Backforum Hannover Führerschein Backtechnologie 19. - 21. Juni 2012, Hannover

Baustein C: Ofensteuerung

Neuartige Ansätze zur Generierung von Aroma und Geschmack

bei Backwaren

Beeinflussung und Verhältnis von Aroma- und Geschmacksstoffen durchFermentation und Backprozess (Rothe, modifiziert)

Percursoren- Zucker- Aminosäuren- Fettsäuren

Enzyme

sek. Inhalts-stoffe

anderes

Substrat(Mehl etc.)

Fermentation Backprozess

Amine

Ester

Alkan-Alkohol

Fettsäuren

Aldehyde

Hydroxy- und

Ketosäuren

KetoneLactone

Alken-Alkohol

FuranDerivate

Pyridine

Pyrazine

Pyrrole

HeterocyclischeVerbindungen

Hydroxy- und Ketone

Katabolismus, partiell Anabolismus

Maillard-ReaktionenKaramellisierungen

Steuerung der Ornithinbildung durch L. pontis und L. reuteri

•2-Acetyl-1-Pyrrolin ist ein Schlüsselaromastoff in Weizenbroten, welcher zum röstigen Aroma der Kruste beiträgt

•2-Acetyl-1-Pyrrolin entsteht während der Backens aus einer Dikarbonylkomponente und Ornithin

•Ornithin ist keine proteinogene Aminosäure und wird von einigen Laktobazillen aus Arginin gebildet

•Der Gehalt an Aminosäuren (Arginin) in Brotmehlen ist gering!

Taste and Flavor

Bildung von 2-Acetyl-Pyrrolin bei der Brotherstellung

Thiele, Gänzle, Vogel 2002 Cereal Chem 79:45; 2003, J. Agric Food Chem 51:2745Schieberle, 1996 Adv. Food Sci 18:237; Kang, Hertel, Brandt, Hammes, unveröffentlicht

Character impact compounds

Proteolytischer Abbau durch

Mehl-Proteasen

Fermentation

Maillard-Reaktion

Backen

Arginin-Deiminase Wegvon L. pontis u. a.

Fermentation

Ornithinbildung in Sauerteigen

Biotechnolgical formation of character impact compounds

Abb.: Grundreaktion aller Fermentationen

Mikrobieller Stoffwechsel als Grundlage von Fermentationen

Allen Fermentationen gemeinsam ist die Grundreaktion:

Substrat (S) Stoffwechsel Stoffwechselprodukte (X)

+ Mikroorganismus (A) (Zellzuwachs) + vermehrte Mikroorganismus (A)

Stoffbilanz: S=X+∆ A

(X dominiert bei katabolischen Reaktionen

X : z. B. mehr Aromabiosynthese etc.)

Voraussetzungen:

1. Das Substrat muss nutzbar sein, Nähr- und Wuchsstoffe enthalten

2. Die physikalisch-chemischen Bedingungen müssen geeignet sein.

Zeit →

↑Menge S

X

A

Ziele der Fermentation von Getreidemahlerzeugnissen

1. pH-Wertsenkung

2. Erhöhung des Säuregrades

3. Aromabildung

4. Geschmacksbildung

5. Beeinflussung der Geschwindigkeit der Fermentation

6. Geringe Verflüssigung des Sauerteiges

7. Gebäckqualitätsmerkmale (z. B. Frischhaltung)

~ Backfähigkeit

Abb.: Zuckerkomposition in Weizenmehl (T. 550) der Ernte 2003

Abb.: Fermentationsleistung von Lactob. fermentum (PL 1) in Weizen- und Roggensauerteig (einstufige Führung)

0

5

10

15

20

1 3 5 7 9

11 13 15 17 19 21 23 25

Zeit (h)

Säu

regr

ad (0

,1 m

ol N

aOH

)

Weizen-Sauerteig

Roggen-Sauerteig

5 15

10

20

TA = 200

Temp. = 30° C

Abb.: Säuregrad und pH-Wert von Reissauerteig (Reispuder aus Weißreis).

Einstufige Führung, TA = 200, T = 35 °C (konst.), Starter: 0,5 % PL 1 bezogen auf Mehl

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

pH

-We

rt

S°

in m

L N

aO

H (

c =

0,1

mo

l/L)/

10

g

Zeit [h]

0 ppmPhytase

pH-Wert 0 ppm

Charakterisierung der Fermentation von Reissauerteig

Geringe Säuregradentwicklung!

Säure-grad

pH-Wert

Phytaseaktivitäten in verschiedenen Getreidemahlerzeungissen

Abb.: Phytaseaktivität in µg umgesetztes Phosphor je g Probe und min. von verschiedenen Mehlen

Bedingungen: Inkubationszeit: 20 Min., Inkubationstemperatur: 50°C Inkubationszeit: 20 Min., pH 5,0

Phy

tase

aktiv

tät

in µ

g P

/(g

min

)

2,6

49,7

169,5

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Reispuder Weizenmehl Roggenmehlaus Weißmehl Type 550 Type 1150

Einfluss einer mikrobiellen Phytase auf den Säuregrad und den pH-Wert von Reissauerteig (Reispuder aus Weißreis).

Einstufige Führung, TA = 200, T = 35 °C (konst.), Starter: 0,5 % PL 1 bezogen auf Mehl

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

pH

-We

rt

S°

in m

L N

aO

H (

c =

0,1

mo

l/L)/

10

g

Zeit [h]

0 ppmPhytase200 ppmPhytase400 ppmPhytase800 ppmPhytasepH-Wert 0 ppm

pH-Wert 200 ppm

pH-Wert 400 ppm

pH-Wert 800 ppm

Säuregrad = ca. 75 %

Reissauerteig

Aleurone – Concentrated Source of Phytic Acid (~ 4%)

Phytic acidMyoinositol hexaphosphate

Aleurone cell with inclusion bodies containing protein and phytin

*Hoseney (1994). Principles of Cereal Science and Technology.

OPO3H2

H2O3PO OPO3H2

OPO3H2

OPO3H2

H2O3PO

PL 1 PL 3

PL 3 + Phytase

Ergebnisse – Reissauerteige aus enzymgestützer Fermentation

Führungsbedingungen:

TA: 180

T: 35 °C, 80 % rel. Feuchte

t: 16 h

Tab.: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteig - Fermentation auf Reisbrotqualitätsmerkmale

PL 1 PL 3 (Phytase)

Farbe Helle Kruste Dunkle, typische Brotfarbe

Geruch Leer, nach ReisAromatisch, brottypisch (wenig nach Reis)

Geschmack Etwas leerAromatisch, brottypisch (wenig nach Reis)

Elastizität Geschwächt, krümeltElastische Krume, kein krümeln

Schneidbarkeit Ungünstig Gut

Frischhaltung Gering ausgeprägt

Sensorische Bewertung – Reisbackware mit Phytase

Ergebnisse – Reisbrote aus enzymgestützer Fermentation

PL 1 PL 3 PL 3 + Phytase

PL 1 PL 3 PL 3 + Phytase

Abb.: Einfluss von Phytase auf die Qualität bei Reisbrot

Phytase

Milchsäure-

bakterien, Hefen

-Amylase

Milchsäure, Essigsäure,

CO2, Aromastoffe

Stärke

Calciumionen, Ca2+

ortho-Phosphat

myo-Inositol

Mineralstoffe (Ca, Mg, Fe, …)

Oligosaccharide

Einfluss von Phytase auf Teig und Gebäck (Thesen) Model: schematisch

Proteine,

Peptide

Rheologie, Hefe, Aroma, Geschmack

Phytinsäure

MeMe

Protein Peptide

Ohne Weizensauer-

teig

PL 1 – Weizensauertei

g 10 %

PL 1 – Weizensauerteig

20 %

PL 3 – Weizensauerteig

10 %

PL 3 – Weizensauerteig

20 %

Phytase-gestützte Weizensauerteige im Vergleich

Einfluss von Phytase (PL3) auf die Qualitätsmerkmale von Weizenbrot (Weizensauer: TA 200, Fermentation bei 16 Std. und 35°C)

Abb.: Backtechnische Bedeutung amylolytischer Abbaureaktionen im Teig im Wechselspiel mit der Biosynthese von Hefegärungsprodukten (Schema)

Bräunungsreaktion

Enzym  

α-Amylase β-Amylase 

Hefegärung

CO2 + Alkohol

Teig-Enzyme und Hefe im Wechselspiel

Substrat

Dextrine

Bräunungsreaktion, Aroma und Geschmack

ProdukteEnzym

Stärke

allgemein:

β-Maltose

Hefegärung

CO2 + Alkohol, Aroma

α-Amylase

(Mehlenzyme) speziell:

β –Amylase

(Mehlenzyme)

X/

X/

Abb.: Schnittbrötchen mit einem enzymschwachen Mehl (Fallzahl: 390sec.) gebacken. Die oberen Gebäcke wurden ohne einen Weizensauerteig, die unteren Gebäcke dagegen mit einem Weizensauerteig geführt. Die Teiglinge werden 20h bei unterschiedlichen Temperaturen gärverzögert. Nach einer Zwischengare bei 20°C / 90% r.F. (3h bei den –5°C, 2h bei den 0°C und 1h bei den +5°C Teiglingen) und einer Endgare bei 35°C / 75% r.F. bis ¾ Gare werden die Teiglinge gebacken.

Enzym-ManagementAktivierung der α-Amylase durch Weizensauer

Abb.: Einfluss einer Säuerung auf die Aktivität der α-Amylase in Weizenteigen

Optimierung der Gebäckqualität

α-Amylase WM T. 550„pH-Shifting“ durch Säuerung in das Aktivitäts-Optimum der α-Amylase hinein

Aroma, Geschmack, Bräunung

hoch

mittel

gering

4 5 6 7

4 5 6 7

Teig ungesäuert

Säuerung

Enzym-

Aktivität [U]

Abb.: Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Hefe (blaue Kurve) und Enzymen (rote Kurve).- Vereinfachte schematische Darstellung - Bsp.: Eine Verminderung der Teigtemperatur um 10°C reduziert die Hefegärung 5-10 fach, die Enzymtätigkeit aber nur 2-3 fach

Reaktionsraten von Hefen und Enzymen

Temperatur

Gärsteuerung ist Klimatechnik

SorptionsisothermenDie Sorptionsisotherme ist die graphische Darstellung des Sorptionsverhaltens einer Substanz (bei konstanter Temperatur). Sie beschreibt die Beziehungen zwischen dem Wassergehalt der Substanz und der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft bei einer bestimmten Temperatur . Im geschlossenen Gärautomat stellt sich in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Ware die von der Sorptionsisotherme angegebene Luftfeuchtigkeit ein, bis ein Gleichgewicht zwischen Ware und Umgebungsluft erreicht ist. Man spricht von der Gleichgewichtsfeuchte.

Prinzip der Ultraschallvernebelung

• Mechanische Schwingungen die von der Oberfläche von Wasser Aerosoltröpfchen ablösen• Größe der Wassertröpfchen abhängig von der Ultraschallfrequenz (mind. >1MHZ)• Massenoutput, energetisch günstig

Abb.: Aerosole werden durch die Luftströmung im Befeuchter ausgetragen und vermischen sich sehr schnell mit der Umgebungsluft. Sie haben einen sehr kleinen Durchmesser (~ 0,001 -0,005mm) und bilden deshalb einen frei schwebenden Nebel.

Die piezokeramischen Wandler (Transducer, Schwinger)

Ultraschallvernebelung

Dampfbefeuchter Ultraschall

Abb.: Einfluss der Tröpfchengröße auf die Qualität von Backwaren bei GU-Verfahren (20 Stunden)

Optimierte Feuchteverteilung in GU-Teiglingen durch verbesserte Wärmeleitung

Ausdehnung Ausdehnung

GV-Verfahren im Vergleich

GV: Elektroverdampfer GV: Ultraschalltechnologie

Abb.: Einfluss einer Ultraschall-Klimatisierung während eines GV-Prozesses bei Brötchen auf die Qualitätsmerkmale (gleiche Backbedingungen)

Einfluss der Ultraschalltechnologie im direkten Vergleich zu einem Elektrodampfbefeuchter nach der Gärverzögerung von 12 Stunden

Einfluss einer Austrocknung von Teiglingen auf die Qualitätsmerkmale von Backwaren

Umgebungsfeuchte ≌ 85 % rel. Feuchte (Stand der Technik)

GF < 96 %!

DesorptionDesorption

Hautbildung: Kruste dünn, wenig porös, wenig Fensterung, oft Trockenzone

Trockenzone

Desorption

Krume: aw = 0,96

Temperatur-Gradient ≙ hoher Energieaufwand

Hautbildung:

physikalisch: Verlust an Wärmeleitung, geringere Membran-Flexibilität, weniger Gasexpansion, geringe Porosität, u. a.

(bio)-chemisch: verminderte Enzymaktivität, verminderte Reaktivität (Maillard-Reaktion) u. a.

mikrobiologisch: verminderte Hefe- und Bakterien-Aktivität

Vermeidung von Austrocknungsvorgängen bei Teiglingen: Intensivierung von Aroma, Geschmack und Rösche

Gleichgewichtsfeuchte GFUmgebungsfeuchte ≌

96 % rel. Feuchte

GF > 96 %! Rel. Feuchte ≙ 96 %

Keine Hautbildung: Kruste porös und ausgeprägt (gute Fensterung), keine Trockenzone

GF 96 %≙

Temperatur-Gradient ≙ geringer Energieaufwand

Vermeidung einer Hautbildung:

physikalisch: Erhalt der Wärmeleitfähigkeit (innen = außen), Erhalt der Membran-Flexibilität: gute Expansionsfähigkeit

bei Gasausdehnung, hohe Porosität etc.

(bio)-chemisch: Enzymaktivität innen und außen gleich hoch, hohe Reaktivität (Maillard), Aroma und Geschmack intensiviert

mikrobiologisch: Hefe- und Bakterien-Aktivität, innen wie außen = gleich hoch

Kaltnebel !

Krume:aw = 0,96

Frisches Restbrot Rückbrot (altes Brot)

- enzymatische Verflüssigung - Verflüssigung (enzymatisch)

- Verzuckerung - Verzuckerung

- Proteinabbau - Fraktionierung

- Fermentation - Fermentation

- Pasteurisation - anderes

- Trocknen

- anderes

Säuren (Milchsäure

Backwaren – Sirup Ethanol (Energiequelle)

Hefe u. CO2

Eiweiß etc.

Neuartige Restbrot – Technologien im Prinzip

Reaktionsaromen: Erhitzte Aminosäuren in Gegenwart von Glucose (Rohan, 1999)

Aminosäure Reaktionsaroma (sensorischer Eindruck)100° C 180° C

Asparaginsäure Candy Karamel

Threonin Schokolade angebrannt

Serin Ahorn Sirup --

Glutaminsäure Karamel angebrannter Zucker

Prolin verbranntes Eiweiß Brotaroma

Glycin Karamel angebrannter Zucker

Alanin Karamel angebrannter Zucker

Valin Roggen-Brot Schokolade (penetrant)

Ornithin Weißbrot Brotaroma

Isoleucin muffig, fruchtig, aromatisch angebrannter Käse

Leucin Schokolade angebrannter Käse

Tyrosin Róse, Parfüm, Karamel Veilchen, Flieder

Lysin -- Brot

Histidin -- Maisbrot butterartig

Arginin butterartig verbrannter Zucker

Fermentative Umsetzung von flüssigen Backwaren

Backware

Backwaren - Sirup

Sauerteig

Hauptteig

Gebäck

Schaffung von Precursoren

Fermentative Umsetzung in Arginin, Ornithin etc.

Verarbeitung

Arttypisches, herzhaftes Aroma, sehr intensiver angenehmer Geschmack

Abb.: Schematische Darstellung einer fermentativen Umsetzung von Backwaren-Sirup

Restbrot

Mixen

Reaktion- Amylasen

- Hemicellulasen-Proteasen

- andere

Backwaren - Sirupe

Maillard - Reaktion

Abb. Technologie einer Restbrot – Verwertung zur Herstellung von Backwaren - Sirup

Standard-Sirup: Aroma,Geschmack,Frischhaltun

g

Farb - SirupCa.120 °C

Variation in der Sirup-Herstellung

Ca.60 °C

Fig.: Enzymatical Hydrolysation of Bread-Rework

Dextr

ose-E

qu

ivale

nt-

Valu

e (

DE)

(based

on

dry

mass)

50

100 150

0

20

10

30

40

50

60

t (min)

Temp.: ca. 60°C = const.

Reaction Kinetic in Hydrolysing of Baked Good (Zwieback)

Fig.: Use of Syrup in High-Ratio Baked Goods (Zwieback) in comparison to Glucose-Syrup (standard)

Charakterisierung von „Zwieback“ hergestellt mit Glucose-Sirup bzw. „ Zwieback-Sirup“

Backeigenschaften

Farbe v. d. Rösten

Farbe n. d. Rösten

Poren-Strukturen

Bruch-Eigenschaften

Schnittfläche

DE – Wert

Trockenmasse %

arttypisch

normal

typisch gold-braun homogen

fein, homogen

spröde, arttypisch

sehr homogen, glatt

11,2

99,23

arttypisch

normal

typisch gold-braun unregelmäßig

fein, homogen

spröde, arttypisch

etwas unregelmäßig, inhomogen

12,5

99,3

Zwieback-Sirup Glucose -Sirup

mit

Backwarensirup

ohneBackwarensirup

Anlagen und Produkte (Rest-Backwaren)

Abb.: 500 Liter-Pilot-Anlage zur Herstellung von Backwaren-Sirup

Herstellung von Zwiebackmilch mit anschließender Pasteurisation und Verpackung

Abb.: Fließschema: Herstellung von Zwiebackmilch mit anschließender Pasteurisation und Verpackung

Neue Produkte : Neue Applikationen

Abb.: Backwarensirupe aus Feinen Backwaren

Backwarensirup: vielseitiger Rohstoff mit neuartigen Möglichkeiten

Produkt Anwendungen

Brötchen, Toast, Baquette etc.

Dunkle Backwaren(Vollkorn etc.)

Mischbrot

Zwieback

Waffeln(z. B. Eiswaffeln, Twix)

Extrudate

Vorteige (Sauerteig, Brühstück)

Aroma, Geschmack, Volumen „clean label“, Einsparpotential

Ersatz für Zuckercouleur, arttypische Farbe, Aroma und Geschmack

Mehlsubstitution, Frischhaltung, Aroma und Geschmack

Substitution von Zuckerstoffen (Glucose-Sirup), Anlagenfähigkeit etc.

Vermeidung von Gebäckfehlern (Risse), Anlagenfähigkeit, Substitution von Zuckerstoffen, verbesserte Qualitätsmerkmale

Extrudierbarkeit verbessert, Intensivierung von Aroma, Geschmack, Textur und Farbe, Einsparpotential

Aroma, Geschmack, innovative Technologie...

SnacksDie Evolution des Marktes

BiFi

HeuteGestern Morgen

Pausenbrot Joghurt mit Cerealien

Müsliriegel

…Snack Drinks

Das Thema ‚Snack für zwischendurch‘ ist schon lange aktuell

Quelle: Döhler Marktforschung

Schoko-riegel

Zusammenfassung

- Enzymausstattung spezieller Starterkulturen liefert „Schlüsselaromastoffe“

- Phytase-gestützte Fermentationen generieren authentisch Aroma und Geschmack bei verbesserten Teigeigenschaften

- Weizensauer aktiviert die α-Amylase und unterstützt die Bildung von Aroma- und Geschmacksstoffen

- Die Vermeidung von Desorptionsvorgängen während der Teigphase (Gären, Kühlen, etc.) erhöht den Wärme- und Stofftransport und sorgt für qualitativ hochwertige Backwaren mit intensiven Aroma und Geschmack sowie langanhaltende Rösche

- Backwarensirup liefern neuartige Ansätze um arttypische, betriebstypische Aroma- und Geschmacksstoffe zu erzeugen. Sie stellen eine innovative Basis dar für z. B. „flüssige Backwaren“ (smoothies, snack drinks, Füllungen etc.)

ttz Bremerhaven Am Lunedeich 1227572 BremerhavenTel. : +49 471 97297-0 Fax.: +49 471 97297-22

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Bäckerei- und Getreidetechnologie