Der technologische Einfluss von enzymaktivem Weizenmalz

Autor	Institution
Stoll, Carina	Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, TUM School of Life Sciences
Whitehead, Iain	Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, TUM School of Life Sciences
Neugrodda, Christoph	Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, TUM School of Life Sciences
Alpers, Thekla	Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, TUM School of Life Sciences
Gastl, Martina	Forschungszentrum Weihenstephan für Brau- und Lebensmittelqualität, TUM
Becker, Thomas	Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie, TUM School of Life Sciences

Datum	16. März 2023
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Die Herstellung von Backwaren ist komplex und stellt Bäckereien und Zulieferer vor Herausforderungen, da Umwelteinflüsse wie Klimaveränderungen, Schädlings- und Krankheitsbefall und Anbaubedingungen wie die Grundbeschaffenheit der Böden, die Korn- und Mehlcharakteristika und folglich auch die Qualität der Backwaren stark beeinflussen ^[1-9]. Insbesondere endogene, im Korn selbst gebildete Enzymaktivitäten in Getreidemehlen hängen deutlich von der Getreideart und -sorte, den Umweltbedingungen und dem Reifezustand ab und spielen bei der Herstellung von Backwaren eine wichtige Rolle. Die Enzyme sind gerade bei der Modifikation von Weizeninhaltstoffen in der Hefefermentation von Bedeutung ^[10-13]. Durch den enzymatischen Abbau der Teigbestandteile wird die Gasbildungs- und -haltefähigkeit beeinflusst. Dies hat eine modifizierte Krumentextur und eine veränderte Frischhaltung der Produkte zur Folge ^[14-25]. Zur Sicherstellung gleichbleibender Qualität der Backwaren bei standardisierten Prozessabläufen werden daher Zusatzstoffe, wie z. B. Enzympräparate, bei der Verarbeitung von Mehl eingesetzt ^[26-31]. Enzyme müssen laut Verordnung (EG) Nr. 1332/2008 nicht als Zusatzstoffe deklariert werden, da sie als Verarbeitungshilfsstoffe gelten. Verarbeitungshilfsstoffe weisen im Endprodukt keine technologische Funktion mehr auf. Dies widerspricht jedoch dem Wunsch der Verbraucher nach natürlichen und zusatzstofffreien Produkten mit wenigen oder im besten Fall keinen zugesetzten Substanzen ^[32-34]. Backmalz wird als Zutat jedoch vom Verbraucher als sehr positiv und als wertgebender Inhaltsstoff angesehen und entspricht somit dem aktuellen Trend. Durch ihre Zusammensetzung können Malze mit definierten Enzymaktivitäten den Einsatz von weiteren Zusatzstoffen in Backwaren reduzieren.

Klassisch ist Malz aus dem Brauwesen bekannt. Neben Hopfen, Hefe und Wasser ist es eine der Zutaten in der Bierherstellung. Der Mälzungsprozess dient der Bildung sowie der Aktivierung von Enzymen, die unter anderem der Umwandlung von langkettigen Polysacchariden zu Mono- und Disacchariden dienen und so den Abbau von getreideeigenen Bestandteilen ermöglichen.  Neben dem gezielten Einsatz im Brauwesen findet Malz auch seinen Einsatz in der Backwarenindustrie. Hier werden zumeist enzyminaktive Malze auf Basis der wertgebenden Inhaltsstoffe, Kohlenhydrate und Aminosäuren, zur Aromabildung und Farbgebung verwendet. Kaum Einsatz finden enzymaktive Malze. Dabei könnten durch den gezielten Einsatz positive Effekte auf die Teigstrukturbildung, -verarbeitung und Backwarenqualität erzielt werden. Problematik hierbei ist das fehlende Wissen zur Wirkweise der jeweiligen Malzmatrixbestandteile und Malzenzyme in einem komplexen Lebensmittelsystem wie etwa in getreidebasierten Produkten. Hierzu erfolgte im Rahmen des Projektes „enzyMalz - Funktionsorientierte Klassifizierung enzymaktiver Backmalze für die Verwendung in weizenbasierten Backwaren“ (AiF 20717 N) die differenzierte Betrachtung der einzelnen Bestandteile sowie der malzeigenen Enzyme auf die beobachteten Effekte. Ergänzt wurde dies durch Rekombinationsversuche der Malzbestandteile, die jeweils den entsprechenden technologischen Effekt der einzelnen Matrixkomponenten aufklären sollen. 

Native Malzenzyme sind beispielsweise Amylasen, die α-(1,4)- und α-(1,6)-glykosidische Bindungen in Polysacchariden hydrolysieren und so die Bildung von Oligosacchariden wie beispielsweise Maltose oder Maltotriose initiieren. Hierzu spalten α-Amylasen die Stärke, genauer gesagt die Amylose- und Amylopektinketten im Inneren, was zur starken Abnahme der Teigviskosität und zu Veränderungen der Verkleisterungseigenschaften führt ^[35]. Exo‑Amylasen, wie die β-Amylase, spalten hingegen Zucker vom nicht-reduzierenden Ende der Stärke ab. Es bilden sich aus den zuvor abgespaltenen Oligosacchariden Disaccharide wie etwa Maltose. Diese dienen der Hefe während der Gärphase als Substrat, wodurch die CO₂ Bildung erhöht werden kann. Dies führt zu einer Veränderung der Krumenstruktur und kann auch zu einer Veränderung des Brotvolumens führen. Da die Textur einer Backware zur Aromafreisetzung beiträgt, ist die Steuerung und Kontrolle der texturellen Charakteristik entscheidend bei der Verwendung von Backmalz zur Herstellung von Backwaren ^{[36: 37-40]}. Zudem kommt es zur verstärkten Bildung von Maillard-Produkten durch die Reaktion von Sacchariden und Aminoverbindungen während der Backphase, was zu einer verbesserten Krustenbräunung und Aromaentwicklung führt. Die durch α-Amylase, β-Amylase und Grenzdextrinase entstehenden kurzkettigen Dextrine führen außerdem zu einer verlängerten Frischhaltung, da sie den Verkleisterungsprozess während dem Backvorgang beeinflussen ^{[10; 26; 30; 36; 37; 41-54]}. Eine weitere wichtige Subklasse der Hydrolasen sind die Proteasen, welche Proteine zu freien Aminosäuren und kurzkettigen Peptiden, wie beispielsweise Di-, Tripeptide und Aminosäuren spalten und starke Auswirkungen auf das strukturgebende Glutennetzwerk in Weizenteigen zeigen. Geringe proteolytische Aktivitäten zeigen positive Effekte auf die Brotqualität, indem die Krumenhärte reduziert wird sowie das spezifische Volumen von Backwaren erhöht wird ^[55]. Zeitgleich müssen zu hohe proteolytische Aktivitäten in Malzen vermieden werden, da Endopeptidasen und Exopeptidasen die Glutenbestandteile Gliadine und Glutenine stark hydrolysieren können, was zu einer geschwächten Netzwerkstruktur führen und somit die Teigstabilität schwächen kann ^[56]. Die Folge ist eine schwächere Gashaltefähigkeit und ein verringertes spezifisches Brotvolumen. 

 

Die enzymatische Aktivität in den Teigen und Backwaren hängt dabei maßgeblich von der Herstellungsart des jeweiligen Malzes sowie der zugrundliegenden Kornqualität der eingesetzten Getreidesorte ab und unterliegen damit den typischen jahrgangs- und anbaubedingten Schwankungen. Zur Aufklärung der Funktionalität und der geeigneten Verwendung wurden Weizenmalze aus zehn verschiedenen Weizensorten und verschiedenen Mälzungsbedingungen (variierender Weichgrad und Keimtemperatur) hergestellt und auf ihre enzymatische Aktivität untersucht. Der Verlauf der Mälzung der Weizensorte Julius bei einer fallenden Keimung von 18 °C auf 14.5 °C und einem Weichgrad von 43 % ist in Abbildung 1 dargestellt.

 

Abbildung 1: Mälzung der Weizensorte Julius bei fallender Keimung von 18 °C auf 14.5 °C und einem Weichgrad von 43 %. 

 

Zur Untersuchung der Enzymaktivität wurden Enzymassays genutzt. Für die proteolytischen Enzymaktivität wurde ein glutenbasierter Assay etabliert, der es ermöglicht, das Verhalten auf das Zielprotein, Gluten, zu untersuchen (Abbildung 2). Hierbei wird das Zielprotein mit einem Farbstoff gekoppelt. Durch die Zugabe von proteolytisch aktiven Malzen wird das Substrat und auch die Bindung zum Farbstoff gespalten. Die Proteine werde durch Säurezugabe ausgefällt und der Farbstoff bleibt in der Lösung. Durch die photometrische Messung kann dieser nachgewiesen werden und kann so proportional zum entstandenen Signal Auskunft über die Aktivität des Malzes geben. 

Abbildung 2: Substratspezifischer Assay zum Nachweis der proteolytischen Aktivität der enzymaktiven Weizenmalze.

 

Die Untersuchung der enzymatischen Aktivität zeigte, dass die Malze eine Mälzungsabhängigkeit bei der Bildung der proteolytischen Aktivität aufzeigen. Bei der Bildung der α-Amylase zeigte sich hingegen eine Sortenabhängigkeit und eine Mälzungsabhängigkeit bei der Bildung der β-Amylase. Zur Charakterisierung der Funktionalität in den Backwaren wurde, zur Eingrenzung des Wirkbereichs der endogenen Enzyme, die Gare und der Backprozess näher betrachtet. Hier wurden jeweils die Spaltprodukte der Amylasen sowie der Exoproteasen untersucht. Während der Gare konnte keine Aktivität festgestellt werden. Während des Backprozesses konnte die amylolytische Aktivität anhand der Quantifizierung der gebildeten Maltose (Abbildung 3) mit einem Temperaturoptimum zwischen 50 °C und 82 °C erkannt werden. Die exoproteolytische Aktivität konnte während des Backprozesses nicht nachgewiesen werden. 

Abbildung 3: Darstellung der Veränderung des Maltosegehaltes während der Gär- und Backphase eines Standard-Weizenbrotes. Untersucht wurde die Zugabe von • 0 %, • 0.5 % und • 3.0 % enzymaktiven Weizenmalz. 

 

Für die differenzierte Betrachtung der Weizenmalze in Bezug auf die Funktionalität der Matrixbestandteile sowie die Funktionalität der enthaltenen Enzyme wurden Inaktivierungs-, Extraktions- und Substitutionsversuche durchgeführt. So wurden (I) alle Enzyme deaktiviert, (II) proteolytische Enzymaktivität aus Malzproben extrahiert und durch die Zugabe zu Weizenteigen diese verstärke und (III) einzelne Malzbestandteile zu Weizenteigen zugegeben. Es zeigte sich hierbei deutlich, dass die proteolytischen Enzyme auf den Teig und auch das Endprodukt einen erheblichen Einfluss haben. So verringern sie beispielsweise die Teigstabilität und führen zu einer höheren Teigerweichung. Zudem beeinflussen sie das Volumen der Backware und sorgen für eine stärkere Krustenbräunung (Abbildung 4 links). Bei den amylolytischen Enzymen zeigt sich vor allem ein positiver Effekt auf das Volumen (Abbildung 4 rechts). Bei den Matrixbestandteilen konnte keine eindeutigen Effekte zugeordnet werden, die dem Verhalten der Malze entsprochen haben. Es zeigte sich jedoch, dass die Verfügbarkeit von freien Zuckern für das Volumen der Backware entscheidend ist. 

 

 

 

Abbildung 4: Auf der linken Seite ist die zunehmende Krustenbräunung und auf der rechten Seite ist das zunehmende Volumen von Weizenbroten mit der Zugabe von 0.0 %, 0.5 % und 3.0 % enzymaktiven Weizenmalz dargestellt.

 

In Zukunft müssen, im Hinblick auf das Backgewerbe, Malzsorten, die den Anforderungen für qualitativ hochwertige Backwaren gerecht werden, hergestellt werden. Nach derzeitigem Stand sollte hier vor allem Augenmerk auf amylolytische Aktivitäten gelegt werden. In den hier durchgeführten Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die amylolytische Aktivität von endogenen Malzenzymen während des Backvorgangs ihren Höhepunkt erreicht. In weiteren sensorischen Untersuchungen konnte die Bedeutung von Amylasen für die Backwarenqualität weiter verdeutlicht werden. Das Level der α-Amylase-Aktivität steuert das Geschmacksprofil über die Aktivität der Hefe. Anhand dieser Ergebnisse kann eine Empfehlung für die, aufgrund ihrer unterschiedlichen amylolytischen Aktivität, verwendeten Malze erstellt werden. Für einen besseren Geschmack bei tagesfrischen Backwaren eignet sich ein Malz mit mittlerer α-Amylase-Aktivität in Kombination mit einer eine Langzeitgare. Zur Verbesserung der Textur tagesfrischer Backwaren eignet sich die Zugabe von Malz mit hoher α-Amylase-Aktivität in Verbindung mit kurzen Fermentationszeiten. Für länger haltbare Brote, mit Zugabe von Malz, eignet sich ein Malz mit hoher α-Amylase-Aktivität und für einen besseren Geschmack und eine bessere Textur eine Standardgare. 

Final kann auch durch statistische Analyse die hohe Bedeutung der enzymatischen Aktivität für die Teig- und Broteigenschaften unterstrichen werden. Insbesondere die amylolytische Aktivität zeigte im Hinblick auf die Teigentwicklung, Krumenhärte und Bräunung einen signifikanten Einfluss. Insbesondere die Teigentwicklung wird dabei von einer zu hohen enzymatischen Aktivität oder Malzdosage negativ beeinflusst, wohingegen die Bräunung positiv verstärkt wird. Dies bestätigte sich auch bei der Untersuchung der Effekte der Weizenmalzbestandteile. Hier konnten minimale Änderung der Effekte beobachtet werden. Im Vergleich zum Gesamtbild der Effekte durch Weizenmalz blieben diese jedoch sehr gering. Durch die Untersuchung von Teigen und Weizenbroten mit Zugabe von Protease-reichen Extrakten konnte aufgezeigt werden, dass gerade auf der teigrheologischen Ebene viele Effekte durch Proteasen, aber auch weitere im wässrigen Medium gelösten Stoffe, bedingt zu sein scheinen. Beim fertigen Endprodukt, dem Weizenbrot, bestätigte sich dies nicht mehr. Dennoch darf die Bedeutung von malzstämmigen Proteasen nicht gänzlich vernachlässigt werden. Die starken technologischen Effekte der amylolytischen Aktivität bei der Backwarenherstellung empfiehlt schlussendlich allerdings die Kenntnis der Höhe der amylolytischen Aktivität von enzymaktivem Backmalz und bietet sich als Grundlage für die Klassifizierung an. Weiter ist eine hohe Aktivität aufgrund des negativen Einflusses auf die Teigentwicklung nicht erstrebenswert, wenngleich ein gleichzeitig positiver Einfluss auf die Krumenhärte und Bräunung der finalen Brote hiermit einhergeht. Die Definition von Klassen für die Kategorisierung von enzymaktiven Backmalzen sollte somit produktspezifisch erfolgen, in Abhängigkeit des zugrundeliegenden Verarbeitungsprozesses. 

Förderhinweis

Dieses IGF-Vorhaben Nr. AiF 20717 N der Forschungsvereinigung Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI), Godesberger Allee 125, 53175 Bonn wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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