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Das ttz Bremerhaven

Das ttz Bremerhaven. IHRE IDEEN BRAUCHEN EIN ZUHAUSE. 1. Puratos Trend Symposium Von der Zukunftsforschung zum Vermarktungskonzept für den Backwarenbereich Puratos Center for Bread Flavour, St. Vith, 03.-04.06.2009.

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  1. Das ttz Bremerhaven IHRE IDEEN BRAUCHEN EIN ZUHAUSE

  2. 1. Puratos Trend Symposium Von der Zukunftsforschung zum Vermarktungskonzept für den BackwarenbereichPuratos Center for Bread Flavour, St. Vith, 03.-04.06.2009 Technologien zur Generierung von Brot-geschmack mit spezifischer Authentizität Klaus Lösche BILB/EIBT ttz–BILB/EIBT – www.ttz-bremerhaven.de Kontakt: Prof. Dr. K. Lösche– Head of Institute - Baking and Cereal Technology Tel: +49-471-972-97 12 e-mail: loesche@ttz-bremerhaven.de

  3. Aromastoffbildung entlang von Backprozessen • Enzymatische Umsetzungen aus enzymhaltigen Rohstoffen (Mehl, Backmittel, 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)

  4. Taste andFlavor •2-Acetyl-1-Pyrrolin isteinSchlüsselaromastoff inWeizenbroten, welcherzumröstigen Aroma derKrustebeiträgt •2-Acetyl-1-Pyrrolin entstehtwährendderBackensauseinerDikarbonylkomponente und Ornithin •OrnithinistkeineproteinogeneAminosäure und wird voneinigenLaktobazillenausArginingebildet •DerGehalt an Aminosäuren (Arginin) in Brotmehlenistgering! SteuerungderOrnithinbildungdurchL. pontis und L. reuteri

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

  6. Biotechnolgicalformationofcharacterimpactcompounds Ornithinbildung in Sauerteigen

  7. Reaktionsaromen: Erhitzte Aminosäuren in Gegenwart von Glucose (Rohan, 1999)

  8. Alkan-Alkohol Alken-Alkohol Amine FuranDerivate Substrat(Mehl etc.) Aldehyde Ester Beeinflussung und Verhältnis von Aroma- und Geschmacksstoffen durchFermentation und Backprozess (Rothe, modifiziert) Fettsäuren Pyridine Fermentation Backprozess Hydroxy- und Ketosäuren Pyrazine • Percursoren- Zucker- Aminosäuren- Fettsäuren • Enzyme • sek. Inhalts-stoffe • anderes Ketone Hydroxy- und Ketone Lactone Pyrrole HeterocyclischeVerbindungen Katabolismus, partiell Anabolismus Maillard-ReaktionenKaramellisierungen

  9. Mikrobieller Stoffwechsel als Grundlage von Fermentationen Allen Fermentationen gemeinsam ist die Grundreaktion: Substrat (S) Stoffwechsel Stoffwechselprodukte (X) + Mikroorganismus (A) (Zellzuwachs) + vermehrte Mikroorganismus (A) Abb.: Grundreaktion aller Fermentationen • 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→

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

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

  12. Biotechnologie Produkte und Verfahren der Bäckerei Enzymtechnologie Fermentation • Milchsäuregärung durch MilchsäurebakterienBeispiel: Sauerteig (in der Regel in Homöostase mit Hefen) • Alkoholische Gärung der HefeBeispiel: Vorteige (in der Regel in Homöostase mit Bakterien) • Malzprodukte • Einsatz verschiedener biotechnischer Enzyme als Backmittel, u. a.: Amylasen, ProteasenHexose-OxidasenXylanasen, Lipasen • Enzym-Management Beispiel: Roggen-Backfähigkeit • Enzymatische Umsetzungen Beispiel: Rückbrot

  13. Enzym-Management bei Roggensauerteig α-Amylasen (Roggen) T 997 Enzym- Aktivität [U] Temperatur (°C) Amylo-gramm Einheiten [AE] α-Amylase inhibiert 1,5°C /min α-Amylase aktiv Temperatur (°C) Abb.: Einfluss der α-Amylase-Aktivität auf die Roggenstärke-Verkleisterung

  14. Produkte aus mikrobiellen und enzymatischen Prozessen • Kohlenhydrate: monomere, oligomere, polymere • Vitamine und Wachstumsfaktoren • Hormone • verschiedene org. Verbindungen • Enzyme • Enzymatische Transformationsprodukte • Organische Säuren • Aminosäuren • Peptide und Proteine • Nucleinsäuren • Nukleoside und Nukleotide • Alkohole • Emulgatoren • anderes Sauerteigfermenter als biotechnische Reaktoren... !

  15. Vorgänge in Vor- und Sauerteigen

  16. 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

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

  18. Wirkung endogen operierender, mehleigener Enzyme bei Vorteigen als Funktion von Temperatur, aw-Wert, pH-Wert, Zeit etc. hoch fest enzymatische Reaktionen mehleigener Enzyme (Hydrolasen) Konsistenz Enzym-Reaktion Konsistenz eines Vorteiges flüssig gering 10 h 20 h Zeit Abb.: Einfluss enzymatischer Reaktionen mehleigener Enzyme auf die Konsistenz von Weizenvorteigen (schematisch)

  19. 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

  20. Phytinsäure in Getreide und Ölsaaten

  21. Phytaseaktivitäten in verschiedenen Getreidemahlerzeungissen Phytaseaktivtät in µg P/(gmin) Reispuder Weizenmehl Roggenmehlaus 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

  22. 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

  23. Aleurone – Concentrated Source of Phytic Acid (~ 4%) OPO3H2 H2O3PO OPO3H2 H2O3PO OPO3H2 Aleuronecellwithinclusionbodiescontainingproteinandphytin *Hoseney (1994). Principles of Cereal Science and Technology. OPO3H2 Phytic acidMyoinositol hexaphosphate

  24. OPO3H2 OH OH OPO3H2 OPO3H2 OH Phytase oder Inositol (1~5) Phospate + n H3PO4 (n=1~6) + n H2 0 OPO3H2 OH H2O3PO OH OH OPO3H2 Phytase Reaktion

  25. Abb.: Inhibition verdauungsfördernder Enzyme durch Phytate

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

  27. Sensorische Bewertung – Reisbackware mit Phytase Tab.: Einfluss einer Phytase-gestützten Reissauerteig - Fermentation auf Reisbrotqualitätsmerkmale

  28. 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

  29. 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+ Milchsäure-bakterien, Hefen -Amylase Milchsäure, Essigsäure, CO2, Aromastoffe Oligosaccharide Stärke

  30. Phytase-gestützte Weizensauerteige im Vergleich PL 1 – Weizensauerteig 20 % PL 3 – Weizensauerteig 10 % PL 3 – Weizensauerteig 20 % Ohne Weizensauer-teig PL 1 – Weizensauerteig 10 % Einfluss von Phytase (PL3) auf die Qualitätsmerkmale von Weizenbrot (Weizensauer: TA 200, Fermentation bei 16 Std. und 35°C)

  31. Phytase-gestützte Weizensauerteige im Vergleich Ohne Weizensauer-teig PL 1 – Weizensauer-teig 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

  32. Abb.: Veränderungen der Gärkurven im Laufe der Jahrzehnte

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

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

  35. Amylasen und Gebäckbräunung Abb.: Einfluss der Teigfermentationszeit auf den Bräunungsgrad von Backwaren (WM T550, TA= 200, Fallzahl: 390 Sec., 35°C)

  36. Amylasen und Gebäckbräunung in Gebäcken Abb.: Einfluss der Teigfermentationszeit auf den Bläschenbildung von gebackenen Produkten (TA= 200, WM T. 550, Fallzahl: 390 Sec., 35°C)

  37. Amylasen und Teigruhe Abb.: Einfluss der Teigfermentationszeit auf die Struktur und Volumenausbildung von Broten (WM T550, TA= 200, Fallzahl: 390 Sec., 35°C)

  38. Abb.: Schnittbrötchen ohne einen Weizensauerteig und einem enzymschwachen Mehl (Fallzahl 390sec.) gebacken. Die Teiglinge werden über Nacht 8h bei –6°C und 11h bei +3°C / 90% r.F. gärverzögert, anschließend bei 20°C / 90% r.F. bis ¾ Gare vorgegart und unterschiedlich lange bei +5°C gärverzögert. Nach Kurzer Akklimatisierung bei Raumtemperatur werden die vorgegarten Teiglinge gebacken.

  39. Abb.: Schnittbrötchen ohne einen Weizensauerteig und einem enzymschwachen Mehl (Fallzahl 390sec.) gebacken. Die Teiglinge werden über Nacht 8h bei –6°C und 11h bei +3°C / 90% r.F. gärverzögert, anschließend bei 20°C / 90% r.F. bis ¾ Gare vorgegart und unterschiedlich lange bei +5°C gärverzögert. Nach Kurzer Akklimatisierung bei Raumtemperatur werden die vorgegarten Teiglinge gebacken.

  40. Abb.: Schnittbrötchen ohne Sauerteig gebacken und 20h bei +5°C gärverzögert. Nach 3h Zwischengare bei +20°C / 90% r.F. und einer Endgare bei 35°C / 75% r.F. bis ¾ Gare werden die Teiglinge gebacken.- Links Mehl mit niedriger Fallzahl (290sec) --> Süßblasen und kleines Volumen- Rechts Mehl mit hoher Fallzahl (390sec) --> keine Süßblasen und gutes Volumen

  41. Mehl-Amylasenaktivität und Gebäckbräunung Bräunungsgrad Hoch Mittel Gering T = 35°C WM T. 550Fallzahl 290 sec WM T. 550Fallzahl 390 sec Fermentationszeit in Minuten 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 Abb.: Einfluss der Teigfermentationszeit und der Weizenmehlenzymaktivität auf den Bräunungsgrad von Backprodukten (schematisch), TA = 200

  42. 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.

  43. Enzym-ManagementAktivierung 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 Optimierung der Gebäckqualität hoch mittel gering Aroma, Geschmack, Bräunung 4 5 6 7 Abb.: Einfluss einer Säuerung auf die Aktivität der α-Amylase in Weizenteigen

  44. Abb.: Links: Schnittbrötchen: 20h GV bei –5°C 20hRechts: Schnittbrötchen 30min schockgefrostet bei -40°C und 19,5h GV bei –5°C, Beide Teiglinge werden 3h zwischengegart bei 20°C / 90% r.F. und bei 35°C / 95% r.F. auf ¾ Gare endgegart.

  45. Abb.: Links: Schnittbrötchen: 20h GV bei –5°C 20hRechts: Schnittbrötchen 30min schockgefrostet bei -40°C und 19,5h GV bei –5°C, Beide Teiglinge werden 3h zwischengegart bei 20°C / 90% r.F. und bei 35°C / 95% r.F. auf ¾ Gare endgegart.

  46. Veränderungen beim Gefrieren von Teig Physikalisch KristallbildungRekristallisationVolumenanstiegDruckanstieg im Innernaw-Wert-SenkungGaswechselGasdiffusionGaslöslichkeitetc. Biochemisch/mikrobiologisch Enzymaktivität Hefe-Zellschädigung etc. Chemisch Konzentrations-verschiebungen pH-Wert-Senkung Membran-Desintegration etc.

  47. Temperatur Reaktionsraten von Hefen und Enzymen 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

  48. Qualitätsprofil Weizenmehl: Type 550 Kleberschwaches Mehlz. B. für Kekse, Massen etc. Kleberstarkes Mehlz. B. für GU, GV, LF, Berliner, Toast etc. StandardmehlFür Weißbrot, Brötchen, Baguette, Mischbrot 400 600 660 680 700 710 720 740 RMT (ml):Protein i. Tr. (%) ICC Nr. 105Kleber (%)ICC Nr. 137 SedimentationswertICC Nr.: 116Fallzahl (g) ICC NR. 107Maltosezahl 8-9 10-11 11,2-11,7 12,0 12,5 12,7-13,2 13,5 14,0 20 22 24 26 27 28 30 32 32 34 36 38 39 40 41 42 250-350 280-350 300-400 2-3,5 1,5-2,0 1-1,5

  49. Tab.: Verfahren zur Gärzeitsteuerung

  50. Kältekreislauf X USK SPS Control X X Energierückgewinnung im Kältekreislauf Wärmekreislauf Ungermann Gärvollautomat

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