Novel organogel systems for enhanced food structure and functionality – a multiscale approach

Abstract

A considerable number of adverse consequences on human health are associated to the widespread consumption of trans- and saturated-fats. Coronary heart disease, inflammation, oxidative stress, endothelial dysfunction, high body weight and metabolic syndrome are among the identified harmful health disorders resultant from the consumption high fat content foods. Alternatives to these fats must perform highly in regard to nutritional value, while providing good sensorial and textural attributes to the final food product. The main objective of this thesis was to develop and explore edible oil structuring mechanisms, as a way of developing healthier alternatives for fat substitution. The research was focused in developing organogels (also known as oleogels) using either a single component structuring mechanism, with beeswax as the oil gelator or a multi-component oil structuring mechanism using a mixture of ɣ-oryzanol (sterol ester) with plant sterols (e.g. β-sitosterol). Upon the usage of distinct gelation mechanics, vegetable oils, cooling rates and storage time, the organogels were characterized at nano-, micro and macroscale. The results showed that the events occurring at the nano-scale, affected oleogels’ properties exhibited at the micro- and macro-scales. Tests regarding the toxicological and gastrointestinal behaviour demonstrated the feasibility towards the incorporation of organogels in food, once no cytotoxicity was revealed. Evidences on the suitability of organogels to incorporate bioactive compounds and deliver them to humans through the digestive process were observed. Adjustments regarding oleogel development must be made in order to increase the bioavailability potential for these structures after digestion. Organogels were incorporated in meat patties (for hamburger production) and in pate, improving the fatty acid profile maintaining most of the e textural parameters and without modifying the traditionally utilized process. Sensorial tests results demonstrated that the panellists hardly distinguished the overall quality between the control and the hamburgers with the lowest level of fat substitution (25 %). Tailoring properties associated to organogel production must be further explored in order to close the identified gap (in consumers’ preference) in pate samples. In conclusion, the developed organogels are a feasible fat substitute for trans- and saturated-fats, that can target specific shelf-life properties of foods and display interesting tailoring capabilities in order to avoid compromising food structure and consumer perception, while offering added value to the final food product.

O consumo generalizado de alimentos com gorduras trans e saturadas está diretamente associado a efeitos prejudiciais na saúde humana. Doença cardíaca, inflamação, stresse oxidativo, disfunção endotelial, elevado peso corporal e síndrome metabólica estão entre os distúrbios prejudiciais associados ao consumo de alimentos ricos em gorduras. As alternativas a estas gorduras devem ter um alto desempenho nutricional, ao mesmo tempo que conferem ao produto bons atributos sensoriais e de textura. O principal objetivo desta tese foi desenvolver e explorar mecanismos de estruturação de óleos edíveis, desenvolvendo alternativas mais saudáveis para a substituição de gorduras. A pesquisa focou-se no desenvolvimento de organogéis (também conhecidos como oleogéis) através de mecanismos de estruturação com componente único, utilizando cera de abelha como gelificante, ou um mecanismo de estruturação com multi-componentes, utilizando uma mistura de ɣ-oryzanol (esterol éster) com esteróis vegetais (por exemplo, β-sitosterol). Os organogéis produzidos com distintos mecanismos de gelificação, óleos vegetais, taxas de arrefecimento e diferentes tempos de armazenamento foram caracterizados à nano-, micro- e macro-escala. Os resultados mostraram que os eventos ocorridos à nano-escala afetaram as propriedades exibidas à micro- e macro-escala pelos organogéis. Não foi revelada toxicidade pelos organogéis testados. Ajustes no desenvolvimento dos organogéis devem ser realizados, de forma a potenciar a biodisponibilidade após a digestão. Foi realizada a incorporação de organogéis de óleo de linhaça em hambúrgueres e em pate, sem alterar os processos tradicionalmente usados, com melhoria do perfil de ácidos gordos e sem transformação da maioria dos parâmetros de textura. A realização de testes sensoriais revelou que os membros do painel dificilmente distinguiram a qualidade geral entre o controlo e os hambúrgueres com o menor grau de substituição de gordura (25 %). A personalização das propriedades dos organogéis devem ser exploradas de forma a colmatar as lacunas identificadas (nomeadamente na preferência dos consumidores) nos testes com pate. Concluindo, os organogéis desenvolvidos são substitutos viáveis para as gorduras podendo influenciar positivamente o tempo de prateleira de alimentos, sendo passíveis de customização de forma a evitarem comprometer a estrutura de alimentos e a perceção do consumidor. Podem também oferecer valor acrescentado ao produto final.