin liha-analogisovelluksissa, niiden ympäristövaikutus on energiaintensiivisyyden vuoksi korkeampi kuin kuivafraktioiduilla proteiinikonsentraateilla.  

Lisäksi on tärkeää huomioida ravitsemuksellinen laatu. Konsentraatit sisältävät enemmän ravintokuitua, jota ihmiset saavat ravinnosta tällä hetkellä liian vähän, kun taas proteiinia ihmiset saavat usein liikaa.  

Jotta ympäristölle ja terveydelle hyödyllisempiä konsentraatteja voisi soveltaa liha-analogeihin, tulisi niiden toiminnallisuutta parantaa.  

Tutkin VTT:llä tehdyssä väitöskirjatyössäni erityisesti kuivafraktioinnilla tuotettujen kasviproteiinikonsentraattien toiminnallisuuden parantamista liha-analogisovelluksessa. Tutkittuihin menetelmiin kuuluivat pH-arvon säätö, entsymaattinen muokkaus ja fermentointi. 

Eri kasviproteiinit käyttäytyvät eri tavalla  

Liha-analogien valmistuksessa yleisin menetelmä on märkäekstruusio, jossa kasviproteiini syötetään suulakepuristimeen. Tämä prosessi hyödyntää korkeaa, 50–60 prosentin kosteuspitoisuutta ja muokkaa proteiinien rakennetta lämmön, paineen ja hiertämisen avulla. Lopputuotteessa voi parhaimmillaan ilmetä lihankaltaisia säikeitä.  

Eri proteiinilähteet, kuten herne, kaura, riisi, vehnä ja rypsi, käyttäytyvät eri tavoin riippuen niiden erotusmenetelmästä. Vehnägluteeni, joka tunnetaan leivonnasta, säikeistyy hyvin, samoin märkäerotellut herne- ja riisiproteiinit, joiden proteiinipitoisuus vaihtelee 75–85 prosentin välillä.  

Kuivafraktioidut herneen ja kauran proteiinikonsentraatit, joiden proteiinipitoisuus vaihtelee 40–50 prosentin välillä, eivät sellaisenaan tuota säikeistä rakennetta. Toisaalta kuivaeroteltu rypsikonsentraatti, jonka proteiinipitoisuus on 40 prosenttia, muodostaa ilman muokkauksia suhteellisen säikeisen rakenteen. 

Liukoiset proteiinit eivät yleensä muodostu säikeiksi samalla tavalla kuin liukenemattomat proteiinit. Lisäksi kasvimateriaalien muiden komponenttien, kuten ravintokuidun ja tärkkelyksen, runsaus vaikeuttaa vahvan proteiiniverkoston syntymistä.  

Kuivafraktioinnilla tuotettujen kasvimateriaalien toiminnallisuuden parantaminen voi edistää niiden käyttöä liha-analogeissa. Tämä voisi vähentää liha-analogien tuotantokustannuksia ja lisätä entisestään tuotteiden ympäristöystävällisyyttä. Se myös lisäisi tuotteiden terveysvaikutuksia, kun ravintokuidun määrä kasvaisi. 

pH-arvo vaikuttaa säikeisyyteen 

Kasviproteiinimateriaalien pH-arvo vaikuttaa olennaisesti säikeisyyteen märkäekstruusioprosessin aikana. Märkäerottelulla valmistettavien proteiini-isolaattien tuotannossa pH-arvoa ei yleensä huomioida, kun taas kuivaerottelussa sen säätely ei ole mahdollista, vaan materiaalin lopullinen pH määräytyy sen sisältämien komponenttien mukaan.  

Havaitsin väitöstutkimuksessani, että korkeammat pH-arvot alentavat vaadittavaa prosessointilämpötilaa, jolloin saman tai paremman säikeisyyden saavuttaminen on mahdollista matalammassa lämpötilassa. Tämä vähentäisi ekstruusioprosessin energiantarvetta ja tekisi prosessista kustannustehokkaamman.  

Havainto oli todennettavissa kaikilla tutkituilla materiaaleilla kuten vehnägluteenilla, riisiproteiini-isolaatilla, herneproteiini-isolaatilla ja herneproteiinikonsentraatilla. Merkittävin havainto oli kuitenkin se, että ennen pH-säätöä herneproteiinikonsentraatti ei muodostanut säikeistä rakennetta ollenkaan (kuva 1), mutta pH-säädön jälkeen herneen proteiinit muodostivat vahvan ja yhteen suuntaan järjestäytyneen proteiiniverkoston (kuva 2), joka oli erityisen vahva korkeammassa pH:ssa. 

Entsyymeillä voi parantaa rakennetta 

Kuivaerottelulla valmistettu kauraproteiinikonsentraatti muodostaa yksinään taikinamaisen rakenteen ilman näkyviä säikeitä (kuva 1). Kaurakonsentraatti sisältää jopa kolmanneksen tärkkelystä, mikä aiheuttaa kaurapohjaiselle liha-analogille purkkamaisen koostumuksen ja estää proteiineja muodostamasta säikeisyyteen tarvittavaa verkostoa.  

Entsymaattisella muokkauksella voidaan parantaa kuivafraktioidusta kauraproteiinikonsentraatista valmistetun liha-analogin rakennetta siten, että proteiiniverkostoa vahvistamalla saadaan näkyviä säikeitä esille (kuva 1). Entsyymit, kuten transglutaminaasi, voivat edistää aminohappojen välisten sidosten muodostumista, mikä auttaa luomaan vahvemman proteiiniverkoston ja parantamaan rakenteen säikeisyyttä.  

Muokkaus ei kuitenkaan onnistu pelkällä transglutaminaasilla, vaan tarvitaan myös esikuumennusta ja proteiiniglutaminaasia. Pelkällä transglutaminaasilla kauraproteiinit ja tärkkelys ovat järjestäytyneet niin, että entsyymi suosii proteiinin sisäisten ristisiltojen muodostamista yksittäisten proteiinien välisten sidosten sijaan. Esikuumennuksella proteiinirakennetta avataan sen verran, että proteiiniglutaminaasi pystyy löyhentämään sitä, jolloin transglutaminaasi alkaa katalysoida ristisiltoja eri proteiinien välillä.  

Tärkkelyksen esigelatinoituminen on prosessissa kriittinen vaihe, koska se mahdollistaa proteiinien ja tärkkelyksen yhteisen osallistumisen säikeisen verkoston muodostamiseen. Tärkkelyksen rooli märkäekstruusioprosessissa rakenteen muodostuksessa on ollut epäselvä ja usein haitallinen.  

Nyt havaittiin kuitenkin viitteitä siitä, että tärkkelyksen ja proteiinin välistä vuorovaikutusta kauramateriaalilla tarvittiin säikeisen rakenteen tuottamiseksi. Kun kontrollinäytteen tärkkelys hajotettiin kokonaan, liha-analogin rakenne heikentyi merkittävästi. 

Fermentointi vaikutti makuun ja rakenteeseen 

Rypsiproteiinin suurin haaste liha-analogisovelluksessa on sen kemikaalimainen maku. Kemikaalimaisuutta saatiin vähennettyä fermentoinnilla, mutta samalla havaittiin, että tietyt bakteerikannat erittivät entsyymejä, jotka aiheuttivat rypsiproteiinien hydrolyysiä, mikä tuotti karvasta makua. 

Fermentointiolosuhteet saattoivat myös aktivoida rypsin omia hajottavia entsyymejä, mikä vaikutti negatiivisesti myös rakenteen muodostukseen (kuva 1). Kontrollikäsittelyllä todettiin, että pH-arvon muuntaminen happamaan ja takaisin neutraalimmaksi ilman fermentointia paransi liha-analogin säikeistä rakennetta ja vähensi kemikaalimaista makua (kuva 1). 

Kustannustehokkuutta teollisuuteen 

Tavoitteena on kehittää kuvatut prosessit kustannustehokkaiksi teollisuuden käyttöön. Nykyisellään prosesseihin sisältyy ylimääräinen kuivausvaihe, jotta ilmiöt saatiin helposti todennettua laboratoriossa.  

Tarkoituksena on kuitenkin jatkokehittää prosesseja siten, että muokkaukset voidaan tehdä ilman kuivausta siinä vesipitoisuudessa, joka vastaa lopputuotteen kosteuspitoisuutta. Tämä tehostaa prosesseja ja vähentää energiankulutusta, mikä tekee niistä taloudellisesti kannattavia sekä olennaisia teollisuuden käyttöön.  

Innovaatioiden avulla on mahdollista kehittää entistä parempia ja monipuolisempia vaihtoehtoja perinteisille lihatuotteille, mikä edistää kestävää kehitystä ja vastaa kuluttajien kasvaviin tarpeisiin kasvipohjaisten tuotteiden osalta. 

Lähde: Nisov A 2024: Functionalisation strategies for plant proteins in meat analogues and solubility-dependent food applications. Aalto University publication series 262/2024. 

Verkkoversio: https://aaltodoc.aalto.fi/server/api/core/bitstreams/4cd0d556-4cdb-41d6-b168-28a98c602ee1/content