Design and application of oleogel and hybrid gel systems in food products

Oleogels are structured systems of vegetable oils using gelling agents. The mixture of oleogels and hydrogels constitutes a new system, called bigel or hybrid gel, which combines the properties of both structured phases. However, bigels have been studied so far mainly in pharmaceutical and cosmetic applications, while the research concerning food products is limited. Therefore, the main research objective of this PhD thesis was the design and study of the properties of oleogels and bigel systems, and then the incorporation of selected bigels into meat products as potential fat substitutes. The first part of the research focused mainly on finding suitable and compatible edible gelling agents to create structure in vegetable oils, but also in the aqueous phase, to form bigel systems. Specifically, monoglycerides and phytosterols were used as gelling agents, while three different oils (olive oil, sunflower oil and sesame oil) were examined. In the formed oleogels, the effect of the type of oil on the microstructure, mechanical and thermal properties during storage was studied. Also, the modification of the crystalline structures of the monoglycerides at different storage temperatures was examined. The results showed that the type of oil, the addition of phytosterols and the storage time affected the microstructure and mechanical properties of the oleogels. Additionally, the storage temperature of the oleogels also affected the rate of formation of β-crystals of monoglycerides in olive oil oleogels. Gelatin and κ-carrageenan in different concentrations were used as gelling agents for the formation of the hydrogels. The study of the textural properties of the hydrogels showed that the addition of κ-carrageenan to gelatin hydrogels contributed to the formation of hydrogels with high values of hardness and chewiness. Finally, in the first part of the research, an initial approach to the formation of bigels was carried out by evaluating the effect of the weight ratio of sunflower oil oleogel to gelatin hydrogel, the concentration of gelatin in the hydrogel phase, and the rate of mechanical stirring on the properties of the bigels. Based on the results, it is documented that the examined factors affected the mechanical properties of the bigels, with the application of the high shear conditions leading to the formation of smaller oil droplets in the hydrogel phase of bigels. In the second part of the research, the preparation and evaluation of the properties of new bigel systems based on olive oil oleogels with monoglycerides and different gelatin or gelatin and κ-carrageenan hydrogels was carried out. In the bigels, the effect of hydrogel composition and oleogel/hydrogel ratio on physicochemical characteristics and microstructure, as well as mechanical and thermal properties, was evaluated. Increasing the weight fraction of the oleogel led to a decrease in hardness and an increase in the cohesiveness of the bigels. Furthermore, the addition of κ-carrageenan to the system increased the hardness and reduced the cohesiveness of the gels. Microscopy revealed the formation of an oleogel-in-hydrogel bigel system with smaller oil droplets when only gelatin was used as gelling agent. Bigels with gelatin and κ-carrageenan showed the lowest swelling capacity, probably due to the formation of hydrogen bonds and electrostatic interactions between gelatin and κ-carrageenan. In addition, differential scanning calorimetry revealed an increase in the melting enthalpy of monoglycerides with an increase in the oleogel addition ratio in the bigels, while the incorporation of κ-carrageenan improved the thermal stability of the biphasic system. ATR-FTIR spectroscopy confirmed the existence of a complex between gelatin and κ-carrageenan and that the formation mechanism of the bigels is based on physical interactions between the two structured phases. In the third experimental part, the interaction of monoglycerides and phytosterols in olive oil and coconut oil towards the formation of oleogels was analyzed. In addition, bigels with gelatin hydrogel were prepared at different oleogel/hydrogel weight ratios. The physicochemical characteristics and microstructure of these systems were evaluated. The mixing ratio of olive oil and coconut oil and the added gelling agents affected the final crystalline structure and mechanical properties of the oleogels. According to the microscopy findings, the addition of coconut oil to the oily phase and the presence of phytosterols enhanced the textural properties of the oleogels and bigels. Multi-component oleogels formed oleogel-in-hydrogel type bigels. Microscopy and ATR-FTIR spectroscopy revealed that the addition of coconut oil to oleogels hampered the formation of a distinct crystalline network. Also, the absence of new peaks in the bigels confirmed that the two structured phases of the bigels interact with each other mostly physically, without the formation of new chemical bonds.In the fourth part of the research, the main objective was to investigate the ability to release β-carotene from sunflower oil oleogel and bigel systems during in vitro digestion. Also, the effect of the addition of β-carotene on their physical characteristics, microstructure and mechanical properties was evaluated in the oleogels and bigels. According to the research results, the addition of β-carotene modified the color of oleogels and bigels. Also, no noticeable changes were found in the crystalline structures of the monoglycerides of the oleogel with β-carotene, but the values of their mechanical properties were decreased. Finally, the release of β-carotene from the oleogel and bigel systems was lower compared to plain sunflower oil during in vitro digestion. In the final part of the thesis, bigels prepared with olive oil oleogel and κ-carrageenan or κ-carrageenan and gelatin hydrogel (BG1 and BG2, respectively) were characterized with respect to microstructure and textural parameters and used as pork fat alternatives in semi-dry sausages. Stable oleogel-in-hydrogel type bigels were formed, and the BG2 had higher hardness values. Three different treatments were prepared: the control (CF) with 20% pork backfat and the sausage treatments B1F and B2F had 50% pork backfat substituted by BG1 and BG2 bigels. The physicochemical and microbiological properties, textural parameters, and sensory and nutritional characteristics of the sausages were assessed during fermentation and after pasteurization and storage. Sausages with substitution showed increased weight loss, moisture and water activity. Color evaluation revealed that the treatments with bigels exhibited the same trend in color formation, and no differences were recorded in L* and a* values of the sausages. Total viable counts and lactic acid bacteria populations were not affected by the addition of bigel systems. Regarding the textural parameters, B2F semi-dry sausages exhibited similar values of hardness and cohesiveness to the control. Semi-dry sausages formulated with bigels showed a reduction in energy (20%), fat (27%), saturated fatty acids (30%) and cholesterol (~6%) content. Furthermore, the B2F sausages had similar liking score compared to the control, and they did not show undesirable sensory attributes. In conclusion, during this study, gelling agents were identified which can lead to the formation of a stable structure in vegetable oils and are also compatible with hydrogels for the development of innovative edible bigel systems. The experimental results demonstrated the impact of the type and concentration of the gelling agents for the structuring of the lipid and aqueous phases, the type of oil of the oleogel phase, the ratio, rate and temperature of mixing of the two structured phases, on the final properties of the bigels. Finally, the successful incorporation of the bigels into semi-dry sausages with visible fat particles combining both the technology of short fermentation-dehydration and heat treatment was achieved, as the formed bigels resembled visually and exhibited similar properties to animal fat, remaining stable and intact after carrying out the pasteurization process. Therefore, the results of the present research pave the way for the preparation of edible bigel systems and their utilization in the food industry, mainly as an alternative for the substitution of animal fat and the production of meat products with a lower fat content and an improved nutritional profile.Οι ελαιοπηκτές αποτελούν δομημένα συστήματα φυτικών ελαίων με τη χρήση πηκτωματοποιητών. Ο συνδυασμός ελαιοπηκτών και υδροπηκτών συνθέτει ένα νέο σύστημα, τις υβριδικές πηκτές, οι οποίες συνδυάζουν τις ιδιότητες και των δύο δομημένων φάσεων. Ωστόσο, οι υβριδικές πηκτές έχουν μελετηθεί ως τώρα κυρίως σε φαρμακευτικά και καλλυντικά σκευάσματα, ενώ οι έρευνες που αφορούν στον τομέα των τροφίμων είναι περιορισμένες. Επομένως, βασικό ερευνητικό αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν ο σχεδιασμός και η μελέτη των ιδιοτήτων συστημάτων ελαιοπηκτών και υβριδικών πηκτών, και στη συνέχεια η ενσωμάτωση των υβριδικών πηκτών σε προϊόντα κρέατος ως πιθανά υποκατάστατα λίπους. Το πρώτο μέρος της έρευνας επικεντρώθηκε κυρίως στην ανεύρεση κατάλληλων και συμβατών εδώδιμων πηκτωματοποιητών για τη δημιουργία δομής σε φυτικά έλαια, αλλά και στην υδατική φάση, με σκοπό τη δημιουργία συστημάτων υβριδικών πηκτών. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν τα μονογλυκερίδια και οι φυτοστερόλες ως πηκτωματοποιητές, ενώ εξετάστηκαν τρία διαφορετικά έλαια (ελαιόλαδο, ηλιέλαιο και σησαμέλαιο). Στις σχηματιζόμενες ελαιοπηκτές μελετήθηκε η επίδραση του τύπου του ελαίου στη μικροδομή, στις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες κατά τη συντήρηση των ελαιοπηκτών, ενώ επιπρόσθετα εξετάστηκε η τροποποίηση των κρυσταλλικών διαμορφώσεων των μονογλυκεριδίων σε διαφορετικές θερμοκρασίες συντήρησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν πως ο τύπος του ελαίου, η προσθήκη φυτοστερολών και ο χρόνος συντήρησης επηρέασαν τη μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητες των ελαιοπηκτών. Επιπρόσθετα, η θερμοκρασία συντήρησης των ελαιοπηκτών επηρέασε και τη ταχύτητα σχηματισμού των β-κρυστάλλων των μονογλυκεριδίων σε ελαιοπηκτές ελαιολάδου. Για τη δόμηση των υδροπηκτών αξιοποιήθηκαν ως πηκτωματοποιητές η ζελατίνη και η κ-καραγενάνη σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Η μελέτη των ιδιοτήτων υφής των υδροπηκτών ανέδειξε πως η προσθήκη κ-καραγενάνης σε υδροπηκτές ζελατίνης συνέβαλε στον σχηματισμό υδροπηκτών με υψηλές τιμές σκληρότητας και αντοχής στη μάσηση. Τέλος, στην πρώτη ενότητα πραγματοποιήθηκε μια αρχική προσέγγιση προς τον σχηματισμό υβριδικών πηκτών αξιολογώντας την επίδραση της αναλογίας προσθήκης της ελαιοπηκτής ηλιελαίου προς υδροπηκτή ζελατίνης, της συγκέντρωσης της ζελατίνης στη φάση της υδροπηκτής, και του ρυθμού μηχανικής ανάδευσης στις ιδιότητες των υβριδικών πηκτών. Με βάση τα αποτελέσματα φαίνεται πως οι εξεταζόμενοι παράγοντες επηρέασαν τις μηχανικές ιδιότητες των υβριδικών πηκτών, με την εφαρμογή του ταχύ ρυθμού μηχανικής ανάδευσης να οδηγεί στη δημιουργία μικρότερου μεγέθους λιποσφαιρίων εντός της φάσης της υδροπηκτής των υβριδικών πηκτών. Στο δεύτερο μέρος της έρευνας πραγματοποιήθηκε η παρασκευή και αξιολόγηση των ιδιοτήτων νέων συστημάτων υβριδικών πηκτών που βασίζονται σε ελαιοπηκτές ελαιολάδου με μονογλυκερίδια και διαφορετικές υδροπηκτές ζελατίνης ή ζελατίνης και κ-καραγενάνης. Στις υβριδικές πηκτές αξιολογήθηκε η επίδραση της σύνθεσης της υδροπηκτής και της αναλογίας ελαιοπηκτής/υδροπηκτής στα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά και στη μικροδομή, καθώς στις μηχανικές και θερμικές ιδιότητες. Η αύξησης της αναλογίας προσθήκης της ελαιοπηκτής οδήγησε σε μείωση της σκληρότητας και αύξηση της συνεκτικότητας των υβριδικών πηκτών. Επιπρόσθετα, η προσθήκη κ-καραγενάνης στο σύστημα αύξησε τη σκληρότητα και μείωσε τη συνεκτικότητα των πηκτών. Ακόμη, η μικροσκοπία αποκάλυψε τον σχηματισμό ενός συστήματος υβριδικής πηκτής τύπου ελαιοπηκτής-σε-υδροπηκτή με μικρότερα λιποσφαίρια, όταν μόνο η ζελατίνη χρησιμοποιήθηκε ως πηκτωματοποιητής. Υβριδικές πηκτές με ζελατίνη και κ-καραγενάνη εμφάνισαν τη χαμηλότερη ικανότητα διόγκωσης, πιθανώς λόγω του σχηματισμού δεσμών υδρογόνου και ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ της ζελατίνης και κ-καραγενάνης. Επιπλέον, η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης αποκάλυψε μια αύξηση στην ενθαλπία τήξης των μονογλυκεριδίων με αύξηση της αναλογίας προσθήκης της ελαιοπηκτής στις υβριδικές πηκτές, ενώ η ενσωμάτωση κ-καραγενάνης βελτίωσε τη θερμική σταθερότητα του διφασικού συστήματος. Η φασματοσκοπία ΑΤR-FTIR επιβεβαίωσε την ύπαρξη συμπλόκου μεταξύ ζελατίνης και κ-καραγενάνης και πως ο μηχανισμός σχηματισμού των υβριδικών πηκτών βασίζεται σε φυσικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των δύο δομημένων φάσεων. Στην τρίτη πειραματική ενότητα μελετήθηκε η αλληλεπίδραση των μονογλυκεριδίων και των φυτοστερολών στο ελαιόλαδο και το έλαιο καρύδας προς τον σχηματισμό ελαιοπηκτών. Επιπλέον, παρασκευάστηκαν υβριδικές πηκτές με υδροπηκτή ζελατίνης σε διαφορετικές αναλογίες προσθήκης ελαιοπηκτής/υδροπηκτής. Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά και η μικροδομή αυτών των συστημάτων αξιολογήθηκαν. Η αναλογία ανάμειξης του ελαιόλαδου και του ελαίου καρύδας και οι προστιθέμενοι πηκτωματοποιητές επηρέασαν την τελική κρυσταλλική δομή και τις μηχανικές ιδιότητες των ελαιοπηκτών. Σύμφωνα με τα ευρήματα της μικροσκοπίας προέκυψε πως η προσθήκη ελαίου καρύδας στην ελαιώδη φάση και η παρουσία φυτοστερολών ενίσχυσαν τις ιδιότητες υφής των ελαιοπηκτών και υβριδικών πηκτών. Ελαιοπηκτές πολλαπλών συστατικών οδήγησαν στη δημιουργία υβριδικών πηκτών τύπου ελαιοπηκτής-σε-υδροπηκτή. Η μικροσκοπία και η φασματοσκοπία ΑΤR-FTIR αποκάλυψαν πως προσθήκη ελαίου καρύδας σε ελαιοπηκτές ελαιολάδου συνέβαλε στην παρεμπόδιση του σχηματισμού ενός διακριτού κρυσταλλικού δικτύου. Επίσης, η απουσία νέων κορυφών στις υβριδικές πηκτές επιβεβαίωσε και σε αυτή την ενότητα πως οι δύο δομημένες φάσεις των υβριδικών πηκτών αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κυρίως φυσικά, χωρίς τον σχηματισμό νέων χημικών δεσμών. Στο τέταρτο μέρος της διδακτορικής έρευνας κύριος στόχος ήταν η διερεύνηση της ικανότητας απελευθέρωσης του β-καροτενίου από συστήματα ελαιοπηκτών και υβριδικών πηκτών ηλιελαίου κατά την in vitro προσομοίωση της πέψης. Ακόμη, στις ελαιοπηκτές και υβριδικές πηκτές αξιολογήθηκε η επίδραση της προσθήκης β-καροτενίου στα φυσικά χαρακτηριστικά, στη μικροδομή και τις μηχανικές ιδιότητές τους. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας, η προσθήκη β-καροτενίου τροποποίησε το χρώμα των ελαιοπηκτών και των υβριδικών πηκτών. Ακόμη, στην ελαιοπηκτή με β-καροτένιο δεν βρέθηκαν εμφανείς αλλαγές στις κρυσταλλικές διαμορφώσεις των μονογλυκεριδίων, αλλά παρατηρήθηκε εξασθένιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Τέλος, η απελευθέρωση του β-καροτενίου κατά την in vitro προσομοίωση της πέψης ήταν μικρότερη για τα συστήματα των ελαιοπηκτών και των υβριδικών πηκτών συγκριτικά με το σκέτο ηλιέλαιο.Στο τελευταίο μέρος της διδακτορικής έρευνας υβριδικές πηκτές με ελαιοπηκτή ελαιολάδου και υδροπηκτή κ-καραγενάνης ή κ-καραγενάνης και ζελατίνης (BG1 και BG2, αντίστοιχα) χαρακτηρίστηκαν σε σχέση με μικροδομή και τις παραμέτρους υφής, και χρησιμοποιήθηκαν ως υποκατάστατο του χοιρινού λίπους σε ημίξηρα αλλαντικά. Σχηματίστηκαν σταθερές υβριδικές πηκτές τύπου ελαιοπηκτής-σε-υδροπηκτή, και η υβριδική πηκτή BG2 εμφάνισε υψηλότερες τιμές σκληρότητας. Παρασκευάστηκαν τρεις διαφορετικές μεταχειρίσεις ο μάρτυρας (CF) με 20% χοιρινό λίπος και τα αλλαντικά B1F και B2F, στα οποία πραγματοποιήθηκε 50% υποκατάσταση του χοιρινού λίπους από τις υβριδικές πηκτές BG1 και BG2, αντίστοιχα. Αξιολογήθηκαν οι φυσικοχημικές κα μικροβιολογικές ιδιότητες, οι παράμετροι υφής, τα οργανοληπτικά και διατροφικά χαρακτηριστικά των αλλαντικών κατά τη διάρκεια της ζύμωσης και μετά από παστερίωση και αποθήκευση. Τα αλλαντικά με υποκατάσταση παρουσίασαν αυξημένη απώλεια βάρους, υγρασία και ενεργότητα του νερού. Η αξιολόγηση των χρωματικών παραμέτρων αποκάλυψε πως οι μεταχειρίσεις με υβριδικές πηκτές εμφάνισαν την ίδια τάση προς τον σχηματισμό χρώματος, ενώ δεν καταγράφηκαν διαφορές στις τιμές L* και a* των αλλαντικών. Η ολική μεσόφιλη χλωρίδα και οι πληθυσμοί των οξυγαλακτικών βακτηρίων δεν επηρεάστηκαν από την προσθήκη των υβριδικών πηκτών. Όσον αφορά τις παραμέτρους υφής, οι μεταχειρίσεις B2F εμφάνισαν παρόμοιες τιμές σκληρότητας και συνεκτικότητας με τον μάρτυρα. Τα ημίξηρα αλλαντικά που παρασκευάστηκαν με υβριδικές πηκτές εμφάνισαν μείωση της ενέργειας (20%), του λίπους (27%), της περιεκτικότητας σε κορεσμένα λιπαρά οξέα (30%) και χοληστερόλη (~6%). Ακόμη, τα αλλαντικά B2F έλαβαν παρόμοιες βαθμολογίες σε σχέση με τον μάρτυρα, και δεν εμφάνισαν ανεπιθύμητες οργανοληπτικές ιδιότητες. Συμπερασματικά, κατά την υλοποίηση της διδακτορικής έρευνας αναγνωρίστηκαν πηκτωματοποιητές οι οποίοι είναι ικανοί να οδηγούν στη δημιουργία μιας σταθερής δομής σε φυτικά έλαια, και ταυτόχρονα συμβατής με υδροπηκτές προς τον σχηματισμό εδώδιμων καινοτόμων συστημάτων υβριδικών πηκτών. Βέβαια, οι ερευνητικές δοκιμές κατέδειξαν τη σημαντικότητα της επίδρασης του είδους και της συγκέντρωσης των πηκτωματοποιητών για τη δόμηση της λιπιδικής και υδατικής φάσης, του είδους του ελαίου της φάσης της ελαιοπηκτής, της αναλογίας, του ρυθμού και της θερμοκρασίας ανάμειξης των δύο δομημένων φάσεων, στις τελικές επιθυμητές ιδιότητες των υβριδικών πηκτών. Τέλος, επιτεύχθηκε η επιτυχής ενσωμάτωση των υβριδικών πηκτών σε αλλαντικά με ορατά τεμαχίδια λίπους που συνδυάζουν την τεχνολογία της σύντομης ζύμωσης-αφυδάτωσης και της θερμικής επεξεργασίας, καθώς οι παραγόμενες υβριδικές πηκτές προσέγγισαν οπτικά και εμφάνισαν παρόμοιες ιδιότητες με το ζωικό λίπος, παραμένοντας σταθερές και ακέραιες μετά τη διεξαγωγή της παστερίωσης. Συνεπώς, τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας θέτουν τις βάσεις για τον σχεδιασμό και την παρασκευή συστημάτων εδώδιμων υβριδικών πηκτών και την αξιοποίηση αυτών στη βιομηχανία τροφίμων, κυρίως ως εναλλακτική λύση για την υποκατάσταση του ζωικού λίπους και την παραγωγή προϊόντων κρέατος με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε λιπαρά και βελτιωμένο διατροφικό προφίλ