Wirkung von Backmargarine, Rapsöl und verschiedenen Emulgatoren auf Volumen und Textur.
Abildung 1: Übersicht und Einteilung der verwendeten Lipide; Verwendete Handelsnamen und Konzentrationen für die Backversuche (prozentual zur Mehl-Stärke-Mischung) sind unter den Bildern angegeben; SB = Sonnenblume, DATEM = Diacetylweinsäureglyceride; SSL = Natrium-
stearoyl-2-lactylat
Eine glutenfreie Ernährung gewinnt zunehmend an Beliebtheit, wobei der tatsächliche ernährungsphysiologische Vorteil bei gesunden Personen kritisch zu betrachten ist. Unbestritten ist jedoch die Notwendigkeit eines lebenslangen Verzichts auf Gluten im Falle der chronischen Dünndarmerkrankung Zöliakie. Da das allergene Protein in nahezu allen handelsüblichen Backwaren zu finden ist, sind Zöliakiepatienten auf die Entwicklung von glutenfreien Alternativen angewiesen. Die Abwesenheit des stabilisierenden Glutennetzwerks reduziert jedoch das Gashaltevermögen der Teige und damit die Qualität der Endprodukte.
Lipide sind wasserunlösliche Substanzen, die bereits in traditionellen Backwaren zur Verbesserung des Gashaltevermögens eingesetzt werden. Durch die Applikation dieser funktionellen Zusatzstoffe wurde in dieser Arbeit versucht, dem fehlenden Gluten entgegenzuwirken. Es wurde untersucht, inwieweit sich Fett, Öl und Emulgatoren durch eine Stabilisierung der Gasblasen oder eine Wechselwirkung mit Stärke und Proteinen auf Volumen und Porung bei glutenfreien Broten auswirken.
Autoren
Dana Elgeti, Simone Bernauer, Dr. Mario Jekle*, Prof. Dr.-Ing. Thomas Becker
Technische Universität München (TUM)
Weihenstephaner Institut für Getreideforschung
85354 Freising
E-Mail: mjekle@tum.de* korrespondierender Autor
Übersicht über den Lipideinsatz
in traditionellen Backwaren
Wie in Abbildung 1 ersichtlich wird, gehören Fette und Öle zu den unpolaren Triglyceriden, zusammengesetzt aus Glycerin und Fettsäuren. Länge und Sättigungsgrad der Fettsäuren bestimmen den jeweiligen Schmelzpunkt und ob bei Raumtemperatur eine feste (= Fett) oder flüssige (= Öl) Konsistenz vorliegt. Während das in dieser Arbeit verwendete Rapsöl den Vorteil eines vergleichsweise hohen Anteils an ungesättigten Fettsäuren (mit gesundheitsfördernder Wirkung) aufweist, wird Margarine meist wegen ihrer Vielseitigkeit und der Möglichkeit, Aromen, Vitamine oder Emulgatoren in das Produkt einzubringen, verwendet.
Emulgatoren sind Lipide, mit polarem (hydrophilem) Kopfteil und unpolaren Fettsäureketten. Der HLB-Wert (hydrophiliclipophilic-balance) beschreibt als wichtige Kenngröße den Anteil an hydrophilen zu lipophilen Gruppen und wird verwendet, um vorherzusagen, ob ein Emulgator Öl-in-Wasser- (O/W) oder Wasser-in-Öl- (W/O) Emulsionen bildet. Je höher der HLB-Wert, desto hydrophiler und desto wahrscheinlicher entsteht eine O/W-Emulsion. Ein Schaum ähnelt einer O/W-Emulsion; daher sollten sich Substanzen mit höherem HLB-Wert besser zur Stabilisierung von Gasblasen im Teig eignen.
Bei pflanzlicher oder tierischer Quelle spricht man von natürlichen Emulgatoren. Schon die naturgemäß im Getreide vorhandenen polaren Lipide verbessern die Gasblasenstabilisierung im Teig und wirken sich somit positiv auf die Brotqualität aus [1]. Lecithine sind übliche Zusatzstoffe in Backwaren, welche aus Rapssamen, Sojabohnen oder Sonnenblumenkernen gewonnen werden können. Der HLB-Wert variiert dabei je nach Zusammensetzung zwischen 2 und 7, wodurch eine W/O-Emulsion entsteht. Durch den Weiterverarbeitungsschritt Entölen kann der Triglyceridanteil reduziert werden, wodurch die Emulgatorwirkung zunimmt. Bei dem Sojalecithin Metarin CP IP wird auf diese Weise der HLB-Wert erhöht.
Mono- und Diglyceride bilden typischerweise Wasser-in-Öl-Emulsionen aus. Sie entstehen in der Regel durch gezielte Veränderung der Fettsäurekombination (Umesterung) und machen weltweit etwa 70 % der in Lebensmittel eingesetzten Emulgatoren aus. In dieser Arbeit wurden die Monoglyceride Monostearin mit gesättigter und Monoolein mit einfach ungesättigter Fettsäure verwendet. Durch die vorhandene negative Ladung zählt der in Backwaren sehr beliebte Diacetylweinsäureester DATEM zu den anionischen Emulgatoren. Schließlich wurde auch die Wirkung von dem ebenfalls anionischen Natriumstearoyl-2-lactylat (SSL), bei dem Stearinsäure mit Milchsäure verknüpfte, getestet.
Wirkungsmechanismen von Lipiden in traditionellen Backwaren
Allgemein soll die Zugabe von Lipiden die Qualität der Backwaren steigern. Aus der Literatur sind drei Hauptmechanismen bekannt, durch die ein Einfluss auf das Backergebnis möglich ist: (1) Anreicherung in der Wasser-Gas-Grenzfläche, (2) Wechselwirkungen mit Stärke und (3) Wechselwirkungen mit Proteinen.
Polare Lipide können die Oberflächenspannung der Gasblasen im Teig senken und dadurch zu deren Stabilisierung beitragen. Beim Kneten gebildete Gasblasen können sich durch die Ansammlung von amphiphilen Substanzen in der Grenzfläche während Fermentation und Backen besser ausdehnen, sodass ein hohes Volumen mit gleichmäßiger und feiner Porung entsteht. Zusätzlich können Lipide über hydrophobe oder polare Wechselwirkungen mit Proteinen interagieren und als Konsequenz deren Aggregation und Denaturierung forcieren, was im Fall von Weizenteig laut Orthoefer (1997) zu einer erhöhten Stabilität führen kann [2]. Durch eine Wechselwirkung von Stärke und Emulgatoren kann es zu einem verzögerten Altbackenwerden kommen. Während der Lagerzeit härtet das Brot durch eine Rekristallisation der verkleisterten Stärke aus.
Abbildung 2: Einfluss von Lipiden auf das glutenfreie Brotvolumen; Spezifisches Volumen wurde relativ zum jeweils am selben Tag gebackenen Standard ohne Lipidzugabe dargestellt; Prozentangaben beziehen sich auf die Mehl-Stärke-Mischung; Links: Sterne stellen signifikante Unterschiede zum Standard dar, Rechts: Alle Werte unterscheiden sich signifikant vom Standard
Langkettige, unverzweigte Fettsäuren können mit der gelösten Stärkehelix einen Komplex ausbilden,wodurch die Rekristallisation behindert wird. Lipide können auch das Auslösung der Amylose aus dem Stärkekorn unterbinden und somit die Verkleisterung verzögern, was zu einer Verlängerung des Ofentriebs führen kann [3].
Als Konsequenz der verschiedenen Wirkungsmechanismen lässt sich das Volumen von Weizenbrot durch die Zugabe von 5 % Fett um 15–25 % und mit 0,6 % von dem Emulgator DATEM um bis zu 40 % steigern, während die Krumenhärte abnimmt [4,5]. Zudem kommt es durch die Lipide zu einer Verzögerung des Altbackenwerdens und die Haltbarkeit wird verlängert. Schließlich ist Fett ein Geschmacksträger und dient einer positiven gustatorischen Wahrnehmung.
Abbildung 3: Glutenfreie Brotscheiben mit verschiedenen Lipiden; Prozentangaben beziehen sich auf die Mehl-Stärke-Mischung
Einfluss der Lipide auf Volumen und Porung glutenfreier Brote
Die verschiedenen Lipide aus Abbildung 1 wurden zu einer glutenfreien Rezeptur auf Basis von Reismehl, Maismehl und Maisstärke im Verhältnis 2:1:1 gegeben. Weitere Inhaltsstoffe waren 1,5 % Trockenhefe, 2 % HPMC, 2 % NaCl und 80 % Wasser bezogen auf die Mehl-Stärke-Mischung. Nach 4-minütigem Kneten und 15 min Teiggare wurden je 250 g Teig abgewogen und weitere 30 min im Gärschrank gelagert. Anschließend wurde bei 220 °C für 35 min mit anfänglicher Schwadengabe (0,5 L) gebacken.
Zunächst wurde die Wirkung von handelsüblicher Backmargarine, als festes Fett mit komplexer Zusammensetzung, mit dem Einfluss von flüssigem Rapsöl verglichen. Im Vergleich zur Standardrezeptur ohne Lipidzugabe konnten 3 % Backmargarine das spezifische Brotvolumen um 5,4 % erhöhen. Wie in Abbildung 2 und 3 ersichtlich wird, wirkte sich auch Rapsöl positiv auf das Volumen aus, wobei eine Dosierung von 3 % das beste Ergebnis (+ 4,7 % spez. Volumen) erzielte. Die Zugabe von Margarine zeigte somit einen stärkeren Effekt auf das Volumen als Rapsöl, was zum einen an der Zusammensetzung (Emulgatoren in Margarine) und zum anderen an der Konsistenz liegen könnte. Auch die Porengröße, gemessen mittels Bildauswertung, wurde durch Öl und insbesondere durch Margarine verringert, was für eine bessere Stabilisierung der Gasblasen spricht. Diese Ergebnisse konnten auch durch die sensorische Überprüfung unterstützt werden. Das Krumenbild der Brote, die Fett enthielten, wirkte zudem gleichmäßiger als die Porenverteilung des fettfreien Produktes.
Zusätzlich kamen drei natürliche und vier synthetische in Backwaren zugelassene Emulgatoren zum Einsatz (siehe Abbildung 1). Die Emulgatoren variierten bezüglich Konsistenz und in ihrem Verhältnis von lipophilen und hydrophilen Gruppen. Alle pulverförmigen Emulgatoren wurden mit einer Zugabemenge von 0,5 % bezogen auf die Mehl-Stärke-Mischung zugesetzt. Von Emulgatoren mit pastöser und öliger Konsistenz wurde 1 % beigemengt. Der Zusatz von Emulgatoren erhöhte das spezifische Volumen der Brote höchst signifikant gegenüber dem Standard, wie in Abbildung 2 verdeutlicht wird. Der stärkste Anstieg des spezifischen Volumens um 11,4 % war durch den Einsatz des Emulgators DATEM zu verzeichnen. Diese Volumenzunahme ist auch deutlich auf den nach der Abkühlphase der Brote erstellten Fotografien in Abbildung 3 zu sehen. Nunes et al. berichteten 2009 vergleichsweise eine Steigerung des spezifischen Brotvolumens bei glutenfreien Teigen durch 0,6 % DATEM um 6,9 % [6].
Gasblasenstabilisierung durch Lipide in glutenfreien Broten
Bei Sortierung der Emulgatoren entsprechend ihrer Wirkung ist auffällig, dass sich auch eine Einteilung entsprechend dem zuvor beschriebenen HLB-Wert, beziehungsweise der Emulsionsart, machen lässt. Öl-in-Wasser-Emulsionsbildner mit höherem HLB-Wert führten zu einer stärkeren Volumenzunahme. Das kann darauf zurückgeführt werden, dass das Vorliegen der Gasblasen in der wässrigen Stärkesuspension im Teig einer Öl-in-Wasser-Emulsion ähnelt.
Um die Wirkung der Emulgatoren weiter aufzuklären, wurden einzelne Inhaltsstoffe der Brotkrume mit spezifischen Farbstoffen angefärbt und mittels konfokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM) analysiert. Abbildung 4 zeigt die Fettverteilung in Krumen ohne Lipidzugabe, mit 4 % Rapsöl und mit 0,5 % DATEM (Protein und Stärke: rot, Lipide: grün). Bei Verwendung von Rapsöl ist eine Ansammlung großer inhomogen verteilter Fetttropfen zu erkennen. Auch bei Versuchen zur Gasblasenstabilisierung in Weizenteigen wurde festgestellt, dass flüssige Öle sich zwar in der Nähe der Gasblasen anreichern können, Wechselwirkungen mit der Oberfläche oder eine Verschmelzung mit den Blasen allerdings nicht stattfinden. In Margarine gibt es eine Vielzahl sehr kleiner Kristalle, die aufgrund ihrer Größe eine hohe Mobilität aufweisen, wodurch die Verteilbarkeit besser ist. Zusätzlich wird bei Backfett die Grenzflächenaktivität durch Emulgatoren erhöht.
Abbildung 4: Mikrostruktur der glutenfreien Brotkrume; Links: ohne Lipidzugabe; Mitte: mit 4 % Rapsöl; Rechts: mit 0,5 % DATEM; Prozentangaben beziehen sich auf die Mehl-Stärke-Mischung; Bilder aufgenommen mittels Confocal Laser Scanning Microscopy
Ergänzend zu den Backversuchen fand eine Untersuchung der Oberflächenaktivität der Emulgatoren im Tensiometer statt. Lösungen der Emulgatoren in Konzentrationen von 0,6 % in Wasser konnten in allen Fällen die Oberflächenspannung des Wassers senken, wobei SSL, Rapslecithin und DATEM die deutlichste Minderung bewirkten (siehe Abbildung 5). Da diese Emulgatoren auch zu vergleichsweise hoher Brotvolumensteigerung führten, ist es wahrscheinlich, dass die Oberflächenaktivität auch bei glutenfreien Broten eine große Rolle spielt. Bestätigend zeigt Abbildung 4 eine mikroskopische Aufnahme der Umlagerung des Emulgators DATEM um eine Luftblase in der Brotkrume.
Abbildung 5: Oberflächenspannung von Lösungen mit 3 % Mehl oder 0,6 % Emulgator in Wasser gemessen im Tensiometer (Wilhelmy-Plattenmethode)
Wechselwirkung von Lipiden mit Protein und Stärke in glutenfreien Broten
Trotz der positiven Wirkung der Emulgatoren ist der Effekt bei glutenfreien Broten deutlich geringer als bei Weizenbroten. Das könnte daran liegen, dass bei einigen Emulgatoren ein starker Einfluss auf die Elastizität und Stabilität des Glutennetzwerks festgestellt wurde. Da dieses Netzwerk bei glutenfreien Rezepturen fehlt und die alternativen Mehle und Stärke meistens deutlich weniger Protein (40–70 % weniger) enthalten, ist dieser Wirkmechanismus unwahrscheinlich.
Emulgatoren mit einer einzelnen gesättigten Fettsäure sollten in der Lage sein, Amylose-Lipid-Komplexe auszubilden. Dadurch kann die Retrogradation der Stärke verzögert und eine weichere Brotkrume erzeugt werden. Tatsächlich war die Krumenhärte bei Verwendung von DATEM und SSL laut Sensorikpanel und Texturanalysegerät am geringsten, was zum Teil, aber nicht ausschließlich auf das höhere Brotvolumen zurückzuführen ist. SSL gilt durch den kleinen polaren Kopfteil als geeigneter Komplexbildner, wodurch eine besonders weiche Krume entstand (ca. 40 % geringere Krumenhärte als beim Standard ohne Lipidzugabe). Allerdings war die sensorische Bewertung mit SSL negativ, da die Krumentextur fragil wurde, wie auf Abbildung 3 zu erkennen ist. Durch den beeinträchtigten Zusammenhalt lösten sich kleine Stücke (Krümel) von den Brotscheiben und das Schneiden war erschwert.
Zusammenfassend spielt eine Wechselwirkung von Lipiden mit Stärke bei glutenfreien Broten wahrscheinlich eine wichtige Rolle. Aufgrund des vergleichsweise hohen Stärkegehalts und des damit einhergehenden schnellen Austrocknens der Brote könnte sich der Einsatz von Emulgatoren wie DATEM lohnen. Zusätzlich zu der positiven Wirkung auf das Brotvolumen könnte die Bildung von Stärke-Lipid-Komplexen auch das Altbackenwerden verzögern. Dies sollte in zukünftigen Lagerversuchen untersucht werden.
Schlussfolgerung und Zusammenfassung
Der Einsatz von 3 % Rapsöl oder Margarine führte zu einem höheren Brotvolumen. Allerdings war die Steigerung mit ca. 5 % für glutenfreie Rezepturen geringer als für Weizenbrote. Die verwendeten Emulgatoren ließen in Hinsicht auf die Volumensteigerung eine Reihenfolge erkennen: Mit höherem HLB-Wert führten Öl-in-Wasser-Emulgatoren zu einem höheren spezifischen Brotvolumen, während Monoglyceride mit niedrigerem HLB nur einen geringen Effekt hatten. Der HLB-Wert von natürlichen Phospholipiden kann durch Entölung erhöht werden, was das Backergebnis verbesserte. Emulgatoren mit einer einzigen langkettigen Fettsäure bewirkten durch Komplexbildung mit Stärke eine ausgeprägte Reduktion der Krumenhärte. SSL zeigte die stärkste Aktivität an der Wasser-Luft-Grenzfläche und bewirkte das zweithöchste Brotvolumen. Dennoch stufte das Sensorikpanel dieses Brot aufgrund starken Krümelns als unbeliebt ein. Die Empfehlung liegt daher bei der Zugabe von 0,5 % DATEM. Im Vergleich zu Weizenbroten war die Wirkung der Lipide deutlich reduziert. Vermutlich sind die Wechselwirkungen zwischen Lipiden und Proteinen in der glutenfreien Rezeptur weniger bedeutend für das Backergebnis, während sie in Weizenbroten durch Beeinflussung des Glutennetzwerks eine entscheidende Rolle spielen.
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass vor allem Emulgatoren wie DATEM eine positive Wirkung auf die Qualität (Volumen, Porung und Härte) glutenfreier Brote haben. Um das Potenzial des Emulgatoreinsatzes voll auszuschöpfen, sollten die synergistischen Effekte durch Kombination verschiedener Emulgatoren getestet werden.
Literatur
[1] MacRitchie, F., Gras, P.W., 1973. The role of flour lipids in baking, American Association of Cereal Chemists, St. Paul, Minnesota, USA.
[2] Orthoefer, F., 1997. Applications of emulsifiers in baked foods. In: Hasenhuettl, G.L., Hartel, R.W. (eds), Food emulsifiers and their applications. ITP, New York, 263-284.
[3] Krog, N., 1971. Amylose Complexing Effect of Food Grade Emulsifiers, Starch, 23 (6), 206-210.
[4] Watzlawek, L., 2007. Vergleichende Untersuchungen über die Wirkung von Emulgatoren bei der Weizenteigherstellung, Technikerarbeit, Staatliche Fachschule für Lebensmitteltechnik Berlin, Fachbereich Bäckereitechnologie.
[5] O´Brien, C.M., Mueller, A., Scannell, A.G.M., Arendt, E.K., 2003. Evaluation of the effects of fat replacers on the quality of wheat bread, Journal of Food Engineering, 56, 265-267.
[6] Nunes, M.H.B., Moore, M.M., Ryan, L.A.M., Arendt, E.K., 2009. Impact of emulsifiers on the quality and rheological properties of gluten-free breads and batters, Eur. Food Res. Technol., 228, 633-642.
