Process Engineering for Func/onal Foods Ken Morison - - PowerPoint PPT Presentation

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 ¡ Engineering ¡ ¡ ¡Chemistry ¡ 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 ¡
• Diffusion ¡into ¡gels ¡
• Spray ¡drying ¡of ¡fruit ¡juice ¡
• Extrac/on ¡of ¡starch ¡for ¡oat ¡flour ¡
• Hydrodynamic ¡cavita/on ¡ ¡

Processing for functional foods

Food ¡Process ¡Engineering ¡

• Evapora,on: ¡design ¡for ¡maximum ¡

concentra/on ¡and ¡minimum ¡heat ¡ damage ¡

• Rheology ¡of ¡concentrated ¡milk ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

¡ ¡milk ¡gels ¡

Feed Concentrate

Fan

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 ¡

Sticky Not-sticky

Protein ¡Gels ¡

Protein ¡gel ¡swelling ¡

Protein ¡gel ¡swelling ¡for ¡cleaning ¡

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+ ¡+ ¡H2O ¡

How ¡do ¡protein ¡side ¡chains ¡influence ¡swelling? ¡

• High ¡pH ¡ ¡

¡Protein–COOH ¡+ ¡NaOH ¡ ¡Protein–COO-­‑Na+ ¡+ ¡H2O ¡ And ¡influence ¡of ¡pressure, ¡electrical ¡diffusion ¡ poten/al, ¡ionic ¡concentra/on, ¡non-­‑ideal ¡ac/vi/es. ¡ ¡

Osmotic effects cause swelling Direct swelling

Diffusion ¡in ¡Protein ¡Gels ¡

• Ions ¡diffuse ¡is ¡different ¡direc/ons ¡over ¡/me ¡

Diffusion ¡in ¡Protein ¡Gels ¡

NaCl ¡= ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡M ¡

• 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 ¡

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/GLUTEN

FLOUR BLEND

• GLUTEN

(WHEAT)

• WATER
• OAT/GLUTEN

DOUGH

• KNEADING
• PROVING
• WASHING
• STARCH RICH

RINSE WATER

• PROTEIN RICH

SOLID

• SEPARATION
• PROTEIN/BRAN

WASTE

• CLEAN STARCH
• WASTEWATER

AND SOLUBLES

OAT FLOUR

OAT/GLUTEN FLOUR BLEND

GLUTEN

(WHEAT) WATER OAT/GLUTEN DOUGH KNEADING PROVING WASHING STARCH RICH RINSE WATER

PROTEIN RICH

SOLID SEPARATION PROTEIN/BRAN WASTE

STARCH

WASTEWATER AND SOLUBLES

Starch ¡from ¡Oat ¡

Wheat ¡gluten ¡+ ¡Oat ¡flour ¡

Dough ¡

Green ¡– ¡starch ¡ Red ¡-­‑ ¡protein ¡

Spray ¡

Protein ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡dried

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡starch ¡

SDS-PAGE shows gluten-oat protein interaction

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 * 1.35 –1.52 * 0.66 – 0.75 *using different extraction methods

Hydrodynamic ¡Cavita/on ¡

• High ¡velocity ¡in ¡a ¡venturi ¡– ¡low ¡pressure ¡– ¡

cavita/on. ¡

• Produces ¡a ¡stable ¡oil-­‑in-­‑water ¡

and ¡water-­‑in-­‑oil ¡emulsions. ¡

• Reac/ons ¡intensifica/on, ¡e.g., ¡ ¡

enzyme ¡lipolysis ¡of ¡oil. ¡

• Less ¡useful ¡than ¡hoped. ¡ ¡

Other ¡Food ¡Research ¡at ¡the ¡ University ¡of ¡Canterbury ¡

• Professor ¡Juliet ¡Gerrard ¡

– Protein ¡structure ¡for ¡texture ¡and ¡diges/bility ¡ ¡

• Professor ¡Conan ¡Fee: ¡ ¡

– Protein ¡separa/ons ¡ – Pharmaceu/cal ¡ – Surfaces ¡

Protein ¡Structure ¡(Prof ¡Juliet ¡Gerrard)

¡

• Structure ¡of ¡proteins ¡for ¡manipula/on ¡of ¡

texture ¡and ¡diges/bility ¡of ¡protein-­‑based ¡

• foods. ¡ ¡ ¡
• Wheat, ¡soy, ¡egg ¡and ¡dairy. ¡
• Protein ¡cross-­‑linking ¡(enzymes) ¡& ¡Maillard ¡

reac/on. ¡

• Aggrega/on ¡states ¡of ¡protein. ¡ ¡

Protein ¡Crosslinks ¡from ¡Maillard ¡

Gerrard, 2002, Trends in Food Science & Technology

On-­‑farm ¡capture ¡of ¡proteins ¡from ¡ raw ¡whole ¡milk ¡by ¡ion-­‑exchange ¡ ¡

(Prof ¡Conan ¡Fee) ¡

Design ¡Concept ¡& ¡Implementa/on ¡

Mixed ¡Matrix ¡Membranes ¡for ¡Milk ¡ Protein ¡Separa/on ¡

Single ¡protein ¡extrac/on ¡from ¡whey ¡becomes ¡important ¡in ¡view ¡of ¡earning ¡ significant ¡income ¡from ¡speciality ¡proteins ¡

LF ¡Recovery ¡using ¡Cross-­‑Flow ¡Opera/on ¡

Whey ¡ Elu/on ¡ Washing ¡ Amer ¡loading ¡

Lactoferrin ¡

Applica/ons ¡of ¡Cryogels ¡in ¡Protein ¡ Purifica/on ¡(Prof ¡Conan ¡Fee)

¡

 Cryogels ¡can ¡be ¡ prepared ¡a ¡wide ¡range ¡

• f ¡pore ¡sizes ¡(10-­‑200 ¡

µm) ¡ ¡  They ¡are ¡stable ¡to ¡ thermal, ¡mechanical, ¡ and ¡chemical ¡proper/es ¡  They ¡occupy ¡only ¡1/5 ¡of ¡ sta/onary ¡phase ¡and ¡ rest ¡is ¡pores ¡  Can ¡be ¡prepared ¡either ¡ ionic ¡or ¡affinity ¡matrix ¡  Allows ¡very ¡high ¡flow ¡ veloci/es ¡

Surface ¡Plasmon ¡Resonance ¡(SPR) ¡

• Quan/ta/ve ¡and ¡simultaneous ¡analysis ¡of ¡proteins ¡in ¡milk. ¡
• Op/miza/on ¡of ¡extrac/on ¡assessed ¡by ¡SPR ¡methods ¡

Fee, Billakanti

SPR: ¡Immobiliza/on ¡of ¡5 ¡an/body ¡ligands ¡and ¡a ¡reference ¡channel ¡

Conclusions ¡

• The ¡University ¡of ¡Canterbury ¡has ¡exper/se ¡in ¡

processing ¡and ¡protein ¡science ¡that ¡support ¡ the ¡development ¡of ¡func/onal ¡foods. ¡