Process ¡Engineering ¡for ¡ Func/onal ¡Foods ¡ Ken ¡Morison ¡ Department ¡of ¡Chemical ¡and ¡Process ¡ Engineering ¡ Biomolecular ¡Interac/on ¡Centre ¡ University ¡of ¡Canterbury ¡ Christchurch ¡
Christchurch ¡
Earthquake ¡Centre ¡of ¡New ¡Zealand ¡2010 ¡ Magnitude 7.1 4 Sept 2010
University ¡of ¡Canterbury ¡ ~ 22,000 students ~1,700 staff
Food ¡Research ¡at ¡Canterbury ¡ Chemical ¡and ¡Process ¡ ¡ ¡Chemistry ¡ Engineering ¡ Biological ¡ ¡ ¡Sciences ¡ New ¡Zealand ¡Food ¡Industry ¡& ¡ ¡ Research ¡Organisa/ons ¡
Biomolecular ¡Interac/on ¡Centre ¡ • University of Canterbury Research Institute – Understand biomolecular interactions critical to biological function, especially proteins and human biochemistry. – Promote interdisciplinary collaborations to create an exciting, vibrant and productive centre. • Science • Engineering • Partnering with national Research Institutes and Universities
BIC ¡– ¡Research ¡Themes ¡ • Surface ¡Interac,ons ¡and ¡Separa,ons ¡ Prof ¡Conan ¡Fee, ¡Chemical ¡& ¡Process ¡Engineering ¡ • Macromolecular ¡Interac,ons ¡especially ¡ proteins ¡ ¡ Prof ¡ ¡Juliet ¡Gerrard, ¡School ¡of ¡Biological ¡Sciences ¡ • Solu,on-‑Phase ¡Interac,ons ¡especially ¡ enzyma,c ¡catalysis ¡ ¡Assoc ¡Prof ¡ ¡Parker, ¡Department ¡of ¡Chemistry ¡ ¡
My ¡Background ¡ • Chemical ¡Engineer ¡(University ¡of ¡Canterbury ¡& ¡ Imperial ¡College, ¡London) ¡ • New ¡Zealand ¡dairy ¡industry ¡– ¡8 ¡years ¡ • Lecturer ¡Chemical ¡and ¡Process ¡Engineering, ¡ University ¡of ¡Canterbury ¡– ¡17 ¡years ¡ • Dairy ¡and ¡Food ¡Process ¡Engineering ¡
My ¡Research ¡Ac/vi/es ¡ • Food ¡process ¡engineering ¡ • Physical ¡proper/es ¡ • Ultrafiltra/on ¡and ¡reverse ¡osmosis ¡membranes ¡ • Fouling ¡and ¡cleaning ¡for ¡food ¡processing ¡ • Surface ¡modifica/on ¡for ¡reduced ¡fouling ¡ • Diffusion ¡into ¡gels ¡ • Spray ¡drying ¡of ¡fruit ¡juice ¡ • Extrac/on ¡of ¡starch ¡for ¡oat ¡flour ¡ • Hydrodynamic ¡cavita/on ¡ ¡
My ¡Research ¡Ac/vi/es ¡ • Food ¡process ¡engineering ¡ • Physical ¡proper/es ¡ • Ultrafiltra/on ¡and ¡reverse ¡osmosis ¡membranes ¡ • Fouling ¡and ¡cleaning ¡for ¡food ¡processing ¡ • Surface ¡modifica/on ¡for ¡reduced ¡fouling ¡ Processing • Diffusion ¡into ¡gels ¡ • Spray ¡drying ¡of ¡fruit ¡juice ¡ for functional • Extrac/on ¡of ¡starch ¡for ¡oat ¡flour ¡ foods • Hydrodynamic ¡cavita/on ¡ ¡
Food ¡Process ¡Engineering ¡ • Evapora,on : ¡design ¡for ¡maximum ¡ Feed concentra/on ¡and ¡minimum ¡heat ¡ damage ¡ • Rheology ¡of ¡concentrated ¡milk ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Fan ¡ ¡milk ¡gels ¡ Concentrate
Food ¡Process ¡Engineering ¡ • Current ¡Project: ¡ Surface ¡ modifica/on ¡to ¡reduce ¡the ¡contact ¡ angle, ¡increase ¡hydrophilicity ¡and ¡ reduce ¡fouling. ¡
Food ¡Process ¡Engineering ¡ • Membrane ¡Separa/ons: ¡ – Plant ¡design ¡ – Membrane ¡characterisa/on ¡ – Fouling ¡and ¡cleaning ¡ ¡ – Membrane ¡modifica/on ¡ – A ¡tool ¡for ¡molecular ¡separa/on ¡and ¡product ¡ development ¡
Membrane ¡Separa/ons ¡ • Membrane ¡Separa/ons: ¡ SEPA unit AKTA Crossflow
Membrane ¡processes ¡ Mul/stage ¡plant ¡design ¡ Demineralisa/on ¡of ¡gela/ne ¡
Membrane ¡Characterisa/on ¡ Membrane ¡pi^ng: ¡ ¡ hypochlorite ¡& ¡polyethersulfone ¡ Size ¡exclusion ¡chromatography ¡of ¡separa/on ¡ products ¡
Spray ¡Drying ¡ • Niro ¡Mobile ¡Minor ¡ • Used ¡for ¡development ¡of ¡ many ¡different ¡novel ¡ foods ¡ • S/ckiness ¡and ¡ atomisa/on ¡limit ¡spray ¡ drying ¡ ¡ ¡ ¡
Spray ¡Drying ¡
Spray ¡Dried ¡Apple ¡Juice ¡& ¡Carrier ¡ Not-sticky Sticky
Protein ¡Gels ¡ Protein ¡gel ¡swelling ¡for ¡cleaning ¡ Protein ¡gel ¡swelling ¡
Diffusion ¡in ¡Protein ¡Gels ¡ • Aim ¡it ¡to ¡predict ¡diffusion ¡accurately ¡and ¡to ¡be ¡ able ¡to ¡design ¡proteins ¡for ¡specific ¡gelling ¡ behaviours. ¡ • Applica/ons ¡in ¡enhanced ¡cleaning, ¡brine ¡ sal/ng ¡of ¡cheese, ¡and ¡controlled ¡drug ¡release ¡ in ¡the ¡gut. ¡
Diffusion ¡in ¡Protein ¡Gels ¡ • Quan/ta/ve ¡modelling ¡of ¡diffusion ¡of ¡mul/ple ¡ ions ¡in ¡protein ¡(polyelectrolyte) ¡gels ¡ ¡ • Generalised ¡Maxwell-‑Stefan ¡equa/ons ¡
Diffusion ¡in ¡Protein ¡Gels ¡ • Quan/ta/ve ¡modelling ¡of ¡diffusion ¡of ¡mul/ple ¡ ions ¡in ¡protein ¡(polyelectrolyte) ¡gels ¡ ¡ • Generalised ¡Maxwell-‑Stefan ¡equa/ons ¡
How ¡do ¡protein ¡side ¡chains ¡influence ¡swelling ¡at ¡ different ¡pH? ¡
How ¡do ¡protein ¡side ¡chains ¡influence ¡swelling? ¡ • High ¡pH ¡ ¡ ¡Protein–COOH ¡+ ¡NaOH ¡ ¡Protein–COO -‑ Na + ¡+ ¡H 2 O ¡
How ¡do ¡protein ¡side ¡chains ¡influence ¡swelling? ¡ • High ¡pH ¡ ¡ ¡Protein–COOH ¡+ ¡NaOH ¡ ¡Protein–COO -‑ Na + ¡+ ¡H 2 O ¡ Osmotic Direct effects cause swelling swelling And ¡influence ¡of ¡pressure, ¡electrical ¡diffusion ¡ poten/al, ¡ionic ¡concentra/on, ¡non-‑ideal ¡ac/vi/es. ¡ ¡
Diffusion ¡in ¡Protein ¡Gels ¡ • Ions ¡diffuse ¡is ¡different ¡direc/ons ¡over ¡/me ¡
Diffusion ¡in ¡Protein ¡Gels ¡ • Predicted ¡swelling ¡depends ¡on ¡pH ¡and ¡ionic ¡ concentra/on ¡ • Cambridge, ¡UK, ¡work ¡shows ¡a ¡cri/cal ¡pH ¡and ¡ swelling ¡ra/o ¡for ¡protein ¡gel ¡dissolu/on ¡ NaCl ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡M ¡
Oats ¡– ¡Food ¡for ¡Scotsmen ¡and ¡Horses ¡ "eaten ¡by ¡people ¡in ¡Scotland, ¡but ¡fit ¡only ¡for ¡horses ¡in ¡England.“ ¡ Samuel ¡Johnson ¡
Oat ¡Func/onal ¡Claims ¡ • Green ¡oats: ¡Seda/ve ¡effect, ¡figh/ng ¡anxiety, ¡ reduce ¡the ¡craving ¡to ¡smoke. ¡ • Infusion ¡of ¡oats: ¡soothing ¡and ¡effec/ve ¡skin ¡ treatments ¡for ¡dry ¡skin, ¡eczema ¡and ¡psoriasis. ¡ • Oat ¡bran: ¡lowering ¡cholesterol ¡ • Oats: ¡libido ¡booster; ¡beta ¡sitosterol ¡resembles ¡ testosterone, ¡progesterones, ¡and ¡estrogen. ¡ • Etc. ¡
Cereal ¡Starch ¡ Wheat ¡ ¡ ¡ ¡Tri/cali ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Rye ¡ Barley ¡ ¡ ¡ ¡Sorghum ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Oat ¡ Jay-‑lin ¡et ¡al, ¡Starch, ¡46 ¡(1994) ¡121-‑129 ¡ ¡
Biopolymers ¡from ¡Oat ¡ Al-Hakkak Process • OAT FLOUR OAT FLOUR • GLUTEN • OAT/GLUTEN OAT/GLUTEN GLUTEN (WHEAT) (WHEAT) FLOUR BLEND FLOUR BLEND • WATER WATER • OAT/GLUTEN OAT/GLUTEN DOUGH DOUGH • KNEADING KNEADING • PROVING PROVING • WASHING WASHING • PROTEIN RICH PROTEIN RICH SOLID SOLID • STARCH RICH STARCH RICH RINSE WATER RINSE WATER • SEPARATION SEPARATION • PROTEIN/BRAN PROTEIN/BRAN WASTE WASTE • CLEAN STARCH • WASTEWATER WASTEWATER STARCH AND SOLUBLES AND SOLUBLES
Starch ¡from ¡Oat ¡ Wheat ¡gluten ¡+ ¡Oat ¡flour ¡ Dough ¡ SDS-PAGE shows Green ¡– ¡starch ¡ gluten-oat protein interaction Red ¡-‑ ¡protein ¡ Spray ¡ Protein ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡dried ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡starch ¡
Spray ¡dried ¡starch ¡ Oat ¡ ¡ ¡ ¡Amaranth ¡
Oat ¡Starch ¡Composi/on ¡ % [31] % [18] % [24] %[26] Total Amylose 22.1-26.6 17.5 – 33.6 25.2 – 29.4 27.5 – 29.8 Apparent Amylose - - 19.7 – 22.0 Protein 0.3 – 0.95 - - Lipid 1.08-1.18 0.7 – 2.5 0.67 – 1.11 * 0.66 – 0.75 1.35 –1.52 * *using different extraction methods
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