Bäckerei- und GetreidetechnologieBioverfahrenstechnik/Lebensmitteltechnologie Geschmackssymposium Bremerhaven „The Taste of Love“ 09. bis 10. Juni 2010

Bäckerei- und GetreidetechnologieBioverfahrenstechnik/Lebensmitteltechnologie

Geschmackssymposium Bremerhaven

„The Taste of Love“

09. bis 10. Juni 2010

Neuartige Technologien zur authentischen Generierung von Aroma, Geschmack und Textur bei Lebensmitteln

Prof. Dr. Klaus Löschettz Bremerhaven BILB-EIBT, Hochschule Bremerhaven


Sensorik und Produktqualität


Natural Flavour Formation

Biogenetic Flavours (Primary) Prepared Flavours (Secondary)(uncooked Food)

e. g. Milk Boiling Baking Broiling Roasting FermentationVegetable e.g. Potatoes Bread Meat Meat YoghurtFruits Vegetables Pastry Fish Coffee CheeseSpices Cereals Confectionery Potatoes Peanuts Pickled cabbage

Enzymatic Flavour Flavour Development Through MicrobiologicalDevelopment Heat-Treatment (e. g. Maillard-Reaction) Flavour Development


Manufacturing of Natural Flavours

ANIMAL (Beef, Chicken, Seafood, ...) Extraction

VEGETABLE (Spices, Mushroom, Orange, ...)Distillation (Citrus, Spearmint, Juniper berry, Pear, ...)Concentration (Extracts, Fruit Juices, ...)

FERMENTATION (Acids, Alcohols, Lactones, Acetoin, Biotechnology Pyrazines, ...)

ENZYME MODIFICATION (Cheese, Soy, Strawberry, Meaty, notes,...) Hydrolysis (HVP, HAP, ...)Mild / Kitchen Chemistry (Natural Esters, Natural Aldehydes, ...)


Biotechnologische Verfahren

FERMENTATION (Mikroorganismen)

Enzymatische Modifikation Löslich Immobilisiert

Pflanzen-Zellkulturen (PTC)


In Fermentation verwendete Organismen

Bakterien Pilze: Hefen,

Actinomyceten Viren, Bacteriophagen Protozoen; Algen Pflanzen-Zellen und –

gewebe Tierische Zellen


Microorganism Fragrance Chemical

Ascoidea hylacoeti Fruity, rose β-Phenylethanol, furan-2-carboxylate

Ceratocystis moniliformis Fruity, banana, peach, pear, rose 3-Methylbutyl acetate, δ-and γ-decalactone, geraniol, citronellol, nerol, linalool, a-terpineol

Ceratocystis variospora Fragrant, geranium Citronellol, citronellyl acetate, geranial, neral, geraniol, linalool, geranyl acetate

Deratocystis virescens Rose, fruity 6-Methyl-5-hepten-2-ol acetate, citronellol, linalool, geraniol, geranyl acetate

Inocybe corydalina Fruity, jasmine Cinnamic acid methyl ester

Kluyveromyces lactis Fruity, rose Citronellol, geraniol, linalool

Mycoacia uda Fruity, grassy, almond ρ-Methylacetophenone, ρ-tolyl-1-ethanol, ρ-tolyaldehyde

Penicillium decumbens Pine, rose, apple, mushroom Thujopsene, 3-ocranone, 1-oceten-3-ol, nerolidol, β-phenylethanol

Phellinus species Fruity, rose, wintergreen Methyl benzoate, methyl salicylate, β-phenylethanol, γ-Decalactone

Sporabolamyces odorus Peach

Streptomyces odorifer Earthy, camphor trans-1, 10 Dimethyl-trans-9-decalol, 2-exohydroxy-2-methylbornane

Trametes odorata Honey, rose, fruity, anise Methyl phenylacetate, geraniol, nerol, citronellol

Trichoderma viride Coconut 6-Pentyl-2-pyrone

Aroma Compounds from Microorganisms


Aromastoffbildung entlang von Backprozessen

Enzymatische Umsetzungen aus enzymhaltigen Rohstoffen (Mehl, Back-mittel, Malz, etc.) bis hin zu spezifischen Endprodukten (Beispiel: Teige, Vorteige, Sauerteige, Langzeitführung ...)

Fermentation mit Mikroorganismen (Hefe, Milchsäurebakterien etc.) führt zu Stoffwechselprodukten (Beispiel: Teige, Vorteige, Sauerteige, Langzeitführung ...)

Thermische Reaktionen: Karamellisierungen, Maillard-Reaktionen etc.(Beispiel: Backtemperaturen)


2-Acetyl-1-Pyrrolin ist ein Schlüsselaromastoff in Weizenbroten, welcher zum röstigen Aroma der Kruste beiträgt

2-Acetyl-1-Pyrrolin entsteht während des Backens aus einer Dikarbonylkomponente und Ornithin

Ornithin ist keine proteinogene Aminosäure und wird von einigen Laktobazillen aus Arginin gebildet

Der Gehalt an Aminosäuren (Arginin) in Brotmehlen ist gering!

2-Acetyl-1-Pyrrolin ist ein Schlüsselaromastoff in Weizenbroten, welcher zum röstigen Aroma der Kruste beiträgt

2-Acetyl-1-Pyrrolin entsteht während des Backens aus einer Dikarbonylkomponente und Ornithin

Ornithin ist keine proteinogene Aminosäure und wird von einigen Laktobazillen aus Arginin gebildet

Der Gehalt an Aminosäuren (Arginin) in Brotmehlen ist gering!

Steuerung der Ornithinbildung durch L. pontis und L. reuteri

Taste and Flavour


Character Impact Compounds

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

Proteolytischer Abbau durch Mehl-Proteasen Fermentation

Maillard-Reaktion Backen

Arginin-Deiminase Wegvon L. pontis u. a. Fermentation

Bildung von 2-Acetyl-Pyrrolin bei der Brotherstellung


Biotechnological Formation of Character Impact Compounds

Ornithinbildung in Sauerteigen


Beeinflussung und Verhältnis von Aroma- und Geschmacksstoffen durch Fermentation und Backprozess (Rothe, modifiziert)

Percursoren- Zucker- Aminosäuren- Fettsäuren

Enzyme sek. Inhalts-

stoffe anderes

Substrat(Mehl etc.)

Fermentation Backprozess

Amine

Ester

Alkan-Alkohol

Fettsäuren

Aldehyde

Hydroxy- und Ketosäuren

KetoneLactone

Alken-Alkohol

FuranDerivate

Pyridine

Pyrazine

Pyrrole

HeterocyclischeVerbindungen

Hydroxy- und Ketone

Katabolismus, partiell Anabolismus

Maillard-ReaktionenKaramellisierungen


Phytaseaktivitäten in verschiedenen Getreidemahlerzeugnissen

Abb.: Phytaseaktivität in µg umgesetztes Phosphor je g Probe und min. von verschiedenen Mehlen

Bedingungen: Inkubationszeit: 20 Min., Inkubationstemperatur: 50°C Inkubationszeit: 20 Min., pH 5,0

2,6

49,7

169,5

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180


Reissauerteig

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

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

pH

-We

rt

S°

in m

L N

aO

H (

c =

0,1

mo

l/L)/

10

g

Zeit [h]

0 ppmPhytase200 ppmPhytase400 ppmPhytase800 ppmPhytasepH-Wert 0 ppm

pH-Wert 200 ppm

pH-Wert 400 ppm

pH-Wert 800 ppm

Säuregrad = ca. 75 %


Aleurone – Concentrated Source of Phytic Acid (~ 4%)

Phytic acidMyoinositol hexaphosphate

Aleurone cell with inclusion bodies containing protein and phytin

*Hoseney (1994). Principles of Cereal Science and Technology.

OPO3H2

H2O3PO OPO3H2

OPO3H2

OPO3H2

H2O3PO


Einfluss von Phytase auf Teig und Gebäck (Thesen) Model: schematisch

Phytase

Milchsäure-bakterien, Hefen

-Amylase

Milchsäure, Essigsäure, CO2, Aromastoffe

Stärke

Calciumionen, Ca2+

ortho-Phosphat myo-InositolMineralstoffe (Ca, Mg, Fe, …)

Oligosaccharide

Proteine, Peptide

Rheologie, Hefe, Aroma, Geschmack,Farbe…

Phytinsäure

MeMe

Protein Peptide

Me+ katalytische Wirkung

(Maillard)


Phytase-gestützte Weizensauerteige im Vergleich

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)


Verstärkung von natürlichen Aromen bei der Lebensmittelverarbeitung

Aromaverluste

Lebensmittel-verarbeitung

Rohstoff

Processing

Lebensmittel mit verstärktem Aroma

Enzym-Quelle Aroma-Enzyme

Processing


Aromabildung aus Kohlenhydraten und Triglyceriden

Aromabildung aus Kohlenhydraten

Lactose β-GalactosidasenGlucose + Galactose

MilchsäurePropionsäureAcetoinAcetaldehydDiacetyl u. a.

Fett LipasenFettsäuren + Glycerin DecarboxylasenAldehydeKetone

Aromabildung aus Triglyceriden


Aromabildung aus Proteinen

ProteineEndoproteasen

PeptideExoproteasen

AminosäurenDesaminasenDecarboxylasen

DesamierungDecarboxylierung

Aromabildung aus Proteinen


Aromaverbindungen aus Butter

Alkane: C1-12; und ringförmig

Alkane: C5-12 (delta 2), C7 (delta 4)

Ketone: 2-Alkanone: C3-15

andere Carbonylverbindungen: C7-3 -on, Diacetyl, Aceton, Benzaldehyd, 2-Phenylacetaldehyd, Phenylpropandion

Lactone: delta C6-18, gamma C8-16, Bonlide

Alkohol: C1-10

Fettsäuren: C2,4,6,8,10,12 plus ungesättigt

Ester: C1,2,10 = Methyl-, C1,2,4,6,7,8,10,12

= Ethyl-, MethylbenzoatPhenole: Phenol-, m-Kresol, p-Kresol, o-Methoxyphenol

divers: Indole …… Benzothiazol Dimethylsuflid, Indol, H2S


Enzym-Kaskaden zur Generierung von Aromen

Milchfett oder Pflanzenfett Milchprotein oder Pflanzenprotein Lipasen Proteinasen

Freie Fettsäuren Aminosäure (und Peptide)

Oxidasen Desaminasen

β -Ketosäuren β -Ketosäuren

Decarboxylasen Decarboxylasen

Methylketone Aldehyde

Reduktasen Reduktasen

Sekundäre Alkohole Primäre Alkohole

Käsearoma

Abb. Enzymatische Erzeugung von Käsearomakonzentraten


Character Impact Compounds

„Schlüsselverbindungen“ in geruchsaktiven Produkten


Aromastoffe


Aromabildung


Aromabildung


Aktivierung von Aromastoffen

Aufbau eines Glycosids und mögliche Bedingungen zurZuckerabspaltung

Glycosid

Hydrolyse durch

Abspaltung des Zuckers

a) chemisch (Säure oder Base)

b) enzymatisch c) thermisch

Zucker + Aglykon aromaaktiv

Zucker Aglykonnicht aromatisch

nach Werwitzke.U. et al. 2000. S.23


Aromaenzyme


Aromaverstärkung bei Erdbeeren durch Methylobakterium ssp.(Siegmund et al., Graz 2009)

Formation of furaneol by the plant in symbiosis with methylotrophic bacteria


Tasty Tomato Flavours(Synergy 2010)


Traditionelle Technologie: weißer Pfeffer


Enzymatisches Schälen von Pfeffer


Authentische Aromaverstärkung durch enzymatisches Schälen


Vorteile einer enzymatischen Schälung bei weißem Pfeffer


Aufbau einer pflanzlichen ZelleZelle als biochemischer Reaktor


Biotransformation mittels Pflanzlicher Zellkulturen (PTC)

Aromatische Verbindungen Alkalodie Terpenoide Cumarine Steroide Biochemische Reaktionen

z. B.: Epoxydierung

EsterbildungGlykosylierungHydroxylierungIsomerisierungRedox-ReaktionenMethylierungusw.


Biosynthetic Products of Plant Cell Cultures

Substance Species Culture type1

Cinnamic acid Nicoriana tabacum C

4-Hydroxy-3-methoxybenzoic acid Linum usitatissimum C

Caryophyllene Lindera strychnifolia C

2-Undecanone, 2-undecanyl acetate Ruta graveolens C

Stevioside Stevia rebaudiana C

Limonene, linalool Perilla fructescens C

Anethol Foeniculum vulgare C

“Ess. oil” Pimpinella anisum C

Diallyl disulfide Allium cepa C

Farnesol Andrographis paniculata S

2-Phenylethylglycoside Tropeaolum majus S

Glycyrrhizin Glycyrrhiza glabra S

“Apple aroma” Malus silvestris S

L-Glutamine Symphytum officinale S

1 C= callus culture; S= suspension culture


Prinzip des mechanischen /enzymatischen Zellaufschlusses

Einbringung von mechanischer Energie durch Reibung, Scherkraft oder Kollision

Kraft > Berstkraft

Vermeidung von Reibungswärme

Enzymatischer Aufschluß

Freisetzung des Enzymkomplexes

Freisetzung von Farbe, Aroma und mehr…

anderes


Aufschluss von Holunderbeeren mit Cellulase


Gefrieren komplexer Systeme und Texturerhalt(pflanzliche Lebensmittel)

Pflanzliche Lebensmittel sind hormonell / enzymaktive Systeme (z. B. Früchte) Primärwandstabilisierung:

Aktivierung der fruchteigenen Peroxidase

Mittellamellenstabilisierung durch fruchteigene oder mikrobielle Pektinesterasen (z.B. vor oder nach dem Gefrieren)

Retardierung / Stopp des endogenen Metabolismus direkt nach der Ernte (vor dem Gefrieren)

Inhibierung spezifischer Enzyme

anderes

Ethylen Synthese

Amino Vinyl Glycin oder Silberionen

hemmen die ACC-Synthase

z. B. Expression der Gene zur Reifung bei der Tomate oder Wurzelhaarbildung in Arabidopsis

Begrenzendes Element ist die ACC-Synthase, deren Transkription wird durch Auxin stimuliertBeispiel: Fruchtboden der Erdbeere

Diese Enzyme zeigen Aktivitätszunahme bei Reifungsbeginn

ACC-Synthase

(ACC)

ACC-Oxidase

Methionin

S-Adenosylmethionin

1-Aminocyclopropan-1-carboxylsäure

Ethylen (C2H4)

(nach Grierson and Covey 1988)

Rezeptor


Anwendung bei der Fruchtreife


Festigkeit von Zellen

Durch Gefrierprozesse ist die Abnahme der Festigkeit durch Kristallwachstum feststellbar.

Aufgrund der Permeabilitätseigenschaften kann es während des Gefrierens zu einem Austritt von Zellsaft in die Interzellularräume kommen.

Der Prozess führt bei niedrigen Gefrierraten zu großen Eiskristallen außerhalb der Zelle, wodurch das Zellgefüge gelockert werden kann (Pseudoplasmolyse).

Während des Auftauprozesses führt eine geringere Wasserwiederaufnahme (Rehydratation) der Zelle zu einem schwammigen Gewebe , das weitgehend seine Konsistenz einbüßt.


Festigkeit von gefrorenen verarbeiteten Sauerkirschen(Extrusionstest): Stabilisierung der Mittellamelle und der Primärwand

Quelle: K. Lösche (Hrsg.): Enzyme in der Lebensmitteltechnologie, Behr`s Verlag, Hamburg, 2003

Kra

ft F

ma

x (N

)

KühllagerungVorerhitzungCalcium

(Wochen)(°C)(ppm)


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


Generierung formstabiler TK-Obstprodukte durch eine Spezial-Behandlung unmittelbar nach der Ernte (vor dem Gefrieren)

Ernte

Behandlung mit elektromagnetischen Wellen

Stopp des endogenen Stoffwechsels

Reinigen, Sortieren

Gefrieren (verpackt, unverpackt)

Lagern

Auftauen

Erhalt der Textur, Konsistenz, nahezu keine Zellzerstörung


Knusprigkeit beeinflusst Aroma, Geschmack und mehr


Crispyness


Sogginess Toast


Crispyness ist eine Funktion der Porosität


Feuchte-und Temperatursteuerung ist Klimatechnik: Voraussetzung für Gasblasenexpansion

Sorptionsisothermen

Die Sorptionsisotherme ist die graphische Darstellung des Sorptions-Verhaltens einer Substanz (bei konstanter Temperatur). Sie beschreibt die Beziehungen zwischen dem Wassergehalt der Substanz und der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft bei einer bestimmten Temperatur .

Im geschlossenen Klimaautomat stellt sich in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Ware die von der Sorptions- Isotherme angegebene Luft-Feuchtigkeit ein, bis ein Gleichgewicht zwischen Ware und Umgebungsluft erreicht ist. Man spricht von der Gleichgewichts-Feuchte.


Prinzip einer Ultraschallvernebelung : Erhalt der Wärmeleitfähigkeit

Mechanische Schwingungen die von der Oberfläche von Wasser Aerosoltröpfchen ablösen Größe der Wassertröpfchen abhängig von der Ultraschallfrequenz (mind. >1MHZ) Massenoutput, energetisch günstig

Abb.: Aerosole werden durch die Luftströmung im Befeuchter ausgetragen und vermischen sich sehr schnell mit der Umgebungsluft. Sie haben einen sehr kleinen Durchmesser (~ 0,001 bis 0,005mm) und bilden deshalb einen frei schwebenden Nebel.

Die piezokeramischen Wandler (Transducer, Schwinger)


Crispyness durch Vakuum-Enthalpie -Kühlung


Differentielle Reaktionsraten von Hefen und Enzymen in Abhängigkeit von der Temperatur: Steuerung von Aroma, Geschmack und Farbe…

Abb.: Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Hefe (grüne Kurve) und Enzymen (rote Kurve). (Vereinfachte schematische Darstellung)

Bsp.: Eine Verminderung der Teigtemperatur um 10°C reduziert die Hefegärung 5-10 fach, die Enzymtätigkeit aber nur 2-3 fach

-10 0 2010 30

Temperatur°C

log. Reaktionsgeschwindigkeit (v)

x. 101

x. 102

Enzyme

Hefe


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


Röntgen-tomographische Studien an Reis-Extrudaten: Porosität und Expansion in Abhängigkeit von Wassergehalt und Temperatur

Querschnittsbilder der Reisprodukte

(Nestle 2008)


Grenzschicht-Situation im Augenblick der Entspannung nach Heißextrusion

ThermischKonvektion

Wärmeleitfähigkeit Trockenmasse

Wärmeleitungthermische Expansion

p·V=n R·T

VerdampfungskältePoren-Generierung

Fertigung der Porenwände

Verdampfung

GasExpansion / Konvektion

Mol-Massen etc.

P·V = nRT

Viskosität(z. B. Endviskosität)

aw-Wert

Porenwände- Dicke- Zustand (Glaszustand)- Festigkeit

Flüssig

Gleichgewichtsfeuchte

Interaktion und Gleichgewicht: flüssig gasförmig viskose Kräfte


Particle Charge for Texture: Novel Instrument for Batterse.g. special Batters for Coatings of Frozen-Fish

conventional: amylomaize-flour-basis(inconvenient charge-situation)

new: hydro thermic treated flour (“Roland-Mühle“, Bremen) (wanted charge-situation)

good breading-Adhesion and -distribution good gas-permeability high allowance concerning the water content rejections < 5% clean label

fluctuations of „breading-Adhesion“ and -distribution inadequate gas-permeability little allowance concerning fluctuations in the water content rejections 10-15% (problem: quality of product) declaration in the case may be: “modified amylomaize”


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


Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Die authentische Generierung von Aroma und Geschmack muss Lebensmittel-spezifisch erfolgen: fermentativ, enzymatisch, physikalisch…

Die Generierung von „character impact compounds“ gelingt u.a. durch mikrobielle Syntheseleistungen (z.B. Methylobakterium: vgl. Erdbeere , Milchsäurebakterien: vgl. Backwaren) oder/und durch spezifische Beeinflussung des Stoffwechsels einer pflanzlichen Zelle, z.B. durch Induktion, ß-Glucanasen (Aroma-Enzyme) u.a.m.

Die Aroma- und Farbausbeute kann durch Zellaufschluß-Verfahren deutlich erhöht werden: z.B. Tomaten-Saucen, Paprika-Zubereitungen, Fruchtzubereitungen etc.

Das enzymatische Schälen, z.B. von Gewürzen, liefert vergleichsweise höhere Ausbeuten an Aroma, Geschmack, Farbe u.a.m.

Die Konsistenz ist bei Obst-und Gemüseprodukten oftmals eine der wichtigsten Qualitätsparameter; mehrere lebensmitteltechnologische Maßnahmen sind heute möglich: Stabilisierung der Mittellamelle, der Primärwand und Hemmung bestimmter Enzyme (alpha-Mannosidase etc.)

Crispyness bei Frühstückscerealien, Backwaren, Fischstäbchen etc. ist eine Resultierende der Porosität, die primär mithilfe physikalischer Verfahren generierbar ist (Aerosol-Technologie, Vakuum-Technologie, IR-Technik etc.)


Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

• Die Bestimmung der Partikelladung (PCD) kann neuartige Wege weisen zur

Aufklärung von Stoffveränderungen und /oder Generierung von Textur, Emulsionsstabilität, etc.

• Sensorische Größen wie Aroma, Geschmack sind u.a. abhängig von der jeweiligen Matrix und seinen Eigenschaften. So vermitteln Materialeigenschaften ( weich , fest, elastisch, spröde, knusprig etc.) neben anderen Eindrücken immer auch ein entsprechendes Aroma- , Geschmacks – und Genusserlebnis…

Viele neuartige und realistische Ansatzpunkte zur Generierung authentischer Qualitätsmerkmale (Sensorik) bei verschiedenen Lebensmitteln liegen vor, sie werden aktuell noch zu wenig genutzt….


Prof. Dr. Klaus Löschettz Bremerhaven Am Lunedeich 1227572 BremerhavenTel. : +49 471 97297-12 Fax.: +49 471 97297-22

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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