The Umami Compounds in Nordic Food Raw Materials and the Effect of Cooking

Abstract

Umami, one of the five basic tastes, gives a special deliciousness, richness and meatiness to many vegetable and meat dishes. The special feature of umami compounds, mainly free glutamic acid and free 5´-nucleotides, is their synergistic interaction, which significantly enhances the taste sensation of umami when these compounds are simultaneously present in food. Even though umami compounds themselves do not taste particularly pleasant, the unique characteristic of umami is that it functions best when combined with other basic tastes. Although considerable research has been done on umami taste related compounds, there is less research on the effect of cooking on the concentration of these compounds and any possible changes in their concentration during heat treatment.

The aim of this thesis was to investigate the overall change in the concentrations of umami compounds in Nordic food induced by cooking. Multiple simultaneous reactions, both in the formation and loss of umami compounds are likely to occur during cooking. Changes in the content of the compounds may result from both enzymatic and chemical reactions, possibly accelerated or stabilized by the increase in temperature. The raw materials studied in this thesis, including meat, mushrooms and potatoes represent fauna, fungi and flora, differ from each other in terms of protein, carbohydrate and fat content. However, they all contain detectable concentrations of umami compounds, both free amino acids and nucleotides. The concentrations of the compounds in the examined raw materials, both fresh and cooked, were determined quantitatively by chromatographic techniques.

Cooking is essential for most food ingredients. This study showed cooking influenced the concentration of umami compounds in food raw materials, and the cooking temperature was more important variable than the cooking time. However, from the perspective of the synergy, heat treatment may have different effect on release and the content of certain umami compounds. Increase in temperature can accelerate inherent enzymatic activities in the raw material and result in changes in the content of compounds. In particular, the concentrations of nucleotides may increase or decrease until the temperature reaches the enzyme deactivation point. In addition, heat may promote the participation of free amino acids in chemical reactions with other compounds present in the raw material and lead to a decrease in the concentration of amino acids. The water-binding capacity of the raw material is affected by many factors. As sous vide cooking progresses, the denaturation of proteins and other structural changes caused by heat are important factors contributing to the weakening of the water-binding capacity. As a result, umami compounds are released into the liquid. Thus, the cooking juice is also a valuable source of umami.

In pork, the concentration of the nucleotide 5´-IMP and the free amino acid glutamic acid remained almost at the same level at the three different sous vide cooking temperatures 60, 70 and 80 °C and three different cooking times 60, 120 and 180 min. The 5´-IMP content of the corresponding cooking juice released from meat also remained unchanged. However, the increase in the glutamic acid concentration in the cooking juice at the highest investigated temperature was statistically significant. In addition, the increase in the relative share of cooking juice from the total sample at the highest cooking temperature studied increases the role of juice as a source of umami.

The increase in 5´-nucleotide content due to the effect of sous vide cooking temperature was seen especially in the study of mushrooms. The concentrations of the umami nucleotide 5´-GMP was detectable only in samples cooked at a sufficiently high temperature 70, 80 or 90 °C for cooking time 10 minutes but was negligible at 60 °C and fresh mushrooms. Instead, the concentration of free amino acids both in the mushrooms and in the released cooking juice partially either decreased or increased during cooking. For different mushroom species, the amount and direction of the change varied as the cooking temperature increased. This indicates the presence of chemical reactions of free amino acids, as well as differences in concentrations between fungal species . Growth conditions are known to have a major impact on potato quality. The results of our study showed that the concentration of umami FAA glutamic acid, as well as most of the other FAAs was significantly higher in short day (SD) conditions (8h light, 16h dark) developed tubers than long day (LD) tubers (15 h light, 9h dark).

This study focused on the umami compounds of Nordic food raw materials. The results of the research can be applied in the product development of delicious and tasty meals, for example, to increase the consumption of plant-based alternatives. The study also showed the potential of the cooking juice released from meat and mushroom as a source of umami. This result can be utilized in the efforts to use raw materials more efficiently and in the attempts to reduce food waste. In addition to cultivated mushrooms, the study showed the potential of forest mushrooms as a source of umami. Moreover, in the breeding of potatoes and in the selection of cultivars and the growing conditions used, more attention should be paid to the taste properties of the potato tubers and thereby to the possibilities of increasing potato consumption.

---- Umami, yksi viidestä perusmausta, antaa erityistä herkullisuutta, täyteläisyyttä ja lihaisuutta moniin kasvis- ja liharuokiin. Umamiyhdisteiden, pääasiassa vapaan glutamiinihapon ja 5´-nukleotidien erityispiirteenä on niiden synergistinen vaikutus. Kun näitä yhdisteitä on ruoassa samanaikaisesti, lisää se merkittävästi umamimaun aistimista. Kuitenkaan sellaisenaan umamiyhdisteet eivät maistu erityisen miellyttävältä, vaan niiden ainutlaatuiset ominaisuudet tulevat parhaiten esiin yhdistettäessä muihin perusmakuihin. Vaikka umamiaistimusta aikaan saavia yhdisteitä on tutkittu paljon, tutkimusten määrä kypsennyksen vaikutuksesta näiden yhdisteiden pitoisuuteen ja pitoisuuksien mahdollisiin muutoksiin lämmön vaikutuksesta on vähäisempi.

Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia kypsennyksen aikaansaamaa kokonaismuutosta ruuan umamiyhdisteiden pitoisuudessa. Kypsennyksen aikana tapahtuu todennäköisesti useita samanaikaisia reaktioita, niin umamiyhdisteiden muodostumista kuin häviämistäkin. Tutkitut raaka-aineet, liha, sienet ja perunat edustavat sekä eläin- että kasvikuntaa ja eroavat toisistaan proteiini-, hiilihydraatti- ja rasvapitoisuuksiltaan. Ne kaikki sisältävät kuitenkin havaittavissa olevia pitoisuuksia umami-yhdisteitä, sekä vapaita aminohappoja että nukleotideja. Yhdisteiden pitoisuudet tutkituissa raaka-aineissa, sekä tuoreissa että kypsennetyissä, määritettiin kvantitatiivisesti kromatografisilla menetelmillä.

Kypsentäminen on välttämätöntä useimpien ruokaraaka-aineiden kohdalla. Tässä tutkimuksessa kypsennyksen todettiin vaikuttavan raaka-aineen umamiyhdisteiden pitoisuuksiin ja kypsennyslämpötilan todettiin olevan suurempi vaikutus kuin kypsennysajalla. Umamiyhdisteiden synergian näkökulmasta lämpökäsittely saattaa vaikuttaa eri tavoin tutkittujen umamiyhdisteiden vapautumiseen ja pitoisuuksiin. Lämpötilan nousu voi kiihdyttää raaka-aineessa esiintyvää luontaista entsyymiaktiivisuutta ja siten saada aikaan muutoksia yhdisteiden määrissä. Erityisesti nukleotidien pitoisuudet saattavat kasvaa tai laskea entsyymien deaktivoitumislämpötilaan saakka. Lisäksi lämpö saattaa edesauttaa vapaiden aminohappojen osallistumista kemiallisiin reaktioihin muiden raaka-aineessa esiintyvien yhdisteiden kanssa ja johtaa pitoisuuden laskuun. Raaka-aineen vedensidontakykyyn vaikuttavat monet tekijät. Kypsennyksen edetessä proteiinien denaturaatio ja muut lämmön aikaan saamat rakenteelliset muutokset ovat tärkeitä tekijöitä osaltaan heikentämään vedensidontakykyä, jonka seurauksena umamiyhdisteitä vapautuu nesteeseen. Tämän vuoksi myös liemi on arvokas umamin lähde.

Porsaanlihalla nukleotidi 5´-IMP:n ja vapaan aminohapon, glutamiinihapon pitoisuus lihassa pysyi lähes samalla tasolla kolmessa eri sous vide kypsennyslämpötilassa 60, 70 and 80 °C ja kolmella ei kypsennysajalla 60, 120 and 180 minuuttia. Myös lihasta vapautuneen liemen 5´-IMP pitoisuus pysyi muuttumattomana. Huomionarvoista kuitenkin on glutamiinihappopitoisuuden tilastollisesti merkittävä kasvu liemessä korkeimmassa tutkitussa lämpötilassa. Samanaikainen liemen suhteellisen osuuden kasvu kokonaisnäytteessä kasvattaa liemen roolia umamin lähteenä.

Nukleotidipitoisuuden kasvu lämpötilan vaikutuksesta oli nähtävissä erityisesti sienten kohdalla. Umami-nukleotidi 5´-GMP:n pitoisuudet olivat havaittavissa ainoastaan korkeammissa kypsennyslämpötiloissa 70, 80 ja 90 °C, 10 minuutin kypsennysajalla. kypsennetyissä näytteissä. Tuoreen ja 60 °C lämpötilassa kypsennettyjen sienien 5´-GMP:n pitoisuudet olivat määritysrajan alapuolella. Sen sijaan vapaiden aminohappojen pitoisuudet sekä sienissä ja että vapautuneessa liemessä osittain sekä laskivat että nousivat eri kypsennyslämpötiloissa. Eri sienilajeilla muutoksen määrä ja suunta vaihtelivat kypsennyslämpötilan kasvaessa. Tämä indikoi vapaiden aminohappojen mahdollisia kemiallisia reaktiota sekä sienilajien välisiä eroja pitoisuuksissa. Kasvuolosuhteilla tiedetään olevan suuri vaikutus perunan laatuun.

Tutkimuksemme tulokset osoittivat lyhyen päivänpituuden (SD) olosuhteissa (8h valoa, 16h pimeyttä) kasvaneiden perunoiden sisältävän korkeammat pitoisuudet vapaita aminohappoja, mukaan lukien umamimaulle tärkeää glutamiinihappoa, kuin pitkän päivän (LD) perunat (15h valoa, 9h pimeyttä).

Tämä tutkimus keskittyi pohjoismaisten ruokaraaka-aineiden umamiyhdisteisiin. Tutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää täyteläisten ja maukkaiden aterioiden tuotekehityksessä, esimerkiksi kasvispohjaisten vaihtoehtojen kulutuksen lisäämiseksi. Tutkimus osoittaa myös lihasta ja sienestä vapautuvan liemen mahdollisuudet umamin lähteenä. Tulosta voidaan hyödyntää pyrkimyksissä raaka-aineiden tehokkaampaan käyttöön ja ruokahävikin vähentämiseen. Tutkimus osoittaa metsäsienien mahdollisuudet umamin lähteenä viljeltyjen sienien lisäksi. Myös perunan jalostuksen lajikevalinnoissa ja kasvuolosuhteissa tulisi kiinnittää enemmän huomiota perunan makuun ja sitä kautta perunan kulutuksen lisäämiseen