Novel enzyme technology for food applications

Contributor contact details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv Part I Principles of industrial enzyme technology 1 Discovering new industrial enzymes for food applications . . . . . . . . . 3 Thomas Schäfer, Novozymes A/S, Denmark 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Where to screen for new enzymes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 How to screen for new enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 Summary: which option to choose? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2 Improving enzyme performance in food applications . . . . . . . . . . . . 16 Ronnie Machielsen, Sjoerd Dijkhuizen and John van der Oost, Wageningen University, The Netherlands; Thijs Kaper and Loren Looger, Carnegie Institution of Washington, USA 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2 Laboratory evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3 Examples of improving enzyme stability and functionality by laboratory evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4 Rational and computational protein engineering . . . . . . . . . . . . . 28 2.5 Examples of improving enzyme stability and ability by rational protein engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.6 Examples of combined laboratory evolution and computational design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 vi Contents 2.7 Summary and future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.8 Sources of further information and advice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3 Industrial enzyme production for food applications . . . . . . . . . . . . . . 43 Carsten Hjort, Novozymes A/S, Denmark 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2 Traditional sources and processes for industrial enzyme production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 Design of expression systems for industrial enzyme production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.4 Development of an enzyme production process . . . . . . . . . . . . . . 54 3.5 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.6 Sources of further information and advice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4 Immobilized enzyme technology for food applications . . . . . . . . . . . . 60 Marie K. Walsh, Utah State University, USA 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.2 Immobilized enzyme technology for modification of acylglycerols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3 Immobilized enzyme technology for modification of carbohydrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.4 Immobilized enzyme technology protein modification . . . . . . . . 73 4.5 Immobilized enzyme technology for production of flavor compounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.6 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5 Consumer attitudes towards novel enzyme technologies in food processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Helle Søndergaard, Klaus G. Grunert and Joachim Scholderer, MAPP, University of Aarhus, Denmark 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 5.2 Theoretical approaches to how consumers form attitudes to new food production technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.3 Studies of consumer attitudes to enzyme technologies . . . . . . . . . 88 5.4 Implications of consumer attitudes to enzyme technologies . . . . . 94 5.5 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.6 Sources of further information and advice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.7 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Contents vii Part II Novel enzyme technology for food applications 6 Using crosslinking enzymes to improve textural and other properties of food . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Johanna Buchert, Emilia Selinheimo, Kristiina Kruus, Maija-Liisa Mattinen, Raija Lantto and Karin Autio, VTT, Finland 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.2 Types of crosslinking enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.3 Application of crosslinking enzymes in baking and pasta manufacture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.4 Application of crosslinking enzymes in meat and fish processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.5 Application of crosslinking enzymes in dairy applications . . . . 118 6.6 Other applications of crosslinking enzymes in food manufacture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.7 Analysing the chemistry of crosslinks formed by enzymes . . . . 122 6.8 Effect of biopolymer crosslinking on nutritional properties of food . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 6.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 6.10 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 7 Enzymatically modified whey protein and other protein-based fat replacers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Jacek Leman, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, Poland 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 7.2 Enhancing the fat mimicking properties of proteins . . . . . . . . . . 142 7.3 Applications in low-fat foods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 7.4 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 7.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 8 Enzymatic production of bioactive peptides from milk and whey proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Paola A. Ortiz-Chao and Paula Jauregi, University of Reading, UK 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 8.2 Angiotensin I-converting enzyme inhibitory peptides . . . . . . . . 161 8.3 Other bioactive peptides and their health benefits . . . . . . . . . . . 165 8.4 Production of bioactive peptides from milk and whey proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 8.5 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 8.6 Sources of further information and advice . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 8.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 viii Contents 9 Production of flavours, flavour enhancers and other protein-based speciality products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Stuart West, Biocatalysts Ltd, UK 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 9.2 Production and usage of monosodium glutamate (MSG) . . . . . . 186 9.3 Chondroitin sulphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 9.4 Production of aspartame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 9.5 Enzymes for vanilla extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 9.6 Enzyme modified cheese as a flavour ingredient . . . . . . . . . . . . 193 9.7 Enzymes used in savoury flavouring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 9.8 Enzymes used in yeast extract manufacture . . . . . . . . . . . . . . . . 199 9.9 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 9.10 Sources of further information and advice . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 9.11 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 10 Applications of cold-adapted proteases in the food industry . . . . . . 205 A. Guðmundsdóttir and J. Bjarnason, University of Iceland, Iceland 10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 10.2 Use of proteolytic enzymes in food processing . . . . . . . . . . . . . 208 10.3 Application of cold-adapted serine proteases in food processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 10.4 Modifying marine proteases for industrial use . . . . . . . . . . . . . . 211 10.5 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 10.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 11 Health-functional carbohydrates: properties and enzymatic manufacture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Simon Hughes and Robert A. Rastall, University of Reading, UK 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 11.2 Dietary fibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 11.3 Prebiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 11.4 Inulin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 11.5 Transgalacto-oligosaccharides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 11.6 Gluco-oligosaccharides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 11.7 Alternansucrase–maltose acceptor oligosaccharides . . . . . . . . . 224 11.8 Resistant starch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 11.9 Arabinoxylan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 11.10 Oligosaccharides from non-starch polysaccharides . . . . . . . . . . 230 11.11 Pectins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 11.12 Oligodextran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 11.13 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 11.14 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Contents ix 12 Flavorings and other value-added products from sucrose . . . . . . . . 243 Gregory L. Côté, United States Department of Agriculture, USA 12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 12.2 Di- and oligosaccharides from sucrose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 12.3 Polysaccharides from sucrose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 12.4 Other products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 12.5 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 12.6 Sources of further information and advice . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 12.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 13 Production of structured lipids with functional health benefits . . . . 270 Xuebing Xu, Janni B. Kristensen and Hong Zhang, BioCentrum- DTU, Technical University of Denmark, Denmark 13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 13.2 Production of diglyceride oils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 13.3 Production of healthy oils containing medium chain fatty acids 278 13.4 Future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 13.5 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 13.6 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 14 Lipase-catalyzed harvesting and/or enrichment of industrially and nutritionally important fatty acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 George J. Piazza and Thomas A. Foglia, US Department of Agriculture, USA; and Xuebing Xu, BioCentrum-DTU, Technical University of Denmark, Denmark 14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 14.2 Lipase selectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 14.3 Fatty acid harvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 14.4 Structured triacylglycerols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 14.5 Single reaction step process for the production of STAG . . . . . 301 14.6 Multiple reaction step processes for the production of STAG . . 307 14.7 Nutritional and other uses of structured lipids . . . . . . . . . . . . . . 307 14.8 Summary and future trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 14.9 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .