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Schnelle Charakterisierung von Waffelmehlen

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Autoren: Zuleyka Rodriguez Gutierrez (Bühler Food Equipment GmbH, Leobendorf, Österreich) und Markus Löns (Brabender GmbH & Co. KG, Duisburg, Deutschland)

Waffeln sind Feingebäcke, die neben Wasser und wenigen anderen Zutaten hauptsächlich aus Mehl bestehen. Die Charakterisierung des Mehls ist für ein optimales Endprodukt daher unerlässlich. Eine Gegenüberstellung der Standardanalyse mit dem „Rapid Flour Check“ und der „Low Protein Check“ (LPC)-Methode.

Bei der industriellen Produktion von Waffeln werden die Massen durch Rohrleitungssysteme gepumpt. Dadurch wird eine mechanische Energie in die Masse eingetragen, welche beim Vorhandensein von Glutenproteinen zu einer Veränderung in der Viskosität führen kann. Das wiederum kann die Dosierung und Gebäckqualität negativ beeinflussen. Ebenfalls drohen Verstopfungen der Dosierdüsen durch Klumpenbildung.

Eine schnelle und zuverlässige Methode zur Charakterisierung der wichtigsten Mehlparameter (Feuchtkleber- und Proteingehalt sowie Wasseraufnahme (WA)) ist daher ein „Rapid Flour Check“, z. B. mit dem GlutoPeak von Brabender. Dabei werden geringe Mengen von Mehl und Wasser unter kontrollierten Bedingungen vermischt, analysiert und mittels Monitoring überwacht. Als Weiterentwicklung steht die „Low Protein Check“ (LPC)-Methode zur Verfügung, die besonders auf die Eigenschaften proteinarmer Mehle abgestimmt ist. In dem hier beschriebenen Projekt wurden diese GlutoPeak Methoden an 20 verschiedenen Mehlen getestet. Das Ziel der Untersuchung war zu überprüfen, ob die Methoden in Bezug auf ihre Zuverlässigkeit und die Möglichkeit, Infor- mationen über das Mischen und Backen von Waffelprodukten in kurzer Zeit zu gewinnen, mit Standard-Routineanalysen vergleichbar sind.

1. Material und Methoden

Für das Projekt standen 20 verschiedene Weizenmehle zur Verfügung, die als Waffelmehl, waffeltypisches Mehl oder Keksmehl bezeichnet wurden. Als Backversuch wurden Standard-
Eistüten hergestellt und anschließend getestet. Alle Mehle wurden vor dem Mischen des Waffelteigs und dem Backen der Eistüten mittels GlutoPeak und der Standard- Laboranalysen (nach ICC) analysiert. Bis auf eine Ausnahme erfüllten alle Muster die grundsätzlichen an Waffelmehl gestellten Anforderungen.

1.1 Laboranalyse mit dem Brabender GlutoPeak
Die Analyse mit dem GlutoPeak wurde zunächst mit der Standardmethode „Rapid Flour Check“ und den mitgelieferten Auswertungsalgorithmen durchgeführt.

Nach der Messung des Feuchtigkeitsgehalts der Mehlprobe wurden ca. 9 g Wasser (abhängig vom Wassergehalt des jeweiligen Mehls) in den Messtopf gefüllt, und dieser wurde anschließend in den GlutoPeak eingesetzt. Mittels eines angeschlossenen Thermostats erfolgte vorher die Temperierung der Aufnahme für den Probentopf (36°C), um gleichbleibende Versuchsbedingungen zu gewährleisten und um eine homogene Temperaturverteilung im Gefäß zu erhalten. Nach 2 Minuten, in denen sich ein Temperaturgleichgewicht in dem mit Wasser gefüllten Messtopf einstellen konnte, wurde die entsprechende Mehlmenge (abhängig vom Wassergehalt des jeweiligen Mehls) zugegeben.

Abhängig von den Eigenschaften eines Mehls dauerte die Messung 2–5 Minuten bei 2750 min-1. Durch den hohen Energieeintrag bildete sich je nach Kleberqualität und -quantität in Abhängigkeit von der Zeit ein Klebernetzwerk aus, welches einen Peak (Gluten Peak) als Höchstwert (Drehmoment) zeigt. Anschließend wird das Netzwerk durch die mechanisch auf sie einwirkende Kraft zerstört, die Kurve fällt ab und der Versuch wird beendet.

Nach Beendigung des Versuchs werden das höchste Drehmoment, dargestellt als Peak (BEM/Maximales Drehmoment), und die dafür erforderliche Zeit (PMT/Peak Maximum Time) ausgewertet. Zusätzliche Messpunkte sind das Drehmoment jeweils 15 Sekunden vor und nach dem Maximum (AM/PM). Mit der „Rapid Flour Check“-Auswertung ist es zudem möglich, Korrelationen zu anderen Messverfahren zu erhalten. Diese sind der Proteingehalt, der Feuchtklebergehalt, die Wasseraufnahme und der W-Wert (Alveograph-Verfahren), wobei Letzterer für diese Studie nicht berücksichtigt wurde. In einem zweiten Schritt wurde die „Low Protein Check“ (LPC)-Methode angewandt, die im Zuge des Projektes entwickelt wurde. Bei dieser Methode werden ca. 12 g Wasser pro 11 g Mehl (jeweils abhängig vom Wassergehalt des jeweiligen Mehls) eingewogen. Durchgeführt wurde diese Methode mit einer reduzierten Drehzahl von 2500 min-1 und bei 35°C. Die bereits beschriebene Auswertung änderte sich bei Verwendung dieser Methode nicht. Alle Messungen wurden als Dreifachbestimmung durchgeführt und anschließend mit der mitgelieferten Software (MetaBridge) zusammengefasst und ausgewertet.

1.2 Laboranalyse gemäß ICC-Standardmethoden
Um eine genaue Aussage über die vorliegenden Qualitäten zu erhalten, wurden für alle Mehlmuster in einem akkreditierten Labor in Österreich Standardanalysen gemäß den ICC- Methoden durchgeführt.

1.3 Herstellung der Waffelmasse
Das Rezept mit den Zutaten für die Zubereitung der Waffelmasse: Wasser 300 g, Natriumbicarbonat 2 g, Mehl 200 g, Sonnenblumenöl 2 g, Soja-Lecithin 2 g. Nach der Vermischung von Wasser und Natriumbicarbonat erfolgte die schrittweise Zugabe des Mehls, wobei gleichzeitig die Rührgeschwindigkeit erhöht wurde. Es folgte ein weiteres Mischen der Waffelmasse bis zur erneuten Homogenität sowie die Zugabe der Vormischung aus Sonnenblumenöl und Soja-Lecithin. Direkt nach dem Mischen wurde die Viskosität der Masse unter Verwendung eines Fließbechers mit einem Volumen von 100 ml und einem Düsendurchmesser von 8 mm gemessen (gemäß ASTM D 333). Sofern sich bei der gemessenen Viskosität eine Abweichung im Vergleich zu der definierten Viskosität von 20 sec (+/- 1 sec) ergab, wurde die Wassermenge in der Rezeptur angepasst und eine neue Waffelmasse hergestellt. Durch die Einstellung der Viskosität jedes Teigs auf 20 sec
(+/- 1 sec) kann das mechanische Verhalten beim Backen für alle Mehle als ähnlich angenommen werden, sodass die Eigenschaften der Produkte nur von den Mehleigenschaften selbst abhängen. Das für die Ausbildung einer bestimmten Viskosität notwendige Wasser/Mehl-Verhältnis ist daher ein wichtiger Parameter des Mehls und wurde für alle Versuchsmassen protokolliert.

1.4 Backen der Waffeln (Gegossene Tüten)
Das Backen der Waffeltüten wurde auf einem elektrisch beheizten Laborgerät LB-SWAK_STAK mit einer industriellen Backform und einer entsprechenden Kernplatte durchgeführt. Die Form wurde auf 180°C, die Kerne jeweils auf 190°C aufgeheizt. Mit einer Spritze wurden 7 ml Waffelmasse dosiert und die Backzeit betrug 80 Sekunden. Vor dem Verschließen der Trägerzange für den eigentlichen Backvorgang wurde sie geschlossen und anschließend zweimal kurz geöffnet (sog. Atmen: 2 Sek. offen, 2 Sek. geschlossen), um Dampf aus dem System abzulassen. Nach dem Backen erfolgte die Entnahme der Tüten aus der offenen Form und eine etwa 10-minütige Abkühlung bei Raumtemperatur. Nach dem Abkühlen wurden die Waffeltüten in eine PE-Verpackung gelegt, heiß versiegelt und bis zur Texturanalyse bei 8°C gelagert.

1.5. Texturanalyse der Waffeln
Die Texturanalyse erfolgte auf einem TA.XT.plus Texture Analyzer (Stable Micro Systems) unter Verwendung einer Eistütenform (A/ICC). Mit diesem Werkzeug kann die Kraft gemessen werden, die erforderlich ist, um einen Bruch zu verursachen. Für die Texturanalyse wurden für jedes Mehl zehn visuell vorgeprüfte Tüten getestet. Die erhaltenen Ergebnisse wurden anschließend zusammengefasst und ausgewertet.

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2. Ergebnisse und Diskussion

2.1. Vergleich GlutoPeak „Rapid Flour Check“ mit der Standardanalyse
Vergleicht man die Ergebnisse des „Rapid Flour Check“ mit den Ergebnissen der Standardanalyse, so zeigt sich, dass die prinzipielle Korrelation für die Parameter Protein- und Feuchtklebergehalt als noch gut bezeichnet werden können, für die Wasseraufnahme ist sie jedoch niedrig (siehe Abb. 4–6). Brabender gibt an, dass der korrelierte Proteingehalt um +/- 0,8 innerhalb einer Spannweite von 10,5 bis 15 % variiert. Ähnliche Ergebnisse wurden mit den getesteten Mehlproben sogar bei sehr homogenen Proben (abgesehen von W700 mit seinem hohen Proteingehalt) erzielt. Die Feuchtkleber sollten in einem Bereich von +/- 2,3 gegenüber der Standardanalyse liegen, was für die getesteten Mehlproben auch annähernd erzielt wurde.
In beiden Fällen unterschätzte die GlutoPeak-Methode die Ergebnisse der Standardmessungen, lag also etwas darunter: um ca. 3,5 % beim Protein- und 11 % beim Feuchtklebergehalt.

Die Wasseraufnahme wird hingegen mit der GlutoPeak- Methode um ca. 2 % überschätzt (siehe Abb. 6).

Brabender gibt für die Wasseraufnahme eine Schwankung von +/- 2,8 an. Es ist jedoch deutlich zu erkennen, dass die Abweichung bei niedrigen WA-Werten (Waffelmehle mit einer WA < 55 %) zunimmt. Dies ist ein Nachteil der „Rapid Flour Check“-Methode, die für Mehle mit höheren Proteinmengen und Wasseraufnahmen entwickelt wurde.

Um das Potenzial der GlutoPeak-Ergebnisse für Waffelmehle zu erhöhen und die Aussagefähigkeit zu optimieren, wurde von Brabender im weiteren Verlauf die neu entwickelte „Low Protein Check“-Methode mit einbezogen. Dazu erfolgte eine erneute Auswertung der bereits erfassten Daten, die anschließend mit den Daten der ICC-Methode verglichen wurden. Das Resultat war eine gute Übereinstimmung zwischen den beiden Methoden, auf die im Laufe dieser Studie noch eingegangen wird.

2.2 Parameter für das Mischen und Backen von Waffel- massen auf der Grundlage von GlutoPeak-Daten
Um eine Korrelation zwischen erforderlichen Wassermengen bzw. Produktgewichten auf der einen und Mehlparametern auf der anderen Seite nachzuweisen, werden die Daten aus der Standardanalyse und der GlutoPeak-Analyse getrennt behandelt. Die Korrelationen und Ergebnisse für die „Low Protein Check“-Methode sind in einem separaten Abschnitt aufgeführt.

Standard-Analyse
Die grundsätzliche Korrelation der benötigten Wassermenge (für eine bestimmte Teigviskosität) und der Wasseraufnahme des Mehls ist bei der Waffelherstellung hinlänglich bekannt und kann auch für sehr ähnliche Mehle dargestellt werden (siehe Abb. 6).

Mehle mit einer höheren Wasseraufnahme benötigen mehr Wasser, um eine definierte Teigviskosität zu erhalten. Dies kann für das Waffelbacken ungünstig sein, da gebackene Waffeln üblicherweise einen Wassergehalt von nur 1–2 % haben. Somit muss das gesamte sich in der Waffelmassebefindende Wasser bis auf diese Restmenge beim Backen verdampft werden. Während des Backprozesses wirkt das verdampfende Wasser als Triebmittel, sodass zu hohe Wassergehalte zu sehr spröden oder sogar unvollständigen Produkten (fehlerhafte Verteilung der Masse in der Backform) führen können. Eine Wasserreduzierung ist bei solchen Teigen jedoch nicht immer möglich, da der daraus resultierende Viskositätsanstieg wiederum die Teig- und Produkteigenschaften negativ beeinflusst. Der Wasserbedarf des Mehls ist somit ein entscheidender Parameter.

Ein leicht feststellbarer Effekt des Wasserbedarfs ist die Pro- duktdichte, das spezifische Gewicht. Je höher die Wassermenge – bzw. der Wasserbedarf –, desto geringer ist die Dichte des Waffelproduktes (d. h. das Produktgewicht). Eine hohe Wasserabsorption führt somit zu Produkten mit geringer Dichte, wie in Abb. 8 qualitativ dargestellt. Neben den Mehleigenschaften beeinflussen Parameter wie die Backtemperatur (insbesondere die Kerntemperatur kann während des chargenweisen Backens stark variieren), das Dosiervolumen usw. die Dichte von Waffelprodukten.

Aus diesen zusätzlichen Einflussfaktoren während des Backens folgt, dass eine Korrelation des Produktgewichts mit der Wasseraufnahme weniger signifikant ist als die Korrelation mit dem Wasserbedarf in der Teigbereitung.

Dies gilt umso mehr für das chargenweise Backen von Waffelblättern im Labormaßstab, wo innerhalb eines Waffelblattes erhebliche Unterschiede in der Waffeldichte auftreten können.

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GlutoPeak-Daten
Die Korrelation der mit der GlutoPeak-Methode „Rapid Flour Check“ gemessenen Wasseraufnahme mit dem Wasserbedarf ergibt im Vergleich zur Standardanalyse ein weniger signifikantes Ergebnis (siehe Abb. 9).

Das Muster W700 (sehr hohe Protein- und Feuchtkleberge- halte) kann innerhalb der Probenpunkte eindeutig identifiziert werden. Sofern man aber nur die Waffelmehle betrachtet, ist kein klarer Trend erkennbar. Dasselbe gilt für die Produktdichte (siehe Abb. 10). Daher ist der GlutoPeak-Parameter WA im Vergleich zur Wasseraufnahme, die mittels Standardanalyse gemessen wird, weniger aussagekräftig.

Etwas bessere Korrelationen werden erreicht, wenn der Parameter G (Gehalt Feuchtkleber) statt des Parameters WA (Wasseraufnahme) gewählt wird (siehe Abb. 11 und 12).

2.3 Vorhersage von Produkteigenschaften auf der Grundlage von GlutoPeak-Daten
Die Vorhersage von Waffeleigenschaften aus Mehldaten ist schwierig, da nicht nur der Teig das Produkt erheblich beeinflusst, sondern unter anderem auch die Temperatur/Temperaturschwankungen des Ofens oder auch die Dosierung (Menge, Geschwindigkeit). So zeigen schon die erfassten Daten der Texturanalyse der Waffelprodukte eine signifikante statistische Streuung und lassen sich weiter auch nur schwer mit den Mehleigenschaften korrelieren.

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3. Modifikation der GlutoPeak-Methode für proteinarme Mehle

Nachdem die Ergebnisse der „Rapid Flour Check“ (RFC)- Methode zu keinen optimalen Aussagen geführt hatten, wurde die Auswertung mit der neu entwickelten „Low Protein Check“-
Methode durchgeführt.

Durch die modifizierte Methode können Mehldaten für schwache Mehle mit zufriedenstellender Genauigkeit – im Vergleich mit ICC-Methoden – in einer Schnellmethode abgeschätzt werden (siehe Abb. 13–15).

Im Gegensatz zur RFC-Methode ist die LPC-Methode auf Mehle mit einem niedrigen Protein- (< 11 %) und Feuchtklebergehalt (< 25 %) abgestimmt. Damit liegt die Korrelation von teig- oder backbezogenen Parametern zu den Mehlparametern bei den ICC-Methoden und der modifizierten Gluto-Peak-Methode nahezu in einer ähnlichen Zuverlässigkeit (siehe Abb. 16 und 17).

Die grundsätzlichen Vorhersagen für die Produkteigen- schaften (z. B. die Stabilität) lassen somit ähnlich gute Rück- schlüsse zu (siehe Abb. 18), wie dies schon bei den auf ICC-Methoden basierenden Daten möglich ist. Dies führt zu der Aussage, dass die „Low Protein“ Methode mit dem GlutoPeak eine wertvolle Alternative zu den ICC-Methoden ist. Während der Gluto-Peak-Versuche tauchte bei zwei Mehlen das Phänomen auf, dass es zu keiner Ausbildung eines Peaks kam. Die notwendige Aggregation von kleberbildenden Proteinen fand offensichtlich nicht statt, sodass als Folge daraus keine relevante Änderung des Dreh-
moments gemessen werden konnte (siehe Abb. 19/20). Auch diese Versuche wurden als Dreifachbestimmung durchgeführt, um mögliche Anwendungsfehler auszuschließen. Aufgrund des Kurvenverlaufs und der daraus resultierenden fehlenden Werte war es somit nicht möglich, diese Mehle in die Auswertung mit einzubeziehen. Als Ursache für den ausbleibenden Peak kann vermutet werden, dass der im Mehl vorhandene Anteil an kleberbildendem Protein zu gering war, um zu aggregieren und damit einen Einfluss auf das Drehmoment auszuüben. Ebenso könnte aber auch eine Proteinschädigung in Form einer Denaturierung durch zu hohe Temperaturen im Vermahlungsprozess ursächlich sein.

 

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4. Zusammenfassung
Von den 20 getesteten Mehlen stellten sich 19 als für die Herstellung von Waffeln geeigneter Rohstoff heraus. Nur ein Mehl lag deutlich außerhalb der Spezifikation. Die gewählte Zufallsstichprobe kann daher als homogen bezeichnet werden.

Die Voraussage qualitativer Trends bei den gebackenen Waffeln ist – unabhängig von den eingesetzten Mehlanalyseverfahren – sehr schwierig, da eine Vielzahl weiterer Einflussgrößen auf die Produkteigenschaften wirken.

Basierend auf der Charakterisierung der Mehle mit der LPC-Methode ist eine rasche Prüfung von sehr kleinen Mehlmengen auf die prinzipielle Eignung eines Mehls für die Waffelproduktion genauso möglich wie ein schneller Vergleich unterschiedlicher Mehl-Batches. Zudem können die Messdaten dazu herangezogen werden, rasch Schätzungen bzgl. des erforderlichen Wasserbedarfes und damit eventuell erforderlicher Rezepturänderungen bzw. des Energieverbrauches abzugeben. Eine Voraussage von Produkteigenschaften ist – unabhängig von der Messmethode – rein aus der Mehlanalyse heraus nicht möglich.

* Die Mehlmuster wurden von Mühlenbetrieben und Lebensmittelherstellern zur Verfügung gestellt. Als Projektpartner fungierten die Firmen Bühler AG aus Uzwil (Schweiz) und die Brabender GmbH und Co. KG aus Duisburg (Deutschland). Die Backversuche, also deren Planung, Durchführung und Auswertung, fanden alle im Bühler/Haas Food Equipment Technikum in Leobendorf (Österreich) statt. Dort war auch der von Brabender zur Verfügung gestellte GlutoPeak stationiert.

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