Lactic acid bacteria fermentations in oat-based suspensions

Abstract

This thesis deals with the fermentation characteristics of lactic acid bacteria (LAB) in oat-based suspensions, with formulation work of fermented products based on oat and with nutritional studies of these products. Changes in structure in terms of viscosity and ropiness were studied when exopolysaccharide (EPS)-producing LAB strains, namely, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus NCFB 2772, Lactobacillus brevis G-77 and Pediococcus damnosus 2.6 were grown in these oat-based suspensions. Differences in structure were seen after growth of EPS-producing bacteria, resulting in higher viscosity and ropiness in these products. The formulation work of fermented products was carried out by using commercial yoghurt cultures with and without the presence of an EPS-producing strain. The products developed were found to have sensory acceptance and good bacterial survival during storage. The bacterial survival of three probiotic strains, Lactobacillus reuteri ATCC 55730, Lactobacillus acidophilus DSM 20079 and Bifidobacterium bifidum DSM 20456, was also studied in different oat-based suspensions with and without the influence of a yoghurt culture during 30 days of storage. The highest survival was seen for the Lactobacillus reuteri strain. The co-fermentation in the presence of a yoghurt culture gave a lower pH in the final products and decreased the survival rates for all strains. The nutritional effects of fermented, oat-based products were investigated by using germfree and conventional rats and by performing a clinical study on 56 healthy subjects. Physiological parameters such as changes in serum cholesterol, faecal excretion of cholesterol, and amount of faecal short chain fatty acids (SCFA) were studied. In addition, changes in the faecal flora were investigated in the human subjects. No changes in the serum cholesterol levels or faecal excretion of cholesterol were seen in the rat models when the animals were fed on different, fermented oat-based products. A diffeent feacal SCFA pattern was seen in the conventional rats fed on the oat-based diets than in the group fed on rice. A lipid lowering effect was seen in the human subjects eating a fermented, ropy, oat-based product for five weeks, which gave a dietary intake of 3.5 g native beta-glucans from oat per day. An increase in total bacterial count and Bifidobacterium subsp. was also seen in faecal samples from these subjects.



In conclusion, there is a potential for the development of fermented, non-dairy, oat-based products with a "ropy" structure containing soluble fibres of both native and microbial origin and with the lipid lowering effect that is generally associated with an intake of oat.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Mjölk anses som det enda flytande livsmedlet som på naturlig väg innehåller de tre fundamentala byggstenarna, fett, protein och kolhydrater, vilket definierar ett livsmedel näringsmässigt. Majoriteten av världens vuxna befolkning är dock tvungen att ha en begränsad konsumtion av mjölk då toleransen för dess kolhydrat, laktos, minskar med vuxen ålder. Detta beror främst på att aktiviteten av ett protein, enzymet b-galaktosidas, minskar och gör att en stor del av laktosmängden undergår en bakteriell nedbrytning, fermentering, i tjocktarmen. Detta kan leda till besvär i mag-tarm regionen i form av diarré, gasbildning och magknip. I Sverige är laktosintoleransen relativt låg, ca 3-4%, i Finland ca 15% medan den är ca 30% av den vuxna befolkningen i Storbritannien och ända upp till 100% i vissa delar av Asien. Således finns det alltså ett generellt behov av näringsmässigt goda alternativ till mjölk som bl.a. är fria från laktos.



I Asien, och då främst Kina och Japan, har man länge använt soja som råvara för att på ett traditionellt sätt framställa vattenextraherad "bönmjölk". I början 1960-talet kom de första rapporterna om mer teknikbaserade processer att framställa en sojabaserad, mjölkliknande produkt. Soja kan av klimattekniska skäl inte odlas med god kvalitet på de skandinaviska breddgraderna. Istället är de stora grödorna på dessa breddgrader framförallt stråsäd i form av vete, korn och havre. Idén att göra ett skandinaviskt alternativ till mjölk, en "cerealiebaserad mjölk", föddes i slutet av 1980-talet. Detta genom att ett flertal rapporter som publicerades på 1970-80-talen i USA beskrev hur marknaden ökade för sojabaserade produkter. Havre valdes som den mest lämpliga cerealien för detta ändamål. Detta var till stor del baserat på den sensoriska aspekten, det näringsmässiga förhållandet mellan fett, protein och kolhydrater samt den relativt stora fraktionen av vattenlösliga fibrer, beta-glukaner. Mycket forskning har fokuserats på just beta-glukaner sedan början 1990-talet. Det är främst kring deras blodfettsänkande effekt som den nutritionella forskningssatsningen har gjorts. Höga blodfetter ökar risken för hjärtkärlsjukdomar som har blivit något av västvärldens folksjukdom. Ett godkännande från Food and Drug Administration ("FDA") i USA publicerades 1997 baserad på en vetenskaplig konsensus om att ett visst dagligt in tag av just beta-glukaner från havre sänker blodfettsnivån hos människa. Under mitten av 1990-talet producerade den första havremjölken i Sverige. För att kunna erbjuda olika typer av mjölkfria mejeriliknande produkter baserade på havre är steget att använda mjölksyrabakterier i produktutvecklingsarbetet naturligt. Att studera hur mjölksyrabakterier växer, överlever och hur de ger både sensoriska samt strukturella effekter i havrebaser ger viktig kunskap i en långsiktig utveckling av fermenterade, mjölkfria, havrebaserade, flytande livsmedel. Mjölksyrabakterier har spelat en allmän stor roll i utvecklandet av livsmedelsprodukter, då människan sedan urminnes tider har "processat" livsmedel för att öka dess hållbarhet. Denna hantering har skapat produkter såsom surdeg, surkål och filmjölk. Ur en mejeriteknisk synvinkel har användandet av starter kulturer, d.v.s. en eller flera definierade bakterier som används för att skapa karaktäristika till en definierad kulturprodukt, s.k. fermenterad produkt, ökat markant. Idag finns det olika starterkulturer av mjölksyrabakterier för att skapa en karaktäristisk smak, arom och/eller struktur till olika typer av fermenterade produkter. Den karaktäristiska struktureffekt som vissa mjölksyrabakterier ger en del fermenterade produkter beror till stor del av deras förmåga att producera polysackarider, s.k. exopolysackarider (EPS). Forskningen kring detta område har fått ett ökat intresse, framförallt inom de livsmedels och näringsvetenskapliga disciplinerna. Främst p.g.a. dessa bildade polysackarider också kan tänkas bidra med en viss ökning av mängden lösliga fibrer i livsmedlet. Härtill hör även den ökande användningen av s.k. probiotiska bakterier som ofta är mjölksyrabakterier eller nära besläktade bakterier till dessa. De tillsätts eller används i olika fermenterad produkter för sina mer eller mindre dokumenterade fysiologiska effekt.



Avhandlingens innehåll Forskningen som presenteras i denna avhandling är ett steg i ett långsiktigt mål att kunna erbjuda konsumenter fermenterade, mjölkfria och havrebaserade produkter, rika på fibrer av både nativt och mikrobiellt ursprung och med dokumenterade, fysiologiska effekter. Arbetet som redovisas presenteras i 8 olika delarbeten (artiklar I-VIII). Dessa delarbeten visar resultat av studier som är gjorda i syfte att öka kunskapen kring utvecklandet av fermenterade, havrebaserade livsmedel och eventuella fysiologiska effekter av dessa. I artikel I-III är studier gjorda i avseende att undersöka hur olika mjölksyrabakterier, med en potential att kunna användas i olika typer av havrebaserade livsmedel, växer i havrebaser som skiljer sig åt i avseende på deras kolhydratprofil och torrsubstanshalt. Fokusering gjordes på tre olika mjölksyrabakterier, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus NCFB 2772, Lactobacillus brevis G-77 och Pediococcus damnosus 2.6. Gemensamt för dessa tre bakterier är att de producerar exopolysackarider (EPS). Genom att mäta viskositeten i produkten före, under och efter tillväxt av respektive EPS-producerande bakterie ges en viss indikation på att EPS-bildning har skett. Ett annat sådant mått på strukturförändring i produkten är att mäta produktens "trådighet". Genom att använda båda dessa metoder kan information inhämtas om hur produktens struktur har förändrats efter det att en EPS- producerande bakterie har tillväxt och EPS har bildats. Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus NCFB 2772 tilläts växa i olika havrebaser med olika typer av kolhydratkällor. Strukturförändringar i havrebaserna studerades efter tillväxt i både renkultursystem och blandkultursystem där också icke EPS-producerande bakterier ingick (artikel I respektive II). I artikel III studerades denna strukturförändring under tillväxt av Lactobacillus brevis G-77 och Pediococcus damnosus 2.6. Det unika med dessa båda bakteriestammar är att de producerar en polysacckarid av beta-glukan struktur. Genom att använda denna typ av mikroorganismer kan man skapa en framtida möjlighet att kunna erbjuda konsumenter fermenterade produkter som både innehåller nativa, d.v.s. beta-glukaner från havre, och mikrobiellt bildade beta-glukaner. I artikel IV gjordes formuleringsarbeten av en fermenterad produkt som till en viss del kan liknas vid yoghurt. I artikel V utvecklades en produkt baserad på en blandkultur, som förutom en traditionell yoghurtkultur även består av den EPS-producerande bakteriestammen Pediococcus damnosus 2.6. Detta gav en produkt med en karaktäristik struktur som närmast kan förknippas med den traditionella mejeriprodukten långfil. För att ytterligare undersöka de olika havrebasernas potential som substrat för mjölksyrabakterier gjordes en överlevnadsstudie med tre olika humanisolerad bakterier, Lactobacillus reuteri, Lactobacillus acidophilus och Bifidobacterium bifidum (artikel VI). Dessa humanisolerade bakterier kan förekomma som probiotiska bakterier i olika livsmedelssystem med krav på en viss mängd i den givna produkten, s.k. "terapeutisk dos". Därför är en god bakteriell överlevnad viktig under en viss given tidsram som kan liknas vid en tänkt, realistisk hållbarhetstid för en färdig produkt. I artikel VII och VIII studerades den fysiologiska effekten av olika fermenterade, havrebaserade produkter. Utveckling av dessa baserades till stor del på den kunskap som generats i artiklarna I-VI. Först gjordes en studie av olika fermenterad och ofermenterade produkter i två olika råttmodeller, en med ordinär tarmflora och en utan existerande tarmflora. Detta gav en första indikation på dessa produkters inverkan på fysiologiska parametrar såsom kortkedjiga fettsyror, som främst är produkter av bakteriell metabolism i tjocktarmen, och bakteriell nedbrytning/konvertering av kolesterol (artikel VII). I den andra fysiologiska studien studerades 56 personer, både män och kvinnor som under 5 veckor fick äta två typer av fermenterade, havrebaserade produkter eller yoghurt (placebo produkt). Dessa havrebaserade produkter skiljdes åt i struktur, d.v.s. viskositet och "trådighet" samt i halt av nativa, havrebaserade beta-glukaner. En sänkning av blodkolesterolet kunde uppmätas för den grupp som åt en fermenterad, "trådig", havrebaserad produkt som gav ett intag av 3.5 g nativa beta-glukaner per dag (artikel VIII). I samma grupp sågs även en ökning av den fekala halten av bifidobakterier. Detta bakteriesläkte anses som en viktig byggsten i det som man allmänt kallar för "den goda och hälsobefrämjande" tarmfloran.

• author: Mårtensson, Olof
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Salovaara, Hannu, Department of Food Technology, University of Helsinki, Finland
• organization: Biotechnology
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Industrial Biotechnology
• keywords: beta-glucans, probiotics, prebiotics, bacterial survival, Food and drink technology, Livsmedelsteknik, oats, ropiness, lactic acid bacteria, ropy
• pages: 165 pages
• defense location: Lecture hall C of Center for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund
• defense date: 2002-06-13 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTKDH/TKBT--02/1061--SE
• ISBN: 91-89627-09-1
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Lactic acid bacteria in an oat-based non-dairy milk substitute: Fermentation characteristics and exopolysaccharide formation.Olof Mårtensson, Rickard Öste and Olle Holst (2000).Food Science and Technology/LWT 33, 525-530. Article: Texture promoting capacity and EPS-formation by lactic acid bacteria in three different oat-based media.Olof Mårtensson, Rickard Öste and Olle Holst (2002).European Food Research and Technology 214, 232-236. Article: Comparison of growth characteristics and exopolysaccharide formation of two lactic acid bacteria strains, Pediococcus damnosus 2.6 and Lactobacillus brevis G-77, in an oat-based, non-dairy medium.Olof Mårtensson, Maite Dueñas-Chasco, Ana Irastorza, Rickard Öste and Olle Holst(Submitted) Article: Formulation of an oat-based fermented product and its comparison with yoghurt.Olof Mårtensson, Carina Andersson, Kenneth Andersson, Rickard Öste and Olle Holst (2001).Journal of the Science of Food Agriculture 81, 1314-1321. Article: A fermented, ropy, non-dairy oat product based on the exopolysaccharide-producing strain Pediococcus damnosus.Olof Mårtensson, Johan Staaf, Maite Dueñas-Chasco, Ana Irastorza, Rickard Öste and Olle Holst (2002).Advances in Food Sciences 24, 4-11. Article: The effect of yoghurt culture on the survival of probiotic bacteria in oat-based, non-dairy products.Olof Mårtensson, Rickard Öste and Olle Holst (2002).Food Research International (in press). Article: The effect of fermented, ropy, non-dairy, oat-based products on serum lipids and the faecal excretion of cholesterol and short chain fatty acids in germfree amd conventional rats.Olof Mårtensson, Maite Dueñas-Chasco, Ana Irastorza, Olle Holst, Mats Rudling, Elisabeth Norin, Tore Midtvedt and Rickard Öste.(submitted) Article: Changes in plasma lipids and faecal Bifidobacterium spp. in humans after consumption of fermented, non-dairy, oat-based products for 5 weeks.Gunilla Önning, Olof Mårtensson, Adele Mbou Lambo, Maria Biörklund, Maite Dueñas-Chasco, Ana Irastorza, Olle Holst, Elisabeth Norin, Gjalt Welling, Björn Åkesson and Rickard Öste.(Manuscript)
• id: c937a396-6999-4e4c-be50-121cfa5d6cda (old id 464739)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:24:38
• date last changed: 2018-11-21 21:04:40