Abang Zaidel, Dayang Norulfairuz

Sukkerroepulp produceres som et biprodukt ved fremstilling af sukker fra sukkerroer og består hovedsagelig af cellulose og pektin, og indeholder herunder forskellige pektiske polysakkarider. Sukkerroepulp har hidtil hovedsagelig været anvendt som foder på grund af dets høje indhold af energi og fibre. Dette PhD studie har haft fokus på at vurdere mulighederne for at udnytte pektin og arabinanfraktionerne ekstraheret fra sukkerroepulp som potentielle udgangsmaterialer til produktion af pektinafledte produkter med henblik på at opretholde konkurrencedygtigheden af den sukkerroebaserede sukkerproduktion. Det overordnede formål med dette studie har været at søge at beskrive og forstå kinetikken af enzymkatalyseret oxidativ krydsbinding af feruloylerede polysakkarider fra sukkerroer og at relatere denne kinetik til de krydsbundne produkters egenskaber. Adskillige hypoteser er blevet formuleret med henblik på at opnå ny viden og opfylde studiets overordnede formål.I den første del af studiet blev arabinan-oligosakkarider fra sukkerroepulp udnyttet. I denne del af studiet blev effekten af kædelængden af arabinan på kinetikken af hesteradise peroxidase (EC 1.11.1.7) (HRP) katalyseret oxidativ krydsbinding af ferulasyre (FA) enheder esterificeret til alpha-(1,5)-bundne arabinaner undersøgt; undersøgelserne baserede sig på, at FA kan krydsbindes oxidativt ved hjælp af HRP katalyse under tilstedeværelse af hydrogen peroxid (H2O2) of danne ferulasyre dehydrodimere (diFAs). Kompositionen af substratet blev analyseret ved hjælp af HPAEC, HPLC og MALDI-TOF, og de opnåede resultater bekræftede den strukturelle opbygning af arabinan-oligosakkariderne (som havde følgende komposition: Arabinose: 2.9- 3.4 mmol?g-1 DM; FA: 2.5-7.0 mg?g-1 DM) og verificerede dannelse af diFAs som et resultat af den enzymkatalyserede krydsbindingsreaktion. Resultaterne demonstrerede, at kædelængden af arabinan havde indflydelse på hastigheden af den enzymkatalyserede krydsbinding; længere arabinaner udviste en langsommere krydsbindingshastighed end kortere, alt andet lige.Det var tillige vores intention at studere de reologiske egenskaber af de krydsbundne feruloylerede arabinan-oligosakkarider, men på grund af den meget lave viskositet af de krydsbundne produkter, som ikke kunne måles som en ændring af viskositeten i forhold til udgangsmaterialet, blev denne intention kun delvist opfyldt. Den lave viskositet, og den deraf følgende mangel på målbar geldannelse eller ændret viskositet, kan skyldes den lave molekylære vægt af arabinanen (?1.3 kDa). Af denne grund blev det valgt at den næste del af PhD arbejdet skulle vurdere mulighederne for at udnytte uopløselige, faste pektin fraktion (SBP) ekstraheret fra sukkerroepulp, som har en molvægt &gt;100 kDa. Kompositionsanalysen af dette substrat viste, at det indeholdt relativt store mængder FA (7.3 mg?g-1 DM), som kan krydsbindes oxidativt via enzym katalyseret reaktion med oxidoreduktaser. Vi opstillede den hypotese, at de forskellige mekanismer af to typer oxidoreduktaseenzymer, i.e. HRP og lakkase (EC 1.10.3.2), kunne have indflydelse på kinetikken af den oxidative krydsbinding og som en konsekvens heraf også påvirke egenskaberne af de dannede geler. Kinetikken for den oxidative gelering af SBP, som fandt sted via enzym katalyseret krydsbinding af FA, blev evalueret ved hjælp af oscillatoriske målinger. De opnåede resultater viste, at der var signifikant forskel mellem SBP geler dannet via katalyse med henholdsvis HRP og lakkase, således at lakkase katalyse producerede stærkere SBP geler på trods af en lavere geleringshastighed end den korresponderende HRP katalyserede reaktion. Statistisk designede forsøg blev udarbejdet med henblik på at undersøge effekten af en række reaktionsfaktorer som kunne have indflydelse på hastigheden af geleringen af SBP katalyseret ved hjælp af henholdsvis HRP og lakkase, herunder pektin niveauet, temperaturen, enzymdoseringen, pH og, for HRP's vedkommende, også H2O2 koncentrationen. Resultaterne viste, at disse reaktionsfaktorer kunne tilrettelægges, eller "tunes", således at hastigheden af den enzymkatalyserede gelering kunne justeres og at egenskaberne af de producerede geler dermed kunne styres. Desuden blev det vist, at der for lakkase katalyseret gel-dannelse er en positiv korrelation mellem gel-dannelseshastigheden og gel-styrken, mens en sådan korrelation ikke eksisterer for HRP katalyserede geler. Kemiske analyser af de krydsbundne produkter viste at der dannedes diFAs ved katalyse ved hvert af enzymerne og det blev dermed bekræftet, at geldannelsen var et resultat af oxidativ krydsbinding af FA.Det viste sig at være uklart, hvorledes kinetikken af enzymkatalyseret oxidativ krydsbinding af SBP og egenskaberne af de resulterende geler blev påvirket i emulsions-systemer. Derfor blev der foretaget systematiske undersøgelser af enzym katalyseret oxidativ gelering af SBP i emulsioner. I studiet af emulsioners påvirkning af gel-dannelsen blev to, identisk sammensatte, olie-i-vand emulsions-systemer med SBP fremstillet på forskellig måde og effekten af forskellige emulsions-fremstillingsmetoder på emulsionsstabiliteten i relation til tilstedeværelsen af SBP, og kinetikken af den enzymkatalyserede oxidation af SBP blev undersøgt. Resultaterne viste, at de forskellige emulsions-fremstillingsmetoder påvirkede emulsionsstabiliteten med SBP foruden hastigheden af den enzymkatalyserede gel-dannelse og gelstyrken af de dannede SBP-geler i emulsionssystemerne.I dette studie er det blevet vist, at både arabinan-oligosakkarider og SBP fraktioner ekstraheret fra sukkerroepulp kan bringes til at undergå enzymkatalyseret oxidativ krydsbinding via oxidation af feruloyl-grupperne, som findes esterificeret på arabinan-sidekæderne. Studiet har desuden tilvejebragt en indsigt i forholdet mellem kinetikken af den oxidative krydsbinding af FA og de strukturelle karakteristika af oligosakkariderne, foruden at have vist korrelationen mellem hastigheden af den enzymkatalyserede oxidative gelering af de feruloylerede polysakkarider og de reologiske egenskaber af de producerede geler. Denne viden kan bruges til at designe anvendelser af sukkerroepektin og pektiske polysaccharider i fødevarer eller andre produkter.Sugar beet pulp is a byproduct from sugar production consisting mainly of cellulose and pectic polysaccharide. Its utilization has been mostly as feedstock due to its high content of energy and fiber. This study emphasizes on the utilization of the pectin and arabinan fractions extracted from sugar beet pulp as a potential starting material for production of pectin derived products which could help maintain the competitiveness of the sugar beet based industry. The overall objective of this study has been focusing on understanding the kinetics of enzyme catalyzed oxidative crosslinking of feruloylated polysaccharide from sugar beet and relating the kinetics of this crosslinking to the properties of the cross-linked products. Several hypotheses have been formulated in order to accomplish our objective.The first part of the study utilized arabinan-oligosaccharide fraction from sugar beet pulp byproduct. In this study we investigated the effect of arabinans backbone length on the kinetics of horseradish peroxidase (EC 1.11.1.7) (HRP) catalyzed oxidative cross-linking of ferulic acid (FA) moieties esterified to α-(1,5)-linked arabinans; taking into account that FA can be oxidatively cross-linked by HRP catalysis in the presence of hydrogen peroxide (H2O2) to form ferulic acid dehydrodimers (diFAs). The composition of the substrate was analyzed by HPAEC, HPLC and MALDI-TOF, confirming the structural make up of the arabinan-oligosaccharide (Arabinose: 2.9- 3.4 mmol?•g-1 DM; FA: 2.5-7.0 mg•g-1 DM) and verifying the formation of diFAs as a result of the enzyme catalyzed cross-linking reaction. The result demonstrates the influence of arabinans backbone length on the rates of FA cross-linking; longer arabinans exhibit a slower cross-linking rate than shorter, all other things being equal.It has been our intention to study the rheological properties of cross-linked feruloylated arabinanoligosaccharide, however the attempt has not been fully achieved. It might be due to small molecular weight of the arabinan (∼1.3 kDa) which prevented the measurement of the rheological properties since the change in viscosity resulting from the cross-linking was insignificant. Therefore, the next part of the work presented in this thesis utilized sugar beet pectin (SBP) solid fraction extracted from sugar beet pulp which has molecular weight &gt;100 kDa. The compositional analysis of the substrate shows abundant amount of FA (7.3 mg•g-1 DM) in SBP which can be oxidatively cross-linked via enzyme catalyzed reaction by oxidoreductase enzymes. We hypothesized that different mechanisms of two oxidoreductase enzymes, i.e. HRP and laccase (EC 1.10.3.2), might influence the kinetics of the oxidative cross-linking and consequently the properties of the gels formed. The kinetics of oxidative gelation of SBP, taking place via enzyme catalyzed cross-linking of FA, was evaluated by small angle oscillatory measurements. The result indicates a significant difference between the SBP gels produced from the catalysis of HRP and laccase, that is, laccase catalysis produced stronger SBP gels albeit slower rates of gelation than the HRP catalysis. Statistically design experiment has been constructed to investigate the effect of several reaction factors which might influence the rates of gelation of SBP catalyzed by HRP or laccase, particularly the pectin level, temperature, enzyme dosage, pH and, for HRP, the H2O2 concentration. The result reveals that these reaction factors could be tuned in order to adjust the enzyme catalyzed gelation and the properties of the gels produced. Moreover, positive correlation between the rates of gelation and gel strengths was obtained for laccase catalyzed gels, but no such correlation exists for HRP catalyzed gels. Chemical analysis confirmed the formation of diFAs in the cross-linked products by both enzymes catalysis supporting that the gelation was a result of oxidative cross-linking of FA.It is uncertain how the kinetics of enzyme catalyzed oxidative cross-linking of SBP and the gels properties are affected in emulsion systems. Thus, investigation on the enzyme catalyzed oxidative gelation of SBP was further performed on the SBP in emulsion systems. In this study, we have formulated two separate, identically composed, oil-in-water emulsion systems to study the effect of different methods of emulsion preparation on the emulsion stability in the presence of SBP and the kinetics of enzyme catalyzed oxidative gelation of SBP. The result shows that the different methods of emulsion preparation affect the emulsion stability and the rates of gelation of SBP in emulsion systems, and stronger gels were produced in the SBP containing emulsions as compared to the SBP without emulsions.From this study, we have shown that arabinan-oligosaccharide and SBP solid fractions extracted from sugar beet pulp byproduct could undergo oxidative cross-linking of the feruloyl group, which abundantly esterified to the arabinan side-chains, through enzyme catalyzed reaction. Our study provides the insight into the relationship between the kinetics of the oxidative cross-linking of FA with the structural characteristic of the oligosaccharide, and the correlation between the rates of enzyme catalyzed oxidative gelation of feruloylated polysaccharide and the rheological properties of the gels produced. This knowledge could be useful for designing application of sugar beet pectin in food technology or similar application

Online Research Database In Technology

Enzyme catalyzed oxidative cross-linking of feruloylated pectic polysaccharides from sugar beet:Kinetics and rheology

http://orbit.dtu.dk/ws/files/51207497/01_DAZ_PhD_Thesis_30_01_2012_submission..PDF

Enzyme catalyzed oxidative cross-linking of feruloylated pectic polysaccharides from sugar beet:Kinetics and rheology

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology