< Terug naar vorige pagina

Project

Inzicht in de invloed van tarwezemel op het dynamisch gedrag van zetmeel en gluten, met gebruik van zemelmicronisatie als onderzoekstool

De belangstelling voor dieetvezelrijke voeding is aanzienlijk toegenomen als gevolg van een toenemend gezondheidsbewustzijn bij de consument. Tarwezemelen, een bijproduct van de vermaling van tarwe, vormen een voor de hand liggende bron van dieetvezel. Bovendien zijn tarwezemelen een goede bron van mineralen, vitaminen en bioactieve componenten. De consumptie van zemelrijke levensmiddelen blijft echter laag, aangezien de incorporatie van zemelen in levensmiddelen problemen oplevert tijdens de bereiding en voor de kwaliteit van het eindproduct. Sommige van deze problemen worden aangepakt door dure verbetermiddelen te gebruiken. Het gebrek aan inzicht in de onderliggende oorzaak verhindert echter het ontwikkelen van strategieën voor een verhoogde incorporatie van tarwezemelen in levensmiddelen. Brood aangereikt in zemelen is een interessant systeem om de impact van zemelen op de verschillende aspecten van de zetmeel- en glutenfunctionaliteit te bestuderen, aangezien zetmeel en gluten de belangrijkste structuurbepalende componenten in brood vormen. Een goede ontwikkeling van het glutennetwerk door middel van hydratatie en menging is namelijk vereist; het rijzen van het deeg is afhankelijk van de stabiliteit van de gluten-zetmeelmatrix tijdens fermentatie en ovenrijs en verstijfseling van zetmeel tijdens het bakken bepaalt de uiteindelijke kruimstructuur.

Tegen deze achtergrond was het doel van dit doctoraatsonderzoek om meer inzicht te verkrijgen in de impact van tarwezemelen op de gluten- en zetmeelfunctionaliteit tijdens de broodbereiding. Hiervoor werd het wijzigen van de eigenschappen van zemelen door middel van verschillende technieken onderzocht en als onderzoeksinstrument gebruikt.

De mogelijkheid om fysicochemische wijzigingen in tarwezemelen te induceren werd onderzocht met behulp van microfluidisation, nat vermalen of droog vermalen. De procesparameters die gebruikt werden tijdens microfluidisation (druk, aantal stappen, zemelenconcentratie en initiële partikelgrootte) en het watergehalte dat gebruikt werd tijdens vermalen hadden een grote invloed op de fysicochemische eigenschappen van tarwezemelen. Het was met elk van de drie technieken mogelijk om ultrafijne tarwezemelen met een mediane partikelgrootte tussen 21 µm en 29 µm te verkrijgen, maar de fysicochemische eigenschappen werden niet alleen bepaald door de partikelgrootte, maar ook door de gebruikte modificatietechniek. Nat vermalen en microfluidisation met daaropvolgend vriesdrogen resulteerden in een groter specifiek oppervlak en hogere sterke waterretentiecapaciteit dan droog vermalen. De natte omgeving tijdens microfluidisation of nat vermalen resulteerde in het doordringen van water in de structuur van tarwezemelen wat de porositeit na vriesdrogen verhoogde. Dit bevordert ook de activiteit van endogene enzymen, waardoor de extraheerbaarheid van de tarwezemelen toeneemt. De verschillende modificatietechnieken resulteerden in een reeks van stalen met diverse fysicochemische eigenschappen.

Om het effect van (gemodificeerde) tarwezemelen op de verstijfselingstemperatuur van zetmeel te onderzoeken, werd eerst de verdeling van water tussen zetmeel en zemelen onderzocht. Experimenten die gebruikmaakten van dynamische waterdampsorptie en de waterretentiecapaciteit toonden aan dat droog vermalen fijne zemelen tot drie keer meer water bonden dan zetmeel. In mengsels van zetmeel, zemelen en water werd met differentiële scanning calorimetrie echter aangetoond dat het effect van het vervangen van zetmeel door zemelen niet gelijk was aan dat van het verminderen van het watergehalte. Het modelleren van het effect van de samenstelling van het mengsel op het verstijfselingsgedrag van zetmeel gaf aan dat de begin en piek temperatuur van de verstijfseling positief gecorreleerd waren met de concentratie van zemelen in water. Extraheerbare componenten van tarwezemelen, zoals kalium en fosfor, werden voornamelijk verantwoordelijk gehouden voor dit effect aangezien ze de weekmakingscapaciteit van het solvent verminderen. De eindtemperatuur van verstijfseling was negatief gecorreleerd met het watergehalte. Onze waarnemingen werden mechanistisch verklaard met het side-chain liquid-crystalline polymeric model voor zetmeel.

Het effect van (gemodificeerde) tarwezemelen op de glutenfunctionaliteit werd onderzocht in een gluten-zetmeelmengsel als vereenvoudigd modelsysteem voor bloem. Een goede microstructuur van het glutennetwerk, zoals gevisualiseerd met een confocale laser scanning microscoop, werd bereikt in de aanwezigheid van (gemodificeerde) tarwezemelen. Er werden echter significante effecten van het type tarwezemelen, de waterabsorptie en de mengtijd op de uniaxiale extensionele deegreologie en het broodvolume waargenomen. Toevoeging van tarwezemelen verminderde de strain hardening van deeg ondanks optimalisatie van waterabsorptie en mengtijd. Het negatieve effect van tarwezemelen op de deegreologie nam toe door toevoeging van gemodificeerde tarwezemelen met een hoge sterke waterretentiecapaciteit en groot specifiek oppervlak. De strain hardening van deeg bleek een waardevolle voorspeller van het broodvolume, ook in de aanwezigheid van (gemodificeerde) tarwezemelen.

Uiteindelijk werd een op tarwebloem gebaseerd broodsysteem gebruikt om meer inzicht te verkrijgen in de impact van (gemodificeerde) tarwezemelen tijdens de verschillende fasen van het broodbereidingsproces. De incorporatie van 10% zemelen beïnvloedde de volume-toename van het deeg voornamelijk vanaf de bakfase, terwijl in aanwezigheid van 20% zemelen ook de fermentatiefase werd beïnvloed. De daling in gasretentie tijdens fermentatie omwille van de incorporatie van zemelen kon gerelateerd worden aan een afname van de strain hardening, zoals ook werd waargenomen bij gluten-zetmeelmengsels. Het gedrag van natief gluten in bloem kon echter niet volledig worden nagebootst door opgezuiverd gluten. Het belangrijkste effect van tarwezemelen op de deegreologie was al na het mengen aanwezig en een herverdeling van water tijdens fermentatie, veroorzaakt door de hydratatie-eigenschappen van tarwezemelen, bleek van ondergeschikt belang. De veranderingen in de deegreologie tijdens fermentatie werden voornamelijk toegeschreven aan de productie van gistmetabolieten en de expansie zelf. Het effect van zemelen op de ovenrijs kon niet worden toegeschreven aan de impact op zetmeelverstijfseling of verdamping van water/ethanol tijdens het bakken. Deegreologie werd daarom ook tijdens het bakken geïdentificeerd als de belangrijkste reden voor de waargenomen verschillen in volumetoename. Verder werd aangetoond dat de sterke waterretentiecapaciteit van tarwezemelen de verdamping tijdens het bakken beïnvloedt, wat de uiteindelijke broodkwaliteit zal beïnvloeden.

In dit doctoraatsonderzoek werd het effect van gemodificeerde tarwezemelen op de zetmeel- en glutenfunctionaliteit tijdens de broodbereiding onderzocht. Er werd aangetoond dat voornamelijk de hydratatie-eigenschappen van tarwezemelen de glutenfunctionaliteit en daarmee de deegreologie beïnvloeden. Dit leidt tot een afname van gasretentie tijdens fermentatie en meer uitgesproken tijdens het bakken en resulteert uiteindelijk in een verminderd broodvolume. Hoewel de verstijfseling van zetmeel wordt beïnvloed, voornamelijk door de water-extraheerbare fractie van tarwezemelen, is dit bij het bakken van brood van ondergeschikt belang. Bovendien kunnen de onderzochte technieken voor het modificeren van tarwezemelen helpen om de functionaliteit van tarwezemelen af te stemmen op verschillende andere toepassingen. De inzichten verkregen in dit doctoraatsonderzoek kunnen daarom leiden tot strategieën om de incorporatie van tarwezemelen in levensmiddelen te verhogen en bijgevolg de consumptie van dieetvezels te verhogen.

Datum:16 sep 2016 →  30 sep 2021
Trefwoorden:wheat bran, starch, gluten
Disciplines:Andere chemie, Voeding en dieetkunde, Productie van landbouwdieren, Levensmiddelenwetenschappen en (bio)technologie, Microbiologie, Systeembiologie, Laboratoriumgeneeskunde, Engineering van biomaterialen, Biologische systeemtechnologie, Biomateriaal engineering, Biomechanische ingenieurswetenschappen, Andere (bio)medische ingenieurswetenschappen, Milieu ingenieurswetenschappen en biotechnologie, Industriële biotechnologie, Andere biotechnologie, bio-en biosysteem ingenieurswetenschappen
Project type:PhD project