Projecten

Palm-O-Free

Een veelzijdige benadering voor palmoliesubstitutie

Opportuniteit & probleemstelling

Omwille van technologische en economische redenen is palmolie voor vele bedrijven één van de belangrijkste ingrediënten. Vanuit technologisch oogpunt is palmolie, met zijn hoog gehalte aan verzadigd vet, noodzakelijk om de vereiste textuur te verkrijgen in producten zoals margarine, spreads en shortenings voor bakkerijtoepassingen. De lage kostprijs van palmolie gekoppeld aan een constante beschikbaarheid maken het ook een geliefde grondstof in de verwerkende industrie. Daartegenover staat echter dat het hoog gehalte aan verzadigd vet in palmolie in verband wordt gebracht met hart- en vaatziekten en dat de toenemende vraag naar palmolie heeft geleid tot een wijdverspreide ontbossing resulterend in een ernstig debat rond duurzaamheid. Vandaar dat er een toenemende vraag en druk is vanuit consumenten en retailers om producten op de markt te brengen die vrij zijn van palmolie. Dit maakt dat er nood is aan alternatieven welke kunnen worden aangewend om palmolie te vervangen met behoud van de organoleptische eigenschappen van de voedingsproducten.

De uitdaging van dit project bestaat er dus in om alternatieven te vinden voor palmolie met gelijkaardige technologische en economische karakteristieken. In het voogestelde project, wordt een veelzijdige benadering geïntroduceerd in de zoektocht naar alternatieven. Hierbij wordt vertrokken vanuit de klassieke strategie waarbij oliën en vetten worden gemengd en gemodificeerd (bv. interveresteren). Daarnaast staat dan een meer fundamentele strategie waarbij structurerende componenten zoals mono- en diacylglycerolen worden toegepast om vloeibare oliën te structureren. Het gebruik van deze veelzijdige aanpak zal verzekeren dat we de probleemstelling van verscheidene invalshoeken bekijken waardoor de kans op het vinden van een werkbare oplossing vergroot.

Inhoud onderzoek

Het huidig gebruik van palmolie omvat zowel de vloeibare als de vaste fractie. De vloeibare fractie wordt hoofdzakelijk gebruikt omwille van zijn hoge oxidatieve en temperatuur stabiliteit maar kan eenvoudig worden vervangen door andere vloeibare oliën. Het vervangen van de vaste fractie daarentegen blijft nog steeds een onopgeloste technologische uitdaging en dit impliceert dat dit project enkel zal focussen op het vervangen van palmolie in toepassingen waarin de vaste fractie verantwoordelijk is voor de functionaliteit. Dit project onderverdeeld in twee afzonderlijke werkpakketten (WP).

WP1: Ontwerpen van vetmengsels op basis van een berekeningsmodel en fysische modificatie van de mengsels

Commerciële plantaardige oliën en vetten hebben een unieke chemische samenstelling en bestaan hoofdzakelijk uit triacylglycerolen (TAGs). De TAGs zijn verantwoordelijk voor een aantal belangrijke functionele eigenschappen van vetrijke levensmiddelen zoals smeerbaarheid, structuur, helderheid, consistentie, plasticiteit, emulgeerbaarheid, romigheid, luchtigheid, hardheid en smaak. Structureren met behulp van een kristallijne TAGs fase is de basis van het structureren van de vetfase. TAGs rijk aan verzadigde vetzuren hebben daarbij een beperkte oplosbaarheid in oliën rijk aan onverzadigde vetzuren. Het mengen van oliën en vetten met vetzuurprofielen met een gewenst smeltpunt is een klassieke strategie die vaak een combinatie is van wetenschap en vakmanschap en die wordt toegepast om gestructureerde vetten te bekomen met de gewenste fysicochemische eigenschappen zoals vast vet gehalte (SFC), smeltgedrag, kristallisatiegedrag, vetzuursamenstelling en TAGs profiel.

1.1. Identificatie-validatie van beschikbare oliën en vetten

Commerciëel beschikbare ruwe materialen waaronder vloeibare oliën en TAGs fase van niet-palm en niet-gehydrogeneerde bronnen zullen grondig worden gescreend naar hun vetzuursamenstelling, TAGs profiel en fysicochemische eigenschappen. Hoewel verzadigd vet in zijn geheel in verband wordt gebracht met negatieve gezondheidsaspecten (voornamelijk hart- en vaatziekten), is toch aangetoond dat sommige verzadigde vetzuren een daling (laurinezuur (C12:0)) of een neutraal effect (stearinezuur C18:0) teweegbrengen in de ratio ΔTotal: HDL cholesterol. Vandaar dat in de keuze van een hard stock nadruk zal worden gelegd op het selecteren van TAGs met een hoger proportie van gezondheidsbevorderende of neutrale verzadigde vetzuren. De rationele selectie van materialen voor het creëren van binaire, ternaire of multi-component mengsels zal gebeuren op basis van de fysicochemische eigenschappen van de individuele componenten. Een statistische aanpak zoals experimental design (Design of Experiments, DoE) zal worden toegepast om gelijktijdig de individuele en interactie effecten van verschillende fysicochemische factoren te bepalen en zo geoptimaliseerde vetmengsels te bekomen (in 1.2). FTE heeft reeds vele jaren expertise in het domein van oliën en vetten en hun karakterisatie. De expertise omvat de analytische methoden voor de analyse van samenstelling (vetzuren en TAGs) en oxidatieve stabiliteit.

1.2. Formulatie en modificatie van de vetmengsels

Aangezien het type TAG is gecorreleerd met verscheidene functionele eigenschappen, zal een nieuwe aanpak voor formulering van de vetmengsels worden toegepast, gebaseerd op het groeperen van TAGs op basis van hun smeltpunt. Het berekeningsmodel (welke reeds onder ontwikkeling is) zal worden gebruikt voor het mengen van oliën en vetten om zo een goede balans van TAGs en verhouding van vetzuren te bekomen in de vetmengsels. Afhankelijk van de beschikbaarheid van de grondstoffen, zal een minimale vetmodificatie nodig zijn onder de vorm van een interverestering of fractionatie voor of na het mengen. Uiteindelijk zullen met behulp van een statistische aanpak, gelijktijdig de individuele en interactie effecten van de verschillende fysicochemische factoren worden bepaald zodanig dat vetmengsels worden bekomen met gelijkaardige eigenschappen als palmolie of afgeleide fracties. De fysicochemische eigenschappen van de vetmengsels zullen uitgebreid worden geanalyseerd met behulp van (state-of-the-art) analysemethoden waaronder pfg-NMR, hot stage microscopie, DSC, X-stralen diffractie, reometrie and textuuranalyse. Daarnaast beschikt FTE over laboinfrastructuur voor het uitvoeren van fractionatie en enzymatische interverestering gebruik makend van commerciële lipasen.

1.3. Functionele toepassingen van de vetmengsels

Geoptimaliseerde en volledige gekarakteriseerde vetmengsels zullen dan worden toegepast in de productie van margarines, shortenings, spreads, pralinevullingen en bakkerijproducten. In het geval van margarine en gerelateerde producten zullen de proeven worden uitgevoerd door FTE waar de benodigde apparatuur aanwezig is zowel op laboschaal (homogenisator, tempereuse, mengers) als pilootschaal (pilootproductielijn en geschraapte warmtewisselaar). De toepassing van de vetmengsels in bakkerijtoepassingen zal worden uitgevoerd door Hogeschool Gent welke beschikt over een proefbakkerij (kneders, rijskasten, oven), standaardprocedures voor productie van cake, koekjes en bladerdeegsystemen en analyseapparatuur voor evaluatie van de productkwaliteit (Volscan, kruimstructuur, textuuranalyse). Toepassing van de vetmengsels in chocolade gerelateerde producten (gevulde pralines en chocolade spread) zullen worden uitgevoerd door CacaoLab (Stephan menger).

1.4. Sensorische evaluatie

Gedetailleerde sensorische evaluatie zal worden uitgevoerd om de smaak en het mondgevoel van de vetmengsels en afgeleide producten te bepalen. Deze proeven zullen worden uitgevoerd in samenwerking met het UGent Sensolab.

WP2: DAGs en MAGs als structurerende componenten voor olie

Als het gaat over structurering van de vetfase waren de TAGs gedurende decennia de focus van onderzoek en ontwikkeling. Diacylglycerolen (DAGs) zijn binnen de lipiden echter componenten die relatief gelijkaardig kristallisatiegedrag vertonen als TAGs in de oliefase. In tegenstelling tot TAGs, hebben DAGs nog maar weinig aandacht gekregen in onderzoek6. Aan de andere kant, zijn er de monoacylglycerolen (MAGs) die behoren tot de weinige componenten die zowel de oliefase als de waterfase kunnen structureren door hun amfifiele natuur. Een combinatie van MAGs kan worden gebruikt om de oliefase te structureren in een zwakke of sterke gel door het controleren van de afkoelsnelheid. Structureren met behulp van DAGs en MAGs is een gezond alternatief voor TAGs omdat ze anders worden gemetaboliseerd doordat ze onmiddellijk worden omgezet in energie zonder daarbij te accumuleren als vetweefsel. In dit werkpakket wordt gepoogd DAGs en MAGs aan te wenden als structurerende componenten zonder het gebruik van TAGs hard stock.

2.1. Aanmaak en karakterisatie van DAGs en MAGs gestructureerde olie

Oliegelering en fasegedrag zullen worden bepaald voor de geselecteerde DAGs en MAGs met interessante smeltpunten. De onderzoeksgroep FTE heeft uitgebreide ervaring in het domein van kristallisatiegedrag en fasegedrag van DAGs en MAGs in olie en olie-water systemen. Het kristallisatiegedrag zal ook diepgaander worden bestudeerd gebruik makend van geavanceerde visualisatietechnieken waaronder confocal laser scanning microscopy (CLSM), cryo-scanning electron microscopy (Cryo-SEM) and micro-tomography. Aangezien het kristallisatiegedrag van MAGs en DAGs in pure vloeibare olie tot op heden niet uitvoerig werd bestudeerd, zal een goed onderbouwde fundamentele studie worden uitgevoerd om nieuwe inzichten te verwerven met behulp van pfg-NMR, scattering technieken and X-stralen diffractie.

2.2. Sensorische evaluatie

Vooral in het geval van MAGs, zullen gedetailleerde sensorische testen worden uitgevoerd om het effect op smaak en mondgevoel te evalueren van de gestructureerde systemen. Deze proeven zullen worden uitgevoerd in samenwerking met het UGent Sensolab.

2.3. Functionele eigenschappen van de gestructureerde vetten

Functionele toepassing van de gestructureerde vetten in voedingsmiddelen zal worden uitgevoerd analoog aan stap 1.3 in WP1.

 

Doelgroep bedrijven/sectoren

Alle bedrijven betrokken in de productie en verkoop van vetgebaseerde producten (margarines, spreads, shortening, sauzen, enz.), chocoladeproducten en bakkerijproducten. Verder is het project ook interessant voor bedrijven betrokken in de productie en verkoop van plantaardige oliën en andere vetgebaseerde componenten en additieven. Bedrijven die handelen in analytische technieken voor vetgebaseerde productkarakterisatie zullen ook voordeel halen uit kennisontwikkeling m.b.t. nieuwere technieken ontwikkeld gedurende het project.

UITVOERDERS

Het projectvoorstel zal worden uitgevoerd door het Laboratorium voor Levensmiddelentechnologie en –proceskunde (FTE) van Universiteit Gent, in samenwerking met het Laboratorium voor Graan- en Bakkerijtechnologie van Hogeschool Gent. Beide laboratoria hebben reeds gedurende meerdere jaren een intense samenwerking op vlak van onderzoek en onderwijs. Dit vertaalt zich concreet in de gezamelijke onderzoekslijn rond reologie en microstructuur van deegsystemen welke ook deel uitmaakt van de UGent associatieonderzoeksgroep levenmiddelenwetenschappen. Daarnaast zijn er regelmatig uitwisselingen van (doctoraats)studenten voor gebruik van apparatuur en workshops.

Gezien de nauwe samenwerking wordt er door beide partners geopteerd om de personeelsleden die aan te werven zijn op het project, gemeenschappelijk aan te werven en te laten werkzaam zijn bij beide partners. Partner 2 (Labo graan- en bakkerijtechnologie) zal dus geen afzonderlijk personeellid aanwerven voor de taken waarvoor deze zal instaan. Kosten zullen intern worden geregeld met partner 1 (FTE). Voor dit project wordt de personeelsbezetting als volgt vooropgesteld: 0,75 wetenschappelijk medewerker met enkele jaren ancienniteit in wetenschappelijk onderzoek en projectbegeleiding die voor het praktische werk wordt ondersteund door 1 laborant met enkele jaren ervaring in het uitvoeren van analyses mbt oliën en vetten (samenstelling, functionele eigenschappen en toepassingen).

Het Laboratorium voor Levensmiddelentechnologie en –proceskunde (FTE) wordt geleid door Prof. Dr. Ir. Koen Dewettinck en heeft als missie het ontwerpen van levensmiddelen op een nano- en microschaal als antwoord op het consumentenverlangen naar nieuwe producten die smaakvol, bevredigend, gezond, gebruiksvriendelijk, goedkoop en duurzaam zijn. Een belangrijke onderzoekslijn binnen de onderzoeksgroep is de diepgaande studie van lipide gebaseerde systemen (oliën en vetten, zuivel) om zo reële industriële problemen te kunnen oplossen. Naast uitgebreide productiefaciliteiten (laboschaal en pilootschaal), beschikt FTE ook over een uitgebreide set analyseapparatuur en expertise op vlak van reologie, textuuranalyse, DSC, pfg-NMR en microscopie (lichtmicroscopie en cryo-SEM). FTE heeft ook toegang tot geavanceerde visualisatie technieken binnen de Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen waaronder confocale laser scanning microscopie (CSLM) en X-stralen tomografie. De voorbije jaren heeft FTE succesvol Flanders’ Food projecten uitgevoerd waaronder ‘Fysico-chemische stabiliteit van complexe samengestelde levensmiddelen’ (2006-2009), ‘Vet- en suikerreductie in chocolade en hazelnootvullingen’ (2006-2009), Vet- en zoutreductie in geëmulsifieerde sauzen (2006-2009) en ‘Fat bloom’ (2011-2013).

Hiernaast heeft FTE actieve samenwerkingen opgebouwd met diverse industriële partners (o.a. Vandemoortele Lipids N.V., Puratos, Cargill, Barry Callebeut, Friesland Campina en Terbeke) om hun onderzoeksvragen te helpen oplossen. FTE heeft ook ervaring met het uitvoeren van projecten die worden gesponsord door hoog aangeschreven nationale en internationale wetenschappelijke fondsen (FWO, IWT-STWW, IWT-TETRA, IWT O&O, HERCULES and EU FP7).

Verder zullen sommige stappen in het voorgesteld project worden uitgevoerd door CacaoLab (een spin-off bedrijf geaffilieerd met UGent en geleid door Prof. Koen Dewettinck) en UGent SensoLab (een onderzoekslabo mede opgericht door FTE, welke zowel consumenten sensorisch onderzoek en instrumentele technieken integreert om innovatieve levensmiddelen te ontwikkelen).

Relevante lopende onderzoeksprojecten

Op dit moment zijn er lopende onderzoeksprojecten binnen FTE die nauw aansluiten bij het voorgestelde project. M.Sc Bangun Nusantoro, voert momenteel zijn doctoraatsonderzoek uit (Formulation of lauric fat blends for bakery shortening, 2010-2014) waarin hij het kristallisatiegedrag bestudeert van laurinezuur gebaseerde vetmengsels gemodificeerd door enzymatische interverestering. Twee jaar werd ook het doctoraatsonderzoek (Changing the functionality of cocoa butter, 2007-2011) van Nathalie De Clercq afgerond waarin onder meer werd onderzocht welke effect DAGs, op een enzymatische wijze geproduceerd, hebben op het fasegedrag, kristallisatiegedrag en functionaliteit van cacaoboter9-10 . Een masterthesis werd ook uitgevoerd waarin de kristallisatie van MAGs in olierijke systemen diepgaand werd onderzocht11.

Overzicht van relevante onderzoeksprojecten

  • FWO: Tijd-temperatuur gecontroleerde transities in relatie tot de structuur en textuur van vetten; promotor: Prof. Koen Dewettinck; period: 2003; budget: € 40.000.
  • IWT VIS-TD: Aanpassen en verbeteren van de samenstelling van zoetwaren via experimentele formuleringstechnieken (VLAZ1); promotor: Prof. Koen Dewettinck; period: 01/06/2003 – 31/05/2007; budget: € 442.044.
  • IWT O&O: Fundamental study of the molecular interaction between monoacylglycerols and polyglycerolesters in mesomorphic phases, emulsions and dry systems; Prof. Koen Dewettinck; period: 1/02/2004 – 31/01/2006; budget: € 163.890.
  • IWT mandaat: Rheological approach to study the crystallisation behaviour of palm oil; Prof. Koen Dewettinck; period: 1/01/2005 – 31/12/2008; budget: PhD scholarship + € 14.875.
  • Research agreement with Loders Croklaan: Relationship between microstructure and macrostructure of palm based substrates; Prof. Koen Dewettinck; periode: 01/10/2005–30/09/2006; budget: € 5.000.
  • Research agreement with Loders Croklaan: Effect of different types of saturated triacylglycerols on the microscopic and macroscopic properties of coating fats; promoter: Prof. Koen Dewettinck; periode: 01/10/2006 – 30/09/2007; budget: € 5.000.
  • FWO: Phase behaviour of nutritional interesting mixtures of acylglycerols; Prof. Koen Dewettinck; period: 1/01/2006 – 31/12/2007; budget: € 67.100.
  • IWT O&O: Fundamental study of the crystallisation kinetics and the polymorphic behaviour of complex mixtures of acylglycerols and derivatives; Prof. Koen Dewettinck; period: 1/10/2006 – 30/09/2008, budget: € 180.297.
  • Research agreement with Vandemoortele Lipid N.V.: Making margarines and bakery products healthier, period: 1/01/2006 – 31/08/2009; promotor: Prof. Koen Dewettinck; budget: € 210.525.
  • IWT VIS-TD: Ontwikkelen van innovatieve zoetwaren door middel van aanpassen van de samenstelling en/of processing (VLAZ2); promotor: Prof. Koen Dewettinck; period: 01/06/2007–31/05/2011; budget: € 368.398.

Het Laboratorium voor Graan- en Bakkerijtechnologie (Prof. Dr. ir. Mia Eeckhout, ing. Ingrid De Leyn) van Hogeschool Gent beschikt over een aantal productie-eenheden op pilootschaal voor de verwerking van granen tot bloem (graanreiniging en vermaling) en diervoeder (menginstallatie en pelletiseerder). Daarnaast is er een proefbakkerij annex laboratorium voor kwaliteitscontrole aanwezig. Een belangrijke onderzoekslijn is de studie van microstructuur en reologie van deegsystemen en bakkerijproducten waarbij intens wordt samengewerkt met Universiteit Gent (Prof. Koen Dewettinck, FTE). Het laboratorium participeert reeds verscheidene jaren in procesoptimalisatie en productontwikkeling in de graan- en bakkerijsector. Het laboratorium participeerde reeds in voorbije Flanders’ Food projecten, namelijk “Vetreductie en/of –vervanging in deegsystemen; Suikerreductie en/of –vervanging in deegsystemen; Natriumreductie en/of –vervanging in deegsystemen” (2006-2009). Tevens werd reeds meerdere malen opgetreden als onderzoekspartner in KMO-innovatiestudies.

Deelnemen

Het project is gestart op 1 mei 2014 en loopt tot 30 april 2016 (projectduur 2 jaar), tot die tijd is steeds een deelname mogelijk. Nadien kunnen de resultaten opgevraagd worden (mits betaling). Voor meer info en tarief voor deelname, neemt u best contact op met de projectbeheerder (Benoît Dutordoir).