Schutzmassnahmen zur Verhinderungvon Fadenziehen – aktueller Forschungsstand

Prof. Dr. Corinne Gantenbein-Demarchi, HSW

57. Tagung für Bäckerei-Technologie in Detmold7. – 9. November 2006

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Übersicht

Ausgangslage und Zielsetzungen der Forschungsarbeiten

Das Schadbild „Fadenziehen“ und die Ursachen

Die Gattung Bacillus und Bacillus subtilis

Übersicht Untersuchungen

Wichtigste Ergebnisse

Schlussfolgerungen und Ausblick

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Ausgangslage

CH 2002/03: Bei Weizenbrot wird verschiedentlich das Verderbsbild „Fadenziehen“ beobachtet.

Es ist nicht klar erkennbar, welche Zusammenhänge zu diesem Auftreten von Fadenziehen geführt haben.

Es sind dringend Lösungen für die Praxis gefordert, mit denen ein Verderb von Brot durch Fadenzieher verhindert werden kann.

Die Hochschule Wädenswil wird beauftragt, sich mit der Problemstellung auseinanderzusetzen und Vorschläge zur Lösung des Problems zu erarbeiten.

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Zielsetzungen

1. Erfassung der Problematik „Fadenziehen“.2. Evaluation der Einflussgrössen, die das „Fadenziehen“

verursachen und beeinflussen.3. Evaluation von Schutzmassnahmen, mit denen das

„Fadenziehen“ verhindert werden kann.

Forschungsarbeiten an der HSW 2003 – 2006 Egli, Markus:(2003): Untersuchung zur gegenwärtigen Situation „Fadenziehen“ in Backwaren

und Ausarbeitung von Schutzmassnahmen. Semesterarbeit Hochschule Wädenswil, unveröffentlicht.

Sutter, Miriam (2004): Evaluation von Schutzmassnahmen zur Verhinderung von „Fadenziehen“ in Backwaren. Semesterarbeit Hochschule Wädenswil, unveröffentlicht.

Wüthrich, Edith (2005): Schutzmassnahmen zur Verhinderung von „Fadenziehen“ in Backwaren: Optimierung der Massnahmen und Implementierung in der Bäckerei. Semesterarbeit Hochschule Wädenswil, unveröffentlicht.

Capatt, Maja (2006): Verifikation von Schutzmassnahmen zur Verhinderung des Verderbsbild „Fadenziehen“ in Backwaren und Evaluation von Schnellmethoden zur Früherkennung des Schadbild. Semesterarbeit Hochschule Wädenswil, unveröffentlicht.

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Das Schadbild „Fadenziehen“

Hauptsächlich betroffene BrotsortenWeizenbrot, Weizenmischbrot oder Hefegebäck

VerderbsbildSüsslicher, obstartiger GeruchBitterer GeschmackBrotkrume verfärbt sich Brot wird schmierig und pappig Fadenbildung

VerderbserregerBacillus subtilis u.a. Bacillus-Arten

Einflussfaktoren:Kontamination: Mehl, Rework, …Klimabedingungen Ernte, Keimbelastung MehlBackzeit und AuskühlbedingungenLagerbedingungen

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Mikrobiologische Belastungvon Weizen und Mehl: Untersuchungen Australien, 2003

Organismus % Positive Proben

Aerobe Thermophile

50 65 61 35 29 53 6

Hefen 100 97 76 40 45 92 66

Weizen Air cond.

Erster Bruch

End-Behand.

Mehl Kleie Weizen-keime

Coliforme 93 93 70 81 82 89 98

E.coli 0 14 4 5 1 4 11

Bacillus spp. 91 83 76 70 65 94 82

B.cereus 81 64 78 70 93 94 64

Mes.aerobe Sporen

95 98 87 79 77 94 93

Schimmelpilz 100 99 94 93 96 96 100

Berghofer et al. (2003): Microbiology of wheat and flour milling in Australia. Int. J. Food Microbiol. 85, S. 137-149

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Verursacher von Fadenziehen –Bacillus subtilis und andere Bacillus-Arten

Bacillus-Arten Fadenzieher

Bacillus subtilis

B.amyloliquefaciens

B.circulans

B.stearothermophilus

B.pumilus

B.licheniformis

B.megaterium

B.polymyxa

B.macerans

B.cereus (inkl.B.mycoides)

Unakzeptierbares Profil

• Bakterielle Sporenbildner mit hitzeresistenten Sporen

• Vorkommen: Erde, Staub, Pflanzen, …

• Keine Inaktivierung beim Backprozess

• Fakultativ anaerob, mesophil

• Amylase- und Protease-Aktivität

• Verderbs- und teilweise Vergiftungserscheinungen

Thomson et al. (1993): Spoilage of bread by Bacillus. Int.Biodeterior.Biodegrad.32, S.55-66

wichtigsteVerursacher von Fadenziehen

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In Weizen und Weizenmehlen nachgewiesene Vertreter der Gattung Bacillus

Weizen WeizenmehlBacillus-Arten

n % n %

B. brevisB. cereusB. circulansB. coagulansB. insolitusB. licheniformisB. megateriumB. pumilusB. subtilis

-212410212-6

-3.521.07.617.636.93.5-

10.5

-61-77--7

-21.43.6-

25.025.0

--

25.0

Röcken, W., Spicher, G. (1993): Fadenziehende Bakterien – Vorkommen, Bedeutung und Gegenmassnahmen. Getreide, Mehl und Brot 47, S. 30-35

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Bacillus subtilis als LM-Vergifter ?(diverse Literaturquellen)

Betroffene Lebensmittel Anzahl Fälle (Gesamte Fälle 175)

%

Fleischpasteten, FleischrouladenIndische ReisgerichteChinesische ReisgerichteBrot, KuchenGeflügelpastetenFleisch- / Paté-SandwichPizzaGriechische ReisgerichteVerschiedene GerichteUnbekannt

251712104444

je 210

Symptome: Erbrechen, Durchfall, Magenkrämpfe, Brechreiz, Kopfschmerzen, Schweissausbrüche

Infektionsdosis: ab 105 bis 106 KBE / gFadenziehen: ab 107 bis 108 KBE / g(KBE = Kolonie bildende Einheiten)

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Isolation und AnalyseBacillus-Stämme

Standardisierte Bedingungen,die zum „Fadenziehen“ führen

Isolate ausverdorbenem Brot DSM-Stämme

Einfluss derSporenkonzentration

OptimaleFadenbildner

Einfluss Temperatur-und Zeit

Evaluation Messmethodik zurErfassung des Fadenziehens

Evaluation von Massnahmen zurVerhinderung des Fadenziehens

MikrobiologischeUntersuchungen

SensorischeUntersuchungen

VisuelleUntersuchungen

Sauerteigzusatz: Evaluationoptimale Konzentration

Einfluss auf dieEntwicklung des

Schadbilds Fadenbildung

Einfluss auf dasWachstum vonBacillus subtilis

Milchsäure undEssigsäure-Konz.,

pH-Werte

Ablauf der Untersuchungen an der Hochschule Wädenswil

Phase 1

Phase 2

Phase 3

Phase 4

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Phase 1 und 2:Standardisierte Methode „Fadenziehen“

Mit zwei Isolaten B. subtilis aus verdorbenem Brot kann in ungesäuertem Weissbrot Fadenziehen verursacht werden

Geprüfte Sporenkonzentrationen B. subtilis in Teig: 101 bis 108/gIn 1 Tag vermehrt sich Bacillus subtilis unabhängig von der anfänglichen

Sporenkonzentration auf 107 bis 109 KBE/g Brot (KBE = Kolonie bildende Einheiten)

Das Schadbild Fadenziehen wird innerhalb von 1 Tag hervorgerufen DSMZ-Stämme B. subtilis: verursachen kein Fadenziehen

(DSM = Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen)

Impfmaterial A

1.00E+02

1.00E+031.00E+04

1.00E+05

1.00E+06

1.00E+071.00E+08

1.00E+09

V1 V2 V3 V4 V5

Bacillus- Konzentration in den Broten bei 37°C

log

KBE

/g angeimpftnach 1 Tag

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Phase 3/4:Übersicht Versuche mit Vorteig

Untersuchungen auf:B. subtilispH-WertMilch- und EssigsäureFadenziehen (optisch und Geruch)

M ehl1250 g

W asser750 g

Hefe62.5 g

Sa lz18.8 g

Im pfkonzentration5*10^1 Sporen/ g

Vorte ig-konzentra tion

3% , 6% , 9% ,12%

C hem isch-physikalischeA nalysen

Backen30 M in / 230°C

Te ig herste llen

Lagern24 h / 37 °C

Sensorische,M ikorbiologische und

chem isch-physikalischeA nalysen

Lagernbis Fadenziehen / 37 °C

Sensorische,M ikorbiologische und

chem isch-physikalischeA nalysen

Sensorische,M ikorbiologische und

chem isch-physikalischeA nalysen

Probenmaterial: Fadenziehendes Brot Impfkonzentration B. subtilis-Sporen: 5x101/g Teig Lagerung bei 37oC

Sauerteigzugabe von 0 bis 12% zum Teig(Einsatz von Sauerteig aus einem schweizerischen Backwarenbetrieb)

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B. subtilis und Fadenziehen bei verschiedenen Sauerteigkonzentrationen

0

1

2

3

4

5

Vorteigkonzentration [%]

Tage

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1.E+08

1.E+09

KB

E/g

0 0 0 0 0 0 0 1 1 1.5 2 2 3 3 3 3 4 4 5 5 6 6 6 6 6 12 12 24

Erst ab Sauerteigzugabe von 12 % kann ein stärkeres Wachstum von Bacillus subtilis ( ) sowie ein Fadenziehen verhindert werden ).

14

pH-Wert und Fadenziehen bei verschiedenen Sauerteigkonzentrationen

0

1

2

3

4

5

Vorteigkonzentration [%]

Tage

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

pH n

ach

24 h

0 0 0 0 0 0 0 1 1 1.5 2 2 3 3 3 3 4 4 5 5 6 6 6 6 6 12 12 24

Erst ab Vorteigzugabe von 12 % sinkt der pH-Wert im Brot unter 5.5 ( ), Fadenziehen wird verhindert ( )

15

0

50

100

150

200

250

300

Vorteigkonzentration [%]

Milc

hsäu

re, E

ssig

säur

e [m

g/l]

4.5

5

5.5

6

pH T

eig

Milchsäure Essigsäure pH Teig

0 0 0 0 0 0 0 1 1 1.5 2 2 3 3 3 3 4 4 5 5 6 6 6 6 6 12 12 24

Eine erhöhte Vorteigkonzentration korreliert mit erhöhten Milch-und Essigsäurekonzentrationen und einem erniedrigten pH-Wert.

Milch- und Essigsäure bei verschiedenen Sauerteigkonzentrationen

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Zusammenfassung ErgebnisseSauerteigzugabe – pH im Brot – Fadenziehen

pH-Werte im Brot während der Lagerung bei 37°C; Impfmenge B. subtilis 5*102 Sporen/g Teig

5.00

5.25

5.50

5.75

6.00

6.25

6.50

24 48 72 96 120Zeit [h]

pH

0%3%6%12%

0 %

3 % 6

%

0% Sauerteig: nach 48 h Fadenziehen pH: 5.7 6.1 (5.75)3% Sauerteig: nach 72 h Fadenziehen pH: 5.5 6.0 (5.78)6% Sauerteig: nach 96 h Fadenziehen pH: 5.3 5.7 (5.65)12% Sauerteig: kein Fadenziehen nach 5 Tagen pH: 5.2 5.5

Weitere Untersuchungen zeigen: 9% Vorteig: nach 5 Tagen Fadenziehen pH: 5.1 5.6 (5.60)

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Brot mit 9% Sauerteig –Entwicklung von Milch- / Essigsäure im Verlauf

Bei 9% Sauerteigzugabe tritt Fadenziehen nach 5 Tagen auf

Eine Abnahme der Milchsäurekonzentration ist im Verlauf der Lagerung feststellbar

pH-Wert steigt von 5.1 (nach 24 h) auf 5.6 (nach 5 Tagen) an

Vorteigkonzentration 9%

0

20

40

60

80

100

120

140

Lagerdauer [d]

Milc

hsäu

re, E

ssig

säur

e [m

g/l]

MilchsäureEssigsäure

0 1 2 3 4 5

Faden-ziehen

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Überblick:pH-Werte in Brot und Fadenziehen

Sauerteig-zugabe

TeigStichsonde

Brot 24 hStichsonde

Brot bei Fadenziehen(Schadbild nach)

0 % 5.4 … 5.5 5.7 … 5.9

2…4 % 5.3 … 5.4 5.5 … 5.7 5.6 … 5.8(3 d)

9…12 % 5.0 … 5.1 5.2 … 5.4 5.5(≥ 5 d)

5.4 … 5.6

5.0

5…6 % 5.2 … 5.35

5.8 … 5.9(2 d)

5.6 … 6.0(4 d)

5.1(> 5 d)

24 % 4.9

Soll-pH-Bereiche:Teig 5.0 … 5.1Brot 24 h 5.2 … 5.4

Krit. pH-Bereiche:Teig > 5.3Brot 24 h > 5.5

pH Sauerteig: 3.9 … 4.0

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Schlussfolgerungen

Anfangskeimgehalt an B. subtilisAuch bei sehr tiefer Belastung an Bacillus-Sporen (Kontamination Mehl, Rework…) muss unter ungünstigen Bedingungen mit Fadenziehen gerechnet werdenEine Kontamination lässt sich nur schwer zu verhindern (natürliche Rohstoffe!)B. subtilis-haltige Pflanzenspritzmittel – ein neues Problem ?

Fadenziehen unterliegt komplexen FaktorenWichtigste Hürde: Ansäuerung !Einflussgrössen: pH-Wert, Milch- und EssigsäureGenaue Einhaltung und Kontrolle der Parameter (pH-Wert)

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Ausblick: weitere Untersuchungen/Fragestellungen

Laufende Untersuchungen: B. subtilis-haltige Spritzmittel(Partner: Fachschule Richemont Luzern)- Können die in den Spritzmittel enthaltenen Keime das Schadbild

Fadenziehen verursachen ?- Besteht die Gefahr einer erhöhten Kontamination von Getreide durch

die Anwendung von B. subtilis-haltigen Pflanzenspritzmittel ?

Offene Fragestellungen:- Welches sind die entscheidenden Einflussgrössen (pH-Wert, Milch-

oder Essigsäure, andere?) zur Verhinderung des Schadbilds Fadenziehen ?

- Schnelltest zur Früherkennung des Schadbilds: genügt die Erfassung des pH-Werts während des Prozesses, oder gibt es aussagekräftigere und schnellere, bessere Möglichkeiten ?

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Dank

…und vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

An die Absolventinnen und Absolventen der HSWMarkus EgliMiriam Sutter Edith WüthrichMaja Capatt

An die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Lebensmittel-mikrobiologie und der Backwarentechnologie der HSW

An die Fachschule Richemont, Luzern und verschiedene Schweizer Backwarenbetriebe