High hydrostatic pressure as a technological tool for the development of gluten-free flours with improved

Abstract

Gluten-free (GF) staple food products, such as those from baking, are commonly presented with a low nutrient profile and are calorie-dense. The incorporation of nutrient-rich ingredients in the formulas, however, frequently led to physical and sensory impairments in the final products in spite of including structure-forming agents with the ability to mimic the gluten functionality. The aim of the present doctoral thesis is the study and evaluation of alternative and physically modified ingredients of high nutritional value for its inclusion in gluten-free baked product formulas. Initially, the use of a low-cost by-product such as buckwheat (BW) hulls to increase the dietary fibre content of gluten-free bread was explored. In the experimental development, the use of two different particle sizes (62.7 µm vs 307 µm; D50) and two addition levels (3 – 6 %) of BW hull particles in a GF bread formulation was tested. The addition of BW hull particles in the GF rice-based bread formulation increased the viscoelastic moduli values of the doughs by increasing the percentage of addition and by using the smaller BW hull particle size. All the resulting breads showed a significant increase in dietary fibre content together with an increase in phenol content and antioxidant capacity. Furthermore, the addition of 3% of BW hull particles at the smallest particle size led to breads without alterations in physical properties and with appropriate sensory attributes. On the other hand, the physical treatment of high hydrostatic pressure (HHP) was also studied to promote tailor-made techno-functional properties in a whole flour making it suitable for GF baking products. In the initial stage of this study, the evaluation of combined treatments of pre-soaking (4h, 40ºC) and pressure application in a single or double cycle of the HHP treatment (600 MPa, 30 min.) on unhulled buckwheat (BW) kernels was carried out. The resulting flours obtained from the combined treatments showed higher water absorption capacity and thermal stability in the pasting profiles. A lower enthalpy of gelatinisation was also observed and attributed to partial gelatinisation induced by the treatments. These flours also showed higher phenol content. In the next stage, the influence of the HHP processing conditions of holding time (0/5/15 min.) and pressure level (300/600 MPa) on the unhulled and pre-soaked BW kernels was evaluated. The flours resulting from the most intensive treatment conditions (600 MPa, 15 min.) showed increasing values in hydration properties and higher thermal stability. In addition, they showed significant increases in antioxidant capacity. This flour was also used to partially replace white rice flour in a GF bread formulation. The resulting breads made with the modified BW flour showed higher specific volume and lower crumb firmness than their counterparts made with untreated BW flour. The combined treatments of HHP (600 MPa) with increasing holding times and pre-soaking were also applied to rough rice. Similar to the BW flours obtained after intensive HHP treatment conditions, the brown rice flours resulting from the combined treatments showed increased water absorption capacity and lower viscosity values in their pasty profiles with increased thermal stability. Increasing the treatment holding time resulted in an increase in phenol content, antioxidant capacity and vitamin content in the resulting flours. GF breads made by replacing white rice flour with HHP-modified brown rice (600 MPa, 15 min.) resulted in breads with higher specific volumes and softer crumb textures compared to those made with a native brown rice flour. Based on these results, this study shows that alternative approaches such as the inclusion of fibre-rich by-products or physically-modified GF whole flour ingredients from HHP treatments could be effective tools for technologically and nutritionally improving the quality of GF breads.

Los productos horneados sin gluten (SG) generalmente presentan un alto contenido calórico además de un perfil nutricional pobre. Estrategias como la incorporación de ingredientes de alto valor añadido, sin embargo, suelen alterar el desarrollo estructural de estos productos dando lugar a elaboraciones con poca aceptabilidad sensorial. Es por tanto objetivo de la presente tesis doctoral, el estudio de ingredientes alternativos de alto valor nutricional y físicamente modificados, susceptibles para su inclusión en fórmulas de productos horneados SG. En fase inicial, se evaluó la inclusión de un subproducto como la cascarilla de trigo sarraceno (TS) para incrementar el contenido de fibra en el pan SG resultante. En el desarrollo experimental, se utilizó dos tipos de tamaño de partícula de cascarilla (62,7/307 µm; D50) a dos niveles de adición (3/6%). La inclusión de estas partículas aumentó el valor de los módulos viscoelásticos en las masas según aumentaba el porcentaje de adición y el uso de partículas de menor tamaño. Los panes resultantes poseían un importante incremento en su contenido de fibra. Además, en aquellos dónde se incluyó un 3% de partículas no se observó un detrimento de sus propiedades físicas dando lugar a un pan con atributos sensoriales aceptables. A continuación, el tratamiento físico de las altas presiones hidrostáticas (APH) fue estudiado como medio para promover cualidades tecno-funcionales en harinas integrales adecuadas para su inclusión en formulaciones de productos horneados sin gluten. Inicialmente, se evaluó la influencia de un tratamiento de remojo previo a la aplicación de presión (600 MPa, 30 min) de forma continua o en dos ciclos, sobre grano entero de TS. Las harinas resultantes de la combinación de tratamientos tuvieron una mayor capacidad de absorción de agua y una mayor estabilidad térmica a través de su perfil de empastado. También se detectó en ellas una menor entalpía de gelatinización, que fue atribuida a fenómenos de gelatinización parcial causados por los tratamientos. Dichas harinas también exhibieron un aumento en su contenido de fenoles. En una siguiente etapa, se evaluó la influencia de los parámetros de nivel de presión (300/600 MPa) y tiempo de mantenimiento (0/5/15 min) sobre la matriz con remojo previo anterior. En las pruebas efectuadas sobre las harinas resultantes, se determinó la importancia de alcanzar niveles altos de presión y de tiempo para que su capacidad de absorción de agua y estabilidad térmica se incrementaran. Además, las harinas procedentes de los tratamientos más intensos poseían una capacidad antioxidante superior. La harina resultante de tratamiento APH (600 MPa, 15 min.) se usó para reemplazar parcialmente a una de arroz empleada como base en una fórmula de pan SG. Las elaboraciones resultantes poseían un mayor volumen específico y una textura de la miga menos firme en comparación con contrapartidas elaboradas con harinas de TS sin tratar. Igualmente se evaluó la aplicación de tratamientos combinados APH (600 MPa) con remojo previo sobre grano de arroz entero. En el estudio, se observó un comportamiento equivalente en cuanto incrementos en la capacidad de hidratación y mayor estabilidad térmica sobre las harinas integrales resultantes. También se observó valores incrementales de contenido de vitaminas, fenólico y de capacidad antioxidante según aumentaba el tiempo de tratamiento. Además, en una prueba de panificación efectuada empleando una harina procedente de tratamiento APH (600 MPa, 15 min) reemplazaba parcialmente a la harina de arroz refinada se observó cómo los panes resultantes tenían mayor desarrollo y una miga de textura más suave. Debido a los resultados expuestos, la inclusión de ingredientes de alto valor nutricional y funcional mediante el control de parámetros de procesamiento puede ser una herramienta efectiva para mejorar la calidad física y nutricional de los panes SG.