Gasbelstabilisatie bij de bereiding van meergranenbroden.

Brood is wereldwijd een belangrijk basisvoedingsmiddel. In Europa en andere delen van de wereld wordt brood hoofdzakelijk gemaakt van tarwebloem (Triticum aestivum L.) en dit meestal met een ‘straight-dough’ proces. Dit proces begint met het mengen van bloem, water, gist, zout en mogelijk een aantal niet-essentiële ingrediënten tot visco-elastisch deeg. Vervolgens wordt het deeg gefermenteerd, wat resulteert in gascelexpansie en bijgevolg in een toename van het deegvolume. Tenslotte wordt het gerezen deeg gebakken en wordt het verkregen brood afgekoeld tot kamertemperatuur.

Het volume en de kruimeigenschappen van brood zijn belangrijke kwaliteitskenmerken die grotendeels afhankelijk zijn van de hoeveelheid gascellen die tijdens het mengen worden ingeslagen en de mate waarin deze cellen tijdens het broodbereidingsproces worden gestabiliseerd. Bij het maken van tarwebrood ontwikkelen gehydrateerde glutenproteïnen zich tot een continu, visco-elastisch netwerk dat in de vroege stadia van fermentatie structurele ondersteuning biedt aan expanderende gascellen. Er is gesuggereerd dat dit netwerk sommige gebieden van gascellen niet meer omgeeft tijdens de late fermentatie- en vroege bakstadia omdat het scheurt als gevolg van de uitgesproken expansie van het deeg. Vanaf dit moment wordt verondersteld dat proteïnen, oppervlakte-actieve lipiden en niet-zetmeel polysachariden (NZP) opgelost in een vloeibare film rondom de gascellen de stabilisatie ervan overnemen. Er wordt aangenomen dat deze vloeibare films deel uitmaken van de waterige fase van deeg. Ten minste een fractie van deze fase kan met behulp van ultracentrifugatie uit deeg worden geïsoleerd. Het op deze manier verkregen supernatans wordt in het algemeen ‘dough liquor’ (DL) genoemd.

Mensen zijn zich tegenwoordig bewust van de potentiële gezondheidsvoordelen van het consumeren van broden bereid met verschillende granen. Zo kan een gedeeltelijke vervanging van tarwebloem door bijvoorbeeld bloem van rogge (Secale cereale L.) of haver (Avena sativa L.) het gehalte aan dieetvezel en lysine (een essentieel aminozuur) in brood verhogen. Meergranenbrood heeft echter vaak een lager volume en een meer heterogene kruimstructuur dan tarwebrood, omdat niet-tarwe granen de typische tarweglutenproteïnen missen. Op basis hiervan kan worden gesteld dat het mechanisme van gascelstabilisatie door de hierboven genoemde vloeibare films mogelijk nog belangrijker kan zijn bij het maken van meergranen- of niet-tarwebroden dan bij dat van tarwebrood.

Voor zover wij weten, is hiertoe geen onderzoek verricht. Alle studies die in de literatuur beschikbaar zijn, waren inderdaad gericht op het bestuderen van de chemische samenstelling of functionele eigenschappen van DL geïsoleerd uit tarwedeeg. Bijgevolg is het potentieel van wateroplosbare constituenten van niet-tarwebloemsoorten om gascellen bij het maken van brood te stabiliseren nog niet onderzocht, laat staan dat het zou zijn benut.

Tegen deze achtergrond werd dit doctoraatsproefschrift uitgevoerd met als doel het potentieel van wateroplosbare constituenten van rogge- en haverbloem om gascellen in de broodbereiding te stabiliseren te onderzoeken. Het experimenteel werk was sterk afhankelijk van het gebruik van DL als modelsysteem voor de waterige fase van deeg.

In een eerste deel werd het verband tussen (i) de chemische samenstelling en (ii) de schuim- en lucht-water (L-W) interfase eigenschappen van tarwe, rogge en haver DLs onderzocht en werden hypothesen over de samenstelling van DL gestabiliseerde L-W-interfasen vooropgesteld. Tarwe DL constituenten produceerden een lage hoeveelheid onstabiel schuim. Dit werd toegeschreven aan een lage viscositeit van de bulkfase en aan de trage ontwikkeling van een sterk visco-elastische gemengde proteïne-lipide film aan de L-W-interfase. In tegenstelling tot tarwe DL produceerden rogge DL oplossingen een hoog volume schuim met een slechte stabiliteit. Het hoge initiële schuimvolume werd toegeschreven aan een gecombineerd effect van een hoge viscositeit van de bulkfase en een sterke, overwegend viskeuze, door proteïne gedomineerde film aan de L-W-interfase onmiddellijk na adsorptie. Het lage initiële schuimvolume dat werd geproduceerd uit haver DL was het resultaat van een door lipiden gedomineerde film aan de L-W-interfase. Dit werd afgeleid uit het hoge lipidengehalte van haver DL en uit de zeer lage oppervlaktespanning en de afwezigheid van een visco-elastische film aan haver DL gestabiliseerde L-W-interfasen. Proteïne- of lipiden-gedomineerde L-W-interfase films zijn meer resistent tegen vervormingen dan gemengde proteïnen-lipiden L-W-interfase films. Het lijkt er dus op dat rogge en haver DL constituenten meer potentieel hebben om L-W-interfasen te stabiliseren dan tarwe DL constituenten.

In een tweede deel werden de hypothesen over de samenstelling van tarwe, rogge en haver DL gestabiliseerde L-W-interfasen getest en verder verfijnd met behulp van twee verschillende modificatiestrategieën. Ten eerste werd de rol van oppervlakte-actieve lipiden in de stabilisatie van L-W-interfasen bestudeerd door de L-W-interfase-eigenschappen van controle en ontvette tarwe, rogge en haver DLs te vergelijken. Ten tweede werd de rol van NZP onderzocht door de structuur ervan te hydrolyseren via enzymen voorafgaand aan het bestuderen van de bulkviscositeit en L-W-interfase-eigenschappen van DL. Daarnaast werden beide behandelingen gecombineerd om te onderzoeken in welke mate het vermogen van DL NZP om de stabiliteit van L-W-interfasen te beïnvloeden afhangt van de aanwezigheid van lipiden aan de L-W-interfase. Er werd aangetoond dat NZP aanzienlijk bijdragen aan de bulkviscositeit van tarwe, rogge en haver DLs en dus waarschijnlijk ook aan de bulkviscositeit van de waterige fase in het respectievelijke deeg. Bovendien werd vastgesteld dat lipiden door adsorptie aan tarwe en rogge DL gestabiliseerde L-W-interfasen de onderlinge interacties tussen geadsorbeerde proteïnen bemoeilijken. Oppervlaktespanningsmetingen van L-W-interfasen gestabiliseerd door controle en ontvette haver DL constituenten bevestigden dat lipiden de geadsorbeerde film domineren. Ongeacht of lipiden al dan niet aanwezig waren op de L-W-interfase, oefenden tarwe en rogge DL arabinoxylan respectievelijk een film verzwakkend en film versterkend effect uit. Dit impliceert dat interactie tussen arabinoxylan en proteïnen op L-W-interfasen in sommige, maar niet in alle gevallen, hun resistentie tegen vervorming kan verbeteren. Dat proteïnen niet aanwezig leken te zijn op haver DL gestabiliseerde L-W-interfasen verklaart waarschijnlijk waarom haver DL β-D-glucan de L-W-interfasefilm niet verzwakte noch versterkte. Alles samengenomen bestaan tarwe en rogge DL gestabiliseerde L-W-interfasen uit een gemengde proteïne-lipide film met arabinoxylan als secundaire laag, terwijl haver DL gestabiliseerde
L-W-interfasen een lipide film bevatten.

In een derde deel werden de samenstelling en L-W-interfase-eigenschappen van tarwe, rogge en haver DLs gerelateerd aan het volume en de kruimstructuur van brood bereid met de respectievelijke bloemsoort. Met betrekking tot het broodvolume had tarwebrood een hoog specifiek volume, dit ondanks de slechte schuim- en L-W-interfase-eigenschappen van tarwe DL constituenten. Zoals verwacht wijst dit er op dat het visco-elastische glutennetwerk door het vertonen van ‘strain hardening’ als de primaire gascelstabiliserende entiteit fungeerde. Hoewel rogge en haver DL constituenten meer potentieel hadden om L-W-interfasen te stabiliseren dan tarwe DL constituenten, waren de specifieke volumes van rogge- en haverbroden veel lager dan dat van tarwebrood. Ervan uitgaande dat de constituenten opgelost in de waterige fasen van rogge- en haverdegen bijdragen aan de stabilisatie van gascellen in de bereiding van rogge- en haverbroden, wijst dit erop dat ze niet kunnen tippen aan de efficiëntie van de gecombineerde bijdragen van het glutennetwerk en de waterige fase constituenten aan de stabilisatie van gascellen bij het maken van tarwebrood. Met betrekking tot de kruimstructuur werden meer gascellen per oppervlakte-eenheid waargenomen in kruim van roggebrood dan in kruim van tarwe- en haverbroden. Broodbereidingsexperimenten waarbij een xylanase dat bij voorkeur de water extraheerbare arabinoxylanpopulatie van roggebloem hydrolyseerde, werd gebruikt, toonden aan dat arabinoxylan in wezen bijdraagt aan de fijne verdeling van gascellen in de kruim van roggebrood. De enzymatische hydrolyse van arabinoxylan resulteerde inderdaad in roggebroodkruim met gascellen met een aanzienlijk grotere gemiddelde oppervlakte en een kleiner aantal cellen per oppervlakte-eenheid dan het geval was in kruim van roggebrood bereid zonder xylanase. Dit impliceert dat roggebloem arabinoxylan de coalescentie van gascellen tijdens het maken van roggebrood vertraagt, waarschijnlijk vanwege zijn bijdrage aan de bulkviscositeit van de waterige fase van deeg. Om de bijdrage van DL constituenten aan het volume van brood beter te begrijpen, werden broden gemaakt van degen bereid met mengsels van commercieel tarwegluten en commercieel tarwezetmeel, met en zonder de toevoeging van tarwe, rogge of haver DL constituenten. Over het algemeen werd waargenomen dat de toevoeging van tarwe, rogge en haver DL constituenten resulteert in een uitgesproken toename van het volume van dergelijke modelbroden. Dit houdt in dat niet alleen tarweglutenproteïnen, maar ook DL constituenten bijdragen aan de vorming en/of stabilisatie van gascellen in de broodbereiding. Er moet echter worden vermeld dat de toevoeging van DL constituenten een invloed had op de bulkreologie van de modeldegen, wat op zijn beurt kan hebben bijgedragen tot de bovengenoemde toename van het broodvolume. Opvallend was dat de toevoeging van tarwe DL constituenten resulteerde in de meest uitgesproken toename van het broodvolume. Dit kwam niet overeen met onze verwachtingen op basis van de schuim- en L-W-interfase-eigenschappen van tarwe, rogge en haver DLs. Bijgevolg bleef het mechanisme waarmee DL constituenten bijdragen aan gascelstabilisatie in de broodbereiding op dit moment onduidelijk.

In dit verband is het belangrijk dat de stabiliteit van gascellen niet alleen wordt bepaald door de kenmerken van de omringende L-W-interfasen, maar ook door die van de vloeistoffilms ertussen. Bovendien kunnen L-W-interfase-eigenschappen vaak alleen worden bestudeerd in concentraties lager dan die in het supernatants na ultracentrifugatie (de 'oorspronkelijke concentratie'). Om de rol van de constituenten in de waterige fase van deeg in gascelstabilisatie in de broodbereiding beter te begrijpen, werd in een vierde deel de drainagedynamiek van vrijstaande dunne vloeistoffilms van DL (zowel bij concentraties lager dan als gelijk aan de oorspronkelijke concentratie) onderzocht. Vergelijking van de drainagetijden en interferometriebeelden van dunne vloeistoffilms van DL bij lagere en hun oorspronkelijke bulkconcentraties toonde aan dat de DL bulkconcentratie een drastische invloed heeft op de structuur en stabiliteit van de verkregen dunne vloeistoffilms. Terwijl proteïneaggregaten gedispergeerd in een gemengde proteïne-lipide L-W-interfasefilm kenmerkend waren voor dunne vloeistoffilms van tarwe DL bij lagere bulkconcentraties, waren L-W-interfasefilms gestabiliseerd door tarwe DL constituenten bij hun oorspronkelijke concentratie gedomineerd door lipiden. Bovendien stabiliseerden deze lipiden de L-W-interfase door te diffunderen naar regio’s met een lagere lipidenconcentratie en bijgevolg door het uitoefenen van Marangoni-effecten. Lipiden waren ook verantwoordelijk voor de stabilisatie van de L-W-interfasen van dunne vloeistoffilms van haver DL, zowel bij een lagere als bij hun oorspronkelijke concentratie, en dit respectievelijk door het uitoefenen van Marangoni-effecten en door de vorming van een immobiele monolaag. Daarnaast vertoonden dunne vloeistoffilms van tarwe en haver DLs bij hun oorspronkelijke concentraties ‘stratificatie’. Dit betekent in wezen dat de dunne vloeistoffilms waren opgebouwd uit gestapelde lagen van supramoleculaire structuren, in dit geval zeer waarschijnlijk micellen opgebouwd uit lipiden. Als er ten minste twee van dergelijke lagen aanwezig zijn, draagt een dergelijke gelaagde structuur bij aan de stabiliteit van dunne vloeistoffilms omdat ze de interne druk ervan verhoogt. Verder waren dunne vloeistoffilms van rogge DL bij lagere bulkconcentratie gekenmerkt door proteïneaggregaten omgeven door een relatief dikke vloeistoffilm. Bovendien droegen geadsorbeerde proteïnen bij aan de stabiliteit van de dunne vloeistoffilm door sterische en/of elektrostatisch afstotende proteïne-proteïne interacties uit te oefenen. Tot slot braken de dunne vloeistoffilms van DLs bij lagere bulkconcentraties vrijwel onmiddellijk nadat de drainage ervan was geïnduceerd, terwijl dunne vloeistoffilms van DLs bij hun oorspronkelijke concentraties stabiel bleven gedurende ten minste drie minuten. Deze uiterst belangrijke observatie impliceert dat DL constituenten zouden kunnen bijdragen aan de stabiliteit van gascellen bij zowel het maken van tarwebroden als bij dat van niet-tarwebroden.

Tot slot werd in dit doctoraatsproefschrift aangetoond dat wateroplosbare tarwe-, rogge- en haverbloemconstituenten potentieel hebben om gascellen in de broodbereiding te stabiliseren. Dat dunne vloeistoffilms van tarwe en haver DL bij hun oorspronkelijke concentraties een hoge stabiliteit hadden, gecombineerd met de waarneming dat tarwe, rogge en haver DL constituenten het volume van modelbroden verhoogden, impliceert dat gascelstabilisatie door constituenten in de waterige fase van deeg van belang is zowel in de bereiding van tarwebrood als in die van niet-tarwe broden. De volumes van rogge- en haverbroden waren echter nog steeds veel lager dan dat van tarwebrood. Dit illustreert dat het volume van brood afhankelijk is van de bijdrage van zowel de glutenproteïnen als van de constituenten in de waterige fase van deeg.