Bäckerei- und Getreidetechnologie Sitzung des Ausschusses für Bäckerei-Technologie am 22. März 2012 in Minden Optimierung von Weizen- und Reisbackwaren

Bäckerei- und Getreidetechnologie

Sitzung des Ausschusses für Bäckerei-Technologieam 22. März 2012 in Minden

Optimierung von Weizen- und Reisbackwaren durch Phytase-gestützte Sauerteigfermentationen

Klaus Löschettz Bremerhaven


Ziele der Fermentation von Getreidemahlerzeugnissen

1. pH-Wertsenkung2. Erhöhung des Säuregrades3. Aromabildung4. Geschmacksbildung5. Beeinflussung der Geschwindigkeit der Fermentation6. Geringe Verflüssigung des Sauerteiges7. Gebäckqualitätsmerkmale (z. B. Frischhaltung)8. Erhöhung der Bioverfügbarkeit von Nährstoffen (z. B. Mineralien)9. Mikrobiologische Haltbarkeit10. anderes

~ Backfähigkeit


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 1510 20

TA = 200Temp. = 30° C


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 ReaktionenX : 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

SX

A


Abb.: Aufnahme der Nährstoffe und Abgabe von Stoffwechselprodukten durch die Zelloberfläche (Schema)

Gärungsorganismen: Saccharomyces cerevisiae Kluyveromyces marxianus (fragilis)Schizosaccharomyces pombeZymononas mobilisMilchsäurebakterien: verschied. Spezies etc.

ZelleNähr-

stoffe

Stoffwechsel-produkte


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


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


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


Weizen 0,6 – 1,4 % w/w Sojaflocken 1,5 – 1,8 %

Kleie 2,6 – 5,4 % w/w Sojaprotein 2,0 – 3,0 %

Mais 0,9 – 1,0 % w/w Rapssaat 2,0 – 4,0 %

Mais-Keim 5,7 – 6,7 % w/w Rapsprotein 5,3 – 7,5 %

Reis, poliert 0,24 % Reis, unpoliert 0,89 %

Phytinsäure in Getreide und Ölsaaten


Phytaseaktivitäten in verschiedenen Getreidemahlerzeugnissen

Abb.: Phytaseaktivität in µg umgesetztes Phosphor je g Probe und min. von verschiedenen MehlenBedingungen: Inkubationszeit: 20 Min., Inkubationstemperatur: 50°C Inkubationszeit: 20 Min., pH 5,0

Reispuder Weizenmehl Roggenmehlaus Weißmehl Type 550 Type 1150


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800Säur

egra

d °S

in m

L N

aOH

(c =

0,1

mol

/L)/1

0 g

Phytasemenge in ppm T = 25 °C

T = 30 °C

T = 35 °C

T = 40 °C

Einfluss der Menge einer mikrobiellen Phytase und der Temperatur auf den Säuregrad eines Reissauerteiges (Reispuder aus Weißreis)TA = 190; t = 16 h; Starter: 0,5 % PL 1 bezogen auf Mehl (Grafik aus einer multiplen Regressionsgleichung)

Reissauerteig – Einfluss von Phytase und Temperatur auf den Säuregrad von Reissauerteigen


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


OPO3H2

OPO3H2

OPO3H2

OPO3H2

OPO3H2

H2O3PO

+ n H2 0

OH OH

OH

OH

OH

OH

Phytase

Phytase Reaktion

oder Inositol (1~5) Phospate + n H3PO4 (n=1~6)


+ n H20

Phytase

Phytinsäure / Phytat Strukturformel

Abb.: Chemische Struktur von Phytinsäure und von Phytat


0

2

4

6

8

10

12

14

16

1 2 3 4 5 6

Phytate conc. (mM)

Inh

ibit

ion

(%

)

Weizen α-Amylase

Bacillus α-Amylase

Pacreatic lipase

Abb.: Inhibition verdauungsfördernder Enzyme durch Phytate

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2 4 6 8 10

Phytate conc. (mM)

Inh

ibit

ion

(%

)β-Galactosidase

Pepsin


Einfluss einer Phytase auf die Viskosität eines Reissauerteiges

Menge an Phytase (bez. a. Mehl)

Viskosität in Pa s Standardabweichung

0 ppm 2,057 ± 0,143

200 ppm 2,054 ± 0,165

400 ppm 1,705 ± 0,165

600 ppm 1,154 ± 0,003

800 ppm 1,110 ± 0,255

Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011

Verwendeter Sauerteigstarter: PL-1-Starterkultur (Lb. fermentum), Probenahme nach 17 stündiger Fermentation, n=2


Phytase-Wirkung in Reissauerteig

Einfluss einer Phytase auf die Verflüssigung von Reissauerteig links: Lb. fermentum ohne Phytaserechts: Lb. fermentum mit 400 ppm Phytase bez. auf Mehl


Verflüssigung von Reissauerteig durch Phytase

Menge an Phytase (bez. a. Mehl)

Viskosität in Pa s Standardabweichung

0 ppm 1,304 ± 0,129

200 ppm 0,654 ± 0,059

400 ppm 0,511 ± 0,026

600 ppm 0,484 ± 0,029

800 ppm 0,473 ± 0,058

Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von Gluten-free Produkten, 2011

Einfluss einer Phytase auf die Viskosität eines Reissauerteiges, verwendeter Sauerteigstarter: Böcker-Reinzuchtkultur, Probenahme nach 17 stündiger Fermentation, n=2


Einfluss einer Phytase auf die Viskosität eines Reissauerteiges nach 18,5 stündiger Fermentation (Böcker-Reinzuchtkultur)


Phytase = 0 ppmTA = 200Fermentationstemperatur T = 33°CBöcker-Reinzuchtkultur

Phytase = 800 ppm

TA = 200Fermentationstemperatur T = 33°CBöcker-Reinzuchtkultur


Einfluss von Calcium auf die Aktivität von -Amylase

Abb.: Einfluß von Calcium auf die Aktivität der -Amylase in Gegenwart von verschiedenen Phytinsäurekonzentrationen

Quelle:Thompson L. U.: Antinutrients and blood glucose. Food Tech 42 (1988); S. 123-132Haros, M.; Rosell, C. M.:, Benedito, C.: Use of fungal phytase to improve breadmaking performance of whole wheat bread. Journal Agric Food Chem 49 (2001) 11, S. 5450-5454


Einfluß der Phytasemenge und Zeit auf die -Amylaseaktivität

Abb.: Einfluß der Phytasemenge und der Zeit auf die relative -Amylaseaktivität (T= 34 °C; TA = 190)

Bis zu einer Fermentationszeit von ca. 17 h bewirkt eine Erhöhung der Phytasemenge einen Anstieg der -Amylaseaktivität.Das Optimum der -Amylaseaktivität wird nach ca. 14-17 h erreicht und variiert , je nach Höhe der eingesetzten Phytasemenge, von 130-150 %.Fermentationszeiten länger als ca. 17 h bewirken einen Abfall der -Amylaseaktivität.


Bestimmung von Milchsäurebakterien und Hefen in Sauerteigen unter Verwendung einer Böcker-Reinzuchtkultur

Milchsäurebakterien : kbE/ g Sauerteig, unter Verwendung einer PL-Starterkultur, n=2

Stunde 0 ppm Phytase 800 ppm Phytase

0 6,5*102 5,9*102

6 3,7*104 4,8*105

16 3,3*105 2,6*106

Hefen : kbE / g Sauerteig, unter Verwendung einer PL-Starterkultur, n=2


0 1,7*102 2,1*102

6 2,6*104 5,5*104

16 3,5*105 3,5*106

Quelle: Diplomarbeit P. Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von Gluten-free Produkten, 2011


Nachweis von Milchsäurebakterien und Hefen in Sauerteigen unter Verwendung einer PL1-Starterkultur (Lb. fermentum)

Milchsäurebakterien : kbE pro g Sauerteig, unter Verwendung einer Böcker-Starterkultur, n=2


0 9,0*10 1,2*102

6 5,8*104 1,5*105

16 3,2*107 8,5*106

Hefen : kbE pro g Sauerteig, unter Verwendung der Böcker-Starterkultur, n=2


0 2,1*102 1,9*102

6 3,2*105 4,3*105

16 2,0*107 8,5*107



Einfluss von Phytase und eines Sauerteigstarters „PL1“ auf die Leitfähigkeit von Reissauerteigen (Lb.fermentum)


n=2


Einfluss von Phytase und eines Sauerteigstarters „Böcker-Reinzucht“ auf die Leitfähigkeit von Reissauerteigen


n=2


Bestimmung von löslichen Proteinen nach Bradford während Phytase-gestützter Sauerteigfermentation

lösliche Proteine in Reissauerteig in mg/100g, Böcker-Reinzucht, TA=200,

T=33°C, n=2

Konzentration an Phytase in ppm

lösliche Proteine in g/100 g Reissauerteig

0 ppm 0,149

200 ppm 0,137

400 ppm 0,121

600 ppm 0,100

800 ppm 0,115


lösliche Proteine in Reissauerteig in mg/100g, PL1-Starter, TA=200, T=33°C,

n=2

Konzentration an Phytase in ppm

lösliche Proteine in g/100 g Reissauerteig

0 ppm 0,113

200 ppm 0,091

400 ppm 0,055

600 ppm 0,169

800 ppm 0,174

Der Einsatz von Phytase hat einen geringen Einfluss auf die Konzentration der löslichen Proteine.


Methode zur Charakterisierung des Ladungszustandes von Getreidemehlen

Partikelladungsmessung

(PCD = Particle Charge Detector)

• Standardmethode in der Papierindustrie, sowie in der Abwasseranalytik• vereinzelt Einsatz im Bereich der Lebensmittel (Vermeidung von Ablagerungen in Rohrleitungen)

Mütek PCD 03 pH


Proteine Lipide Stärke Salz

Interaktion der funktionellen Gruppen

Gesamtladungsmenge

Funktionelle Eigenschaften

Lebensmittel als elektrolytisch interagierendes System


PCD-Messung (Particle Charge Detector)

Ziel der Ladungscharakterisierung:

Vorhersagbarkeit von funktionellen Eigenschaften, welche die

bisher vorhandenen Messmethoden nicht vorhersagen können,

z. B.

• Teigqualität oder Backfähigkeit eines Mehles

• Mischungsgüte von pulvrigen Mischungen (z.B.

Backmischungen)

• Einfluss von Rezepturbestandteilen auf die

Ladungscharakteristik einer

Getreidemehlmischung (z. B. Salz, Backpulver, Emulgatoren,

Proteine)


PCD-Messung (Particle Charge Detector)

Prinzip der PCD-Messung

• PCD-Messgerät misst ein Strömungspotential

• Polyelektrolyttitration wird durchgeführt

• Endpunkt der Polyelektrolyttitration, wenn

Strömungspotential 0mV (bei Annahme einer 1:1-

Stöchiometrie)

• zum Vergleich mehrerer Proben, welche unter

gleichen

Bedingungen gemessen wurden, reicht der

Titriermittelverbrauch aus und muss nicht

umgerechnet

werden

Grenzmodelle der Symplexbildung a) Leitermodell, b) Rühreimodell

Quelle: http://www.chem.uni-potsdam.de/kolloid/Lehre/Praktikum/Polyelektrolyttitration.pdf (26.10.08)


PCD-Messgerät:PCD 03 pH der Firma Mütek

Schematischer Aufbau einer PCD-Messzelle zur Bestimmung der Ladungsdichte von Partikelsystemen und Polyelektrolyten. (A) Kolben in Ruhe, (B) oszillierende Kolbenbewegung

PCD-Messgerät

Quelle: LOHMANN C.A.; Charakterisierung von ionischen und nicht-ionischen Polymeren im Hinblick auf ihre Anwendung; Dissertation Universität Hamburg 2006

Quelle: http://www.btg-group.com/ products.asp?langage=12&appli=5&numProd=413&cat=prod (20.10.08)


PCD-Messung

Umrechnung des Titriermittelverbrauchs:

(mit q = Gesamtladungsmenge [mol]; V = Volumen des verbrauchten Titrationsmittels [l]; c = Konzentration des Titrationsmittels [mol/l])

(mit Q = Gesamtladungsmenge [C]; F = Faraday-Konstante = 96.486 C/mol)

(mit QM = massenspezifische Gesamtladungsmenge [C/g]; Q = Gesamtladungsmenge [C]; m = Feststoffgehalt der eingesetzten Probe, bzw. deren Wirksubstanz [g])

q V c

Q q F

M

QQ

m

Voraussetzung für eine PCD-Messung ist die Bildung einer elektrischen Doppelschicht um ein Partikel in einem Lösungsmittel.


Ergebnisse von PCD-Messungen

-3,50

-3,00

-2,50

-2,00

-1,50

-1,00

-0,50

0,00

0 10 20 30 40 50 60 70

mas

sens

pez

ifis

che

Lad

ung

smen

ge

QM

in C

/g

Quellzeit der Mehl-Wasser-Suspension in min

PCD-Messungen von Weizenmehl Type 550 & Maismehl in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen(Mischungsverhältnisse in Weizenmehl:Maismehl angegeben)

Maismehl Weizenmehl:Maismehl 1:5-Mischung Weizenmehl:Maismehl 1:2-Mischung

Weizenmehl:Maismehl 1:1-Mischung Weizenmehl:Maismehl 2:1-Mischung Weizenmehl:Maismehl 5:1-Mischung

Weizenmehl

T=20 � C=const.


Einfluss einer Phytase auf die Ladungsmengen eines Reismehles mit unterschiedlicher Dosierung einer Phytase nach verschiedenen Quellzeiten


n= 2, Messtemperatur 20°C ; ppm: bezogen auf Mehl


Einfluss einer Phytase auf die Ladungsmenge im Reissauerteig


PL1-Starterkultur, n=2, Messtemperatur 20°C

Böcker-Reinzucht, n=2, Messtemperatur 20°C


Sensorische Bewertung –Reissauerteig mit Phytase

Handelsüblicher Starter PL3 (enzymgestützt)

Geschmack wenig sauer milchsauer

Geruch etwas muffig, nach gekochtem Reis

michsauer, leicht hefig, rein, fruchtig

Struktur bröselig, fest cremig, homogen

Gashaltung/ -bildung arttypisch gering üppig

Tab.: Einfluss von handelsüblichen Sauerteigstarter und PL3 (Phytase-aktiver Sauerteigstarter) auf die Eigenschaften eines Reissauerteiges (Reispuder auf Weißreis)


Reis-Brote mit 0 und 200 ppm Phytase (bez. auf zu versäuerndes Mehl)


0 ppm 200 ppm

verwendeter Sauerteigstarter: Böcker-Reinzucht


Back-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


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

PL 1 PL 3 (Phytase)

Farbe Helle Kruste Dunkle, typische Brotfarbe

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

Geschmack Etwas leerAromatisch, fruchtig (wenig nach Reis)

Elastizität Geschwächt, krümeltElastische Krume, kein Krümeln

Schneidbarkeit Ungünstig Gut

Frischhaltung Gering Ausgeprägt

Sensorische Bewertung – Reisbackware mit Phytase


Ohne Weizensauer-teig

PL 1 – Weizensauerteig 10 %




Backergebnisse: Phytase-gestützte Weizensauerteige im Vergleich

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


Ohne Weizensauer-teig


PL 1 – Weizensauer-teig 20 %



Weizensauerteig TA 200, Fermentationszeit 16 Stunden bei 35°C

Phytase-gestützte Weizensauerteige im Vergleich


Aroma compounds from arabinoxylan-bound hydroxycinnamic acids (Vogel, 2011)

Chemical Structures of Phenolic Compounds in Cereals

Gallic:R1=R2=R3=OHVanillic:R1=H, R2=OH, R3=OCH3

ferulic: R1=OCH3, R2=OH, R3=Hp-coumaric: R1=H, R2=OH, R3=Hsinapic: R1=OCH3, R2=OH, R3=OCH3

caffeic: R1=R2=OH, R3=H

Ferulic acid concentration > 1% in aleurone cell walls

BenzoatesBenzoates CinnamatesCinnamates


Lactic acid bacteria ( like PL 3) and yeasts ( e.g. dekkera) with e.g. phenolic acid decarboxylases activities (and transaminases) creats aroma active volatile phenols (Vogel, 2011)

Abb.: Biosynthese of 2-Phenylethanol from Phenylalanin (Hall, 2001)


Phytase

Phytase

Milchsäure-bakterien, Hefen

Milchsäure-bakterien, Hefen

-Amylase-Amylase

Fermentation:- beschleunigt- hohe KbE- erhöhtes Gashaltevermögen- Intensivierung der Aromabiosynthese (fruchtiges Aroma)

Fermentation:- beschleunigt- hohe KbE- erhöhtes Gashaltevermögen- Intensivierung der Aromabiosynthese (fruchtiges Aroma)

Stärke

Calciumionen,

Ca2+

ortho-Phosphatemyo-InositMineralien (Ca, Mg, Fe, …)Spurenelemente (Selen …)

Oligosaccharide

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

Proteine, PeptideProteine, Peptide

Rheologie: vermehrt plastische Teigeigenschaften, Intensivierung der Bräunungsreaktion beim Backvorgang

Rheologie: vermehrt plastische Teigeigenschaften, Intensivierung der Bräunungsreaktion beim Backvorgang

Phytin-säure

MeMe

Protein A Protein B

Metalle (Fe, Cu…)

Metalle (Fe, Cu…)

KatalyseMaillard-Reaktion

Fermentation: Wachstum, Biosynthese anderes


Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Eine Phytase-gestützte Sauerteiggärung beeinflusst vielfältig das Gesamtsystem vom Sauerteig

bis hin zur Backware:

• Erhöhte Säuregrade während der Gärung• Aktivierung von Enzymen wie α-Amylasen im Verlauf der Fermentation• Beschleunigte Gärraten (u.a. erhöhte kbE ggf. durch erhöhte Bioverfügbarkeiten von

Nährstoffen bzw. Mineralien und Spurenelementen)• Verringerte Viskositäten bis hin zur Verflüssigung (namentlich bei Reissauerteigen)• Massenspezifischer Ladungswechsel (Coulomb/g) nach einer Phytase-gestützten

Reissauerteiggärung (von anionisch nach kationisch) ist besonders ausgeprägt.• Fruchtige Aromanoten nach Phytase-gestützter Gärung und nach dem Backen (insgesamt

aromatisch) werden beobachtet, Decarboxylierungen und Transaminierungen z.B. von phenolischen Säuren können vermutet werden (Bsp.: Phenylalanin nach Phenylethanol)

• Verbesserte Teigrheologie: mehr plastische Teigeigenschaften liefern Maschinengängigkeit• Intensivierte Bräunungsreaktionen beim Backen (arttypisches Gebäck-Aroma,

arttypischer Geschmack namentlich auch bei Reisbackwaren) kann theoretisch der Freisetzung von katalytisch reaktiven Metallen durch Phytase–Reaktionen zugeschrieben werden

• Insgesamt und vergleichsweise günstigere Qualitätsmerkmale bei Backwaren aus einer Phytase-gestützten Fermentation (u.a. Frischhaltung, Farbe, Struktur, Schneidbarkeit)


Danksagung

Ich danke nachstehenden Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern /Studenten :

•Thomas Park, Dipl.-Ing.(FH)•Patrick Welt , Dipl.-Ing.(FH)•Markus von Bargen, Teamleiter•Iris Auffarth , Laborleitung•Julia Börsmann, Dipl.-Ing.(FH)


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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!


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