Food product development with spirulina (Arthrospira platensis) – Sensory profiling, product perception and consumer acceptance

by Stephanie Grahl
Doctoral thesis
Date of Examination:2019-11-08
Date of issue:2020-07-09
Advisor:Prof. Dr. Daniel Mörlein
Referee:Prof. Dr. Ulrich Enneking
Referee:Dr. Klaus Dürrschmid
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8082

 

 

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Abstract

English

Sustainability in food production has become a dominant social issue, as the environmental impact of food production is inevitable. The focus is on animal foods, as their production re-quires many resources. In addition, current food production will reach planetary limits if the demand for food of a constantly growing world population has to be met. Since a sole in-crease in the productivity of existing systems is not sufficient, alternative food sources must be established and their suitability for human consumption must be investigated in order to secure food production in the future. Using the microalga spirulina (Arthrospira platensis) as an example, this dissertation shows how consumer-oriented product development can contribute to a sustainability transition, i.e. a change towards sustainable food production and nutrition. The microalga can be produced in Germany independent of arable land available and it is a promising food ingredient due to its nutrient content. Therefore, this PhD project aimed to investigate the suitability of spirulina for innovative foods that promote a meat-reduced diet using a mix of methods from qualitative and quantitative sensory research. The first study investigated the applicability of spirulina in extrusion by means of descriptive analysis using a trained sensory panel. According to a Design of Experiment (DoE), systematically varied extrusion parameters were examined with regard to their effects on the sensory properties of spirulina-soy-extrudates. The spirulina content in the extrudate, the screw speed of the extruder, the moisture content in the extrudate and the process temperature were investigated. It was found that high moisture resulted in a corresponding appearance; moist products produced a juicy and soft mouthfeel. High spirulina content resulted in black color, intense taste with earthy notes and a musty algae odor. Products with low spirulina content were elastic, fibrous and firm. As a result, possibilities for controlling the desired texture of future spirulina extrudates were derived: low moisture, high screw speed and temperature lead to firm and fibrous products with a distinct algae aroma. In a second step, expert interviews were conducted to identify promising product ideas which were consequently tested in an online survey. Preferences of consumers for three different product categories with the extrudate were investigated and the marketing opportunities based on the benefits sustainability, health and innovation were explored. A staple food (pasta), a product following the principle of "flavor pairing" (sushi) and a savory snack (jerky) were shown to 1035 consumers in Germany, the Netherlands and France on photos. Spirulina-filled pasta was preferred over the other two categories as pasta is generally very familiar. The data analysis showed a mediating effect of familiarity. This means that all three product categories are conceivable with spirulina, provided they would be equally well-known by consumers. In addition, health-promoting properties were appreciated most by consumers. Based on the results of the second study, various pasta variants in three flavors (lemon-basil, beet-ginger or tomato) with different contents of spirulina-soy-extrudate (10 %, 30 % or 50 %) were developed and examined in a sensory consumer test. 420 participants from Germany, the Netherlands and France were each served six out of a total of nine pasta variants to determine acceptance. The lemon-basil flavor was most accepted by consumers, followed by tomato and beet-ginger. It was also shown that an increase of the amount of spirulina-soy-extrudate in the filling led to a drop in acceptance. This implies that an increase in spirulina content causes a more pronounced algae flavor and requires further recipe adjustment. In order to derive recommendations for the recipe adjustment, sensory profiling of the pasta variants was done and the objective evaluation was linked to consumer liking. It turned out that the sensory perception caused by spirulina (algal smell and taste, earthy smell and black appearance of the filling) should be reduced to increase consumer acceptance. In summary, the research in this dissertation shows that spirulina is suitable to contribute to a meat-reduced diet. Familiar product categories make it easier for consumers to accept novel products. If higher contents of the spirulina-soy-extrudate are to be processed, recipe optimization is necessary. The present dissertation offers sufficient starting points for product and recipe improvement.
Keywords: Sensory analysis; Consumer science; Microalgae; Alternative protein sources; High moisture extrusion

German

Nachhaltigkeit in Bezug auf die Lebensmittelproduktion ist mittlerweile ein dominierendes gesellschaftliches Thema, da der Umwelteinfluss der Herstellung von Lebensmitteln vielfach nachgewiesen wurde. Dabei stehen vor allem tierische Lebensmittel im Fokus, da ihre Erzeu-gung sehr ressourcenintensiv ist. Hinzu kommt, dass die derzeitige Lebensmittelproduktion an planetarische Grenzen stoßen wird, wenn der Lebensmittelbedarf einer stetig wachsenden Weltbevölkerung erfüllt werden muss. Da eine Produktivitätssteigerung bestehender Systeme allein nicht ausreicht, müssen alternative Lebensmittelquellen erschlossen und auf ihre Eignung für die menschliche Ernährung untersucht werden, um die Nahrungsmittelproduktion der Zukunft zu sichern. Die vorliegende Dissertation zeigt am Beispiel der Mikroalge Spirulina (Arthrospira platensis), wie konsumentenorientierte Produktentwicklung zur sustainability transition, d.h. einem Wandel hin zu einer nachhaltigen Nahrungsproduktion und Ernährungsweise, beitragen kann. Die Mikroalge kann unabhängig von zur Verfügung stehender Fläche in Deutschland produziert werden und ist wegen ihres Nährstoffgehalts eine vielversprechende Lebensmittelzutat. Ziel des Promotionsvorhabens ist es daher, mittels Methoden-Mix aus qualitativer und quantitativer Sensorik-Forschung die Eignung von Spirulina für innovative Lebensmittel zu untersuchen, die eine fleischreduzierte Ernährung fördern. Die erste Studie untersuchte mit Hilfe deskriptiver Analyse durch ein trainiertes Sensorik-Panel zunächst die Handhabbarkeit von Spirulina in der Extrusion. Mittels eines Design of Experiment wurden systematisch variierte Extrusionsparameter hinsichtlich ihrer Effekte auf die sensorischen Eigenschaften der Spirulina-Soja-Extrudate geprüft. Hierbei wurden der Spirulinaanteil im Extrudat, die Drehzahl der Extruderschnecken, der Feuchtigkeitsanteil im Extrudat sowie die Prozesstemperatur untersucht. Es zeigte sich, dass ein hoher Feuchtig-keitsgehalt in einem entsprechenden Aussehen resultierte; feuchtere Produkte riefen ein saftiges und weiches Mundgefühl hervor. Ein hoher Spirulinaanteil führte zu schwarzer Farbe, intensivem Geschmack mit erdigen Noten und einem muffigen Algengeruch. Produkte mit geringem Spirulinaanteil waren elastisch, faserig und fest. Schließlich wurden Möglichkeiten zur Steuerung der gewünschten Textur zukünftiger Spirulina-Soja-Extrudate abgeleitet: geringe Feuchtigkeit, hohe Drehzahlen der Extruderschnecken und Temperatur ermöglichen die Herstellung fester und faseriger Produkte mit ausgeprägtem Algengeschmack. In einem zweiten Schritt wurden Experteninterviews zur Eingrenzung entwickelter Produk-tideen durchgeführt. Die hierbei als vielversprechend herausgearbeiteten Lebensmittelkategorien wurden in einer Online-Befragung getestet. Die Präferenzen der Konsumenten für drei verschiedene Lebensmittelkategorien mit dem Extrudat wurden erhoben und die Marketing-Chancen basierend auf den Benefits Nachhaltigkeit, Gesundheit und Innovation ausgelotet. Ein Grundnahrungsmittel (Pasta), ein Produkt das dem Prinzip des „Flavor Pairing“ folgt (Sushi) und ein praktischer Snack (Jerky) wurden 1035 Konsumenten in Deutschland, den Niederlanden und Frankreich auf Fotos gezeigt. Spirulinagefüllte Pasta wurde gegenüber den beiden anderen Kategorien bevorzugt, da Pasta im Allgemeinen sehr vertraut ist. Die Daten-analyse ergab einen moderierenden Effekt der Bekanntheit. Das bedeutet, dass bei gleichem Bekanntheitsgrad alle drei Produktkategorien mit Spirulina denkbar sind. Zudem fanden gesundheitsfördernde Eigenschaften bei Konsumenten Gefallen. Aufbauend auf die Ergebnisse aus der zweiten Studie wurden verschiedene Pastavarianten in drei Geschmacksrichtungen (Zitrone-Basilikum, Rote Bete-Ingwer, Tomate) mit unterschiedlichem Gehalt an Spirulina-Soja-Extrudat (10 %, 30 % oder 50 %) entwickelt und in einem sensorischen Konsumententest untersucht. 420 Teilnehmern aus Deutschland, den Niederlanden und Frankreich wurden je sechs aus insgesamt neun Pastavarianten serviert, um die Akzeptanz zu messen. Die Geschmacksrichtung Zitrone-Basilikum akzeptierten die Konsumenten am meisten, gefolgt von Tomate und Rote Bete-Ingwer. Es konnte zudem gezeigt werden, dass eine Steigerung des Spirulina-Soja-Extrudat-Anteils mit einem Abfall des Gefallens verbunden ist. Dies impliziert, dass eine Erhöhung des Spirulinaanteils u.a. mit einem deutlicheren Algengeschmack einhergeht und eine weitere Rezepturanpassung erforderlich macht. Um für die Rezepturanpassung konkrete Handlungsempfehlungen zu ermöglichen, wurde die Pasta sensorisch profiliert und die Daten mit dem Konsumentengefallen in Verbindung gebracht. Es stellte sich heraus, dass die durch den Zusatz von Mikroalgen hervorgerufenen sensorischen Eindrücke (Geruch und Geschmack nach Alge, erdiger Geruch und schwarze Füllung) reduziert werden sollten, um die Konsumentenakzeptanz zu erhöhen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Spirulina geeignet ist um einen Beitrag zu einer fleischreduzierten Ernährung zu leisten. Vertraute Produktkategorien erleichtern Konsumen-ten die Akzeptanz von neuen Produkten. Sofern höhere Anteile des Spirulina-Soja-Extrudats verarbeitet werden sollen, ist eine Rezepturoptimierung empfehlenswert. Hierfür bietet die vorliegende Dissertation hinreichend Ansatzpunkte.
 
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