< Terug naar vorige pagina

Project

(Bio)chemische inzichten in de moeilijk te koken ontwikkeling van rode bonen na veroudering op de oogst: Integratie van een op textuur gebaseerde bonenclassificatie en in situ-analyse

Vandaag worden, zowel in ontwikkelde landen als in ontwikkelingslanden, de voordelen van peulvruchten en daarop gebaseerde levensmiddelen in de menselijke voeding erkend. Bonen (Phaseolus vulgaris L.) zijn wereldwijd het meest geconsumeerde peulvruchtgewas, het zijn relatief vrij goedkope grondstoffen met een hoge voedingswaarde. Het volledige potentieel van gewone bonen kan sterk beperkt worden door een textuur gerelateerd probleem, het ‘hard to cook’ (HTC) defect, wat resulteert in een verlaagde kookkwaliteit van de zaden (vertraagd verzachten van de zaden tijdens koken en/of een harde textuur ondanks langdurig koken). Het HTC-defect ontwikkelt zich wanneer bonen bewaard worden bij een hoge temperatuur en hoge relatieve vochtigheid (RH), het wordt in hoge mate toegeschreven aan moleculaire/structurele veranderingen van de biopolymeren in de zaadlob tijdens de veroudering bonen. De pectine-kation-fytaat- en fenolische hypothesen zijn de meest plausibele om de reacties te verklaren die aan de basis liggen van de HTC-ontwikkeling. De mechanismen zijn echter niet volledig opgehelderd. Dit doctoraatsonderzoek was daarom gericht op het verwerven van diepgaand moleculair inzicht in de twee meest plausibele mechanismen die aan de basis liggen van de opslag-geïnduceerde HTC-ontwikkeling van gewone bonen, daarbij werden rode bonen als een case study gebruikt.

Gedurende het onderzoek werd gebruik gemaakt van een op textuur gebaseerde bonenclassificatie en monsterselectie. Deze benadering is gebaseerd op de textuurwaarden van gekookte halve bonen/zaadlobben. Deze strategie liet toe de grote boon tot boon variaties binnen één lot te minimaliseren en te onderzoeken hoe de textuur gerelateerde fysico chemische eigenschappen evolueren met de textuurontwikkeling (textuurverdeling) van verse en verouderde bonen. Op die manier werden gedetailleerde analyses van fysico chemische eigenschappen in verse bonen met goed gekende texturen (na een bepaalde kooktijd), gerelateerd met textuurveranderingen (textuurverdeling) van verse en bewaarde bonen.

In een eerste deel  werden pectinewijzigingen tijdens de opslag van rode bonen bij 35°C en 83% RV gedurende 3 maanden onderzocht om de celwand/pectineveranderingen tijdens HTC-ontwikkeling vanuit een micro-structureel oogpunt te begrijpen. Met behulp van de op textuur gebaseerde bonenclassificatie en staalselectie werden bonen met verschillende textuurniveaus (niet-verouderde, verouderde en zeer sterk verouderde stalen) gegenereerd uit de verse (niet-verouderde) en bewaarde (verouderde) bonen. Voor deze stalen werd de celwandsterkte van de zaadlobben geëvalueerd, waaruit bleek dat de verouderde HTC-zaden sterkere celwanden vertoonden met een meer uitgesproken pectine crosslinking. Na een sequentiële pectine-extractie, gericht op het verwijderen van pectinefracties met verschillende extraheerbaarheid, werden celwand-autofluorescentie en immuno-labeling van pectine-epitopen in de resterende celmaterialen met JIM7, LM9 en 2F4 onderzocht. Bij veroudering vertoonden de bonen een verhoogde Ca2+-pectine-interactie en geferuloyleerde galactanen, waarbij deze pectinecomplexen zich voornamelijk ophoopten in de intercellulaire ruimtes. De bijdrage van zowel de pectine-kation-fytaat hypothese als de betrokkenheid van fenolen bij de ontwikkeling van HTC in de zaadlob tijdens de opslag van bonen werd gesuggereerd. Een uitgebreide celwand karakterisering en een analyse van het celwand-geassocieerde fenolische profiel van de residuele celwandfracties bekomen na de opeenvolgende pectine-extracties van de geselecteerde niet-verouderde en verouderde stalen onthulden dat veroudering substantiële wijzigingen veroorzaakte op celwand-structureel niveau. Het ging hierbij vooral om wijzigingen in gehaltes aan vanilline, 4-hydroxybenzoëzuur en 4-hydroxybenzaldehyde die covalent gebonden zijn aan zijketens van pectine en/of betrokken zijn bij lignificatie (achtige) mechanismen. Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FT-IR) in combinatie met chemometrische analyse van de residuele celwandfracties suggereerde dat lignine-achtige fenolische celwandpolymeren aanwezig zijn in het celwand polysacharide netwerk van de verouderde stalen, en daarom bijdragen aan de ontwikkeling van het HTC-defect tijdens bewaring van rode bonen.

In een tweede deel toonde gedetailleerde analyse van het fytaat- en mineraal profiel aan dat (in de context van het pectine-kation-fytaat mechanisme) het inositolfosfaat gehalte in zaadlobben, met name InsP6, aanzienlijk afnam, samen met een significante toename van InsP5, waardoor Ca- en Mg-kationen vrijgezet worden. De HTC-ontwikkeling werd gedomineerd door opslag-geïnduceerde InsP6-hydrolyse, eerder dan fytaat omzettingen tijdens het weken. Scanning-elektronenmicroscopie met ‘energy dispersed spectroscopy’ (SEM-EDS) toonde, op basis van  celwand-geassocieerde mineraalkwantificering, aan dat Ca-kationen, vrijgesteld door de InsP6-hydrolyse, werden gebonden aan celwandpectine in verouderde bonenzaadlobben. Dit proces werd gefaciliteerd door demethylesterificatie van het celwandpectine en de migratie van de kationen van het inwendige van de cel naar de celwand tijdens opslag (eerder dan tijdens weken). Mg-kationen, die ook migreren en zich kunnen binden aan het celwandpectine tijdens opslag van de bonen, werden tijdens het daaropvolgende weken uitgeloogd vanwege hun zwakke bindingscapaciteit aan de pectine, waardoor ze minder bijdroegen aan het HTC-defect van de verouderde bonen.

In een derde gedeelte werd de rol van het pectine-kation-fytaat mechanisme in relatie tot de textuurveranderingen tijdens koken (gekenmerkt door een brede textuurverdeling) van verse en verouderde bonen geëvalueerd. Hierbij werd opnieuw gebruik gemaakt van de op textuur gebaseerde bonenclassificatie en monsterselectie. Voor het eerst werd een correlatie vastgesteld tussen de textuur (na het koken) van individuele bonenzaden vóór en na veroudering. SEM-EDS resultaten op basis van in situ mineraalanalyse van individuele bonen met gekende texturen toonden aan dat de celwand geassocieerde Ca-concentratie significant positief gecorreleerd was met de textuur van zowel verse als verouderde zaadlobben. Bovendien resulteerde de bewaring in een significante toename van het celwand gebonden Ca. Deze extra Ca-kationen zijn afkomstig van de intracellulaire fytaat (InsP6) hydrolyse tijdens bewaren, wat een significante invloed heeft op de textuurverdeling van verouderde te bonen, (en dus indicator is voor de mate van HTC-ontwikkeling tijdens het bewaren van bonen).

De bevindingen van dit doctoraatsonderzoek resulteerden in nieuwe en diepgaande inzichten in de pectine-kation-fytaat en de fenolische gebaseerde mechanismen van de HTC-ontwikkeling bij veroudering van gewone bonen. Een methodologische benadering die een op textuur gebaseerde bonenclassificatie en monsterselectie integreerde met een gedetailleerde in situ analyses stond hierbij centraal. Hiermee werden de belangrijkste factoren die (in de context van de pectine-kation-fytaat hypothese) invloed hebben op textuurwijzigingen (en -verdelingen) na koken van verse en bewaarde beter in kaart gebracht. De verkregen inzichten kunnen nuttig zijn voor veredelaars en producenten van bonen en afgeleide producten om gerichte oplossingen te zoeken voor HTC gerelateerde problemen. 

Datum:28 sep 2018 →  5 dec 2022
Trefwoorden:aging, processing, functional properties, legume based products
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, Andere chemie, Voeding en dieetkunde, Productie van landbouwdieren, Levensmiddelenwetenschappen en (bio)technologie, Microbiologie, Systeembiologie, Laboratoriumgeneeskunde
Project type:PhD project