Effect of Thermal, Microwave, and Baro-Hydrothermal Treatment on Alkaloid Content in Lupin Grain

Background: Lupin is considered a promising high-protein crop, comparable to soybean in its amino acid composition and free from protease inhibitors, which makes it a potentially valuable raw material for the food industry. However, its widespread application is limited by the high content of quinolizidine alkaloids, which impart a bitter taste and pose toxicological concerns. Conventional alkaloid-reduction methods, predominantly based on liquid extraction, are associated with significant nutrient losses and limited technological scalability. Therefore, the development of alternative approaches for reducing alkaloid content in lupin grain without the use of liquid extraction represents a relevant and timely research objective, which determined the focus of the present study.

Purpose: To provide a comparative assessment of the efficiency of three technological approaches (thermal treatment, microwave treatment, and baro-hydrothermal treatment) for reducing alkaloid content in lupin grain while preserving its sensory properties.

Materials and Methods: The study used seeds of narrow-leafed lupin (Lupinus angustifolius L., cultivars ‘Belozerny 110’ and ‘Raduzhny’) and white lupin (Lupinus albus L., cultivar ‘Dega’). Thermal treatment was carried out at 120–180 °C for 10–20 min, microwave treatment at 2450 MHz for 5–25 min, and BHT included preliminary heating at 90–100 °C followed by exposure to steam at 10 atm for up to 28 s. Alkaloid content was determined by a photocolorimetric method (VNIILupin modification). All experiments were performed in triplicate; statistical processing included calculation of mean values and standard deviations.

Results: All methods provided a substantial reduction in alkaloid content, although efficiency and sensory acceptability depended on cultivar and processing conditions. The maximum reduction reached 69.5 % under BHT, 66 % under microwave treatment, and 64.5 % under thermal treatment. Thermal processing above 150 °C and microwave exposure longer than 20 min led to deterioration of sensory properties. For BHT, the optimal treatment time was 28 s; longer exposure also resulted in kernel darkening and the appearance of off-flavours.

Conclusion: The comparative analysis confirmed the effectiveness of all three methods for reducing alkaloid content, with BHT showing the greatest potential for practical implementation due to a favourable balance between the reduction of toxic compounds and the preservation of product quality. The findings can be used in the development of lupin processing technologies for the production of high-protein plant-based foods.

1. Агафонова, С. В., Рыков, А. И. & Мезенова, О. Я. (2019). Оценка биологической ценности белков люпина и перспектив его использования в пищевой промышленности. Вестник Международной академии холода, (2), 79–85.

2. Афонина, Е. В. & Костюченко, В. И. (2012). Изменение содержания алкалоидов в крупе люпина после экстракции. Кормопроизводство, 5, 47-48.

3. Ващекин, Е.П. (2009). Повышение полноценности крупного рогатого скота. Вестник Брянской ГСХА, (6), 10-16.

4. Головченко, В. И., Кучеренко, В. Г., Кучеренко, Н. М., Головченко, О. В., & Седлецкий, М. А. (1996). Способ получения полуфабриката из люпина для продуктов питания (Патент Российской Федерации № RU 2059388 C1). Роспатент.

5. Доморощенкова, М. Л., Егги, Э. Э., Мехтиев, В. С. & Демьяненко, Т. Ф. (2009). Люпин узколистный – перспективный источник пищевого белка. Хранение и переработка сельхозсырья, (10), 53-56.

6. Зайцева, Л. В., Юдина, Т. А., Рубан, Н. В., Бессонов, В. В., & Мехтиев, В.С. (2020). Современные подходы к разработке рецептур безглютеновых хлебобулочных изделий. Вопросы питания, 89(1), 77-85. https://doi.org/10.24411/0042-8833-2020-10009

7. Зверев, С. В., Косолапов, В. М, Зайцев, В. Б., Ставцев, А. Э., & Цыгуткин, А. С. (2020). Использование метода спектрофотометрии для идентификации высокоалкалоидных семян белого люпина. Кормопроизводство, 10, 25–28.

8. Зверев, С.В., & Размочаев, Е.А. (2023). Люпин белый. Переработка и использование в народном хозяйстве. Тверь: АО «ГК МЕЛКОМ».

9. Кадыров, Ф. Г., & Кадырова, Н. В. (2001). Зерно люпина в кормлении крупного рогатого скота и молодняка свиней. Кормопроизводство, 1, 26-28.

10. Конарев, В.Г. (2000). Идентификация сортов и регистрация генофонда культурных растений по белкам семян. СПб: «ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова».

11. Красильников, В. Н., Мехтиев, В. С., Доморощенкова, М. Л., Демьяненко, Т. Ф., Гаврилюк И.П., & Кузнецова, Л.И. (2010). Перспективы использования белков из семян люпина узколистного отечественной селекции в безглютеновых мучных кондитерских изделиях. Пищевая промышленность, (2), 40-43.

12. Красильников, В. Н., Мехтиев, В. С., & Родионова, Т. И. (2019). Способ снижения алкалоидов в зерне люпина [Патент РФ № 2698899]. Российская Федерация.

13. Красильников, В.Н., Мехтиев, В.С., Тимошенко, Ю.А., & Маркина, В.Ю. (2015). Люпин: создание продуктов питания функционального назначения, вклад в обеспечение продовольственной безопасности страны. Хранение и переработка сельхозсырья, (10), 43-49.

14. Красильников, В.Н., Севастьянова, Ю.Д., Мехтиев, В.С., & Родионова, Т.И. (2016). Переработка сои перспективными методами для пищевых целей. Материалы научной конференции (с. 71-74). СПб: Санкт-Петербургмкий политехническмий универсиетет.

15. Кублин, И. М., Прущак, О. В. & Санинский, С. А. (2024). Люпин: переворот в производстве белковых кормов для сельскохозяйственной отрасли. Аграрный научный журнал, (6), 32–39. http://dx.doi.org/10.28983/asj.y2024i6pp32-39

16. Купцов, Н. С., & Такунов, И. П. (2006). Люпин - генетика, селекция, гетерогенные посевы. Клинцы: ГУП «КГТ».

17. Мехтиев, В.С. (2017). Зерно люпина как перспективный источник пищевых ингредиентов функционально назначения. Бизнес пищевых ингредиентов, (2), 50-51.

18. Николаев, С. И., Даниленко, И. Ю., Карапетян, А. К., & Бубуѐк, А. В. (2024). Сравнительная оценка химического и аминокислотного состава полножирной сои и зерна люпина. Известия НВ АУК, 5(77), 196-201. https://doi.org/ 10.32786/2071-9485-2024-05-21

19. Панкина, И. А. & Борисова, Л. М. (2015). Исследование алкалоидности семян люпина. Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств», (4), 80-87.

20. Потаракина, О. В. (2022). Ультразвук в технологии переработки люпина кормового. Научный журнал молодых ученых, (1), 18-23.

21. Романчук, И. Ю. & Анохина, В. С. (2018). Алкалоиды люпина: строение, биосинтез, генетика (обзорная статья). Молекулярная и прикладная генетика, 25, 109-123.

22. Руцкая, В. И. & Тимошенко, Е. С. (2023). Алкалоиды люпина и способы снижения их содержания (Обзор). Известия НВ АУК, 3(71), 573-584. https://doi.org/10.32786/2071-9485-2023-03-56

23. Тимошенко, Е. С., Лукашевич, М. И., Яговенко, Г. Л., Агеева, П. А. & Зайцева, Н. М. (2022). Характеристика перспективных сортов люпина Мичуринский и Белорозовый 144 для пищевого использования». Хранение и переработка сельхозсырья, (2), 219-232. https://doi.org/10.36107/10.36107/spfp.2022.310

24. Хрулев, А.А. & Бесчетникова, Н.А. (2015). Белок из люпина: технологии, применение, перспективы. Пищевая промышленность, (12), 63-65.

25. Aguilar-Acosta, L. A., Serna-Saldivar, S. O., Rodríguez-Rodríguez, J., Es-calante-Aburto, A., & Chuck-Hernández, C. (2020). Effect of ultrasound application on protein yield and fate of alkaloids during lupin alkaline extraction process. Biomolecules, 10(2), 292. https://doi.org/10.3390/biom10020292

26. Adiss, Y. L., Ayalew, D. B., & Abera, B. D. (2025). Effects of roasting temperature and soaking time on the physico-chemical quality of white lupine (Lupinus albus L.) flour. Journal of Composition and Analysis, 148, 108183 http://dx.doi.org/10.1016/j.jfca.2025.108183

27. Arnoldi, A., & Greco, S. (2011). Nutritional and nutraceutical characteristics of lupin protein. NUTRA Foods, 10(4), 23 – 29. https://doi.org/10.1007/BF03223356

28. Chamone, M.E.R., Ascheri, J.L.R., Vargas-Solórzano, J.W., Stephan, M.P., & Carvalho, C.W. (2023). Chemical сharacterization of White Lupin (Lupinus albus) flour treated by extrusion cooking and aqueous debittering processes. Plant Foods for Human Nutrition, 78, 292–298. https://doi.org/10.1007/s11130-023-01050-0

29. Domuta, C L.C., Man, S., Chis, S., Pop, A., Muste, S., & Paucean A. (2022). Lupin - A review of the chemical composition, health benefits and its uses in bakery and pastry products. Journal of Functional Foods, 18, 550–563. https://doi.org/10.1016/j.jff.2015.08.012

30. Dourmap, C., Fustec, J., Naudin. Ch., & Carton, N. (2025). White lupin: Improving legume-based protein production via intercropping. Journal of Experimental Botany, 76(10) https://doi.org/10.1093/jxb/eraf127

31. Estivi, L., Buratti, S., Fusi, D., Benedetti, S., Rodríguez, G., Brandolini, A., & Hidalgo, A. (2022). Alkaloid content and taste profile assessed by electronic tongue of lupinus albus seeds debittered by different methods. Journal of Food Composition and Analysis, 114, 104810. https://doi.org/10.1016/j.jfca.2022.104810.

32. Frick, K. M., Kamphuis, L. G., Siddique, K. H., Karen M., Singh, K. B., & Foley, R. C. (2017). Quinolizidine alkaloid biosynthesis in lupins and prospects for grain quality improvement. Frontiers in Plant Science, 8(87), 1-12. https://doi.org/ 10.3389/fpls.2017.00087

33. Habtemariam, A. , Woldetsadik, A., & Belay, A. (2019) Analyze production, utilization and its future trends of lupin in Ethiopia. American Journal of Plant Sciences, 10, 1797-1812. http://dx.doi.org/10.4236/ajps.2019.1010127.

34. Mancinotti, D., Frick. K.M., & Geu-Flores, F. (2022). Biosynthesis of quinolizidine alkaloids in lupins: mechanistic considerations and prospects for pathway elucidation. The Royal Society of Chemistry, 39, 1423–1437 https://doi.org/ 10.1039/d1np00069a

35. Pereira, A., Ramos, F., & Silva, A. S. (2022). Lupin (Lupinus albus L.) seeds: Balancing the Good and the bad and addressing future challenges. Molecules, 27(23). https://doi.org/10.3390/molecules27238557

36. Rababah, T., Al Udatt, M., & Angor, M. (2023) Nutraceutical and functional properties of lupin protein extracts obtained via a combined ultrasonication and microwave-assisted. Process, 11, 2858. https://doi.org/10.3390/pr11102858

37. Ruiz-López, M.A., Barrientos-Ramírez, L., García-López, P.M., Valdés-Miramontes E.H., & Zamora-Natera J.F. (2019). Nutritional and bioactive compounds in mexican lupin beans species: A mini-review. Nutrients, 11(8), 1785; https://doi.org/10.3390/nu11081785

38. Samtiya, M., Aluko, R.E., & Dhewa, T. (2020). Plant food anti-nutritional factors and their reduction strategies: An overview. Food Production, Processing and Nutrition, 2, 6. https://doi.org/10.1186/s43014-020-0020-5

39. Tei, A., & Wink, M. (1999). Isolation and identification of quinolizidine alkaloids in lupins by GLC-MS. In Lupin, an Ancient Crop for the New Millennium: Proceedings of the 9th International Lupin Conference, Klink/Muritz, Germany, 20-24 June. International Lupin Association.

40. Vollmannova, A., Lidikova, J., Musilova, J., Snirc, M., Bojnanska, T., Urminska, D., Tirdilova, I., & Zetochova, E. (2021).White lupin as a promising source of antioxidant phenolics for functional food production. Journal of Food Quality, Article 5512236. https://doi.org/10.1155/2021/5512236