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

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1 Bäckerei- und Getreidetechnologie Sitzung des Ausschusses für Bäckerei-Technologie am 22. März 2012 in Minden Optimierung von Weizen- und Reisbackwaren durch Phytase- gestützte Sauerteigfermentationen Klaus Lösche ttz Bremerhaven

2 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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) 8.Erhöhung der Bioverfügbarkeit von Nährstoffen (z. B. Mineralien) 9.Mikrobiologische Haltbarkeit 10.anderes ~ Backfähigkeit

3 Bäckerei- und Getreidetechnologie Abb.: Fermentationsleistung von Lactob. fermentum (PL 1 ) in Weizen- und Roggensauerteig (einstufige Führung) TA = 200 Temp. = 30° C

4 Bäckerei- und Getreidetechnologie Abb.: Grundreaktion aller Fermentationen Mikrobieller Stoffwechsel als Grundlage von Fermentationen Allen Fermentationen gemeinsam ist die Grundreaktion: Substrat (S)StoffwechselStoffwechselprodukte (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

5 Bäckerei- und Getreidetechnologie Abb.: Aufnahme der Nährstoffe und Abgabe von Stoffwechselprodukten durch die Zelloberfläche (Schema) Gärungsorganismen: Saccharomyces cerevisiae Kluyveromyces marxianus (fragilis) Schizosaccharomyces pombe Zymononas mobilis Milchsäurebakterien: verschied. Spezies etc. Zelle Nähr- stoffe Stoffwechsel- produkte

6 Bäckerei- und Getreidetechnologie Abb.: Zuckerkomposition in Weizenmehl (T. 550) der Ernte 2003

7 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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 Charakterisierung der Fermentation von Reissauerteig Geringe Säuregradentwicklung! Säure- grad pH-Wert

8 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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 Säuregrad = ca. 75 % Reissauerteig

9 Bäckerei- und Getreidetechnologie Weizen0,6 – 1,4 % w/wSojaflocken1,5 – 1,8 % Kleie2,6 – 5,4 % w/wSojaprotein2,0 – 3,0 % Mais0,9 – 1,0 % w/wRapssaat2,0 – 4,0 % Mais-Keim5,7 – 6,7 % w/wRapsprotein5,3 – 7,5 % Reis, poliert0,24 %Reis, unpoliert0,89 % Phytinsäure in Getreide und Ölsaaten

10 Bäckerei- und Getreidetechnologie Phytaseaktivitäten in verschiedenen Getreidemahlerzeugnissen 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 Phytaseaktivtät in µg P/(g min) ReispuderWeizenmehlRoggenmehl aus WeißmehlType 550Type 1150

11 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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

12 Bäckerei- und Getreidetechnologie Aleurone – Concentrated Source of Phytic Acid (~ 4%) Phytic acid Myoinositol hexaphosphate Aleurone cell with inclusion bodies containing protein and phytin *Hoseney (1994). Principles of Cereal Science and Technology. OPO 3 H 2 H 2 O 3 PO OPO 3 H 2 H 2 O 3 PO

13 Bäckerei- und Getreidetechnologie OPO 3 H 2 H 2 O 3 PO + n H2 0 OH Phytase P hytase Reaktion oder Inositol (1~5) Phospate + n H3PO4 (n=1~6)

14 Bäckerei- und Getreidetechnologie + n H 2 0 Phytase Phytinsäure / Phytat Strukturformel Abb.: Chemische Struktur von Phytinsäure und von Phytat

15 Bäckerei- und Getreidetechnologie Abb.: Inhibition verdauungsfördernder Enzyme durch Phytate

16 Bäckerei- und Getreidetechnologie Einfluss einer Phytase auf die Viskosität eines Reissauerteiges Menge an Phytase (bez. a. Mehl)Viskosität in Pa sStandardabweichung 0 ppm2,057± 0, ppm2,054± 0, ppm1,705± 0, ppm1,154± 0, ppm1,110± 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

17 Bäckerei- und Getreidetechnologie Phytase-Wirkung in Reissauerteig Einfluss einer Phytase auf die Verflüssigung von Reissauerteig links: Lb. fermentum ohne Phytase rechts: Lb. fermentum mit 400 ppm Phytase bez. auf Mehl

18 Bäckerei- und Getreidetechnologie Verflüssigung von Reissauerteig durch Phytase Menge an Phytase (bez. a. Mehl)Viskosität in Pa sStandardabweichung 0 ppm1,304± 0, ppm0,654± 0, ppm0,511± 0, ppm0,484± 0, ppm0,473± 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

19 Bäckerei- und Getreidetechnologie Einfluss einer Phytase auf die Viskosität eines Reissauerteiges nach 18,5 stündiger Fermentation (Böcker-Reinzuchtkultur) Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011 Phytase = 0 ppm TA = 200 Fermentationstemperatur T = 33°C Böcker-Reinzuchtkultur Phytase = 800 ppm TA = 200 Fermentationstemperatur T = 33°C Böcker-Reinzuchtkultur

20 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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 Haros, 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

21 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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 h erreicht und variiert, je nach Höhe der eingesetzten Phytasemenge, von %. Fermentationszeiten länger als ca. 17 h bewirken einen Abfall der -Amylaseaktivität.

22 Bäckerei- und Getreidetechnologie Bestimmung von Milchsäurebakterien und Hefen in Sauerteigen unter Verwendung einer Böcker-Reinzuchtkultur Milchsäurebakterien : kbE/ g Sauerteig, unter Verwendung einer PL-Starterkultur, n=2 Stunde0 ppm Phytase800 ppm Phytase 06,5*10 2 5,9* ,7*10 4 4,8* ,3*10 5 2,6*10 6 Hefen : kbE / g Sauerteig, unter Verwendung einer PL- Starterkultur, n=2 Stunde0 ppm Phytase800 ppm Phytase 01,7*10 2 2,1* ,6*10 4 5,5* ,5*10 5 3,5*10 6 Quelle: Diplomarbeit P. Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von Gluten-free Produkten, 2011

23 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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 Stunde0 ppm Phytase800 ppm Phytase 09,0*101,2* ,8*10 4 1,5* ,2*10 7 8,5*10 6 Hefen : kbE pro g Sauerteig, unter Verwendung der Böcker- Starterkultur, n=2 Stunde0 ppm Phytase800 ppm Phytase 02,1*10 2 1,9* ,2*10 5 4,3* ,0*10 7 8,5*10 7 Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011

24 Bäckerei- und Getreidetechnologie Einfluss von Phytase und eines Sauerteigstarters PL1 auf die Leitfähigkeit von Reissauerteigen (Lb.fermentum) Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011 n=2

25 Bäckerei- und Getreidetechnologie Einfluss von Phytase und eines Sauerteigstarters Böcker- Reinzucht auf die Leitfähigkeit von Reissauerteigen Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011 n=2

26 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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 ppm0, ppm0, ppm0, ppm0, ppm0,115 Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011 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 ppm0, ppm0, ppm0, ppm0, ppm0,174 Der Einsatz von Phytase hat einen geringen Einfluss auf die Konzentration der löslichen Proteine.

27 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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

28 Bäckerei- und Getreidetechnologie Proteine LipideStärkeSalz Interaktion der funktionellen Gruppen Gesamtladungsmenge Funktionelle Eigenschaften Lebensmittel als elektrolytisch interagierendes System

29 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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)

30 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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: kolloid/Lehre/Praktikum/Polyelektrolyttitration.pdf ( )

31 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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: L OHMANN C.A.; Charakterisierung von ionischen und nicht-ionischen Polymeren im Hinblick auf ihre Anwendung; Dissertation Universität Hamburg 2006 Quelle: products.asp?langage=12&appli=5&numProd=413&cat=prod ( )

32 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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 = C/mol) (mit Q M = massenspezifische Gesamtladungsmenge [C/g]; Q = Gesamtladungsmenge [C]; m = Feststoffgehalt der eingesetzten Probe, bzw. deren Wirksubstanz [g]) Voraussetzung für eine PCD-Messung ist die Bildung einer elektrischen Doppelschicht um ein Partikel in einem Lösungsmittel.

33 Bäckerei- und Getreidetechnologie Ergebnisse von PCD-Messungen

34 Bäckerei- und Getreidetechnologie Einfluss einer Phytase auf die Ladungsmengen eines Reismehles mit unterschiedlicher Dosierung einer Phytase nach verschiedenen Quellzeiten Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011 n= 2, Messtemperatur 20°C ; ppm: bezogen auf Mehl

35 Bäckerei- und Getreidetechnologie Einfluss einer Phytase auf die Ladungsmenge im Reissauerteig Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011 PL1-Starterkultur, n=2, Messtemperatur 20°C Böcker-Reinzucht, n=2, Messtemperatur 20°C

36 Bäckerei- und Getreidetechnologie Sensorische Bewertung –Reissauerteig mit Phytase Handelsüblicher StarterPL3 (enzymgestützt) Geschmackwenig sauermilchsauer Geruchetwas muffig, nach gekochtem Reismichsauer, leicht hefig, rein, fruchtig Strukturbröselig, festcremig, homogen Gashaltung/ -bildungarttypisch geringüppig Tab.: Einfluss von handelsüblichen Sauerteigstarter und PL3 (Phytase-aktiver Sauerteigstarter) auf die Eigenschaften eines Reissauerteiges (Reispuder auf Weißreis)

37 Bäckerei- und Getreidetechnologie Reis-Brote mit 0 und 200 ppm Phytase (bez. auf zu versäuerndes Mehl) Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, ppm 200 ppm verwendeter Sauerteigstarter: Böcker-Reinzucht

38 Bäckerei- und Getreidetechnologie Back-Ergebnisse : Reisbrote aus enzymgestützer Fermentation PL 1 PL 3 PL 3 + Phytase Abb.: Einfluss von Phytase auf die Qualität bei Reisbrot

39 Bäckerei- und Getreidetechnologie Tab.: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteig - Fermentation auf Reisbrotqualitätsmerkmale PL 1PL 3 (Phytase) FarbeHelle KrusteDunkle, typische Brotfarbe GeruchLeer, nach Reis Aromatisch, fruchtig (wenig nach Reis) GeschmackEtwas leer Aromatisch, fruchtig (wenig nach Reis) ElastizitätGeschwächt, krümelt Elastische Krume, kein Krümeln SchneidbarkeitUngünstigGut FrischhaltungGeringAusgeprägt Sensorische Bewertung – Reisbackware mit Phytase

40 Bäckerei- und Getreidetechnologie Ohne Weizensauer- teig PL 1 – Weizensauerteig 10 % PL 1 – Weizensauerteig 20 % PL 3 – Weizensauerteig 10 % PL 3 – Weizensauerteig 20 % 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)

41 Bäckerei- und Getreidetechnologie Ohne Weizensauer- teig PL 1 – Weizensauerteig 10 % PL 1 – Weizensauer- teig 20 % PL 3 – Weizensauer- teig 10 % PL 3 – Weizensauer- teig 20 % Weizensauerteig TA 200, Fermentationszeit 16 Stunden bei 35°C Phytase-gestützte Weizensauerteige im Vergleich

42 Bäckerei- und Getreidetechnologie Aroma compounds from arabinoxylan-bound hydroxycinnamic acids (Vogel, 2011) Chemical Structures of Phenolic Compounds in Cereals Gallic: R1=R2=R3=OH Vanillic: R1=H, R2=OH, R3=OCH 3 ferulic: R1=OCH 3, R2=OH, R3=H p-coumaric: R1=H, R2=OH, R3=H sinapic: R1= OCH 3, R2=OH, R3= OCH 3 caffeic: R1=R2=OH, R3=H Ferulic acid concentration > 1% in aleurone cell walls Benzoates Cinnamates

43 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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)

44 Bäckerei- und Getreidetechnologie Phytase Milchsäure- bakterien, Hefen -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, Ca 2 + ortho-Phosphate myo-Inosit Mineralien (Ca, Mg, Fe, …) Spurenelemente (Selen …) Oligosaccharide Einfluss von Phytase auf Teig und Gebäck (Thesen) Model: schematisch Proteine, Peptide Rheologie: vermehrt plastische Teigeigenschaften, Intensivierung der Bräunungsreaktion beim Backvorgang Phytin- säure Me Protein A Protein B Metalle (Fe, Cu… ) Katalyse Maillard- Reaktion Fermentation: Wachstum, Biosynthese anderes

45 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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)

46 Bäckerei- und Getreidetechnologie 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)

47 Bäckerei- und Getreidetechnologie Klaus Lösche ttz Bremerhaven Am Lunedeich Bremerhaven Tel. : Fax.: Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bäckerei- und Getreidetechnologie


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