Search

It is estimated that one third of all produced food is wasted, meaning over 1.3 billion tons of food annually. Today, climate change, growing population, and geo-political conflicts challenge food security and increase the price of food raw materials such as wheat. Consequently, food systems must transform towards more sustainable and resource-efficient production, including prevention of food loss and waste. In the baking industry, surplus bread is a major side stream that should be strictly kept within the human food chain. A sustainable option for surplus bread utilization is recycling it as a dough ingredient. However, it is not known in detail how the surplus bread or its constituents affect the technological quality and safety of the new bread. The purpose of this thesis was to investigate the influence of surplus bread on dough rheology, volume, and quality of new bread. Consequently, bioprocessing methods involving enzymatic treatments and targeted lactic acid fermentation were developed to enhance recycling properties of surplus bread as a bread making ingredient. Specifically, enzymatic hydrolysis of gelatinized starch in the surplus bread, and in situ or in vitro production of bacterial exopolysaccharides were investigated. The study revealed that direct usage of surplus bread without preprocessing is extremely detrimental to the volume and texture of new bread, even at low addition levels (4.5-12.5%/flour weight). Surplus bread increased the water absorption and tenacity of the dough, and decreased dough extensibility and proofing properties. These alterations to the dough were primarily attributed to unfavorable interactions between the gluten network and surplus bread constituents, especially gelatinized starch. In addition, dilution of native gluten content in the dough, insoluble particles of surplus bread, and competition for available water (between gluten proteins and gelatinized starch) had a minor negative impact on dough and bread quality. The influence of the gelatinized starch was mitigated by enzymatic hydrolysis to various degrees representing different carbohydrate profiles (75%, 57%, and 26% residual starch). More complete hydrolysis resulted in better dough visco-elastic properties and higher dough level, and reduced dough water absorption. The breads containing hydrolysate high in maltose and malto-oligosaccharides had the lowest intrinsic hardness and similar volume yield compared to the control wheat bread. Furthermore, compared to bread containing untreated surplus bread, the hydrolysate high in malto-oligosaccharides, reduced crumb hardness by 28% and staling rate by 42%, and increased specific volume by 8% showing that optimal enzyme hydrolysis mitigates the negative impact of gelatinized starch in the surplus bread. As an alternative to enzymatic hydrolysis, targeted fermentation with exopolysaccharide (dextran or β-glucan) -producing strains was evaluated to facilitate recycling of surplus bread. Fermentation with Weissella confusa A16, resulted in production of dextran and maltosyl-isomaltooligosaccharides (MIMO) through dextransucrase acceptor reactions with maltose. This resulted in increased viscosity of the surplus bread sourdough and yielded residual fructose that could effectively replace the sugar added for yeast leavening. Furthermore, fermentation acidified surplus bread matrix, thus improving the hygienic safety of the process. The produced dextran compensated for the adverse effect of surplus bread on subsequent bread quality attributes by increasing the specific volume of bread (12%) and decreasing crumb hardness (37%) compared to untreated surplus bread. Fermentation with microbial β-glucan production did not show a positive technological impact. To further understand the role of dextran and MIMO in surplus bread recycling, dextran and MIMO were produced separately in vitro by using a cell-free W. confusa A16 dextransucrase preparation. Dextran or MIMO were added to the surplus bread in three levels and further studied in a gluten-starch model dough and bread system. In the model dough, the native gluten content was kept standard, and the surplus bread replaced starch. Dextran addition at 0.7%/flour weight level, and optimized water absorption, protected the dough gluten network functionality from the disruptive interactions of surplus bread. Dextran increased the dough extensibility and softness, which led to increased specific volume of bread, decreased hardness, and retarded staling. On the contrary, MIMOs, especially at low concentration, induced stronger interactions with gluten proteins than dextran. The addition of MIMOs increased the negative influence of surplus bread on the specific volume of breads. Among the utilized rheological measurements, the uni-axial extensional test was the best suited to predict the baking performance of doughs containing surplus bread with dextran or MIMO. The dough extensibility well-predicted the specific volume of bread, and the E/R ratio inversely predicted crumb hardness and staling. The nature of interactions between dextran or MIMOs and dough macromolecules are important to understand in order to develop suitable bioprocessing practices that enable recycling of edible surplus bread. Thus, by selecting correct bioprocessing approaches, surplus bread recycling performance may be significantly improved, encouraging the baking industry to take necessary steps towards more sustainable production. Arviolta kolmannes kaikesta tuotetusta ruuasta, eli yli 1,3 miljardia tonnia vuodessa päätyy jätteeksi. Ilmastonmuutos, kasvava väestö sekä geopoliittiset konfliktit haastavat nykyisen ruuantuotannon riittävyyden ja nostavat raaka-aineiden, kuten vehnän, hintaa. Tämän vuoksi ruokajärjestelmän on muututtava kestävämpään ja raaka-ainetehokkaampaan suuntaan, pitäen sisällään ruokahävikin ennalta ehkäisyn. Ylijäämäleipä on leipomoteollisuuden merkittävin sivuvirta, joka tulisi ehdottomasti hyödyntää elintarvikekäytössä, mutta päätyy useimmiten bioetanolin tuotantoon tai rehuksi. Kestävä keino ylijäämäleivän hyödyntämiseksi on sen kierrättäminen takaisin tuotantoon taikinaraaka-aineena. Kierrätyksen vaikutuksesta uuden leivän laatuun ja turvallisuuteen ei kuitenkaan ole yksityiskohtaista tietoa. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia ylijäämäleivän vaikutusta taikinan ominaisuuksiin sekä uuden leivän tilavuuteen ja rakenteeseen. Lisäksi kehitettiin bioprosessointitekniikoita, kuten entsyymikäsittelyjä ja maitohappofermentointia, ylijäämäleivän kierrätysominaisuuksien parantamiseksi. Tutkimuksen keskiössä olivat erityisesti ylijäämäleivän sisältämän liisteröidyn tärkkelyksen entsymaattinen hydrolyysi sekä bakteeriperäisten eksopolysakkaridien tuotanto. Tutkimuksen perusteella kävi ilmi, että jo pieninä pitoisuuksina ylijäämäleivän käyttäminen taikinan raaka-aineena ilman esikäsittelyjä on erittäin haitallista uuden leivän tilavuuden ja rakenteen kannalta. Ylijäämäleipä kasvatti taikinan vedensidontaa ja heikensi taikinan venyvyyttä ja kohoamista. Muutokset taikinassa liittyivät ensisijaisesti gluteeniverkon ja ylijäämäleivän komponenttien, erityisesti liisteröityneen tärkkelyksen, välisiin epäedullisiin vuorovaikutuksiin. Lisäksi natiivigluteenin pitoisuuden laimenemisella, ylijäämäleivän liukenemattomalla aineksella sekä kilpailulla käytettävissä olevasta vapaasta vedestä (gluteeniproteiinien ja liisteröityneen tärkkelyksen välillä) oli vähäisempi negatiivinen vaikutus taikinaan ja leivän laatuun. Liisteröityneen tärkkelyksen vaikutus väheni entsymaattisen hydrolyysin seurauksena riippuen saavutetusta hiilihydraattikoostumuksesta. Leivät olivat pehmeimpiä ja tilavuuden saannolta parhaimmillaan, kun niihin lisättiin paljon maltoosia ja malto-oligosakkarideja sisältävää hydrolysaattia. Malto-oligosakkarideja sisältävä hydrolysaatti vähensi leivän sisuksen kovuutta ja vanhenemista jopa tavalliseen vehnäleipään verrattuna. Kohdennettua fermentointia eksopolysakkarideja (dekstraani ja β-glukaani) tuottavien maitohappobakteerikantojen avulla tutkittiin vaihtoehtoisena keinona ylijäämäleivän kierrätyksessä. Fermentoinnin aiheuttama happamoituminen lisäsi selvästi prosessin turvallisuutta hygienianäkökulmasta. Tuotettu dekstraani puolestaan kompensoi ylijäämäleivän aiheuttamia haitallisia vaikutuksia leivän laatuun kasvattamalla leivän ominaistilavuutta ja vähentämällä leivän sisuksen kovuutta verrattuna käsittelemättömään ylijäämäleipään. Dekstraanin tuoton yhteydessä muodostui lisäksi maltosyyli-isomalto-oligosakkarideja (MIMO) johtuen dekstraania tuottavan entsyymin, dekstraanisakkaraasin akseptori-reaktiosta maltoosin kanssa sekä jäännösfruktoosia, joka korvasi tehokkaasti taikinaan nostatusta varten lisättävän sokerin. Mikrobiperäisen β-glukaani tuotto fermentoinnin aikana ei osoittanut positiivisia vaikutuksia leivän teknologisiin ominaisuuksiin. Dekstraanin ja MIMO:n itsenäisen merkityksen ymmärtämiseksi ylijäämäleivän kierrätyksessä dekstraania ja MIMO:a tuotettiin kontrolloidusti in vitro käyttäen itse tuotettua dekstraanisakkaraasivalmistetta. Dekstraania tai MIMO:a lisättiin ylijäämäleipään erikseen ja sitä tutkittiin gluteenista ja tärkkelyksestä koostuvassa mallitaikinassa ja -leivässä. Mallitaikinassa natiivin gluteenin pitoisuus pidettiin vakiona ja ylijäämäleipä korvasi ainoastaan tärkkelystä. Dekstraanilisäys optimoidulla pitoisuudella ja vedensidonnalla, suojasi taikinan gluteeniverkostoa ylijäämäleivän aiheuttamilta häiritseviltä vuorovaikutuksilta. Dekstraani paransi taikinan venyvyyttä ja pehmeyttä, mikä johti leivän suurempaan ominaistilavuuteen, sisuksen kovuuden vähenemiseen sekä hitaampaan vanhenemiseen. MIMO sen sijaan aiheutti vahvempia vuorovaikutuksia gluteeniproteiinien kanssa kuin dekstraani, mikä voimisti ylijäämäleivän haitallista vaikutusta uuden leivän tilavuudelle. Dekstraanin tai MIMO:n ja taikinan makromolekyylien välisten vuorovaikutusten laatua ja ominaisuuksia on tärkeä ymmärtää, jotta kohdennettuja ja toimivia bioprosessointitekniikoita voidaan kehittää elintarvikekelpoisen ylijäämäleivän kierrättämiseksi. Siten, valitsemalla sopivia bioprosessointikeinoja ylijäämäleivän kierrätyskelpoisuutta voidaan parantaa merkittävästi, rohkaisten leipomoteollisuutta ottamaan tarvittavia askeleita kohti kestävämpää tuotantoa.

Open-plan offices have become popular in the recent decades and along with the popularity, noise has become a general problem in the offices around the world. Framery Oy, the case company of this thesis, manufactures phone booths that are being offered as a solution to the noise problem in open-plan offices. The case company has faced demands from the customers to have knowledge about what materials and substances the phone booths are composed of. To fulfill this demand the company has recognized that it needs Health Product Declaration (HPD) documents for their products. In practice these documents declare what materials and substances compose the phone booths. This thesis studies what are the materials that compose the phone booths, how the composition determination process could be developed, do some of the materials cause hazards for the health of the end user and is there any alternatives for these hazardous materials. As a result the composition of the booths was recognized, a generalized process model was developed to help define the material composition of a product, two different possibly hazardous materials were recognized and few less hazardous alternatives were found for these two different materials.