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
Ziele der Fermentation von Getreidemahlerzeugnissen pH-Wertsenkung Erhöhung des Säuregrades Aromabildung Geschmacksbildung Beeinflussung der Geschwindigkeit der Fermentation Geringe Verflüssigung des Sauerteiges Gebäckqualitätsmerkmale (z. B. Frischhaltung) Erhöhung der Bioverfügbarkeit von Nährstoffen (z. B. Mineralien) Mikrobiologische Haltbarkeit anderes ~ Backfähigkeit
TA = 200 Temp. = 30° C 5 10 15 20 Abb.: Fermentationsleistung von Lactob. fermentum (PL 1 ) in Weizen- und Roggensauerteig (einstufige Führung)
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: Das Substrat muss nutzbar sein, Nähr- und Wuchsstoffe enthalten Die physikalisch-chemischen Bedingungen müssen geeignet sein. ↑ Menge S X A Zeit → Abb.: Grundreaktion aller Fermentationen
Gärungsorganismen: Saccharomyces cerevisiae Gärungsorganismen: Saccharomyces cerevisiae Kluyveromyces marxianus (fragilis) Schizosaccharomyces pombe Zymononas mobilis Milchsäurebakterien: verschied. Spezies etc. Nähr- stoffe Stoffwechsel- produkte Zelle Abb.: Aufnahme der Nährstoffe und Abgabe von Stoffwechselprodukten durch die Zelloberfläche (Schema)
Abb.: Zuckerkomposition in Weizenmehl (T. 550) der Ernte 2003
Charakterisierung der Fermentation von Reissauerteig Geringe Säuregradentwicklung! Säure- grad pH-Wert 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
Reissauerteig Säuregrad = ca. 75 % 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
Phytinsäure in Getreide und Ölsaaten 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 %
Phytaseaktivitäten in verschiedenen Getreidemahlerzeugnissen Phytaseaktivtät in µg P/(gmin) Reispuder Weizenmehl Roggenmehl aus Weißmehl Type 550 Type 1150 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
Reissauerteig – Einfluss von Phytase und Temperatur auf den Säuregrad von Reissauerteigen 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)
Aleurone – Concentrated Source of Phytic Acid (~ 4%) OPO3H2 H2O3PO OPO3H2 H2O3PO OPO3H2 Aleurone cell with inclusion bodies containing protein and phytin *Hoseney (1994). Principles of Cereal Science and Technology. OPO3H2 Phytic acid Myoinositol hexaphosphate
+ n H2 0 Phytase Reaktion OH OH OH Phytase OH OH OH OPO3H2 OPO3H2 OH OH OPO3H2 OH Phytase oder Inositol (1~5) Phospate + n H3PO4 (n=1~6) + n H2 0 OPO3H2 OH H2O3PO OH OPO3H2 OH Phytase Reaktion
Phytinsäure / Phytat Strukturformel Phytase + n H20 Abb.: Chemische Struktur von Phytinsäure und von Phytat
Abb.: Inhibition verdauungsfördernder Enzyme durch Phytate
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 1,705 600 ppm 1,154 ± 0,003 800 ppm 1,110 ± 0,255 Verwendeter Sauerteigstarter: PL-1-Starterkultur (Lb. fermentum), Probenahme nach 17 stündiger Fermentation, n=2 Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011
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
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 Einfluss einer Phytase auf die Viskosität eines Reissauerteiges, verwendeter Sauerteigstarter: Böcker-Reinzuchtkultur, Probenahme nach 17 stündiger Fermentation, n=2 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 nach 18,5 stündiger Fermentation (Böcker-Reinzuchtkultur) Phytase = 0 ppm TA = 200 Fermentationstemperatur T = 33°C Böcker-Reinzuchtkultur Phytase = 800 ppm TA = 200 Fermentationstemperatur T = 33°C Böcker-Reinzuchtkultur Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011
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. 123-132 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. 5450-5454
Einfluß der Phytasemenge und Zeit auf die -Amylaseaktivität 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. Abb.: Einfluß der Phytasemenge und der Zeit auf die relative -Amylaseaktivität (T= 34 °C; TA = 190)
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 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 Stunde 0 ppm Phytase 800 ppm Phytase 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 Stunde 0 ppm Phytase 800 ppm Phytase 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 Stunde 0 ppm Phytase 800 ppm Phytase 2,1*102 1,9*102 6 3,2*105 4,3*105 16 2,0*107 8,5*107 Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011
Einfluss von Phytase und eines Sauerteigstarters „PL1“ auf die Leitfähigkeit von Reissauerteigen (Lb.fermentum) n=2 Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011
Einfluss von Phytase und eines Sauerteigstarters „Böcker-Reinzucht“ auf die Leitfähigkeit von Reissauerteigen n=2 Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011
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. Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011
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
Lebensmittel als elektrolytisch interagierendes System Proteine Lipide Stärke Salz Interaktion der funktionellen Gruppen Gesamtladungsmenge Funktionelle Eigenschaften
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 Quelle: http://www.chem.uni-potsdam.de/ kolloid/Lehre/Praktikum/Polyelektrolyttitration.pdf (26.10.08) Grenzmodelle der Symplexbildung a) Leitermodell, b) Rühreimodell
PCD-Messgerät PCD-Messgerät: PCD 03 pH der Firma Mütek Quelle: http://www.btg-group.com/ products.asp?langage=12&appli=5&numProd=413&cat=prod (20.10.08) PCD-Messgerät: PCD 03 pH der Firma Mütek Quelle: Lohmann C.A.; Charakterisierung von ionischen und nicht-ionischen Polymeren im Hinblick auf ihre Anwendung; Dissertation Universität Hamburg 2006 Schematischer Aufbau einer PCD-Messzelle zur Bestimmung der Ladungsdichte von Partikelsystemen und Polyelektrolyten. (A) Kolben in Ruhe, (B) oszillierende Kolbenbewegung
Umrechnung des Titriermittelverbrauchs: 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]) Voraussetzung für eine PCD-Messung ist die Bildung einer elektrischen Doppelschicht um ein Partikel in einem Lösungsmittel.
Ergebnisse von PCD-Messungen
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 Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011
Einfluss einer Phytase auf die Ladungsmenge im Reissauerteig PL1-Starterkultur, n=2, Messtemperatur 20°C Böcker-Reinzucht, n=2, Messtemperatur 20°C Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011
Sensorische Bewertung –Reissauerteig mit Phytase Tab.: Einfluss von handelsüblichen Sauerteigstarter und PL3 (Phytase-aktiver Sauerteigstarter) auf die Eigenschaften eines Reissauerteiges (Reispuder auf Weißreis) 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
Reis-Brote mit 0 und 200 ppm Phytase (bez. auf zu versäuerndes Mehl) 0 ppm 200 ppm verwendeter Sauerteigstarter: Böcker-Reinzucht Quelle: Diplomarbeit Patrick Welt, HS Bremerhaven: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteigfermentation auf die Backfähigkeit von gluten-free Produkten, 2011
Back-Ergebnisse : Reisbrote aus enzymgestützer Fermentation PL 1 PL 3 PL 3 + Phytase Abb.: Einfluss von Phytase auf die Qualität bei Reisbrot PL 1 PL 3 PL 3 + Phytase
Sensorische Bewertung – Reisbackware mit Phytase Tab.: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteig - Fermentation auf Reisbrotqualitätsmerkmale PL 1 PL 3 (Phytase) Farbe Helle Kruste Dunkle, typische Brotfarbe Geruch Leer, nach Reis Aromatisch, fruchtig (wenig nach Reis) Geschmack Etwas leer Elastizität Geschwächt, krümelt Elastische Krume, kein Krümeln Schneidbarkeit Ungünstig Gut Frischhaltung Gering Ausgeprägt
Backergebnisse: Phytase-gestützte Weizensauerteige im Vergleich Ohne Weizensauer-teig PL 1 – Weizensauerteig 10 % PL 1 – Weizensauerteig 20 % PL 3 – Weizensauerteig 10 % PL 3 – Weizensauerteig 20 % Einfluss von Phytase (PL3) auf die Qualitätsmerkmale von Weizenbrot (Weizensauer: TA 200, Fermentation bei 16 Std. und 35°C)
Phytase-gestützte Weizensauerteige im Vergleich 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
Aroma compounds from arabinoxylan-bound hydroxycinnamic acids (Vogel, 2011) Chemical Structures of Phenolic Compounds in Cereals Benzoates Cinnamates Ferulic acid concentration > 1% in aleurone cell walls Gallic: R1=R2=R3=OH Vanillic: R1=H, R2=OH, R3=OCH3 ferulic: R1=OCH3, R2=OH, R3=H p-coumaric: R1=H, R2=OH, R3=H sinapic: R1=OCH3, R2=OH, R3=OCH3 caffeic: R1=R2=OH, R3=H
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)
Einfluss von Phytase auf Teig und Gebäck (Thesen) Model: schematisch Katalyse Maillard-Reaktion Phytin-säure Me Protein A Protein B Metalle (Fe, Cu…) Rheologie: vermehrt plastische Teigeigenschaften, Intensivierung der Bräunungsreaktion beim Backvorgang Proteine, Peptide Phytase Calciumionen, Ca2+ ortho-Phosphate myo-Inosit Mineralien (Ca, Mg, Fe, …) Spurenelemente (Selen …) Fermentation: - beschleunigt - hohe KbE erhöhtes Gashaltevermögen - Intensivierung der Aromabiosynthese (fruchtiges Aroma) -Amylase Milchsäure-bakterien, Hefen Oligosaccharide Fermentation: Wachstum, Biosynthese anderes Stärke
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)
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bäckerei- und Getreidetechnologie Klaus Lösche ttz Bremerhaven Am Lunedeich 12 27572 Bremerhaven Tel. : +49 471 97297-0 Fax.: +49 471 97297-22