Biochemie der Getreideverarbeitung

Backeigenschaften von Mehlen
Prof.Dr.K.Lösche
Allgemeine Produkttechnologie pflanzlicher Lebensmittel
Biochemie der Getreideverarbeitung
1. Die Backeigenschaften von Mehlen
1.1. Definition der Backeigenschaften
Verbreitet ist bei Brotgetreide der Begriff Backfähigkeit; zutreffender ist der Begriff
Backeigenschaften, da auch aus anderen Getreidearten bzw. Gemischen verschiedener
Getreidearten und Kombinationen mit anderen Rohstoffen, z.B. Leguminosenmehlen
oder Knollenstärken, unter Anwendung spezifischer Rezepturen und Technologien
Gebäcke hergestellt werden können.
Die Backeigenschaft ist ein sehr komplexes Merkmal, in ihr vereinigen sich
- Eigenschaften des Rohstoffes Getreide sowie
- Eigenschaften der Mehlherstellung und – verarbeitung einschließlich Rezeptur.
An den Backeigenschaften sind folgende Faktoren beteiligt:
a) physikalische, z.B. Granulation,
b) biochemische und chemische , z.B. Veränderungen der nach Art, Menge und
Eigenschaften unterschiedlichen Mehlinhaltsstoffe einschließlich Zusatzstoffe
(Hefe u.a.),
c) technologische, z.B. Knetintensität.
Die Backeigenschaft eines Mehles ( im Hinblick auf Brot) ist sein Vermögen, nach
Zusatz von Wasser, Nicht-Getreide-Rohstoffen, nach Knetung, Lockerung, Reifung
und thermischer Behandlung des Teiges eine saubere Krumenstruktur zu bilden.
Dieses drückt sich in wichtigen Eigenschaften des Teiges (z.B. Wasserbindung,
Viskosität, Dehnbarkeit, Elastizität) sowie der Krume (z.B. spezifisches Volumen,
Elastizität) aus.
Die Backeigenschaften eines Mehles hängen insbesondere von Sorte und Qualität des
Getreides ab, wobei die Beziehungen zum Ausmahlungsgrad und zur
Verarbeitungstechnologie ( einschließlich Rezeptur ) und zur Verbrauchererwartung
bestehen.
Für die Praxis sind die Backeigenschaften nur in Verbindung mit dem jeweiligen
Verwendungszweck des Mehles zu bewerten.
Die Backeigenschaften von Weizen und Roggen beziehen sich auf das Ergebnis von
standardisierten Backversuchen mit nach standardisierten Bedingungen hergestellten
Mehlen und werden durch Wertzahlen und Qualitätseigenschaften, wie das
Gebäckvolumen, gekennzeichnet.
Nach früheren Auffassungen hat man – in Ländern mit überwiegendem Brotverzehr –
nur Weizen und Roggen zufriedenstellende Backeigenschaften zugeschrieben. In
Zusammenhang mit der zunehmenden Verarbeitung anderer Getreidearten zu
Gebäcken, z.B. als „composite flours“ , erweitern sich die Kenntnisse über die
Backeigenschaften.
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Getreideproduktion
Getreidequalität
Mehlgewinnung
Proteine – Stärke -
Pentosane -
Lipide – Enzyme
Mehlqualität
sensorischhygenische-
Beschaffenheit
ernährungs –
physiologische
Beschaffenheit
Teig- Teigreifung Backprozeß
bereitung
Gebäckqualität
Tab.1.1
Beziehung zwischen Getreide -, Mehl – und Gebäckqualität
1.2. Teig als Vielkomponentensystem
Der Teig enthält eine große Zahl verschiedener Bestandteile aus Mehl und Zusätzen, die z.B.
eingeteilt werden können in
a) Mehlbestandteile und Reaktionsprodukte: Kohlenhydrate ( insbesondere Stärke und
Pentosane), Proteine und Lipide des Mehles neben Wasser und Luft (bei der
Teigbereitung eingearbeitet), Cellulose, Enzyme, Vitamine, Co 2 , Ethanol und weitere
Stoffwechselprodukte, Peptide und Aminosäuren, Dextrine, Maltose und andere
Oligosaccharide, Aromastoffe.
b) Zusatzstoffe: Hefezellen, Kochsalz, Saccharide. Malzmehl, Hefenährsalze, Fette,
Milchprodukte, Teigverbesserungsmittel (z.B. Backmittelkomponenten) u.a.
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Der Teig ist ein komplexes System von Naturstoffen, in dem auf Grund des hohen
Feuchteanteils und des enzymatisch aktiven Zustandes leicht biochemische Umsetzungen
erfolgen.
In der Feinstruktur des gut entwickelten und gelockerten Teiges sind zu erkennen:
- das Glutennetz (kontinuierliche Phase)
- Gasporen, die mit CO 2 , N 2 und evtl. O 2 ( soweit nicht durch die Hefe verbraucht ) gefüllt
sind,
- Hefezellen,
- Stärkekörner, eingebettet im Glutennetz, teilweise auch gequollen oder amylolytisch
partiell abgebaut,
- Lipide.
Grundlage der Teigbildung und Teigeigenschaften ist die Fähigkeit der Mehlinhaltsstoffe, im
Teigmilieu in starkem Maße Wechselwirkungen untereinander bzw. mit dem Wasser
einzugehen ( Bild 1.2).
Die Hauptbestandteile von Brotteigen – Stärke, Wasser und Proteine – haben für die
Ausbildung einer kaubaren Brotkruste die größte Bedeutung.
Enzyme, Salze, H 2 O, Protonen
Stärkekorn
Amylose
Amylopektin
Pentosane
Proteine
Lipide
Pentosane
Proteine
Lipide
Bild 1.2
Mögliche Wechselwirkungen im Teig (schematisch)
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1.3 Merkmale der Gebäckkrume
Merkmale einer Brotkrume sind :
- gute Kaubarkeit,
- das spezifische Volumen, z.B. 1,5 bis 5ml/g bei Weizenbroten ( bei Mehl ca. 0,9ml/g),
- Elastizität und plastische Deformierbarkeit bei mechanischer Belastung ,
- das Verhalten beim Kauen ( nicht klebend oder krümelnd, gut einspeichelbar),
- Feuchtegehalt von über 30 bis ca. 50%,
- Stärkegehalt von ca. 70%i.T. und darüber
- niedriger Gehalt an Sacchariden und Fetten von jeweils weniger als 5%i.T.
(Unterscheidungsmerkmal zu anderen Backwaren) u.a.m.
Die Krumen von verschiedenen Gebäckarten weisen unterschiedliche Merkmale auf (Tabelle
1.1).
Tabelle 1.1 Mikrostruktur der Krume von Gebäcken (Zimmermann u. Schmidt 1977)
Merkmal
Stärke –
gerüst
Roggenvollkornbrot
stark ausgeprägt
Mischbrot Toastbrot Keks
vorhanden
vorhanden
nicht
vorhanden
Stärkebeschaffenheit
fast vollständig
verkleistert
stark verkleistert
stark verkleistert
nicht verkleistert
Proteingerüst
nicht entwickelt
strukturlos
schlecht entwickelt
sehr gut ententwickelt
schlecht entwickelt
Klein – und
Makroporen
(Ø in µm)
20 – 600
20 – 500
50 – 900
10 – 50
Mikroporen
(Ø in µm)
3
3
5
keine
Die Krumenstruktur ergibt sich aus den Porenwänden und den Poren,
Rohstoffzusammensetzung und Verarbeitung entscheiden über die Makro – Mikrostruktur der
Porenwände sowie über die Anzahl, Größe und Verteilung der Poren. Die Porenwände
werden von Klein – und Mikroporen unterbrochen und selbst durch Makroporen
gegeneinander abgegrenzt.
Die Ausbildung eines Stärkegerüstes hängt u.a. vom Feuchteanteil und Lipidgehalt des Teiges
ab.
Weizengebäcke weisen im Unterschied zu Roggengebäcken auch ein Proteingerüst auf, das
jedoch z. B. bei größerem Lipidanteil unterbrochen ist (Keks).
Die Lockerung der Krume, die sich in weiten Grenzen bewegen kann, ist u.a. abhängig von
der Mehlqualität und der Verarbeitung. Physikalische Eigenschaften der Brotkrume, z.B. die
Deformierbarkeit, stehen im Zusammenhang mit der Lockerung und Porenstruktur; sie haben
Bedeutung für die Textur der Krume.
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Eine gut ausgebildete, nicht gealterte Krume muß bei geeigneter mechanischer Belastung
(Daumendruck) deformierbar sein – ohne die charakteristische Makrostruktur zu verlieren –
und nach Entlastung ganz oder teilweise wieder die ursprüngliche Form annehmen
(Elastizität). Diese Eigenschaften besitzen z.B. die Krumen von Flachgebäcken
(Dauerbackwaren, Fladenbrote ) nicht.
1.4 Funktionelle Bedeutung der Mehlinhaltsstoffe
1.4.1 Einführung
Bei der Brotherstellung (die vorrangig betrachtet werden soll ) erfolgen in mehreren Phasen
Veränderungen der – hauptsächlich hochmolekularen – Inhaltsstoffe. Gleichzeitig haben sie
wichtige Funktionen zu erfüllen.
Formatiert: Nummerierung
und Aufzählungszeichen
Die Funktionen von Getreide – bzw. Mehlinhaltsstoffen kann man generell unterscheiden in
a) natürliche (biologische ) Funktionen,
z.B. als Strukturmaterial, Reservestoffe, zur Wasserbindung,
b) technologische und sensorische Funktionen in Lebensmitteln,
z.B. als Strukturmaterial, das für Textur, Form, rheologische Eigenschaften wesentlich ist,
als Quellstoffe, Emulgatoren, Geschmackstoffe,
c) ernährungsphysiologische Funktionen
z.B. als Energielieferant, Ballaststoff, essentieller Nährstoff.
Definition
Als funktionelle Eigenschaften von Lebensmittelrohstoffen sowie Lebensmitteln bzw. ihren
Bestandteilen versteht man allgemein solche , die in bezug auf die Verarbeitbarkeit im
technologischen Prozeß und bestimmte Qualitätseigenschaften der Produkte eine wesentliche
Funktion erfüllen. Im weiten Sinne werden bestimmte ernährungsphysiologische
Eigenschaften, wie Verdaubarkeit und Resorptionsverhalten, dazugerechnet.
Die Kenntnis der funktionellen Eigenschaften bzw. die Herstellung von
Lebensmittelrohstoffen mit bestimmten funktionellen Eigenschaften ermöglicht die bessere
Verwertbarkeit der Rohstoffe, die Rationalisierung der Technologien und die Verbesserung
der Materialökonomie sowie des Gebrauchs -, Genuß- bzw. Nährwertes.
Unabhängig vom individuellen Lebensmittel unterscheidet man eine Reihe grundlegender
funktioneller Eigenschaften der Kohlenhydrate , Proteine und Lipide; dabei sind einige
Unterschiede zwischen hoch – und niedermolekularen Inhaltsstoffen (z.B. Polysaccharide
bzw. Disaccharide) sowie zwischen den hydrophylen und hydrophoben vorhanden.
Zu den grundlegenden funktionellen Eigenschaften von Lebensmitteln bzw. deren Rohstoffen
oder Inhaltsstoffen gehören:
- Wasserbindung und Löslichkeit ( z.B. Proteine, Polysaccharide),
- rheologische Eigenschaften (Biopolymere, Lipide),
- Gelbildung (z.B. Polysaccharide)
- Filmbildung (z.B. Phospholipide, lineare Polysaccharide),
- chemische Reaktivität ( z. B. Aminosäuren, ungesättigte Fettsäuren, Saccharide),
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- Emulgiereigenschaften (z.B. Lipide, Proteine),
- Schaumbildung und – stabilität (z.B. Proteine),
- Bindung von Lipiden und Aromastoffen (z.B. Amylose, Gluteline),
- osmotische und hygroskopische Eigenschaften (z.B. Saccharose, Salze),
- sensorische Eigenschaften ( Süßungsmittel, Aromen, Farbstoffe),
Bei der Herstellung der Lebensmittel sind zahlreiche technologische und
gebrauchswertbildende Eigenschaften der Rohstoffe von Bedeutung , z.B. Dickungs – und
Emulgiervermögen, Konsistenz, Textur, Bräunungsvermögen, Mikrobenhemmung,
Vergärbarkeit, Extrudier – und Expandierbarkeit, Gashaltung, Backverhalten, Frischhaltung.
Es sind dies aus den funktionellen Eigenschaften abgeleitete Eigenschaften.
Dabei handelt es sich häufig um komplexe funktionelle Eigenschaften, an denen verschiedene
Inhaltsstoffe beteiligt sind, wobei die Verhältnisse des konkreten Lebensmittelsystems z. B.
hinsichtlich der Wechselwirkungen der Inhaltsstoffe ganz wesentlich sind.
Die Funktionalität ist durch die molekularen Merkmale bedingt. Die erfordert Kenntnisse über
die Feinstruktur, die chemischen und physikochemischen Eigenschaften der Rohstoffe bzw.
Lebensmittelinhaltsstoffe, ihre Reaktionen und Wechselwirkungen sowie deren
Auswirkungen auf die Verarbeitung und Lebensmittelqualität.
Bei den molekularen Merkmalen der Inhaltsstoffe sind allgemein zu unterscheiden:
a) die molekularen Bausteine ,
z.B. Art der Monosaccharide oder Fettsäuren , die am Aufbau der Kohlenhydrate bzw.
Lipide beteiligt sind,
b) die funktionellen Gruppen,
die Hydroxyl -, Carboxyl -,Carbonyl -, Aminogruppen, hydrophobe Reste; auf diesen
beruht die Fähigkeit zur Wechselwirkung z.B. mit Wasser, anderen
Lebensmittelbestandteilen oder untereinander; derartige Gruppen sind verantwortlich für
die chemische Reaktivität (z.B. bei der Maillard – Reaktion, bei chemischer
Modifizierung) und vor allem für die verschiedenen Arten nichtkovalenter
Wechselwirkungen,
c) der Aufbau der zusammengesetzten Inhaltsstoffe,
Reihenfolge (Sequenz) der Bausteine, Art der Verknüpfung (alpha – oder beta –
glycosidisch) Strukturryp (linear oder verzweigt), Polymerisationsgrad.
Auf Grund der molekularen Merkmale ergeben sich Möglichkeiten für verschiedene
Konformationen, die ihrerseits durch äußere Einflüsse und Wechselwirkungen im
Lebensmittelsystem verändert werden können und sich damit auf funktionelle Eigenschaften
auswirken.
Hinzuweisen ist auf die für Proteine bzw. Polysaccharide bedeutsamen Helix-, Faltblatt -,
Mehrfachhelix -, Band -, Zufallsknäuel – (random coil-) und Netzwerkstrukturen.
Die technologische Bedeutung der Mehlinhaltsstoffe liegt im Zustandekommen der
funktionellen Eigenschaften des Teiges ( Tabelle 1.2).
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Tabelle 1.2 Funktionelle Eigenschaften eines Weizenteiges bzw. –mehles
Phase der Stoffwandung Funktionelle Eigenschaften Komplexes technologisches
Merkmal
a) Teigbildung und
- verarbeitung
Wasserbindung
Viskosität
Elastizität
Klebrigkeit /
Knetverhalten
„maschineability“
Adhäsivität
b) Teiglockerung Gasbildung
Gashaltung
Schaumbildung und
- stabilität
Dehnbarkeit
Dehnwiderstand
Elastizität
Membranbildung
b) Krume – und
Krustenbildung
d)Aromastoffbildung
(während a,b,c)
Wasserbindung
Verkleisterung
Denaturierung
Strukturieren
Bräunung
Reaktivität
Aromabindung
Gär – bzw.
Reifeverhalten
Backverhalten
Aromaqualität
1.4.2. Wasserbindung im Teig
Der hohe Feuchteanteil von Teigen sowie der Brotkrume von ca. 35 bis 50% zeigt die
Bedeutung der Wasserbindung durch die Mehlbestandteile (vgl.Tabelle 1.3). Das
Backverhalten eines Mehles steht deshalb z.B. auch in Beziehung zur Teigausbeute.
Tabelle 1.3 Wasser in Weizenteig
Teigkomponente
Menge bei 100g Mehl
Anteil in %
Menge bei 100g Mehl
gebundenes Wasser in g
Stärke
Glutenproteine
Pentosane
Sonstige
Wasser (Mehlfeuchte)
70,0
12,0
2,5
1,5
14,0
21
24
26
-
-
Wasser ( Zuguß) 64,0 -
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Von den im Teig aus 100g Mehl vorhandenen 78g Wasser sind ca. 90% (ca. 71g) durch die
Mehlkomponeneten Stärke, Glutenproteine und Pentosane gebunden. Im Teig ergibt sich etwa
folgende Wasserbindung pro Gramm ( bei Abwesenheit von Zusatzstoffen):
Pentosane
Glutenproteine
Stärke
11 fach
2 fach
0,3 fach
für die Wasserbindung der nichtverkleisterten Stärke sind besonders die mechanisch
beschädigten Stärkekörner verantwortlich.
Nach dem Backen ist das Wasser in der Brotkrume vermutlich hauptsächlich durch die
verkleisterte Stärke (Amylos – Amylopektin – Gel) und die Pentosane gebunden.
Grundsätzlich kann man verschiedene Formen der Wasserbindung in Naturstoffen und
Geweben unterscheiden; an Ihnen sind bevorzugt Biopolymere beteiligt.
Allgemein werden die unterschiedlichen Energieniveaus der Wasserbindung in Lebensmitteln
und lebender Materie wie folgt charakterisiert:
Typ I Wasser in Einschicht – Adsorption oder in chemischen Hydraten
- a w (Wasseraktivität) stark reduziert ( 1µm), Fasern, Gele
- a w – Wert leicht reduziert (< 1,0 bis 0,80 ),
- Gefrierpunkt erniedrigt,
- mind. 0,14 bis 0,33 und max. 20g H 2 O / g Trockensubstanz in Geweben.
Bei der Wasserbindung durch Proteine werden drei Formen unterschieden (Fennema 1977):
a) chemisch gebundenes Wasser ( Konstitutionswasser):
ca. 0,003 g / g Protein. Es ist im Molekülinneren an spezifischen Stellen oder winzigen
Zwischenräumen lokalisiert; es ist im allgemeinen das am wenigsten mobile Wasser.
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b) physikalisch – chemisch gebundenes Wasser („Interfacial – Wasser“)
weniger als 0,6 g/ g Protein. Es ist an der Proteinoberfläche und in kleinen Spalten, Poren
u.ä. von molekularen Dimensionen lokalisiert; die Mobilität ist reduziert, die
Bindungsernergien sind größer als in Wasser von normaler Beweglichkeit.
c) physikalisch gebundenes Wasser („Bulk – phase – Wasser“):
Es ist freies Wasser und physikalisch eingeschlossenes Wasser ( ähnlich wie im Gel ); es
ist der Hauptanteil des Wassers in verdünnten Proteinlösungen bzw. in Zellen. Die
Eigenschaften des Wasser sind ähnlich dem Wasser von normaler Beweglichkeit.
Zur Wasserbindung der Proteine tragen hauptsächlich Aminosäuren mit polaren Resten bei,
am wenigsten Aminosäuren mit hydrophoben Resten ( Tabelle 1.4).
Tabelle 1.4
Beitrag von Aminosäuren zur Wasserbindung
(synthetische Polypeptide der einzelnen Aminosäuren bei 308 K)
Mol Wasser
Aminosäure –
pro Mol Aminosäure 1) Reste
7
6
4
3
2
1
0
Glu - , Tyr –
Asp –
Lys + , His + , Lys
Arg +
Arg, Tyr, Pro
Asp, Glu
Asn, Gln, Ser, Thr, Trp
Gly, Ala, Val, Ile, Leu, Met,
Phe
1) Es handelt sich um die Bestimmung des nichtgefrorenen Wassers, woraus die Anzahl der
gebundenen Wassermoleküle pro Aminosäureseitenkette abgeleitet wurde.
Die unterschiedliche Wasserbindung z.B. im Teig hat Bedeutung für
- den Gefrierpunkt des Wassers,
- die Mobilität der Wassermoleküle,
- die Quellung und Konformation der Biopolymere
- die enzymatische Aktivität und Zugänglichkeit der Enzyme,
- die Entwicklung von Mikroorganismen,
- die chemische Reaktivität, z.B. mit Sauerstoff,
- die Sorption bzw. Desorption von Wasser ( • Sorptionsisotherme),
- den Anteil an der flüssigen, d.h. mobilen Phase und damit für rheologische Eigenschaften.
Die Wasserbindung durch die Teiginhaltsstoffe beruht prinzipiell auf dem Dipolcharakter des
Wassermoleküls sowie dem vorhanden sein von funktionellen Gruppen und ist von
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zahlreichen weiteren Faktoren wie Molekülgröße, Konformation und Vernetzung der
Biopolymeren, Gelbildung, Ionen, pH- Wert und Temperatur abhängig.
Die Wasserbindung hat Einfluß auf die technologisch erreichbare Teigausbeute, die durch die
Mehlbeschaffenheit und die Rezepturbestandteile beeinflußt wird.
Die Teigausbeute wird u.a. durch Zusatz von Quellstärken oder pflanzlichen
Proteinpräparaten erhöht, durch Zusatz von Fett, Saccharose oder Stärke gesenkt.
1.4.3. Funktionelle Bedeutung der Proteine
1.4.3.1 Funktionelle Eigenschaften von pflanzlichen Proteinen
Die Gewinnung von Proteinpräparaten z. B. aus Ölsaaten und Leguminosen und deren
Verarbeitung in Lebensmitteln verlangt die Kenntnis ihrer funktionellen Eigenschaften im
Lebensmittelsystem.
Bei Sojaproteinen sind folgende funktionellen Merkmale von Bedeutung (Kinsella 1979):
- Wechselwirkung mit Wasser
Benetzbarkeit, Quellung, Wasserbindung, Löslichkeit, Gelbildung,
- Oberflächeneigenschaften,
Emulgiereigenschaften, Schaumbildung, Filmbildung, Bindung von Lipiden bzw.
Aromastoffen (Hydrophobizität),
- strukturbildende bzw. rheologische Eigenschaften,
Viskosität, Elastizität, Adhäsivität, Kohäsivität, Teigbildung, Klebrigkeit, Faserbildung,
Extrudierbarkeit, Koagulierbarkeit,
- sensorische Eigenschaften
Farbe, Geruch (Flavor), Textur (Mundgefühl, Kaubarkeit u.a.).
Zu den Faktoren, die die funktionellen Eigenschaften der Proteine bestimmen, gehören
a) molekulare Merkmale der Proteine
- Aminosäuresquenz (Primärstruktur)
- funktionelle Gruppen,
- Molekülstruktur (Sekundär. und Tertiärstruktur) (Länge der Peptidketten,
Disulfidbindungen, Proteinbausteine, Einheitlichkeit des Proteins),
- Ordnungszustand (Quartärstruktur, Konformation, Assoziation)
b) Prozeß – und Milieufaktoren
ph – wert, Ionenstärke, thermische Belastung, Lagerung, chemische oder physikalische
Modifizierung, Wasser, Kohlenhydrate, Lipide, Salze u.a.
1.4.3.2. Möglichkeiten der Veränderung funktioneller Eigenschaften von Proteinen
Veränderungsmöglichkeiten sind bei den Proteinen am vielseitigsten gegeben. Sie betreffen
a) Temperatur und pH-Wirkung
Denaturierungen führen zu Konformationsänderungen, evtl. mit Exponierung
hydrophober Reste an der Moleküloberfläche. Es kann Auswirkungen auf die Löslichkeit,
Wasser – und Fettbindung sowie die Schaumbildung geben, in Abhängigkeitvon der Natur
der Proteine.
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b) chemische und enzymatische Hydrolyse
Ein partieller Proteinabbau führt zu Konformationsänderungen und leichterer
Zugänglichkeit funktioneller Gruppen. Es sind Auswirkungen z.B. hinsichtlich Quellbarkeit,
Löslichkeit, Viskosität, Schaumbildung, Bildung von Aromavorstufen zu erwarten.
c) Einwirkung auf SH- und SS - Gruppen
Diese Möglichkeit hat große Bedeutung für die Veränderung der rheologischen
Eigenschaften des Glutens.
Reduktionsmittel, z.B. Cystein, senken, Oxydationsmittel, z.B. Kaliumromat, erhöhen die
Viskosität bzw. Konsistenz.
Durch Blockierung des SH/SS – Austausches ergeben sich ähnliche Effekte wie durch
Oxydationsmittel. SH- blockierende Substanzen sind Acryamid, N- Ethylmaleinimid ,
Jodacetamid (Verbindungen mit reaktiver Doppelbindung bzw. aktivem Halogen, aber ohne
technologische Bedeutung).
Über die SH – und SS – Gruppen kann z.B. auch die Gelbildung beeinflußt werden (z.B.
Sojaproteinen).
c) gezielte Wechselwirkung mit Neutralsalzenoder Komplexbildnern
Es kommt zur Beeinflussung der Löslichkeitseigenschaften, Kationen und Anionen
unterscheiden sich im Aussalz –bzw. Einsalzeffekt; es kann zu irreversiblen
Konfirmationsumwandlungen kommen.
Die Wechselwirkungen mit Polyaionen ( Carboxymethylcellulose, Alginat)haben
elektrostatischen Charakter. Es kann zu unlöslichen Komplexen kommen, die z.B. bei der
Strukturierung von Proteinen Bedeutung haben.
d) chemische Modifizierung (neben b) und c))
Relevante Beispiele sind :
- Acetylierung als Blockierung von Aminogruppen und Einführung von Carboxylgruppen,
- Veresterung als Blockierung von Carboxylgruppen,
- Vernetzung mit bifunktionellen Reagentienen, z.B. Dialdehydstärke mit Abnahme der Ly-
, Arg – und His – Reste,
- Desamidierung mit Freisetzung von Carboxylgruppen. Auswwirkungen : Erhöhung des
polaren Charakters, Verreingerung der H – Brücken – bindungen, Zunahme der
Löslichkeit, Verringerung der Viskosität, Beeinflussung der Wasserbindung,
- unerwünschte Modifizierungen, die sich durch Maillardreaktionen oder starke
Alkalibehandlung von Proteinen ergeben.
1.4.3.3 Funktionalität der Glutenproteine
Die Backeigenschaft ist primär eine Art – und Sorteneigenschaft. Diese unterliegt jedoch
Einflüssen von Anbau (Standort, Düngung, Klima), Ernte, Lagerung und Verarbeitung.
Die Speicherproteine des Weizens haben dabei eine tragende Funktion. Die
Qualitätseinstufung von Backweizen orientiert sich z.B. am Proteingehalt und
Sedimentationswert (Zeleny – Test) oder am Gehalt und den Eigenschaften des
Feuchtglutens.
Die Glutenproteine sind von Bedeutung für die Viskosität, Elastizität und Dehnbarkeit des
Teiges. Durch rheologische Untersuchungen am Teig, z.B: mittels Farinograph (Bild 1.3. und
1.4), erhält man Meßwerte, die in Beziehung zu den Verarbeitungseigenschaften stehen.
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A•B Teigentwicklungszeit
B•C Teigstabilität
A•C Resistenz des Teiges
500 FE Normalkonsistenz des Teiges, Versuchstemperatur 20 °C
FE Farinographeneinheit
Bild 1.3 Typische Kurve eines Farinogramms
Bild 1.4 a
Bild 1.4 b
Wasseraufnahme 61,9 % 55,0 %
Teigresistenz 8,0 Min 0,5 Min
Teigerweichung 40 FE 140 FE
Bild 1.4 Farinogramm eines glutenreichen (a) und eines glutenschwachen (b)
Weizenmehles
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An Hand der Volumenausbeute (ml Gebäck/100g Mehl) eines Backversuches ist ebenfalls
eine weitgehend auf die Proteine orientierte Bewertung des Backverhaltens möglich.
Durch Zumischen von Weizen von gutem Backverhalten kann man das Backverhalten einer
schlechten Sorte verbessern. Dieser „Aufmischeffekt“ hängt im wesentlichen von der
Weizensorte und damit deren genetisch fixierten Merkmalen der Inhaltsstoffe ab.
Die Tabelle 1.5 zeigt die Veränderung des Verarbeitungswertes von Weizenbrotmehl in
Abhängigkeit von der Weizenqualität. Die Mehlproben wurden aus Weichweizen( Rohprotein
10,0% i.T.) und Hartweizen (RP 15,0%) gewonnen und anteilig vermischt.
Mit steigendem Proteingehalt (Hartweizenanteil: Rohprotein 15,0% i.T.) ergibt sich
- eine Zunahme der Wasseraufnahme (Prüfung im Farinographen),
- eine Zunahme der Teigerweichung beim Kneten bei gleichzeitiger Zunahme der
Teigresistenz und Farinogrammzahl
- eine Verbesserung der Dehnungseigenschaften des entwickelten Teiges, angezeigt durch
die Energiewerte (Fläche des Extensogrammes) sowie die Verhältniszahl
(Dehnwiderstand/Dehnbarkeit bei Prüfung im Extensographen),
- eine Zunahme von Teig – und Gebäckausbeute sowie des Gebäckvolumens (Standard –
Backversuch).
Tabelle 1.5 Veränderung des Verarbeitungswertes von Weizenmehl in Abhängigkeit von der
Weizenqualität( Zimmerman 1976)
Art der Prüfung Rohprotein, %i.T. der Mehle
aus Weichweizen
10,0
Mischung
12,5
a) Prüfung mit Farinograph
Wasseraufnahme bei
500 FE (%)
Teigresistenz
60,5
1,0
63,5
3,5
aus Hartweizen
15,0
66,5
6,0
Teigerweichung nach
15 Min. Kneten (FE)
150
100
60
b) Prüfung mit Extensograph
Fläche (cm²)
Verhältniszahl
45
0,8
85
1,7
125
3,0
c) Backversuch
Teigausbeute (%)
Gebäckausbeute (%)
Gebäckvolumen (ml)
148,5
147,0
835
151,5
150,0
900
154,0
153,5
965
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a größere Glutelin – Subeinheiten ( Molmasse > 70000)
b kleinere Glutelin – Subeinheiten Molmasse < 70000)
c nichtkovalente Bindungskräfte
Bild 1.5 Modell des Weizenglutelins ( Khan und Bushuk,1979)
Damit die Teigentwicklung und die Ausbildung einer auf dem Glutennetzwerk beruhende
Teigphase möglich wird, nachdem sich die Stärkekörner mit ihrer erheblichen Oberfläche in
das Netzwerk einlagern, ist ein minimaler Proteingehalt des Mehles von etwa 7,5%
erforderlich.
Als funktionell bedeutsame Merkmale der glutenbildenden Proteine sind in Betracht zu
ziehen:
- die unlöslichkeit in Wasser,
- die hohe relative Molekülmasse der Gluteline ( über 200 000 bis mehreren Millionen ),
- die begrenzte Helixbildung wegen hohen Proteingehaltes (15 bis 30% Prolin),
- der hohe Gehalt an Glutaminsäure und Amidgruppen (38 bis 45 % Glutaminsäure,
Amidierungsgrad ca. 85 %),
- der hohe Gehalt an Aminosäuren mit hydrphoben Resten ( ca. 35 %, Tabelle 1.6),
- die Verknüpfung mehrerer Peptidketten durch Disulfidbrücken (s. Bild 1.5),
- die unterschiedlich reaktiven Disulfidbindungen und Sulfhydrylgruppen,
- der Gehalt an Glycoproteinen,
- die Wechselwirkungen mit Lipiden des Mehles,
- der Purothioningehalt.
Andere Getreidearten sind für die Glutenbildung wichtigen Merkmale der beteiligten Proteine
mit Weizen nicht vergleichbar.
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Tabelle 1.6
Aminosäuren im Weizengluten mit ausgeprägten hydrphoben Resten
Prolin 11,5
Leucin 6,3
Phenylalanin 4,7
Valin 3,6
Isoleucin 3,5
Tryosin 3,3
Lysin 1,5
34,4 g
g Aminosäuren / g Glutenprotein
Nachgewiesene oder vermutete Beziehungen zwischen dem Backverhalten eines
Weizenmehles und dessen Glutenproteinen:
- hoher Rohproteingehalt mit hohem Quellvolumen des Mehles in Milchsäurelösung
(Sedimentationswert)
- hoher Gehalt der Glutenproteine an Amidgruppen und Gebäckvolumen,
- hydrophobe Wechselwirkungen der Gluteline auf Grund relativ hohen Anteils an
Aminosäuren mit hydrophoben Resten,
- positive Wirkung der in verdünnter Essigsäure unlöslichen Fraktion des Glutens,
- Sortenunterschiede im Bereich höherer Molmassen (Molmassenverteilung ) der
reduzierten Glutenproteine,
- starke Viskositäts – bzw. Löslichkeitsunterschiede von Gluten aus verschiedenen
Weizensorten in stark dissoziierenden Medien ( wie Harnstoff, Essigsäure,
Zetyltrimethylammoniumbromid , Natriumdodecylsulfat, Natriumstearat),
- Beteiligung von Lipoproteiden an der Glutenbildung, Anteil an polaren Lipiden, Anteil
und Festigkeit der gebundenen Lipide,
- Gehalt an rheologisch wirksamen SH- und SS – Gruppen bzw. SS/SH – Verhältnis,
- Unterschiede in der Reduktionsdynamik der SS – Gruppen.
1.4.4. Funktionelle Bedeutung der Polysaccharide
1.4.4.1.Funktionelle Eigenschaften von pflanzlichen Polysacchariden
Cellulose, Amylose und Amylopektin sind die bedeutendsten Polysaccharide überhaupt,
daneben sind zahlreiche weitere Polysaccharidtypen von grundsätzlicher und praktischer
Bedeutung. Zu ihnen gehören z.B. die Pentosane, Pektine, Alginate, Carrageenane, beta –
Glucane und beta – Fructosane . Hierbei sind gegenüber den Vorgenannten Unterschiede z.B.
in den Bausteinen, in der glycosidischen Verknüpfung, dem Strukturtyp vorhanden, die sich
in deren funktionellen Eigenschaftenausdrücken.
Von den grundlegenden funktionellen Eigenschaften bei Polysacchariden interessieren
besonders
- das Wasserbindungsvermögen (z.B. der Pentosane),
- das rheologische Verhalten,
- das Gelbildungsvermögen,
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- die Bindung von Lipiden und Aromastoffen (z.B. durch Amylose),
- die Resorbierbarkeit ( Ballaststoff – Funktion , z.B. v. Cellulose).
Es besteht Ähnlichkeit mit den funktionellen Merkmalen pflanzlicher Proteine.
Zu den molekularen Merkmalen der Polysaccharide gehören:
Art der molekularen Bausteine:
- Hexosen, Pentosen, Uronsäuren,
- Konfiguration,
- Konformation des Ringes
funktionelle Gruppen
- Art, z.B. Carboxyl - ,Sulfatester - , Phosphatester - ,Hydroxyl – Methylestergruppen,
- Lokalisation,
- Substitutionsgrad,
Aufbau der zusammengesetzten Polysaccharide
- Anteil und Verteilung der Bausteine,
- Art der glycosidischen Bindung,
- Strukturtyp / Verzweigungsgrad,
- Polymerisationsgrad,
Konfirmation
z.B. Knäuel, alpha – Helix, Doppelhelix, Bänder, Netzwerke.
Von großer funktioneller Bedeutung sind die Stärke – und Pentosan- Polysaccharide. Dies
ergibt sich u. a. aus ihrem Masseanteil und ihrer Rolle für die Wasserbindung und
Teigstruktur.
1.4.4.2.Funktionalität der Stärkekörner
Damit ein Teig mit seinen charakteristischen Eigenschaften entstehen kann, sind
unverkleisterte Stärkekörner erforderlich; diese sind im Teig als spezielle Füllstoffe zu
betrachten. Auf Grund ihrer Eigenschaft, beim Backen des Teiges zu verkleistern, sind sie für
ein normales Backverhalten notwendig.
Die Stärkemenge hat Einfluß auf die Teigeigenschaften. Ein erhöhter Stärkegehalt im Teig
erniedrigt dessen Dehnbarkeit, ein verstärkter Abbau beschädigter, gequollener Stärkekörner
im Teig führt zur Freisetzung von Wasser, wodurch eine Teigerweichung bewirkt wird.
Die Verkleisterungseigenschjaften des Mehles bzw. der Stärke sind deshalb zu beachten. Zur
Beurteilung dienen viskosimetrische Methoden, wie Fallzahl – Bestimmung, Penetrometer –
Bestimmung, Amylogramm nach Brabender.
Bei der Brotherstellung sind u.a. die folgenden Eigenschaften der Stärke von funktioneller
Bedeutung:
- Wasserbinduing im Teig und in der Krume,
- rheologisches Verhalten,
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- Quellung und Verkleisterung beim Backen,
- Substrat für die Bildung von Maltose (als eine Voraussetzung für die biologische
Lockerung),
- Beitrag zur Textur der Gebäckkrume und Kruste,
- Gelbildung und Retrogradation,
- Wechselwirkung mit Lipiden und Aromastoffen,
- Substrat für die Bildung von Aromastoffen und Bräunungsprodukten.
Für das Verhalten der Stärke im Mehl sind von Bedeutung:
- Reifegrad des Getreides,
- Härte der Bruchstücke des Mehlkörpers,
- Verkittung der Stärkekörner mit Protein,
- Auflösungsgrad des Mehles,
- Korngrößen der Stärkekörner,
- enzymatische und mechanische Beschädigung,
- Stärkekornoberfläche,
- Quellfähigkeit und Wasserbindevermögen,
- enzymatische Angreifbarkeit,
- Temperaturbereich der Verkleisterung ( z. B. 328 K bis 338 K bei Weizenstärke, 325 bis
332 K bei Roggenstärke).
Die Eigenschaften der Stärkekörner und die funktionell bedeutsamen Unterschiede der Arten
und Sorten werden bestimmt durch die chemische Zusammensetzung und die physikalischen
Beschaffenheit.
Die Stärke der verschiedenen Getreidearten wirken sich unterschiedlich auf das
Backverhalten aus.
Die Fähigkeit zur Quellung und Verkleisterung der Stärkekörner ist deren wichtigste
Eigenschaft bei der Herstellung von Backwaren und Nähmitteln. Verkleisterung der
Stärkekörner und Funktionalität von Amylose und Amylopektin in Teig und Krume werden
von zahlreichen Faktoren beeinflußt. Beim Backen ( oder anderen Formen einer
hydrothermischen Behandlung) ist das Wasserangebot begrenzt, und die Verkleisterung
erreicht verschiedene Stadien. Sie reichen von Stärkegelen mit intakten, wenig gequollenen
Stärkekörnern, wobei die Amylose die Körner verbindet, bis zu Stärkegelen mit stark
geqwuollenen bruchstücken von Stärkekörnern, die durch Amylose zu einem kontinuierlichen
Netzwerk verbunden werden, wobei das Wasser überwiegend durch das Amylopektin in den
Stärkekörnerbruchstücken gebunden wird.
Einflußfaktoren auf Quellung, Verkleisterung und rheologische Eigenschaften von Stärke:
a) botanische Herkunft, z.B.
- Verhältnis von Amylose zu Amylopektin und Verteilung im Stärkekorn,
- relative Molekülmassen,
- Gehalt an Phoshatgruppen und Lipiden, z.B. Lysolecithin, das leicht und fest mit Amylose
eine Einschlußverbindung eingeht,
- Korngröße, Kristallinität ( Anordnung der Polymere, Menge, und Verteilung, kristalliner
Bereich bzw. Assoziationszustand im Stärkekorn, abhängig von der Temperatur beim
Wachstum der Pflanze),
b) Vorgeschichte, z.B.
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- Reifung und Trocknung des Getreides,
- enzymatische oder mechanische Beschädigung (Modifizierung),
- chemische oder hydrothermische Behandlung.
Funktionell bedeutsame Merkmale der Amylose:
- alpha – 1,4 – glycosidische Verknüpfung der Glucose,
- Linearität der Kette,
- C 1 – Konformation des Pyranoseringes ( Sesselform: von 6 theoretisch möglichen
Konformationen die energetisch günstigste), die OH – Gruppe am C 1 – Atom ist axial, alle
anderen OH- Gruppen sind äquatorial angeordnet,
- relative Molekülmasse : 1,1 bis 1,9 Millionen,
- Löslichkeit in heißem Wasser,
- Verhalten in verdünnter wäßriger Lösung wie statistisches Knäuel; mit der • –
glycosidischen Bindung ist Amylose ein isotaktisches Polymer mit gebogenen und damit
zur Spiralisierung neigenden Kette (Bild 1.6),
- Bildung intermolekularer schwerlöslicher Assoziate ( Bild 1.7),
- Helixbildung mit Windungsabstand von 8 A 1) ( 6 bis 7 Anhydroseglucoseeinheiten
(AGE)),
- Einschluß von Lipiden und anderen Molekülen geeigneter Größe und Struktur in der
Helix.
Bild 1. 6
Modelle für Amylose in wäßriger Lösung
a) statistisches Knäuel
b) unterbrochene Helix
c) deformierte Helix
Gesichert sind die Helixstrukturen der Amylosekomplexe z.B. mit Jod, Butano, Lipiden.
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Bild 1.7 Micellbildung der Amylose
Funktionell bedeutsame Merkmale des Amylopektins:
- alpha – 1,4- und alpha –1,6- glycosidische (4 bis 5% heterogen verteilt) Verknüpfung der
Glucose. Es wir angenommen, daß in neutralen wäßrigen Lösungen die AGE mit freier
OH-Gruppe am C6 – Atom ebenfalls in der C1 – Konformation vorliegen. Bereiche mit
vielen Verzweigungsstellen wechseln mit längeren linearen Abschnitten ab.
- starke Verzweigung der Kettenabschnitte,
- mittlere Kettenlänge (als nicht unterbrochene Folge von alpha –1,4-Bindungen) 20 bis 27
AGE.
- drei Typen von Kettenabschnitten:
Typ I (äußere Ketten : mittlere Länge 11 bis 15 AGE): zwischen nicht reduzierenden
Endgruppen und der nächsten • – 1,6-Bindung,
Typ II: zwischen zwei benachbarten • – 1,6 – Bindungen,
Typ III: zwischen reduzierten Endgruppen und der nächsten •-1,6-Bindung.
Abschnitte von Typ II und III werden als innere Ketten bezeichnet (mittlere Länge 5...
9AGE).
- Verzuckerungsgrenze bei Abbau nativen Amylopektins mittels beta – Amylase bei 50 bis
60%,
- relative Molekülmasse 10 bis 200 Mill.
- starke Quellung in heißem Wasser,
- keine Assoziation in verdünnter wäßriger Lösung,
- Doppelhelixformen innerer benachbarter Kettenbereiche (=kristalliner Anteil) mit
Windungsabstand von 21 A,
- Komplexbildung mit Jod durch lange Kettenabschnitte mit AGE • 20.
Assoziation und Gelbildung der gequollenen und verkleisterten Stärke/Wassersysteme
Die Abkühlung führt in Abhängigkeit von der Stärkekonzentration und anderen Faktoren zu
einer Paste oder einem Gel. Das Gel kann weiterhin auch unter Wasseraustritt (Synärese )
schrumpfen.
Kristallisation der Stärkepolysaccharide:
Die dispergierten Polysaccharidmoleküle kommen wahrscheinlich durch zufällige Knäuelung
u.ä. in Kontakt, wobei Wasserstoffbrücken ausgebildet werden. Die Kettenabschnitte nähern
sich und die Kontakte nehmen zu. Dabei hat die Amylose auf Grund ihrer Struktur die
günstigeren Voraussetzungen; die Assoziation kann über die gesamte Segmentlänge
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stattfinden und hohe Wechselwirkungen entfalten. Es werden also auch hydratisierte Bereiche
der Kette einbezogen, die gebundenes Wasser abgeben. Es entstehen in Wasser schwer
lösliche Komplexe.
Die Assoziation ist für das Verhalten von Stärke in Lebensmittel von grundlegender
Bedeutung. Sie wird z.B. gefördert durch Erhöhung der Amylose – Konzentration,
Temperatursenkung, das Hydratationswasser bindende Substanzen, einen pH – Wert von 7,0.
Vier Strukturbildner der Stärkegele.
1. Amylose – Amylopektin- Mischgele mit einem dreidimensionalen Netzwerk, in welchem
das Wasser eingeschlossen ist. Sie erhält man nach Homogenisierung einer gekochten
Stärkelösung. Stärkekornfragmente sind nicht mehr erkennbar.
Bei den folgenden Typen ( 2 bis 4 ) bleibt die Verkleisterung in unterschiedlichen Stadien
stehen. Sie sind hinsichtlich Wasserbindung und Konsistenz relativ instabil und schlecht
reproduzierbar.
2. Gele mit hochgequollenen Bruchstücken von Stärkekörnern, die durch Amylose zu einem
kontinuierlichen Netzwerk verbunden werden. Das Wasser wird überwiegend durch das
Amylopektin in den Kornbruchstücken gebunden.
3. Gele mit stark gequollenen, intakten Stärkekörnern, die durch eine sehr begrenzte Menge
Amylose zu einem kontinuierlichen Netzwerk verbunden werden und in Wasser
immobilisieren.
4. Gele mit intakten, wenig gequollenen Stärkekörnern; die Amylose bindet das Wasser und
verbindet die Körner zu einem kontinuierlichen Netzwerk.
1.4.4.3.Funktionalität der Pentosane
Dazu gehören:
- hohes Wasserbindevermögen ( bei ca. 0,3 bis 0,5% Pentosangehalt im Teig binden sie ca.
20% des Wassers)
- hohe Viskosität in wäßriger Lösung,
- Viskositätszunahme bis zur Gelbildung nach Einwirkung eines Oxydationsmittels, z.B.
O 2 ,
- Beeinflussung der Stärkeverkleisterung ( wegen starker und hoher Wasserbindung),
- Verbesserung des Backverhaltens (z.B. durch Verbesserung der Gashaltung auf Grund
ihrer rheologischen Eigenschaften),
- Verzögerung der Krumenalterung ( Störung der Retrogradation bzw. Rekristallisation des
Stärkegels),
- Ballaststoffunktionen.
1.4.5. Funktionelle Bedeutung der Lipide
1.4.5.1.Funktionelle Eigenschaften von Lipiden
Die Lipide erfüllen in Lebensmitteln und bei deren Herstellung im Unterschied zu den
Biopolymeren auf Grund ihrer andersartigen chemischen Aufbaus andere Funktionen. Es
bestehen Unterschiede zwischen den Triglyceriden und den zusammengesetzten Lipiden, weil
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letztere neben den hydrophoben auch hydrophile Eigenschaften besitzen. Zusammengesetzte
Lipide treten in der Natur als Membranbestandteile mit besonderer funktioneller Bedeutung
auf.
Als funktionelle Eigenschaften interessieren besonders:
- das Kristallisations – Schmelzverhalten ( z.B. Schmelzpunkt,Schmelzbereich)
- das rheologische Verhalten (z.B. Plastizität, Streichfähigkeit),
- die Emulgierbarkeit ( Bildung und Stabilität von Triglycerid – Emulsionen),
- die Reaktivität (hinsichtlich Autoxydation, Lipolyse, thermischer Zersetzung, die
Haltbarkeit betreffend),
- Wechselwirkungseigenschaften ( Bindung an Amylose bzw. Proteine),
- das Schaumbildungsvermögen,
- das Phasenverhalten.
Zu den molekularen Merkmalen gehören:
- Art, Anteil, Verteilung der Fettsäuren ( Anteil und Art der ungesättigten Fettsäuren, cis –
trans – Isometrie),
- Verteilung der Fettsäuren auf die Glyceride,
- Position und räumliche Anordnung der Fettsäuren im Glycerid,
- Mono -, Di – oder Triglyceride,
- andere Bausteine neben Fettsäuren und Glycerol; als polare bzw. polarisierte Gruppen als
Bestandteile von Nicht – Lipid – Bausteinen (Phosphorsäure, Cholin, Galactose).
Die quantitativen Zusammenhänge zwischen den molekularen Merkmalen eines Lipides (
meistens ein Gemisch von Verbindungen) und dessen funktionellen Eigenschaften sind bisher
nur lückenhaft bekannt. Als Beispiel sind in Tabelle 1.7 die Schmelzpunkte von Fettsäuren
zusammengestellt.
Tabelle 1.7
Merkmalen
Abhängigkeit des Schmelzpunktes (FP) der Fettsäuren von molekularen
Fettsäuren FP °C
- Kettenlänge
Buttersäure (Butansäure) - 4,7
Stearinsäure (Octedecansäure) 69,4
Arachinsäure (Eicosansäure) 75,4
- Sättigungsgrad
Ölsäure (Z-9- Octadecansäure) 14
Linolsäure (Z-9,12-Octadecadiensäure) -5
Linolensäure (Z-9,12,15-Octadecatriensäure) -11
- cis/trans – Isomerie
Ölsäure (Z-9-Octadecansäure) 14
Elaidinsäure (E-9-Octadecensäure) 44,5
21

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1.4.5.2.Funktionalität der Mehllipide und zugesetzter Emulgatoren
Trotz ihres geringen Anteils von 1 bis 2 % haben die Lipide des Weizenmehles eine große
Wirkung auf das Backverhalten.
Eine Abtrennung der Lipide führt zu starker Beeinträchtigung der Gashaltung und
Gebäckqualität.
Durch Rekonstitution können die ursprünglichen Eigenschaften des Mehles weitgehend
wiederhergestellt werden. Durch Zusätze spezifischer synthetischer polarer Lipide sowie von
Backfetten mit hochschmelzenden Anteilen (z.B. shortenings) kann das Backverhalten
verbessert werden.
Von funktioneller Bedeutung ist besonders der Gehalt an Phosph – und Glycolipiden, der
Gehalt an ungesättigten Fettsäuren sowie der Festfettanteil bei den Temperaturen der
Teigreifung bzw. – gare.
Auf die Gebäckherstellung bezogen , beeinflussen die Mehllipide bzw. speziellen Backfette
(Shortenings) insbesondere
- die Wasseraufnahme,
- die Teigeigenschaften beim Kneten und Verarbeiten,
- die Gasbildung,
- die Gashaltung und Teigdehnbarkeit,
- die Porenbildung und das Gebäckvolumen,
- die Textur der Krume.
Es gibt Bezieheungen zur Klebrigkeit der Teige, zu den Aromastoffen im Brot (Lösungsmittel
?), zur Weichhaltung der Krume und zur Sensorik (Oxydationsanfälligkeit).
Die Wirkung der Lipide im Teig und Gebäck beruht hauptsächlich auf deren
Wechselwirkungen mit mit Stärke und Proteinen.
Relativ unspezifisch ist die Wirkung der nichtpolaren Lipide. Sie erfordert im Vergleich mit
den polaren Lipiden höhere Konzentrationen der Lipide im Teig. Die Lipide verbessern die
Verarbeitungseigenschaften des Teiges und die Qualität des Gebäckes. Der Festfettanteil
während der Teigreifung und Lockerung hat eine besondere Bedeutung.
Die polaren Lipide wirken u.a. im Teig emulgierend , indem sie bei der Teigbereitung die
Verteilung von Fetten beschleunigen und verbessern.
Charakteristisch und funktionell bedeutsam für Lipide des Emulgatortypes ist das Verhalten
an Grenzflächen (s. Bild 1.8 und 1.9).
Durch das Vorhandensein von lipophilen und hydrophilen Bereichen im Molekül richten sich
die Moleküle z. B. leicht an einer Grenzfläche wie Öl/Wasser aus , bilden einen
Grenzflächenfilm und erniedrigen die Grenzflächenspannung zwischen beiden Phasen. Es
ergeben sich u.a. Auswirkungen auf die Beweglichkeit der Phasen im Teig sowie die
Gasdurchlässigkeit der Membranen im Teig und deren Oberflächenspannung.
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Bild 1.8 Physikalisches Verhalten oberflächenaktiver Stoffe (Sonntag 1977)
Die Wirkung der Emulgatoren im Teig ist besonders in der Wechselwirkung a) mit Stärke und
b) mit Proteinen zu sehen.
Bild 1.9 Phasenverhalten oberflächenaktiver Stoffe (Greene 1975)
a) Die Wechselwirkungen der Lipide mit Stärke beginnt bei der Verkleisterung und besteht
in
- Adsorption von Lipiden an der Oberfläche der Stärkekörner,
- Behinderung des Wasserzuganges zu den Stärkekörnern sowie des Austritts von Amylose
aus den verkleisterten Körnern (Verzögerung der Quellung),
- Schwächung der Nebenvalenzbindungen zwischen den verkleisterten Stärkekörnern,
- Bildung von Einschlußverbindungen mit der Amylose (Bild 1.10).
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Folge derartiger Wechselwirkungen ist eine Stabilisierung der gequollenen Körner, Erhöhung
der Verkleisterungstemperatur und des Viskositätsmaximums (vgl. Bild 1.11).
3 Windungen je Staerinsäure - Kette
• Wasserstoffatome der Kohlenwasserstoffkette
Bild 1.10 Schematische Darstellung des Amylosehelixmonostearat-
Komplexes (Calson u.a. 1979)
Bild 1.11 Veränderung der Verkleisterungscharakteristik von Weizenstärke ( 80 %ig) durch
Monoglycerid
Die Komplexbildung der Amylose mit Lipiden hängt u.a. spezifisch ab von
- der Art der Fettsäureketten,
- der Polarität und Art der polaren Gruppe,
- der Sperrigkeit der Moleküle,
- dem physikalischen Zustand der Lipide.
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Die Amylose – Lipideinschlußverbindungen (vgl. Bild 1.10) sind wasserunlöslich, die
Ausbildung eines Gelnetzwerkes ist erschwert; durch Amylasen und Lipasen sind sie nicht
angreifbar.
b) Als Wechselwirkung der Lipide mit Proteinen können verschiedene Möglichkeiten in
Betracht gezogen werden, z.B.
- Ionenbindung bei ionischen Emulgatoren ( der Nettowert der Ladung von Prolamin und
Glutelin ist positiv),
- Bindung über Calcium – Ionen (Phospholipide, Stearyllactat),
- Wasserstoffbrückenbindungen mittels Hydroxyl -, Carboxyl – (nicht ionisiert) und
Alkoxyl – Äthergruppen der Emulgatoren z.B. mit den Amidgruppen der Proteine,
- hydrophobe Assoziationen mit entsprechenden Regionen der Proteine.
Es sind dazu verschiedene Modellvorstellungen entwickelt worden (Großkreutz, Greene,
Chung u. Tsen).
Wirkung von Emulgatoren bei der Teigbereitung und Lockerung ( Brot und
Kleingebäck)
Teigbereitung
- bessere Benetzung,
- homogene Verteilung der Teigbestandteile,
- Stabilisierung der verteilten Phasen,
- Verbesserung der Verteilung der Gasbläschen im Teig,
- bessere Fettverteilung,
- Wechselwirkungen mit Stärke, Proteinen und Lipiden durch
• Erhöhung der Glutenelastizität,
• Ausbildung und Stabilisierung dünnwandiger Membranen,
• Verbesserung der Knettoleranz,
• Verbesserte Maschinenfreundlichkeit.
Lockerung
- Verbesserung des Gashaltevermögens,
- bessere Gärtoleranz,
- bessere Gärstabilität,
- größeres Teigvolumen,
- verbesserte Gleichmäßigkeit.
1.5 Beurteilung des Backverhaltens von Brotmehlen
Bei der Brotherstellung haben die Teiginhaltsstoffe folgende Aufgaben zu erfüllen:
a) bei der Teigbildung
- Aufnahme des zugegebenen Wassers (Quellung und Lösung),
- Bildung eines dehnbaren und elastischen Teiges (Glutennetzbildung),
- Aufnahme eingebrachter Gase (Bildung der „Keimzellen“ für die Poren).
b) bei der Teiglockerung (Teig – bzw. Stückgare)
- Aufrechterhaltung der Wasserbindung,
- Bildung von CO 2 und Ethanol,
- Zurückhaltung der Gase,
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- Teigreifung,
- Bildung von Säuren, Aromastoffen bzw. Vorstufen.
c) bei der Bildung von Krume und Kruste (Backprozeß)
- in der ersten Phase bis zur Denaturierung der Proteine wie bei der Teiglockerung (b),
- in der zweiten Phase Bildung eines elastischen Krumegerüstes mit feinen, dünnwandigen
Poren und Bildung einer Kruste.
Man kann davon ausgehen, daß die verschiedenen Mehlinhaltsstoffe in mehrfacher Hinsicht
bei der Brotherstellung funktionelle Bedeutung haben, wie das in Tafel 1.8 für die wichtigsten
Aufgaben (1 bis 6 ) schematisch dargestellt ist.
Tabelle 1.8 Die funktionelle Bedeutung der Weizenmehlinhaltsstoffe für die Brotbereitung
Mehlinhaltsstoffe
Stärke
Proteine
Pentosane
Lipide
Enzyme
Wasseraufnahme
bei der
Teigbereitung
( 1 )
+
+
+
(+)
-
Funktionelle Bedeutung für
Gasbildung
Teigbildung
( 2)
+
+
+
+
+
(3)
(+)
(+)
-
-
+
Gas –
haltung
( 4 )
+
+
+
+
+
Krumebildung
( 5 )
+
+
+
+
+
Aroma –
stoffbildung
( 6 )
(+)
(+)
(+)
(+)
+
+ von positiver oder negativer Berdeutung
(+) von indirekter Bedeutung , z. B. Abbauprodukte
- keine Bedeutung
Die funktionelle Rolle der Mehlbestandteile für das Backverhalten zeigt sich deutlich an den
Möglichkeiten und Grenzen der Substituierbarkeit und Ergänzung des Mehles; z.B. mit
anderen proteinreichen Rohstoffen.
Es gibt z.B. die Möglichkeit,
- Weizenmehl durch andere Getreidemehle, aus Reis und Mais, zu ersetzen,
- Brote teilweise bzw. vollständig aus anderen stärkereichen Nicht – Getreide – Rohstoffen
herzustellen (vgl. Tab. 1.9)
- Brote mit Proteinpräparaten anzureichern,
- glutenfreies Brot herzustellen.
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Tabelle 1.9 Teigrezepturen für die Herstellung substituierter Weizenbrote (n. Kim und de
Reuter, 1970)
Rezeptur A B
g
g
Weizenmehl 40 -
Casava – oder Maisstärke 40 80 (Cassava)
entfettetes Sojamehl 20 20
Backhefe 2 2
Saccharose 6 4
NaCl 2 2
Hydroxypropylmethylcellulose 1 -
Glycerolmonostearart - 10
Calcium – Srearoyl –2-Lactylat - 0,2
Wasser 90 70.....80
A Teilsubstitution des Weizenmehles
B Totalsubstitution des Weizenmehles
Ein gutes oder schlechtes Backverhalten ist nur in Verbindung mit dem Verwendungszweck
und der Verarbeitungstechnologie konkret zu beschreiben.
Erforderlich ist die komplexe Betrachtung von
- Mehlqualität
- Mehlverarbeitung (einschl. Rezeptur)
- Erzeugnisbeschaffenheit.
Eine Orientierung für Weizen – und Roggenmehl für die Brotherstellung vermitteln Tafel
1.10 und 1.11.
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Tabelle 1.10 Bewertung der Backeigenschaften von Weizenmehl zur Brotherstellung
Merkmal des Mehles
bzw. Teiges
1. a) Rohproteingehalt
b) Proteinqualität
( Sedimentationswert)
Normale Werte
10 ......12 % i. T.
35 ......45
Methode
Kjeldahl
Zeleny
2. Feuchtgluten
a) Gehalt
b) Qualität
3. Stärkeverkleisterung
a) Fallzahl
b) Amylogrammhöhe
24.....28 %
mittlere Dehnbarkeit gute
Elastizität
Auswaschen
manuelle Prüfung
200.....300
500.....600 AE
4. •-Amylase-Aktivität 0,05 SKB Sandstedt u.a.
5. •-Amylase-Aktivität 1,5 ..... 2,5 Berliner
(Maltosezahl)
6. a) Teigentwicklung und 3...... 6 Min.
Valorigraph
Knetstabilität
bzw. Farinograph
b) Teigerweichung 80 ..... 120 VE/FE
7. Teiglockerung 350 ..... 450 % Meßzylinder
8. Gebäckvolumen 2,5 ..... 3,5 ml/g Backversuch
Hagberg – Perten
Brabender – Amylogramm
Eine „maßgerechte Mehlqualität“ bezieht sich auf eine Mehlbeschaffenheit, die den
konkreten technologischen Bedingungen entspricht. Als solche Bedingungen sind u. a. zu
verstehen:
- Ausmahlungsgrad der Mehle,
- Art und Dauer der Mehllagerung,
- Art der Teigzubereitung,
- Knetzeit und – intensität,
- Teigkonsistenz ( bzw. Teigausbeute),
- Teigruhezeiten und Temperaturen bei der Teigreifung,
- Art der Teigführung (z.B. Säuerung),
- NaCl – Menge,
- Menge und Qualität der Hefe,
- Anwendung von Backmitteln,
- Art und Menge von weiteren Rezepturbestandteilen (z.B: Backfette, Proteinpräparate).
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Tabelle 1.11 Kriterien der Backeigenschaften von Roggenmehl
Kriterien Bedeutung Bemerkungen
1. Proteingehalt und gering
keine Glutennetzstruktur
- qualität
2. Stärkegehalt und
- qualität
sehr hoch
Verkleisterungstemperatur
niedriger als bei Weizen –
3. Pentosangehalt und
- qualität
sehr hoch
stärke
starke Wasserbindung,
hohe Teigviskosität,
geringe Elastizität
4. Maltosebildung ja Lockerungsbildung
5. • – Amylase – Aktivität groß (negativ) Auswuchsneigung des
Roggens
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1.6 Fragen/ Selbstkontrolle
1. Erklären Sie den Begriff Backeigenschaften!
2. Charakterisieren Sie Teig als Vielkomponentensystem!
3. Erläutern Sie die Rolle der Teiginhaltsstoffe für die Bildung der Brotkrume!
4. Erklären Sie die Wasserbindung und – verteilung im Teig! Erläutern Sie die
verschiedenen Energieniveaus der Wasserbindung!
5. Formulieren Sie verschiedene Arten von Wechselwirkungen zwischen Teiginhaltsstoffen!
Begründen Sie deren technologische Bedeutung!
6. Charakterisieren Sie grundlegende funktionelle Eigenschaften von Lebensmitteln bzw.
Rohstoffen!
7. Welche Faktoren bestimmen und beeinflussen die funktionellen Eigenschaften von
Biopolymeren ? Geben Sie Erklärungen auf molekularer Ebene! Nehmen Sie Bezug auf
Amylose und Gluten!
8. Erklären Sie die Funktionalität der Lipide im Hinblick auf die Gebäckherstellung!
9. Erklären Sie verschiedene Möglichkeiten für eine gezielte Veränderungen von
funktionellen Eigenschaften der Mehlinhaltsstoffe !
10. Begründen Sie die Auswirkungen bei der Verarbeitung von Mehlen mit schlechten
Backeigenschaften!
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Backeigenschaften von Mehlen
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Literaturverzeichnis
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