Geschmackssymposium Bremerhaven „The Taste of Love“ 09. bis 10. Juni 2010 Neuartige Technologien zur authentischen Generierung von Aroma, Geschmack und Textur bei Lebensmitteln Prof. Dr. Klaus Lösche ttz Bremerhaven BILB-EIBT, Hochschule Bremerhaven

Sensorik und Produktqualität

Natural Flavour Formation Biogenetic Flavours (Primary) Prepared Flavours (Secondary) (uncooked Food) e. g. Milk Boiling Baking Broiling Roasting Fermentation Vegetable e.g. Potatoes Bread Meat Meat Yoghurt Fruits Vegetables Pastry Fish Coffee Cheese Spices Cereals Confectionery Potatoes Peanuts Pickled cabbage Enzymatic Flavour Flavour Development Through Microbiological Development Heat-Treatment (e. g. Maillard-Reaction) Flavour Development

Manufacturing of Natural Flavours ANIMAL (Beef, Chicken, Seafood, ...) Extraction VEGETABLE (Spices, Mushroom, Orange, ...) Distillation (Citrus, Spearmint, Juniper berry, Pear, ...) Concentration (Extracts, Fruit Juices, ...) FERMENTATION (Acids, Alcohols, Lactones, Acetoin, Biotechnology Pyrazines, ...) ENZYME MODIFICATION (Cheese, Soy, Strawberry, Meaty, notes,...) Hydrolysis (HVP, HAP, ...) Mild / Kitchen Chemistry (Natural Esters, Natural Aldehydes, ...)

FERMENTATION (Mikroorganismen) Enzymatische Modifikation Löslich Biotechnologische Verfahren FERMENTATION (Mikroorganismen) Enzymatische Modifikation Löslich Immobilisiert Pflanzen-Zellkulturen (PTC)

Pilze: Hefen, Actinomyceten Viren, Bacteriophagen Protozoen; Algen In Fermentation verwendete Organismen Bakterien Pilze: Hefen, Actinomyceten Viren, Bacteriophagen Protozoen; Algen Pflanzen-Zellen und –gewebe Tierische Zellen

Aroma Compounds from Microorganisms Fragrance Chemical Ascoidea hylacoeti Fruity, rose β-Phenylethanol, furan-2-carboxylate Ceratocystis moniliformis Fruity, banana, peach, pear, rose 3-Methylbutyl acetate, δ-and γ-decalactone, geraniol, citronellol, nerol, linalool, a-terpineol Ceratocystis variospora Fragrant, geranium Citronellol, citronellyl acetate, geranial, neral, geraniol, linalool, geranyl acetate Deratocystis virescens Rose, fruity 6-Methyl-5-hepten-2-ol acetate, citronellol, linalool, geraniol, geranyl acetate Inocybe corydalina Fruity, jasmine Cinnamic acid methyl ester Kluyveromyces lactis Citronellol, geraniol, linalool Mycoacia uda Fruity, grassy, almond ρ-Methylacetophenone, ρ-tolyl-1-ethanol, ρ-tolyaldehyde Penicillium decumbens Pine, rose, apple, mushroom Thujopsene, 3-ocranone, 1-oceten-3-ol, nerolidol, β-phenylethanol Phellinus species Fruity, rose, wintergreen Methyl benzoate, methyl salicylate, β-phenylethanol, γ-Decalactone Sporabolamyces odorus Peach Streptomyces odorifer Earthy, camphor trans-1, 10 Dimethyl-trans-9-decalol, 2-exohydroxy-2-methylbornane Trametes odorata Honey, rose, fruity, anise Methyl phenylacetate, geraniol, nerol, citronellol Trichoderma viride Coconut 6-Pentyl-2-pyrone

Aromastoffbildung entlang von Backprozessen Enzymatische Umsetzungen aus enzymhaltigen Rohstoffen (Mehl, Back- mittel, Malz, etc.) bis hin zu spezifischen Endprodukten (Beispiel: Teige, Vorteige, Sauerteige, Langzeitführung ...) Fermentation mit Mikroorganismen (Hefe, Milchsäurebakterien etc.) führt zu Stoffwechselprodukten (Beispiel: Teige, Vorteige, Sauerteige, Langzeitführung ...) Thermische Reaktionen: Karamellisierungen, Maillard-Reaktionen etc. (Beispiel: Backtemperaturen)

Der Gehalt an Aminosäuren (Arginin) in Brotmehlen ist gering! Taste and Flavour 2-Acetyl-1-Pyrrolin ist ein Schlüsselaromastoff in Weizenbroten, welcher zum röstigen Aroma der Kruste beiträgt 2-Acetyl-1-Pyrrolin entsteht während des 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

Biotechnological Formation of Character Impact Compounds Ornithinbildung in Sauerteigen

Beeinflussung und Verhältnis von Aroma- und Geschmacksstoffen durch Fermentation und Backprozess (Rothe, modifiziert) 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 Pyrrole Ketone Hydroxy- und Ketone Lactone Heterocyclische Verbindungen Katabolismus, partiell Anabolismus Maillard-Reaktionen Karamellisierungen

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

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

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

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)

Verstärkung von natürlichen Aromen bei der Lebensmittelverarbeitung Aromaverluste Processing Lebensmittel-verarbeitung Rohstoff Lebensmittel mit verstärktem Aroma Processing Enzym-Quelle Aroma-Enzyme

Aromabildung aus Kohlenhydraten und Triglyceriden Lactose β-Galactosidasen Glucose + Galactose Milchsäure Propionsäure Acetoin Acetaldehyd Diacetyl u. a. Fett Lipasen Fettsäuren + Glycerin Decarboxylasen Aldehyde Ketone Aromabildung aus Triglyceriden

Aromabildung aus Proteinen Endoproteasen Peptide Exoproteasen Aminosäuren Desaminasen Decarboxylasen Desamierung Decarboxylierung

Aromaverbindungen aus Butter Alkane: C1-12; und ringförmig Alkane: C5-12 (delta 2), C7 (delta 4) Ketone: 2-Alkanone: C3-15 andere Carbonylverbindungen: C7-3 -on, Diacetyl, Aceton, Benzaldehyd, 2-Phenylacetaldehyd, Phenylpropandion Lactone: delta C6-18, gamma C8-16, Bonlide Alkohol: C1-10 Fettsäuren: C2,4,6,8,10,12 plus ungesättigt Ester: C1,2,10 = Methyl-, C1,2,4,6,7,8,10,12 = Ethyl-, Methylbenzoat Phenole: Phenol-, m-Kresol, p-Kresol, o-Methoxyphenol divers: Indole …… Benzothiazol Dimethylsuflid, Indol, H2S

Enzym-Kaskaden zur Generierung von Aromen Milchfett oder Pflanzenfett Milchprotein oder Pflanzenprotein Lipasen Proteinasen Freie Fettsäuren Aminosäure (und Peptide) Oxidasen Desaminasen β -Ketosäuren β -Ketosäuren Decarboxylasen Decarboxylasen Methylketone Aldehyde Reduktasen Reduktasen Sekundäre Alkohole Primäre Alkohole Käsearoma Abb. Enzymatische Erzeugung von Käsearomakonzentraten

Character Impact Compounds „Schlüsselverbindungen“ in geruchsaktiven Produkten

Aromastoffe

Aromabildung

Aromabildung

Aufbau eines Glycosids und mögliche Bedingungen zur Aktivierung von Aromastoffen Aufbau eines Glycosids und mögliche Bedingungen zur Zuckerabspaltung Glycosid Hydrolyse durch Abspaltung des Zuckers a) chemisch (Säure oder Base) b) enzymatisch c) thermisch Zucker + Aglykon aromaaktiv Zucker Aglykon nicht aromatisch nach Werwitzke.U. et al. 2000. S.23

Aromaenzyme

Aromaverstärkung bei Erdbeeren durch Methylobakterium ssp. (Siegmund et al., Graz 2009) Formation of furaneol by the plant in symbiosis with methylotrophic bacteria

Tasty Tomato Flavours (Synergy 2010)

Traditionelle Technologie: weißer Pfeffer

Enzymatisches Schälen von Pfeffer

Authentische Aromaverstärkung durch enzymatisches Schälen

Vorteile einer enzymatischen Schälung bei weißem Pfeffer

Aufbau einer pflanzlichen Zelle Zelle als biochemischer Reaktor

Biotransformation mittels Pflanzlicher Zellkulturen (PTC) Aromatische Verbindungen Alkalodie Terpenoide Cumarine Steroide Biochemische Reaktionen z. B.: Epoxydierung Esterbildung Glykosylierung Hydroxylierung Isomerisierung Redox-Reaktionen Methylierung usw.

Biosynthetic Products of Plant Cell Cultures Substance Species Culture type1 Cinnamic acid Nicoriana tabacum C 4-Hydroxy-3-methoxybenzoic acid Linum usitatissimum Caryophyllene Lindera strychnifolia 2-Undecanone, 2-undecanyl acetate Ruta graveolens Stevioside Stevia rebaudiana Limonene, linalool Perilla fructescens Anethol Foeniculum vulgare “Ess. oil” Pimpinella anisum Diallyl disulfide Allium cepa Farnesol Andrographis paniculata S 2-Phenylethylglycoside Tropeaolum majus Glycyrrhizin Glycyrrhiza glabra “Apple aroma” Malus silvestris L-Glutamine Symphytum officinale 1 C= callus culture; S= suspension culture

Prinzip des mechanischen /enzymatischen Zellaufschlusses Einbringung von mechanischer Energie durch Reibung, Scherkraft oder Kollision Kraft > Berstkraft Vermeidung von Reibungswärme Enzymatischer Aufschluß Freisetzung des Enzymkomplexes Freisetzung von Farbe, Aroma und mehr… anderes

Aufschluss von Holunderbeeren mit Cellulase

Gefrieren komplexer Systeme und Texturerhalt (pflanzliche Lebensmittel) Pflanzliche Lebensmittel sind hormonell / enzymaktive Systeme (z. B. Früchte) Primärwandstabilisierung: Aktivierung der fruchteigenen Peroxidase Mittellamellenstabilisierung durch fruchteigene oder mikrobielle Pektinesterasen (z.B. vor oder nach dem Gefrieren) Retardierung / Stopp des endogenen Metabolismus direkt nach der Ernte (vor dem Gefrieren) Inhibierung spezifischer Enzyme anderes Ethylen Synthese Amino Vinyl Glycin oder Silberionen hemmen die ACC-Synthase Methionin S-Adenosylmethionin ACC-Synthase (ACC) ACC-Oxidase Diese Enzyme zeigen Aktivitätszunahme bei Reifungsbeginn 1-Aminocyclopropan-1-carboxylsäure Ethylen (C2H4) z. B. Expression der Gene zur Reifung bei der Tomate oder Wurzelhaarbildung in Arabidopsis Begrenzendes Element ist die ACC-Synthase, deren Transkription wird durch Auxin stimuliert Beispiel: Fruchtboden der Erdbeere Rezeptor (nach Grierson and Covey 1988)

Anwendung bei der Fruchtreife

Festigkeit von Zellen Durch Gefrierprozesse ist die Abnahme der Festigkeit durch Kristallwachstum feststellbar. Aufgrund der Permeabilitätseigenschaften kann es während des Gefrierens zu einem Austritt von Zellsaft in die Interzellularräume kommen. Der Prozess führt bei niedrigen Gefrierraten zu großen Eiskristallen außerhalb der Zelle, wodurch das Zellgefüge gelockert werden kann (Pseudoplasmolyse). Während des Auftauprozesses führt eine geringere Wasserwiederaufnahme (Rehydratation) der Zelle zu einem schwammigen Gewebe , das weitgehend seine Konsistenz einbüßt.

Festigkeit von gefrorenen verarbeiteten Sauerkirschen (Extrusionstest): Stabilisierung der Mittellamelle und der Primärwand Kraft Fmax (N) Kühllagerung Vorerhitzung Calcium (Wochen) (°C) (ppm) Quelle: K. Lösche (Hrsg.): Enzyme in der Lebensmitteltechnologie, Behr`s Verlag, Hamburg, 2003

Fruchtfleischfestigkeit: Regulation durch Alpha-Mannosidase und ß-D-N-Acetyl-Hexosaminidase Asis Datta et al. : Enhancement of fruit shelf life by suppression N-glycan processing enzymes ; St.Louise, 2010

elektromagnetischen Wellen Generierung formstabiler TK-Obstprodukte durch eine Spezial-Behandlung unmittelbar nach der Ernte (vor dem Gefrieren) Ernte Stopp des endogenen Stoffwechsels Behandlung mit elektromagnetischen Wellen Reinigen, Sortieren Gefrieren (verpackt, unverpackt) Lagern Auftauen Erhalt der Textur, Konsistenz, nahezu keine Zellzerstörung

Knusprigkeit beeinflusst Aroma, Geschmack und mehr

Crispyness

Sogginess Toast

Crispyness ist eine Funktion der Porosität

Feuchte-und Temperatursteuerung ist Klimatechnik: Voraussetzung für Gasblasenexpansion Sorptionsisothermen Die Sorptionsisotherme ist die graphische Darstellung des Sorptions-Verhaltens 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 Klimaautomat stellt sich in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Ware die von der Sorptions- Isotherme angegebene Luft-Feuchtigkeit ein, bis ein Gleichgewicht zwischen Ware und Umgebungsluft erreicht ist. Man spricht von der Gleichgewichts-Feuchte.

Prinzip einer Ultraschallvernebelung : Erhalt der Wärmeleitfähigkeit 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 bis 0,005mm) und bilden deshalb einen frei schwebenden Nebel.

Crispyness durch Vakuum-Enthalpie -Kühlung

Differentielle Reaktionsraten von Hefen und Enzymen in Abhängigkeit von der Temperatur: Steuerung von Aroma, Geschmack und Farbe… -10 20 10 30 Temperatur °C log. Reaktionsgeschwindigkeit (v) x. 101 x. 102 Enzyme Hefe Abb.: Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Hefe (grüne 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

Porosität beeinflusst Crispyness, Porosität beeinflusst Wärme- und Stofftransport, Crispyness beeinflusst Aroma, Geschmack, Textur und mehr

Querschnittsbilder der Reisprodukte Röntgen-tomographische Studien an Reis-Extrudaten: Porosität und Expansion in Abhängigkeit von Wassergehalt und Temperatur (Nestle 2008) Querschnittsbilder der Reisprodukte

Grenzschicht-Situation im Augenblick der Entspannung nach Heißextrusion Interaktion und Gleichgewicht: flüssig gasförmig viskose Kräfte Thermisch Konvektion Wärmeleitfähigkeit Trockenmasse Wärmeleitung thermische Expansion p·V=n R·T Verdampfungskälte Poren-Generierung Fertigung der Porenwände Verdampfung Gas Expansion / Konvektion Mol-Massen etc. P·V = nRT Viskosität (z. B. Endviskosität) aw-Wert Porenwände - Dicke - Zustand (Glaszustand) - Festigkeit Flüssig Gleichgewichtsfeuchte

Particle Charge for Texture: Novel Instrument for Batters e.g. special Batters for Coatings of Frozen-Fish conventional: amylomaize-flour-basis (inconvenient charge-situation) fluctuations of „breading-Adhesion“ and -distribution inadequate gas-permeability little allowance concerning fluctuations in the water content rejections 10-15% (problem: quality of product) declaration in the case may be: “modified amylomaize” new: hydro thermic treated flour (“Roland-Mühle“, Bremen) (wanted charge-situation) good breading-Adhesion and -distribution good gas-permeability high allowance concerning the water content rejections < 5% clean label

Einfluss von Additiven und Temperatur (UHT) auf die elektrische Gesamtladung von Schlagsahne (Döscher, 2009)

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Die authentische Generierung von Aroma und Geschmack muss Lebensmittel-spezifisch erfolgen: fermentativ, enzymatisch, physikalisch… Die Generierung von „character impact compounds“ gelingt u.a. durch mikrobielle Syntheseleistungen (z.B. Methylobakterium: vgl. Erdbeere , Milchsäurebakterien: vgl. Backwaren) oder/und durch spezifische Beeinflussung des Stoffwechsels einer pflanzlichen Zelle, z.B. durch Induktion, ß-Glucanasen (Aroma-Enzyme) u.a.m. Die Aroma- und Farbausbeute kann durch Zellaufschluß-Verfahren deutlich erhöht werden: z.B. Tomaten-Saucen, Paprika-Zubereitungen, Fruchtzubereitungen etc. Das enzymatische Schälen, z.B. von Gewürzen, liefert vergleichsweise höhere Ausbeuten an Aroma, Geschmack, Farbe u.a.m. Die Konsistenz ist bei Obst-und Gemüseprodukten oftmals eine der wichtigsten Qualitätsparameter; mehrere lebensmitteltechnologische Maßnahmen sind heute möglich: Stabilisierung der Mittellamelle, der Primärwand und Hemmung bestimmter Enzyme (alpha-Mannosidase etc.) Crispyness bei Frühstückscerealien, Backwaren, Fischstäbchen etc. ist eine Resultierende der Porosität, die primär mithilfe physikalischer Verfahren generierbar ist (Aerosol-Technologie, Vakuum-Technologie, IR-Technik etc.)

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Die Bestimmung der Partikelladung (PCD) kann neuartige Wege weisen zur Aufklärung von Stoffveränderungen und /oder Generierung von Textur, Emulsionsstabilität, etc. Sensorische Größen wie Aroma, Geschmack sind u.a. abhängig von der jeweiligen Matrix und seinen Eigenschaften. So vermitteln Materialeigenschaften ( weich , fest, elastisch, spröde, knusprig etc.) neben anderen Eindrücken immer auch ein entsprechendes Aroma- , Geschmacks – und Genusserlebnis… Viele neuartige und realistische Ansatzpunkte zur Generierung authentischer Qualitätsmerkmale (Sensorik) bei verschiedenen Lebensmitteln liegen vor, sie werden aktuell noch zu wenig genutzt….

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