Uusia vaihtoehtoja marjojen hyödyntämiseen elintarviketeollisuudessa

Väitöskirjatutkimus tuo uutta tietoa marjojen fenolisten yhdisteiden muokkautumisesta ja säilyvyydestä elintarvikeprosessien ja säilytyksen aikana sekä esittelee ympäristöä säästäviä prosessiteknologioita marjoille ja sivuvirroille.

Elintarviketeollisuus prosessoi marjat mehuiksi, hilloiksi, hyytelöiksi, soseiksi, konsentraateiksi ja uutteiksi. Marjatuotteiden sisältämät fenoliset yhdisteet ovat tärkeitä niiden terveydelle edullisten vaikutusten ja aistittavan laadun kannalta. Fenolisilla yhdisteillä on todettu olevan muun muassa antioksidatiivisia ja mikrobeja tuhoavia vaikutuksia. Toisaalta ne saavat aikaan karvasta makua ja astringoivuutta eli suuta kuivattavaa ja kutistavaa suutuntumaa.

Marjatuotteiden prosessointi ja pitkä tuotteiden säilytys voivat johtaa marjojen fenolisten yhdisteiden hajoamiseen ja heikentää marjapohjaisten elintarvikkeiden aistittavaa ja ravitsemuksellista laatua. On tärkeää selvittää eri prosessointivaiheissa tapahtuvat muutokset fenolisissa yhdisteissä. Tällöin prosessit voidaan optimoida niin, että nämä herkät yhdisteet päätyvät lopputuotteisiin mahdollisimman runsaina tai haluttuina pitoisuuksina.

FM Leenamaija Mäkilä väitteli toukokuussa Turun yliopiston Biokemian laitoksella tekniikan tohtoriksi pääaineenaan elintarvikekehitys. Hän kehitti väitöskirjatyössään Effect of processing technologies on phenolic compounds in berry products uuden konseptin, jonka avulla marjoja voidaan hyödyntää kattavasti elintarviketuotannossa. Osia prosesseista toteutettiin teollisilla tuotantolinjoilla. Mustaherukkaa käytettiin väitöskirjassa mallimarjana, koska se on Suomen ja Euroopan tärkeimpiä kaupallisia marjaraaka-aineita.

Ensimmäisessä vaiheessa valmistettiin kylmäpuristuksella ilman entsyymikäsittelyä ”extra virgin” -mehua. Toisessa vaiheessa marjojen puristejäännöksestä valmistettiin entsyymien avulla voimakkaan makuista ja väristä mustaherukkakonsentraattia. Mustaherukkamehuja verrattiin perinteisellä entsyymiavusteisella prosessilla tuotettuun mehuun. Erityisinä mielenkiinnon kohteina olivat mehujen fenoliset yhdisteet, niiden säilyvyys prosessien ja varastoinnin aikana sekä mehujen aistinvaraisen laadun seuranta.

Prosessikonseptin kolmannessa vaiheessa puristejäännös käytettiin raaka-aineena aamiaismurojen (Kuva 1) valmistuksessa keittoekstruusion avulla. Näin saatiin hyötykäyttöön sellaisia marjan ravitsemuksellisesti merkittäviä osia, jotka tavallisesti joutuvat jätteisiin. Väitöskirjatutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää kehitettäessä uusia, korkealaatuisia marjatuotteita. Väitöskirjatyö pohjautuu Turun yliopiston johtamaan CURRANTfood –projektiin (Yang 2013).

Marjojen fenoliset yhdisteet ja prosessointi

Fenolisten yhdisteiden säilyvyyteen vaikuttavat tuotantoteknologia, prosessiparametrit, elintarvikematriisi (esim. pH, hapen läsnäolo, entsyymit, pektiinit, sokerit ja metallit) ja säilytysolosuhteet. Eri marjalaatujen fenolisten yhdisteiden säilyvyyteen vaikuttaa paljon niiden sijainti marjassa (kuori/marjaliha). Myös marjalajikkeiden välillä on suuria eroja prosessikäyttäytymisessä. Lämpöprosessit kuten ryöppäys, pastörointi ja keittäminen (huoneenlämmössä tai sitä korkeammissa lämpötiloissa) aiheuttavat erityisen suurta hävikkiä fenolisten yhdisteiden pitoisuuksissa.

Marjojen prosessointi mehuksi tuottaa noin 10–30 prosenttia puristejäännöstä. Hyödyntämättömänä puristejäännös aiheuttaa merkittäviä ympäristöongelmia. Jäännös sisältää runsaasti fenolisia yhdisteitä, ja se voisi olla hyödyllinen bioaktiivisten ainesosien lähde.

Kavitaatioon (hydrotermodynaaminen prosessi), mikroaaltolämmitykseen, elektroporaatioon (pulssitettu sähkökenttä) ja korkeaan paineeseen perustuvat lämpö- ja kylmäkäsittelyt mahdollistavat fenolisten yhdisteiden korkeamman saannon ja paremman säilymisen marjatuotteissa matalien prosessilämpötilojen ansiosta. Nämä prosessit ovat hyviä vaihtoehtoja marjojen ryöppäykseen ja mehujen pastörointiin sekä fenolisten fraktioiden uuttamiseen marjojen kuorista tai puristekakuista.

Väitöskirjatyössä tehdyt tutkimukset osoittivat, että mehujen valmistusprosessi vaikuttaa merkittävästi kemialliseen koostumuksen ja aistittavaan laatuun. ”Extra virgin” -puristuksella tuotettu mehu oli selvästi vähemmän karvasta ja vähemmän astringoivaa, koska mehuissa oli vähän fenolisia yhdisteitä ja runsaasti pektiiniä.

Marjojen entsyymikäsittelyllä voidaan nostaa mehujen fenolisten yhdisteiden määrää huomattavasti, mutta samalla astringoiva suutuntuma voimistuu merkittävästi. Puristejäännöksestä entsyymeillä valmistettu mehu sisälsi runsaasti fenolisia yhdisteitä, kuten antosyaanivärejä. Mehu olisi sellaisenaan liian astringoiva ja karvas, mutta sitä voitaisiin käyttää esimerkiksi fenolisten yhdisteiden lisänä erilaisissa marjatuotteissa.

Marjojen fenolisten yhdisteiden muokkautuminen

Prosessien ja varastoinnin aikana seurattiin fenolisten yhdisteiden esiintymistä ja muutoksia nestekromatografian, massaspektrometrian ja NMR-analyysin avulla. Mehujen aistittavaa laatua tutkittiin koulutettujen raatien avulla, kemiallisten ja aistinvaraisten analyysien aineistojen yhteyksiä tilastollisilla monimuuttujamenetelmillä.

Vuoden kestäneet varastointitestit osoittivat mehujen säilyvyyden olevan optimaalista valolta suojattuna jääkaappilämpötilassa. Fenolisista yhdisteistä antosyaniinit ovat suhteellisen tutkittuja verrattuna muihin yhdisteryhmiin. Nämä yhdisteet antavat marjatuotteille niiden sinertävän/punertavan värin ja vaikuttavat suuresti marjatuotteiden aistittaviin ominaisuuksiin ja kuluttajien päätöksiin.

Epäsuotuisat olosuhteet, kuten korkea säilytys- tai pastörointilämpötila aiheuttivat merkittävää antosyaanivärien hajoamista (Kuva 2) ja polymerisoitumista erityisesti ”extra virgin” -mehussa. Säilytyksen aikana myös karvautta aiheuttavien fenolisten yhdisteiden määrä kasvoi.

Fenolisista yhdisteistä selvästi vähemmän tutkittuja ovat flavonoliglykosidit, tanniinit ja fenoliset hapot, jotka kaikki voivat vaikuttaa marjatuotteiden karvauteen ja astringoiviin ominaisuuksiin. Flavonoliglykosidit, ellagitanniinit ja fenolisten happojen johdannaiset voivat elintarvikeprosesseissa hydrolysoitua vapaiksi aglykoneiksi ja hapoiksi, ja tanniinien polymeroitumisaste voi laskea.

Ilman entsyymiä puristetun mehun matala fenolisten yhdisteiden pitoisuus johti epävakaiseen koostumukseen pastöroinnin ja säilytyksen aikana, mutta kaikissa mehuissa (entsyymien kanssa tai ilman) monomeeristen antosyaniinien pitoisuus laski huomattavasti. Jo mehujen pastörointi lämmön avulla hajottaa näitä yhdisteitä merkittävästi. Säilytyslämpötila vaikutti antosyaniinien stabiilisuuteen huomattavasti, kun taas muut fenoliset yhdisteet olivat herkkiä sekä säilytyslämpötilalle että valolle.

Työssä tunnistettiin myös aiemmin tuntemattomia hydroksikanelihappojen ryhmään kuuluvia yhdisteitä. Valo sai aikaan hydroksikanelihappojohdannaisten (E)-isomeerien rakenteiden muutoksen vastaaviksi (Z)-isomeereiksi (Kuva 3). Flavonoliglykosidit olivat pysyvämpiä kuin antosyaniinit tai hydroksikanelihappojen johdannaiset. Mehujen kemiallinen ja aistinvarainen laatu säilyi melko vakaana kylmäsäilytyksessä (+ 4 °C).

Kirjallisuutta:

• Laaksonen O ym. 2013. Sensory quality and compositional characteristics of blackcurrant juicesproduced by different processes. Food Chem 138, 2421–2429.

• Mäkilä L ym. 2014. Exploiting blackcurrant juice press residue in extruded snacks. LWT – Food Sci Technol 57, 618–627.
• Mäkilä L ym. 2016. Stability of hydroxycinnamic acid derivatives, flavonol glycosides, and anthocyanins in black currant juice. J Agr Food Chem 64, 4584–4598.
• Mäkilä L ym. 2017. Effect of processing technologies and storage conditions on stability of black currant juices with special focus on phenolic compounds and sensory properties. Food Chem 221, 422–430.
• Mäkilä L. 2017. Effect of Processing Technologies on Phenolic Compounds in Berry Products. Väitöskirja, Turun yliopisto.
• Yang B. 2103. Uusia tuotekonsepteja ja prosesseja mustaherukan hyödyntämiseen, Kehittyvä Elintarvike 4/2013, 28−29.