Onderzoek naar de functionaliteit van biopolymeren en gerelateerde watermobiliteit in de keten van bloem tot brood

Brood is het voornaamste product gebaseerd op tarwe en is een basisvoedingsmiddel in de Westerse wereld. Brood past uitstekend in een gezond voedingspatroon aangezien het een goede bron van energie, vezels, vitaminen en mineralen is. Helaas wordt 25% van al het geproduceerde brood verspild, en dit voornamelijk door de consument. Consumenten verkiezen vers brood met een zacht, maar versnijdbaar kruim, een knapperige korst en de gewenste smaak en aroma’s. Tijdens bewaring verstevigt het kruim, wordt de korst taai en gaan de gewenste smaak en aroma’s verloren zodat het brood niet meer acceptabel is voor de consument. Om de problematiek van kruimverharding op efficiënte wijze aan te pakken, is grondige kennis van de transformaties van broodconstituenten tijdens de broodbereiding en de impact ervan op het verouderingsmechanisme vereist. Hoewel de bijdrage van verschillende broodconstituenten aan de eigenschappen van vers en bewaard brood relatief goed gekend is, blijft het inzicht in de exacte ‘timing’ en mate van structuurwijzigingen tijdens de broodbereiding beperkt.

Essentiële ingrediënten voor de broodbereiding zijn tarwebloem, water, gist en zout. Kwantitatief gezien is zetmeel de belangrijkste bloemcomponent. Het draagt in belangrijke mate bij tot de eigenschappen van vers en bewaard brood. Zetmeel bestaat voornamelijk uit amylopectine (AP)- en amylose (AM)- moleculen die georganiseerd zijn in gedeeltelijk kristallijne granulen. De kristalliniteit van zetmeel wordt voornamelijk aan AP toegeschreven.

Wanneer zetmeel wordt verwarmd in aanwezigheid van voldoende water, zoals tijdens het broodbakproces, treedt verstijfseling op waarbij de orde van zetmeelgranulen verloren gaat. Verstijfseling gaat gepaard met een aanzienlijke wateropname en dus zwelling van de granulen, uitloging van AM buiten de granulen en afsmelting van de AP-kristallen. Wanneer en in welke mate deze fenomenen optreden tijdens bakken, is afhankelijk van de concentratie en de structuur van AM en AP in zetmeel. Wanneer brood kan afkoelen, vindt gelering van AM plaats. (Uitgeloogde) AM-moleculen kristalliseren en vormen een netwerk doorheen broodkruim. Samen met het glutennetwerk dat wordt gevormd tijdens bakken, draagt dit netwerk bij tot de gewenste textuureigenschappen van vers broodkruim. Tijdens bewaring treedt rekristallisatie van AP op zodat het zetmeelnetwerk verstevigt. Water, dat werd onttrokken aan het glutennetwerk, wordt in dit zetmeelnetwerk geïmmobiliseerd. Samen met de herverdeling van water tussen kruim en korst zorgt dit voor uitdroging en (verdere) verharding van gluten- en zetmeelnetwerken, en dus van kruim.

Als vertrekpunt voor het onderzoek naar de functionaliteit van zetmeel en zijn interactie met water tijdens de bereiding van tarwebrood, werd in een eerste deel van dit doctoraatsproefschrift een literatuurstudie over de eigenschappen van tarwezetmeel en de rol ervan tijdens de broodbereiding- en bewaring uitgevoerd. Nuttige analytische benaderingen in deze context werden eveneens vermeld. Wijzigingen van zetmeel en de herverdeling van water tijdens de broodbereiding en -bewaring kunnen nauwkeurig geanalyseerd worden met ‘time domain’ proton nucleaire magnetische resonantie (TD 1H-NMR). Deze techniek kan op temperatuur-gecontroleerde wijze worden toegepast om wijzigingen in de zetmeel- en waterfractie in brood op te volgen terwijl het bak-, en later het afkoelproces, plaatsvindt. Hoewel veranderingen van zetmeel tijdens de koelfase cruciaal zijn voor de kwaliteit van vers brood, werd dit proces tot dusver niet bestudeerd met temperatuur-gecontroleerde TD 1H-NMR. NMR-metingen op deeg werden overigens meestal uitgevoerd tijdens stapsgewijze opwarming, hetgeen niet representatief is voor het broodbakproces. De experimentele gegevens die met NMR-analyses worden verzameld, zijn complex. Voor zover we weten werden deze gegevens tot nog toe niet geïnterpreteerd in combinatie met andere technieken die de kristalliniteit van zetmeel en zijn zwel- en uitloginsgedrag meten.

In dit kader was het doel van dit doctoraatsonderzoek een vernieuwende ‘toolbox’ gebaseerd op temperatuur-gecontroleerde TD 1H-NMR te ontwikkelen zodat zetmeeltransities en de herverdeling van water in deeg en brood bestudeerd kunnen worden tijdens een opwarm- en koelproces dat relevant is voor de broodbereiding. In een eerste deel van dit proefschrift werd aangetoond dat de combinatie van temperatuur-gecontroleerde TD 1H-NMR met tijdsafhankelijke metingen van X-stralen diffractie bij grote hoeken, differentiële ‘scanning’ calorimetrie (DSC) en colorimetrische en gravimetrische analyses van zetmeeleigenschappen, krachtige analysemogelijkheden biedt om wijzigingen in de zetmeel- en waterfractie in brood te bestuderen tijdens een bak- en koelproces. Zodoende werd een geïntegreerd beeld van verstijfselings- en geleringsfenomenen op verschillende lengteschalen ontwikkeld.

De temperatuur-gecontroleerde NMR ‘toolbox’ werd vervolgens gebruikt om dieper in te gaan op de functionaliteit van AM en AP tijdens de broodbereiding. Unieke tarwebloemstalen met verschillende AM- en AP-karakteristieken en een efficiënt anti-broodverouderingsenzym, i.e. het maltogeen α-amylase uit Bacillus stearothermophilus (BStA) vormen in deze context uitstekende hulpmiddelen.

Bloemstalen afkomstig van ‘near-isogenic’ tarwecultivars (NILs) verschilden uitsluitend op vlak van AM- en AP-eigenschappen. NIL 5-5 bloem bevatte minder AM en een hogere portie korte AP-ketens dan de controle, i.e. NIL 1-1 bloem. Verder werd tarwebloem met een zeer laag AM-gehalte in zetmeel gebruikt. Wanneer deeg bereid werd met deze bloemstalen, trad een verandering van het temperatuurbereik van verstijfseling en gelering op. De stabiliteit van AP-kristallen nam toe wanneer zetmeel minder AM bevatte zodat verstijfseling plaatsvond bij hogere temperaturen. Een grotere hoeveelheid korte AP-zijketens, die te kort zijn om stabiele kristallen te vormen, was daarentegen verantwoordelijk voor de afname van de AP-kristalstabiliteit. Dit uitte zich in lagere verstijfselingstemperaturen.

Hoewel de hydrolyse van zetmeel door BStA eveneens een toename van zulke korte AP-zijketens veroorzaakte, bleef een verschuiving van de verstijfselingstemperatuur tijdens het bakken van brood bereid met BStA uit. Hieruit werd afgeleid dat BStA zetmeel slechts significant hydrolyseert nadat zetmeel begint te verstijfselen. Door inwerking van BStA op AM werd aan het eind van de bakfase een enigszins verzwakt zetmeelnetwerk met mobielere AM-moleculen bekomen. AM wordt dan ook als structuurvormer in broodkruim beschreven. Wanneer AM-concentraties in broodkruim lager waren, startte AM-kristallisatie bij lagere temperaturen, en dus later tijdens de koelfase. Bovendien werd een minder uitgebreid AM-netwerk met minder AM-kristallen gevormd. Dat protonen in dit netwerk mobieler bleven, duidde op een zachter vers broodkruim.

Om het effect van AM- en AP-karakteristieken op de eigenschappen van vers en bewaard brood te onderzoeken, werd brood bereid met unieke bloemstalen of met toevoeging van BStA. Deze broden werden vervolgens bewaard bij kamertemperatuur. Het verouderingsmechanisme werd opgevolgd met TD 1H-NMR, DSC en textuurmetingen. Wanneer het AM-gehalte in brood lager was, werd het AM-netwerk slechts in beperkte mate gevormd. Vers, afgekoeld broodkruim was bijgevolg te zacht en niet versnijdbaar. Na 7 dagen bewaring was de kruimhardheid van brood dat weinig of geen AM bevatte bijna dubbel zo hoog als de kruimhardheid van bewaard controlebrood. Dit werd toegeschreven aan de sterk toegenomen mate van AP-rekristallisatie als gevolg van het zeer lage AM- en, dus, zeer hoge AP-gehalte van zetmeel in brood. Aangezien brood bereid met NIL 5-5 bloem of met toevoeging van BStA meer AP-zijketens bevatte die te kort zijn om te rekristalliseren, nam de hoeveelheid gekristalliseerd AP en de kruimhardheid tijdens 7 dagen bewaring maar half zoveel toe als in controlebrood.

In het laatste deel van deze thesis werd niet de broodreceptuur maar het bakproces gewijzigd. Brood werd eerst slechts gedeeltelijk gebakken en pas na een intermediaire bewaarperiode volledig afgebakken. De impact van een variërende baktijd tijdens de eerste bakfase op de eigenschappen van vers en bewaard brood werd onderzocht. Met toenemende baktijd nam de veerkracht van kruim in vers, voorgebakken brood toe. Dit was te wijten aan de vorming van een meer uitgestrekt AM- en glutennetwerk. Een langere baktijd werd geassocieerd met een sterkere mate van AM-uitloging zodat meer AM-moleculen konden kristalliseren tijdens de koelfase. De verknoping van glutenproteïnen werd eveneens bevorderd.

Tijdens de intermediaire bewaarfase, nam de mate van kruimverharding toe wanneer het brood gedurende langere tijd voorgebakken werd. Er werd aangenomen dat de uitloging van AM, en ook van AP, voortging wanneer de baktijd toenam. Zodoende werd een sterker ontwikkeld AM netwerk, met meer AM-kristallen die dienst doen als nuclei voor AP-retrogradatie, gevormd tijdens koelen. Bovendien werd zowel intra- als intergranulaire AP-retrogradatie bevorderd door de hogere AP-concentratie in de buitenste zones van de granulerestanten en de aanwezigheid van uitgeloogd AP in de extragranulaire ruimte. Verder werd brood met een lager korstvochtgehalte bekomen wanneer de baktijd toenam. Vervolgens trad vochtmigratie tussen kruim en korst tijdens bewaring in sterkere mate op.

Na de intermediaire bewaarperiode werden de broden afgebakken zodat gekristalliseerd AP terug afsmolt. De herverdeling van water die optrad tijdens intermediaire bewaring kon echter niet ongedaan gemaakt worden tijdens deze finale bakfase. Het kruimvochtgehalte van brood bereid met 100 g bloem nam af met 8% tijdens 7 dagen bewaring ten gevolge van kruim naar korst vochtmigratie. In brood bereid met 270 g bloem en bewaard gedurende dezelfde termijn, nam het kruimvochtgehalte met slechts 1% af door de hoge kruim tot korst verhouding. Het kruimvochtgehalte van deze laatste broden bleef dus hoog tijdens intermediaire bewaring. Zodoende volstond het afsmelten van gerekristalliseerd AP om een vers, afgebakken brood te verkrijgen met een kruimhardheid en –veerkracht die vergelijkbaar was met die van vers, voorgebakken brood. In tegenstelling tot wat algemeen wordt aangenomen, verhardde het kruim van dit afgebakken brood bovendien niet sneller dan dat van brood bereid via een conventioneel, enkelvoudig bakproces. Het broodvolume is zeer belangrijk in deze context. Kruim van brood bereid met 100 g bloem droogde namelijk aanzienlijk uit tijdens intermediaire bewaring. Aangezien dit niet ongedaan gemaakt kan worden tijdens afbakken, gaan we ervan uit dat kleiner brood na afbakken wel sneller zal verouderen dan zijn conventioneel gebakken equivalent.

Wijzigingen in de zetmeelfractie en de herverdeling van water dragen dus in belangrijke mate bij tot de eigenschappen van vers en bewaard brood. De ‘timing’ van verstijfseling tijdens bakken en de mate van AP-rekristallisatie tijdens bewaring zijn grotendeels afhankelijk van AP-karakteristieken. AM-karakteristieken bepalen het moment waarop en de mate waarin AM-kristallisatie en de ontwikkeling van het AM-netwerk optreden tijdens koelen. Er werd aangetoond dat de herverdeling van water van groot belang is tijdens de broodveroudering, zeker wanneer het om afgebakken brood gaat. De waterherverdeling die plaatsvindt tijdens intermediaire bewaring is namelijk niet omkeerbaar tijdens de finale bakfase. De verworven inzichten over de rol van AM en AP en de hiermee gerelateerde watermobiliteit laten toe de optimale zetmeeleigenschappen in brood te beschrijven. In zulk zetmeel komen de verhouding van AM en AP en de ketenlengteverdeling van AM overeen met deze in normaal tarwezetmeel, terwijl de AP-fractie een aanzienlijke hoeveelheid ketens bevat die te kort zijn om te kristalliseren.