Mechanistisch begrijpen van de effecten van gist en gistfermentatie op de reologie van rijzende deegsystemen

Hoewel het broodbereidingsproces al duizenden jaren wordt toegepast, is ons fundamenteel wetenschappelijke inzicht in dit proces nog steeds verrassend beperkt. Voor de bereiding van brooddeeg zijn slechts vier ingrediënten benodigd, namelijk tarwebloem, water, zout en gist. Tarwebloem bevat voornamelijk zetmeel en gluteneiwitten. Tijdens het mengen, wat aanzienlijke afschuif- en rekvervormingen met zich meebrengt, zullen de gluteneiwitten een netwerk opbouwen, waarin de individuele zetmeelkorrels worden gedispergeerd. Tijdens de fermentatiefase en ovenrijs ondergaat deze gluten-zetmeelmatrix een bijkomende rekvervorming, door de expansie van de koolstofdioxide gasbellen. Een zeer delicaat evenwicht tussen enerzijds het vloeikarakter van het materiaal en anderzijds de stijfheid van het materiaal is vereist om een goede deegrijs te bekomen en om de vormstabiliteit van het gebakken product te garanderen. De finale kwaliteit van het gebakken product wordt dus in grote mate bepaald door de reologische eigenschappen van deeg. Een grondig begrip van hoe de verschillende bloemcomponenten het reologisch gedrag van deeg bepalen is dan ook zeer wenselijk.

Teneinde de individuele bijdragen van gluten en zetmeel aan het globale mechanische gedrag van deeg te verduidelijken, werden de reologische eigenschappen van deeg en mengsels van verschillende gluten-zetmeelverhoudingen systematisch bestudeerd in afschuiving en rek. Deze twee vervormingstypen spelen immers een belangrijke rol bij het totstandkomen van brood. Het deeggedrag in afschuiving werd bestudeerd door middel van lineaire dynamische testen en niet-lineaire kruiptesten. Het gedrag van deeg bij uniaxiale rekvervormingen werd nader onderzocht met behulp van een extensional viscosity fixture gemonteerd op een reometer. De zetmeelcomponent bleek een cruciale rol te spelen in lineaire deegreologie. Naarmate het zetmeelgehalte toenam, nam de grenswaarde voor lineariteit (zoals waargenomen in oscillerende afschuifproeven) af volgens een machtsfunctie. Zetmeel beïnvloedde ook duidelijk de rekviscositeit bij kleine vervormingen. Dientengevolge kunnen in het lineaire gebied verschillen tussen verschillende glutensystemen worden verdoezeld door de aanwezigheid van zetmeel. Aangezien bekend is dat de bloemkwaliteit in sterke mate bepaald wordt door het glutennetwerk, volgt hieruit dat verschillen in bloemkwaliteit enkel blootgelegd kunnen worden door het niet-lineaire gedrag van het deeg te onderzoeken. De kwaliteitsverschillen tussen een sterke en een zwakke bloemsoort kwamen het duidelijkst tot uiting in de waarde van de vervormingsverstevigingsindex in uniaxiale rek en de totale terugveringscompliantie in niet-lineaire kruiptesten.

Het is algemeen bekend dat de reologische eigenschappen van tarwedeeg zeer gevoelig zijn voor kleine veranderingen in het watergehalte en de mengtijd. Bij voldoende hoge watergehaltes zal er een aparte vrij-water fase ontstaan in het deeg, die de gluten-zetmeel en zetmeel-zetmeel interacties zal afzwakken. Een verdere verhoging van het watergehalte resulteerde in een parallelle, neerwaartse verschuiving in de dynamische moduli en de rekviscositeit bij kleine tot matige vervormingen, en een toename in de lineaire kruipcompliantie. De impact van veranderingen in het watergehalte kon worden vervat in schaalfactoren. Deegkarakterisering na verscheidene mengtijden toonde aan dat overmatig mengen een desaggregatie of zelfs depolymerisatie van het glutennetwerk kan teweegbrengen. Het uiteenvallen van het netwerk, evenals het daaropvolgende (gedeeltelijke) herstel, konden duidelijk opgevolgd worden aan de hand van de vervormingsverstevigingsindex, welke een maximum bereikte nabij de optimale mengtijd zoals bepaald met de mixograaf. Tot slot bleken de gluteneiwitten veel minder vatbaar voor overmenging in een zuurstofarme omgeving, wat de belangrijke rol van zuurstof in het degradatieproces aantoont.

Om de bloemkwaliteit te verbeteren worden enzymen zoals glucose oxidase en transglutaminase vaak aan bloem toegevoegd. Deze enzymen kunnen de reologische eigenschappen van het glutennetwerk aanzienlijk veranderen. Om de impact van deze enzymen op de bloemkwaliteit nader te onderzoeken, werden de veranderingen in het deeggedrag teweeggebracht door glucose oxidase en transglutaminase in kaart gebracht. De enzymen verbeterden het elastische karakter van het deeg tot verzadiging werd bereikt. Bij het bereiden van brood blijkt het gebruik van overmatige hoeveelheden enzym contraproductief te zijn. De vervormingsverstevigingsindex vertoonde een duidelijk maximum als functie van het enzymgehalte, in tegenstelling tot de dynamische moduli. Naast enzymen kan het glutennetwerk ook worden versterkt door nog extra gluteneiwitten toe te voegen, wat ook weer aanleiding gaf tot een verhoging van de vervormingsverstevigingsindex.

In dit project hebben we tevens getracht de veranderingen in de reologische eigenschappen van deeg als gevolg van fermentatie in kaart te brengen en te verklaren. Ondanks het overduidelijke belang van de fermentatiestap in het broodbereidingsproces, is het aantal (fundamentele) reologische studies op gefermenteerd deeg erg beperkt. Door de belangrijkste gistmetabolieten (naast koolstofdioxide) toe te voegen aan ongegist deeg in de concentraties waargenomen in gefermenteerd deeg, konden we de bijhorende reologische veranderingen bepalen. Glycerol bleek een verzwakkend effect te hebben op deeg, vergelijkbaar met water. De aanwezigheid van ethanol leidde eveneens tot verlaagde waarden van de moduli, maar het effect van ethanol was niet louter verdunnend: ethanol zorgde namelijk voor een meer fundamentele verandering in de configuratie van het glutennetwerk, wat resulteerde in een afname van de rekviscositeit en van de breukrek van deeg. De stijfheid en de rekviscositeit van het glutennetwerk werden ook negatief beïnvloed door barnsteenzuur en door glutathion. Vervolgens werd de impact van deze metabolieten op de reologie van deeg ook in situ onderzocht door het reologische gedrag van de deegmatrix te bepalen nadat de fermentatie was voltooid. Vergeleken met niet-gefermenteerd controledeeg vertoonde de gefermenteerde deegmatrix een kleinere breukrek en een lagere maximale rekviscositeit. De elasticiteitsmodulus werd ook negatief beïnvloed, maar alleen bij lage frequenties. De waargenomen veranderingen konden gedeeltelijk worden verklaard aan de hand van de gistmetabolieten, maar het reologische gedrag van de gefermenteerde deegmatrix kon evenwel niet herleid worden tot een eenvoudige superpositie van de reologische veranderingen geassocieerd met de belangrijkste gistmetabolieten. De verschillen kunnen misschien worden toegeschreven aan andere reologisch actieve componenten die tijdens fermentatie door gist worden vrijgegeven, of kunnen de tijdsafhankelijke accumulatie van metabolieten in het glutennetwerk weerspiegelen.

Teneinde een goed inzicht in de kinetiek van deeggisting te verkrijgen, is het van essentieel belang om de reologische eigenschappen van fermenterend deeg, inclusief de koolstofdioxide gasbellen, te peilen. De reologische studie van fermenterend deeg vormt echter een grote uitdaging, vermits de deegmonsters uiterst kwetsbaar zijn en hun eigenschappen aanzienlijk veranderen in de loop van de tijd. Om de evolutie van de dynamische moduli en van de dichtheid van fermenterend deeg te volgen in de tijd, werd een parallelle-plaat opstelling ontwikkeld waarbij de afstand tussen de platen kon worden aangepast tijdens het reologische experiment. Overfilling-effecten werden in rekening gebracht door een kalibratiecurve op te stellen met ongefermenteerd deeg. Over een periode van twee uur vertoonden beide dynamische moduli een scherpe daling, om uiteindelijk een steady-state waarde te bereiken. Aangezien gist behalve koolstofdioxide ook nog verschillende andere metabolieten produceert die de visco-elasticiteit van de glutenzetmeelmatrix kunnen wijzigen, kwam de afname van de dynamische moduli bij toenemende fermentatietijd niet exact overeen met de tijdsevolutie van de deegdichtheid. Frequency sweep snap-shots op specifieke tijdstippen werden verkregen in multiwave-modus en gaven aan dat er al vroeg in het fermentatieproces aanzienlijke veranderingen optreden in de reologische respons van deeg. De beschikbare zout- (NaCl) en suikergehaltes (sucrose) hadden een duidelijke invloed op het reologische gedrag van (ongegist) deeg en op de fermentatiesnelheid. Om de kinetiek van het fermentatieproces te bestuderen, werden de resultaten van de lineaire oscillatietesten gecombineerd met gasproductiegegevens verkregen met een reofermentometer. De aanwezigheid van zout resulteerde in een sterker glutennetwerk en een trager (en daardoor beter controleerbaar) fermentatieproces. Door toevoeging van sucrose werd het deeg zwakker vermits de vrij-water fase in volume toenam. De totale hoeveelheid geproduceerd gas nam eveneens toe, hoewel aanvankelijk een daling van de gasproductiesnelheid kon worden waargenomen daar de gist tijd nodig had om zich aan te passen aan de osmotische stress die door de hoge sucroseconcentratie werd veroorzaakt.

De combinatie van fundamentele en empirische reologische technieken bleek uitermate geschikt om het reologische gedrag van brooddeeg te bestuderen en om de veranderingen in dit gedrag ten gevolge van de gistfermentatie te beoordelen. De ontwikkelde reologische methodologie kan verder worden aangewend om een dieper inzicht te verkrijgen in de rol van de minder belangrijke bloemcomponenten (zoals arabinoxylaan, albuminen en globulinen) bij het bepalen van de reologische eigenschappen van deeg en derhalve van de productkwaliteit. Bovendien laten de procedures die in dit proefschrift worden beschreven toe om snel een groot aantal giststammen te screenen (waarbij elke stam zijn eigen metabolietprofiel heeft) om die giststammen te identificeren die mogelijks de stijfheid en de rekbaarheid van de glutenzetmeelmatrix kunnen verbeteren via hun uitgescheiden metabolieten. Dit proefschrift maakt dus deel uit van de voortdurende inspanningen om het broodbereidingsproces verder te verbeteren, aangezien ook in de 21e eeuw brood nog steeds een belangrijk onderdeel vormt van ons voedingspatroon.