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Theses Year : 2021

Understanding of the mechanisms at the origin of functional and flavor properties in protein-rich fava bean ingredients

Compréhension des mécanismes à l'origine des propriétés fonctionnelles et de la flaveur d’ingrédients riches en protéines issus de féveroles

Siddharth Sharan
  • Function : Author
  • PersonId : 1169505
  • IdRef : 260065900

Abstract

The growing population is demanding new healthy, sustainable solutions for foods and beverages. Fava bean (Vicia faba L.) is a promising plant source that can provide nutritional and functional ingredients for different food applications. Fava bean is processed to form ingredients and they can be further modified to render them fit for food applications. This PhD work aimed to understand the role of processing conditions on functional and flavor properties, and apply this understanding to produce and use fava bean protein-rich ingredients. It investigated the effects of certain industrially relevant process conditions using a cross-dimensional approach to find the right kind of compromise between different ingredients properties. To be precise, a very gently processed fava bean protein rich concentrate was industrially procured, which was then modified by process conditions such as pH (2, 4, 6.4 and 11), temperature (55, 75 and 95 °C) and treatment duration (30 and 360 min) to produce 36 different ingredients. These were further utilized at two pH (4 and 7) in systems close to beverage applications. During ingredient utilization, beverage functionalities (foam and emulsion) along with odor perception and non-volatile compounds were investigated for all ingredients as a function of process conditions.Results showed that process conditions were able to drive functional and flavor properties of the fava bean concentrate, strengthened by different statistical models. Foam and emulsion properties were predominantly governed by the pH during ingredient utilization. In general, utilization pH around the isoelectric point of fava proteins (pH 4) was not suitable for foam stability, emulsion capacity nor emulsion stability. Strong correlations between functional and physico-chemical properties were identified and explained by protein properties. In addition, flavor was heavily driven by the modification and utilization conditions, especially the pH.From gentler to vigorous process conditions, perception can be modified from more green to more cooked flavors, whereas different conditions of application (e.g. pH) can modulate between “sweet” and rancid perceptions. Considering volatiles composition, aldehyde signals were primarily detected in ingredient suspensions head-space. But furanoids, terpenoids, alcohols and ketones signals had the next higher contribution for modifications at pH2, 4, 6.4 and 11 respectively. Lipid oxidation was deemed important in generating volatiles, along with other reactions including proteins, sugars and carotenoids degradation. Going deeper into understanding of physico-chemical and sensory properties, determinants of antioxidant potential, taste (bitterness and astringency), color and even anti-nutritional effects were also investigated. Phenolic compounds (flavan-3-ols, flavones, flavonols, hydroxycinnamic acids) and saponins were significantly impacted by process conditions during ingredient modification, especially by pH. For phenolic compounds, acidic and alkaline conditions (pH 2, 4 and 11) were highly distinct compared to the non-pH adjusted process (pH 6.4) in changing the phenolic and saponin profiles of the ingredients. When looked closely at non-pH adjusted processes, their variability due to increasing degree of processing seemed to be either a function of their variable extractability and/ or their reactions involving their structural rearrangement.Thus, process conditions played an important role in fava bean ingredient properties, and this work opens up new arena for inter-disciplinary study based on nutritional (anti-oxidant and anti-nutritional aspects), sustainability (life cycle assessment), functionality (gelation) and sensory (texture, sweetness, bitterness) considerations of fava bean as potential ingredients for industrial food applications.
Afin de rendre les régimes alimentaires occidentaux plus durables, un changement d’alimentation s’impose. Parmi les sources végétales prometteuses, la fèverole (Vicia faba L.) peut être utilisée comme ingrédient à fort potentiel nutritionnel et fonctionnel dans la formulation de produits alimentaires. Les graines de fèveroles sont transformées en ingrédients, qui peuvent à leur tour être modifiés, fonctionnalisés, afin d’être plus adaptés à des applications alimentaires. Ce travail de thèse avait pour objectif de comprendre le rôle des conditions de transformation des ingrédients riches en protéines de fèveroles sur leurs propriétés fonctionnelles et leur flaveur. L’impact des conditions de transformation, choisies pour être réalistes sur le plan industriel, a été étudié en utilisant une approche multi-dimensionnelle et trouver ainsi un compromis favorable à l’expression des propriétés des différents ingrédients. Plus précisément, un concentrât de fèveroles riche en protéines, traité selon un procédé de transformation doux à l’échelle industrielle, a été sélectionné puis modifié par différentes conditions de transformation, i.e. le pH (2, 4, 6,4 et 11), la température (55, 75 et 95 °C) et la durée du traitement (30 et 360 min). Trente-six ingrédients différents ont ainsi été produits. Ceux-ci ont ensuite été utilisés à deux pH différents, 4 et 7, dans des systèmes modèles proches d’applications de type boissons. Au cours de l'utilisation de ces ingrédients, la fonctionnalité des boissons (propriétés moussantes et émulsifiantes), la perception olfactive des produits et la composition en composés volatils et non volatils ont été étudiées. Les résultats montrent que les conditions de transformation sont capables de moduler les propriétés fonctionnelles et olfactives du concentrât de fèveroles, l’analyse étant renforcée par le biais de différents modèles statistiques. Les propriétés des mousses et des émulsions sont principalement gouvernées par le pH d'utilisation des ingrédients. Un pH proche du point isoélectrique des protéines de fèverole (pH 4) n'est pas favorable ni à la stabilité de la mousse, ni à la capacité d’émulsification ou à la stabilité de l'émulsion. Des corrélations entre les propriétés fonctionnelles et les propriétés physico-chimiques ont été mises en évidence et s’expliquent par les propriétés des protéines. Par ailleurs, la flaveur est fortement influencée par les conditions de modification et d'utilisation des ingrédients, en particulier par le pH. Selon les modifications du concentrât initial, en conditions douces ou sévères, la perception peut être modifiée, pour évoluer d’odeurs vertes à des odeurs cuites, tandis que les conditions d'utilisation des ingrédients (pH) peuvent conduire à des perceptions « douces » ou rances. La composition en composés volatiles de l’espace de tête des ingrédients mis en suspension montre la présence de nombreux aldéhydes et alcools. L'oxydation des lipides apparaît importante dans la génération de composés volatiles, de même que des réactions de dégradation des protéines, des sucres et des caroténoïdes. Les propriétés physico-chimiques et sensorielles des composés à l’origine du potentiel antioxydant, du goût (amertume et astringence), de la couleur et des effets antinutritionnels ont également été étudiés. Les composés phénoliques et les saponines se sont avérés significativement impactés par les conditions de transformation mises en œuvre lors de la modification des ingrédients, en particulier par le pH. Les profils en composés phénoliques et en saponines obtenus à l’issue des traitements acide et alcalin (pH 2, 4 et 11) apparaissent ainsi très distincts de celui obtenu par un traitement effectué sans ajustement de pH (pH 6,4). Des études complémentaires menées à pH 6,4 indiquent que cette différence serait liée à une question d’extractibilité variable des composés étudiés et/ou à une réactivité plus ou moins élevée selon les conditions de transformation.
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Dates and versions

tel-03794050 , version 1 (03-10-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03794050 , version 1

Cite

Siddharth Sharan. Understanding of the mechanisms at the origin of functional and flavor properties in protein-rich fava bean ingredients. Food engineering. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASB061⟩. ⟨tel-03794050⟩
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