Studie van endogene lipiden en puroïndolines in tarwe (Triticum aestivum L.) tijdens de broodbereiding: een lipase-gebaseerde benadering.

Brood is een basisvoedingsmiddel. Het voorziet consumenten van energie, dieetvezel, vitaminen en mineralen. Consumenten verwachten dat brood van hoge sensorische kwaliteit is. Hoewel lipiden slechts in lage hoeveelheden voorkomen in tarwebloem (2.0 – 3.0%) beïnvloeden ze in grote mate het volume en de kruimstructuur van brood. Lipasen zijn enzymen die lipiden afbreken door de hydrolyse van (fosfodi)esterbindingen in glycero(fosfo)lipiden te katalyseren. Het zijn uitstekende onderzoek-sinstrumenten aangezien ze toelaten om selectief tarwe-endogene lipiden te modificeren zonder andere bloemconstituenten te wijzigen. Lipasen werden in het verleden reeds met succes gebruikt om de rol van tarwe-endogene lipiden in de broodbereiding te bestuderen. Hoewel de impact van verschillende bloemlipiden op broodvolume en kruimstructuur relatief goed gekend is, blijft informatie over de functionaliteit van enzymatisch vrijgezette hydrolyseproducten in de broodbereiding beperkt. Daarnaast ontbreekt fundamentele kennis over het samenspel tussen tarwe-endogene lipiden en hun enzymatisch vrijgezette hydrolyseproducten.

De impact van tarwe-endogene lipiden (en hun enzymatisch vrijgezette hydrolyseproducten) op broodvolume en kruimstructuur is grotendeels of zelfs volledig gerelateerd aan de stabiliteit van gascellen in brooddeeg. Lipiden kunnen een indirect effect op gascelstabiliteit hebben door de sterkte van de gluten-zetmeelmatrix, i.e. de primaire ondersteuning van expanderende gascellen in deeg, te beïnvloeden. Daarnaast kunnen lipiden een direct effect op gascelstabiliteit hebben door als oppervlakte-actieve moleculen aanwezig te zijn in de vloeibare filmen die expanderende gascellen in deeg omringen. Zulke vloeibare filmen fungeren als secundair stabiliseringsmechanisme. Eerdere observaties dat bloemlipiden en lipasen geen significante invloed hebben op de bulkreologie van deeg hebben bijgedragen tot de huidige overtuiging dat de impact van tarwe-endogene lipiden en hun enzymatisch vrijgezette hydrolyseproducten uitsluitend toe te schrijven is aan hun directe actie als oppervlakte-actieve moleculen. Observaties dat het effect van lipiden op broodvolume en kruim-structuur doorgaans overeenkomt met hun vermogen om gas/vloeistof interfasen te (de)stabiliseren, ondersteunen dit. Hoewel zulke observaties een direct effect van lipiden op gascelstabiliteit suggereren, werd de aanwezigheid en actie van zulke componenten op gascelinterfasen in deeg nog nooit experimenteel bewezen.

Met dit als achtergrond werd in dit doctoraatsproefschrift de rol van tarwe-endogene lipiden en hun enzymatisch vrijgezette hydrolyseproducten in de broodbereiding onderzocht. Om dit te bereiken werden verschillende lipasen als onderzoeksinstrumenten gebruikt in broodbereiding met verschil-lende bloemstalen.

In dit proefschrift werden lipase-geïnduceerde veranderingen in de lipidenpopulatie van deeg gerelateerd aan deze in broodvolume. Dit leverde inzichten omtrent de impact van tarwe-endogene lipiden en hun enzymatisch vrijgezette hydrolyseproducten op broodkwaliteit. Er werd aangetoond dat de omzetting van endogeen aanwezige lipiden in hun overeenkomstige lysolipiden een positief effect heeft op broodvolume en kruimstructuur. Bij zulke omzetting worden onvermijdelijk vrije vetzuren geproduceerd die een nefast effect op broodkwaliteit hebben. Het positieve effect van lipasen in broodbereiding wordt dus beperkt door de onvermijdelijke vrijzetting van vrije vetzuren die een negatief effect teweeg brengen. Wanneer een geschikte dosis lipase wordt toegevoegd in de broodbereiding worden de nefaste effecten van vrije vetzuren overstemd door de meer uitgesproken gunstige effecten van het omzetten van endogeen aanwezige lipiden in hun overeenkomstige lysolipiden. Een geschikte balans tussen verschillende types lipiden is dus cruciaal in de broodbereiding. De impact op broodvolume in functie van lipasedosis was kwalitatief gezien hetzelfde voor alle lipasen gebruikt in dit proefschrift.

De kwantitatieve impact van enzymatische lipidenmodificatie op broodvolume was niet enkel afhankelijk van welk lipase maar ook van welke bloem gebruikt werd in broodbereiding. Er werd verondersteld dat puroïndolines de impact van lipasen op broodvolume wijzigen. Hoewel puroïndolines noch de beschikbaarheid van lipiden als substraat voor lipasen limiteerden (omwille van hun affiniteit voor lipiden) noch optraden als lipase-inhibitoren, kon deze hypothese niet verder onderzocht worden. Het blijft dus onduidelijk of verschillen in puroïndolinegehalte en/of -type verantwoordelijk zijn voor de bloem-afhankelijke impact van lipasen op broodvolume. Verschillen in lipidengehalte en/of –samenstelling zouden eveneens belangrijk kunnen zijn in deze context. Natuurlijke variaties in triacylglycerolgehaltes van bloem liggen echter waarschijnlijk ook niet aan de basis van optimale lipasedosissen die (sterk) afhankelijk zijn van de gebruikte bloem aangezien toevoegen van verschillende oliën in gehaltes tot 1.0% geen waarneembaar effect had op optimale lipasedosissen in broodbereiding.

In dit proefschrift werd een mechanisme dat de invloed van tarwe-endogene lipiden en hun enzymatisch vrijgezette hydrolyseproducten op broodkwaliteit verklaart, voorgesteld. Dit mechanisme is volledig gebaseerd op het directe vermogen van lipiden om gascellen te stabiliseren door zich te aligneren op gas/vloeistof interfasen. Er werd gesuggereerd dat de stabiliteit van gascellen optimaal is wanneer de hoeveelheid lipiden die de vorming van lamellaire mesofasen bevorderen maximaal is. Tegelijkertijd moet een geschikte balans tussen lipiden die de vorming van hexagonaal I mesofasen begunstigen, apolaire lipiden en lipiden die de vorming van hexagonaal II of kubische mesofasen bevorderen, behouden blijven. Zulke lipidenpopulaties kunnen in broodbereiding bekomen worden door lipasen toe te voegen die lipiden hydrolyseren die de vorming van hexagonaal II of kubische mesofasen bevorderen in lipiden die de vorming van lamellaire mesofasen promoten.

Hoewel dit mechanisme in lijn ligt met recente opvattingen van andere onderzoekers en toenames in broodvolume bekomen in broodbereiding met verschillende lipasen en bloemstalen volledig verklaart, kon de geldigheid ervan niet bewezen worden door lipase-geïnduceerde veranderingen in dough liquor samenstelling en eigenschappen te relateren aan zulke veranderingen in broodvolume. Het is op dit moment onduidelijk of dit komt doordat lipasen geen invloed hebben op de stabiliteit van gascelinterfasen tijdens broodbereiding of doordat dough liquor geen geschikt modelsysteem is voor gascelinterfasen in deeg.

Een indirect effect op gascelstabiliteit van tarwe-endogene lipiden en hun enzymatisch vrijgezette hydrolyseproducten in broodbereiding werd aangetoond door het effect van lipase op deegreologie te evalueren in een recent ontwikkelde uniaxiale deegextensibiliteitstest. Toevoegen van lipase aan een broodreceptuur zorgde voor een significante stijging van de extensionele viscositeit van deeg bij uitrekking. Alles samengenomen vermoeden we dat de impact van tarwe-endogene lipiden en hun enzymatisch vrijgezette hydrolyseproducten op broodkwaliteit veroorzaakt wordt door zowel hun indirect als hun direct effect op gascelstabiliteit.

Tot slot werd voor het eerst aangetoond dat lipasen de glutenagglomeratie en –opbrengst alsook de eigenschappen van het geïsoleerde gluten beïnvloeden wanneer ze gebruikt worden bij het scheiden van tarwebloem in gluten en zetmeel. De resultaten gaven aan dat bloemlipiden (en hun enzymatisch vrijgezette hydrolyseproducten) de reologie van deeg (en/of beslag) tijdens het proces beïnvloeden. Er werd aangetoond dat lipasen die selectief apolaire lipiden afbreken gebruikt kunnen worden als technisch hulpmiddel bij het scheiden van bloem om glutenagglomeratie en -opbrengst te verbeteren.

Samengevat toonden de resultaten voorgesteld in dit doctoraatsproefschrift dat tarwe-endogene lipiden in belangrijke mate bijdragen tot broodvolume. Ondanks hun lage gehaltes in bloem, hebben ze uitstekend potentieel om broodkwaliteit te verbeteren. Er werd een gedetailleerde beschrijving voorgesteld van welke reacties bij voorkeur gekatalyseerd worden door een lipase dat een optimaal effect in de broodbereiding teweeg brengt. Meer dan waarschijnlijk wordt de impact van tarwe-endogene lipiden en hun enzymatisch vrijgezette hydrolyseproducten op broodkwaliteit veroorzaakt door zowel hun indirect als hun direct effect op gascelstabiliteit. Tot slot heeft het enzymatisch modificeren van endogene lipiden niet alleen invloed tijdens de broodbereiding maar ook tijdens het scheiden van tarwebloem.