An investigation of rapeseed protein as a new food product

Abstract

The combination of a growing global population and a limiting amount of farmland creates a need for new innovative food products to achieve a global sustainable development and a healthy population. Rapeseed press cake is a low-cost by-product of rapeseed oil production and is very high in protein and fiber. The rapeseed protein contains high concentrations of S-amino acids as methionine and cysteine, comparable with soy. Most of the rapeseed press cake is sold as animal feed. If the press cake instead could be used as human food directly, one step in the food chain could be eliminated and more of the plant nutrients could be utilized by humans. As there is a growing demand of meat-analogues due to the increase of the vegan scene in Sweden, there seem to be a market for at meat-analogue based on locally produced rapeseed protein. By up-cycling an existing agricultural by-stream and recover high quality protein for human consumption, the import of soy can be decreased in Sweden.
In previous master’s thesis and studies a method to isolate proteins from cold-pressed rapeseed press cake has been developed. The current thesis has been focusing on improving the isolation method to achieve an edible food product as well as investigating different processing methods of the isolated rapeseed protein paste (RSPP). To optimize the protein yield two different approaches has been investigated, the incubation time and its performance in the leaching phase as well as recirculation of the first sediment at different pH. To decrease the content of anti-nutrients and discoloring compounds in the RSPP, ultrafiltration and diafiltration have been investigated.
Drum drying, freeze drying and vacuum evaporation was investigated to decrease the water content. Finally, thermoplastic extrusion has been used to investigate the abilities of rapeseed proteins to be texturized. A single-screw extruder with a conventional screw (20 mm Ø x 25) was used. Two different dies were used, a heated round die (3 mm Ø) and a cooled flat die (2x20 mm)
The results of the process optimization indicated that incubation in 60 min with stirring, instead of the previous incubation time of 180 min without stirring saved two hours of processing time without reducing the protein yield. By recirculation of the first sediment the total protein yield was increased by at least 7.2% (from 38% to 45.2%). Further it was showed that addition of Na2S2O5 in the diafiltration improved the color and taste of the rapeseed protein paste. The freeze- and drum-dried products achieved a water activity below 0.6, which is suitable for food applications. The result of the extrusion indicated that a single-screw extruder at an extrusion temperature of 100°C-120°C and water content of 50% did not seem to form the desired fiber structure. As the fat content was high and as a higher temperature could not be tested in the single-screw extruder, extrusion trials in a twin-screw extruder should be performed to further investigate the ability of rapeseed protein to form an elastic texture by thermoplastic extrusion.

Popular Abstract (Swedish)

Kan svenska rapsrester bli ett nytt alternativ till sojafärs?
Allt eftersom jordens befolkning ökar utnyttjas större delar av jordens yta till åkermark. Forskningen visar tydligt att växtbaserade livsmedel har mindre miljöpåverkan än animaliska produkter. Rapsfrökaka är en restprodukt från rapsoljeproduktionen med högt proteininnehåll som har lovande egenskaper för att bilda ett nytt växtbaserat livsmedel!
I Sverige odlas det en hel del raps som sen pressas till rapsolja. Rapsolja pressas från rapsfrön och eftersom frön inte bara består utav olja blir det en hel del pressrester över. Bara en tredjedel av fröna är olja, resten (två tredjedelar) blir pressrester och kallas rapsfrökaka. Rapsfrökakan går idag främst till foder och även lite till biogas. Det har emellertid upptäckts att rapsfrökakan är superrik på protein, hela 30 %, och dess proteinkvalitet är även det allra bästa utav alla växtprotein! En ny möjlighet att utveckla ett nytt proteinrikt växtbaserat livsmedel har alltså öppnat sig!
Eftersom rapsfrökakan isig är ganska oaptitlig med en besk bismak och hårda skalrester har det utvecklats en process för att utvinna proteinerna från pressresterna. Proteinmassan utvinns från pressresterna med en vattenbaserad process i flera steg, där justering av pH och centrifugering används. Det här examensarbetet har fokuserat på att undersöka och förbättra möjligheterna för att tillverka ett livsmedel av rapsprotein. Förbättringar av uppreningsprocessen har gjorts där processtiden reducerats med 2 timmar och andelen protein som extraheras ur rapsfrökakan har ökats, från 37% till 45%. Innan examensarbetet påbörjades hade den extraherade proteinmassan en oaptitlig grå-gulaktig färg och en bismak av gräs/hö. Med hjälp av filtreringsförsök och tillsättning av ett salt, Na2S2O5, har bismaken minskat betydligt och missfärgningen reducerats.
För att ett nytt växtbaserat livsmedel ska accepteras av konsumenterna bör det ha ett tuggmotstånd som liknar kött, precis så som sojafärs eller sojagrytbitar. Det gör det lätt för konsumenterna att byta ut det nya livsmedlet mot ett gammalt i deras vanliga recept. En struktur som ger ett tuggmotstånd kan bildas genom att växtproteinet går igenom en extruder, det är så sojafärs och sojagrytbitar fått sin textur. Den elastiska fiberstrukturen som ger ett tuggmotstånd bildas i extrudern genom att proteinerna denatureras, vecklas ut och sen bildar nya bindningar till varandra. Proteinerna denaturerar i extrudern eftersom de där utsätts för väldigt höga temperaturer och tryck. Alla typer av proteiner kan dock inte bilda de nya bindningarna till varandra och texturering (tuggmotstånds-textur) kan då inte uppnås.
Extruderingsförsök med en deg bestående av frystorkat rapsprotein och 50% vatten gjordes i en enkel-skruv extruder vid 100°C-135°C. Tyvärr hade produkten som kom ut inget tuggmotstånd. Däremot finns det fortfarande goda möjligheter för rapsprotein att lyckas textureras m.h.a extrudering. Det är nämligen så att väldigt specifika förhållanden kan krävas för att lyckas. Som ett exempel behöver sojaproteinet extruderas vid temperaturer över 150°C för att den eftertraktade fiberstrukturen ska bildas. Dessutom har studier visat att en dubbel-skruv extruder istället för en enkel-skruv extruder ger bäst resultat för texturering av växtprotein.

Ordlista:
Denaturering: Proteinerna tappar sin ursprungliga form genom att bindningar i proteinet bryts. När de tappat sin form tappar de även sina tidigare egenskaper.
Extruder: En maskin bestående av en skruv inuti ett långt rör med värme- kylelement utan på. I ena änden matas provet/degen in och skruven för sedan degen framåt mot slutet av röret. Mellanrummet mellan gängorna på skruven blir mindre och mindre längs skruven, det bildar ett ökat tryck. Samtidigt värms röret och degen utsätts för höga temperaturer. Detta denaturerar proteinerna och flödesmekaniken får proteinerna att bre ut sig bredvid varandra och bilda nya bindningar.
Proteinkvalitet: Proteinkvaliteten på ett livsmedel avgörs av huruvida sammansättningen av de essentiella aminosyrorna i proteinet i livsmedlet matchar den mänskliga kroppens behov. Essentiella aminosyror är de nio aminosyror som kroppen inte själv kan tillverka. Dessa måste tillföras via kosten.

• author: Dahlberg, Sofia
• supervisor: Karolina Östbring; Ingegerd Sjöholm
• organization: Food Technology and Nutrition (M.Sc.)
• alternative title: En undersökning av rapsprotein som ett nytt livsmedel
• course: KLT920 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Agriculture and Food Sciences; Technology and Engineering
• keywords: food engineering, livsmedelsteknik
• language: English
• id: 8916711
• date added to LUP: 2017-08-18 09:27:23
• date last changed: 2017-08-18 09:27:23