Neuartige Ansätze zur Generierung von Aroma und Geschmack Backforum Hannover Führerschein Backtechnologie 19. - 21. Juni 2012, Hannover Baustein C: Ofensteuerung Neuartige Ansätze zur Generierung von Aroma und Geschmack bei Backwaren

Fermentation Backprozess Alkan-Alkohol Alken-Alkohol Amine Furan Derivate Substrat (Mehl etc.) Aldehyde Ester Fettsäuren Pyridine Fermentation Backprozess Hydroxy- und Ketosäuren Pyrazine Percursoren - Zucker - Aminosäuren - Fettsäuren Enzyme sek. Inhalts- stoffe anderes Ketone Hydroxy- und Ketone Lactone Pyrrole Heterocyclische Verbindungen Katabolismus, partiell Anabolismus Maillard-Reaktionen Karamellisierungen Beeinflussung und Verhältnis von Aroma- und Geschmacksstoffen durch Fermentation und Backprozess (Rothe, modifiziert)

•Der Gehalt an Aminosäuren (Arginin) in Brotmehlen ist gering! Taste and Flavor •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! Steuerung der Ornithinbildung durch L. pontis und L. reuteri

Character impact compounds Proteolytischer Abbau durch Mehl-Proteasen Fermentation Arginin-Deiminase Weg von L. pontis u. a. Fermentation Maillard- Reaktion Backen Thiele, Gänzle, Vogel 2002 Cereal Chem 79:45; 2003, J. Agric Food Chem 51:2745 Schieberle, 1996 Adv. Food Sci 18:237; Kang, Hertel, Brandt, Hammes, unveröffentlicht Bildung von 2-Acetyl-Pyrrolin bei der Brotherstellung

Biotechnolgical formation of character impact compounds Ornithinbildung in Sauerteigen

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

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) ~ Backfähigkeit

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

TA = 200 Temp. = 30° C 5 10 15 20 Abb.: Fermentationsleistung von Lactob. fermentum (PL 1) in Weizen- und Roggensauerteig (einstufige Führung)

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

Phytaseaktivtät in µg P/(gmin) Phytaseaktivitäten in verschiedenen Getreidemahlerzeungissen Phytaseaktivtät in µg P/(gmin) 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  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

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

Ergebnisse – Reissauerteige aus enzymgestützer Fermentation PL 1 PL 3 PL 3 + Phytase Führungsbedingungen: TA: 180 T: 35 °C, 80 % rel. Feuchte t: 16 h

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, brottypisch (wenig nach Reis) Geschmack Etwas leer Elastizität Geschwächt, krümelt Elastische Krume, kein krümeln Schneidbarkeit Ungünstig Gut Frischhaltung Gering ausgeprägt

Abb.: Einfluss von Phytase auf die Qualität bei Reisbrot 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

Milchsäure-bakterien, Hefen Einfluss von Phytase auf Teig und Gebäck (Thesen) Model: schematisch Me Me Phytinsäure Phytase Proteine, Peptide Rheologie, Hefe, Aroma, Geschmack Protein Peptide ortho-Phosphat myo-Inositol Mineralstoffe (Ca, Mg, Fe, …) Calciumionen, Ca2+ -Amylase Milchsäure-bakterien, Hefen Milchsäure, Essigsäure, CO2, Aromastoffe Oligosaccharide Stärke

Ohne Weizensauer-teig 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)

Teig-Enzyme und Hefe im Wechselspiel Bräunungsreaktion, Aroma und Geschmack Enzym X/ allgemein: Substrat Produkte Bräunungsreaktion Enzym   α-Amylase β-Amylase Hefegärung CO2 + Alkohol α-Amylase (Mehlenzyme) β –Amylase (Mehlenzyme) X/ speziell: Stärke Dextrine β-Maltose Hefegärung CO2 + Alkohol, Aroma Abb.: Backtechnische Bedeutung amylolytischer Abbaureaktionen im Teig im Wechselspiel mit der Biosynthese von Hefegärungsprodukten (Schema)

Abb. : Schnittbrötchen mit einem enzymschwachen Mehl (Fallzahl: 390sec 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.

Aroma, Geschmack, Bräunung Enzym-Management Aktivierung der α-Amylase durch Weizensauer Enzym- Aktivität [U] α-Amylase WM T. 550 „pH-Shifting“ durch Säuerung in das Aktivitäts-Optimum der α-Amylase hinein Teig ungesäuert Säuerung 4 5 6 7 hoch mittel gering Optimierung der Gebäckqualität Aroma, Geschmack, Bräunung 4 5 6 7 Abb.: Einfluss einer Säuerung auf die Aktivität der α-Amylase in Weizenteigen

Reaktionsraten von Hefen und Enzymen Temperatur 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

Gärsteuerung ist Klimatechnik Sorptionsisothermen Die 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 Die piezokeramischen Wandler (Transducer, Schwinger) 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. Ultraschallvernebelung

Optimierte Feuchteverteilung in GU-Teiglingen durch verbesserte Wärmeleitung Ausdehnung Ausdehnung Dampfbefeuchter Ultraschall Abb.: Einfluss der Tröpfchengröße auf die Qualität von Backwaren bei GU-Verfahren (20 Stunden)

GV-Verfahren im Vergleich Einfluss der Ultraschalltechnologie im direkten Vergleich zu einem Elektrodampfbefeuchter nach der Gärverzögerung von 12 Stunden 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 einer Austrocknung von Teiglingen auf die Qualitätsmerkmale von Backwaren Temperatur-Gradient ≙ hoher Energieaufwand Umgebungsfeuchte ≌ 85 % rel. Feuchte (Stand der Technik) Hautbildung: Kruste dünn, wenig porös, wenig Fensterung, oft Trockenzone GF < 96 %! Krume: aw = 0,96 Desorption Desorption Trockenzone Desorption 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 Temperatur-Gradient ≙ geringer Energieaufwand Gleichgewichtsfeuchte GF Umgebungsfeuchte ≌ 96 % rel. Feuchte Kaltnebel ! Keine Hautbildung: Kruste porös und ausgeprägt (gute Fensterung), keine Trockenzone Rel. Feuchte ≙ 96 % GF > 96 %! Krume: aw = 0,96 GF ≙ 96 % 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

Neuartige Restbrot – Technologien im Prinzip 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.

Reaktionsaromen: Erhitzte Aminosäuren in Gegenwart von Glucose (Rohan, 1999) Reaktionsaroma (sensorischer Eindruck) 100° C 180° C Asparaginsäure Candy Karamel Threonin Schokolade angebrannt Serin Ahorn Sirup -- Glutaminsäure angebrannter Zucker Prolin verbranntes Eiweiß Brotaroma Glycin Alanin Valin Roggen-Brot Schokolade (penetrant) Ornithin Weißbrot Isoleucin muffig, fruchtig, aromatisch angebrannter Käse Leucin Tyrosin Róse, Parfüm, Karamel Veilchen, Flieder Lysin Brot Histidin Maisbrot butterartig Arginin butterartig verbrannter Zucker

Schaffung von Precursoren Fermentative Umsetzung von flüssigen Backwaren Backware Backwaren - Sirup Schaffung von Precursoren Sauerteig Fermentative Umsetzung in Arginin, Ornithin etc. Hauptteig Verarbeitung Gebäck Arttypisches, herzhaftes Aroma, sehr intensiver angenehmer Geschmack Abb.: Schematische Darstellung einer fermentativen Umsetzung von Backwaren-Sirup

Variation in der Sirup-Herstellung Restbrot Mixen Reaktion - Amylasen - Hemicellulasen -Proteasen - andere Standard-Sirup: Aroma, Geschmack,Frischhaltung Ca.60 °C Backwaren - Sirupe Ca.120 °C Maillard - Reaktion Farb - Sirup Abb. Technologie einer Restbrot – Verwertung zur Herstellung von Backwaren - Sirup

Dextrose-Equivalent-Value (DE) (based on dry mass) Reaction Kinetic in Hydrolysing of Baked Good (Zwieback) 60 50 40 Temp.: ca. 60°C = const. Dextrose-Equivalent-Value (DE) (based on dry mass) 30 20 10 50 100 150 t (min) Fig.: Enzymatical Hydrolysation of Bread-Rework

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

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

mit Backwarensirup ohne Backwarensirup

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...

Snacks Die Evolution des Marktes Das Thema ‚Snack für zwischendurch‘ ist schon lange aktuell Gestern Heute Morgen Pausenbrot BiFi Schoko- riegel Joghurt mit Cerealien Müsliriegel Snack Drinks … Quelle: Döhler Marktforschung

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.)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bäckerei- und Getreidetechnologie ttz Bremerhaven Am Lunedeich 12 27572 Bremerhaven Tel. : +49 471 97297-0 Fax.: +49 471 97297-22