Understanding the impact of wheat bran on the dynamic behaviour of starch and gluten in breadmaking, using bran modification as a tool

Promovendus/a: Yamina De Bondt

Promotor(en): Prof. dr. ir. Christophe Courtin

Voor een gezond en evenwichtig eetpatroon, wordt aanbevolen om meer dan 25 g dieetvezels per dag te consumeren. In veel landen is de dagelijkse inname echter veel lager. Daarom is de belangstelling voor het incorporeren van dieetvezels in levensmiddelen sterk toegenomen. Tarwezemelen zijn een nevenstroom van de productie van witte bloem en zijn een geconcentreerde bron van dieetvezels. Bovendien bevatten ze vitamines, mineralen, essentiële aminozuren en antioxidanten en wordt de consumptie ervan geassocieerd met verschillende gezondheidsvoordelen. Epidemiologische studies tonen aan dat de consumptie van tarwezemelen het risico op hart- en vaatziekten, verschillende soorten kanker en diabetes type 2 kan verminderen. Aangezien brood wereldwijd een basisvoedsel is, is de incrorporatie van tarwezemelen in brood interessant vanuit gezondheidsperspectief. De incorporatie van tarwezemelen in levensmiddelen levert echter belangrijke problemen op tijdens de productie en met betrekking tot de kwaliteit van het eindproduct. In producten op basis van tarwe zijn zetmeel en gluten de belangrijkste structuurbepalende componenten en hun functionaliteit is daarom een belangrijke bepalende factor voor de productkwaliteit.

Tegen deze achtergrond was het doel van dit doctoraatsonderzoek om meer inzicht te verkrijgen in de impact van tarwezemelen op de gluten- en zetmeelfunctionaliteit tijdens de broodbereiding.

De aanpak van dit doctoraatsonderzoek was tweeledig. Allereerst werd inzicht verkregen in het effect van verschillende modificatietechnieken op de fysicochemische eigenschappen van tarwezemelen. Vervolgens werden de tarwezemelen met verschillende eigenschappen verwerkt in deegsystemen met toenemende complexiteit. Op deze manier konden fundamentele inzichten worden verkregen in het effect van de verschillende fysicochemische eigenschappen van tarwezemelen op de verschillende componenten in een deegsysteem tijdens het bakken van brood.

De mogelijkheid om de eigenschappen van tarwezemelen te veranderen werd onderzocht met behulp van microfluidisation, nat vermalen of droog vermalen. De procesparameters die gebruikt werden tijdens microfluidisation (druk, aantal stappen, zemelenconcentratie en initiële partikelgrootte) en het watergehalte dat gebruikt werd tijdens vermalen, hadden een grote invloed op de fysicochemische eigenschappen van tarwezemelen. De mediane partikelgrootte van tarwezemelen werd gereduceerd van ca. 1,5 mm tot ultrafijne deeltjesgroottes van ca. 25 µm. Nat vermalen en microfluidisation met daaropvolgend vriesdrogen resulteerden in een groter specifiek oppervlak en hogere sterke waterretentiecapaciteit dan droog vermalen. Een reeks van stalen met diverse fysicochemische eigenschappen werd uiteindelijk verkregen.

Bij het verhitten van zetmeel in water zwellen zetmeelgranulen op en verliezen hun moleculaire orde, wat zetmeelverstijfseling wordt genoemd. Dit proces heeft een grote invloed op de textuur van levensmiddelen. Het effect van (gemodificeerde) tarwezemelen op de verstijfselingstemperatuur van zetmeel werd daarom bepaald in een mengsel van zetmeel, water en tarwezemelen met differentiële scanning calorimetrie (DSC). Er werd aangetoond dat tarwezemelen de begin en piek temperatuur verhogen. De extraheerbare componenten van tarwezemelen, zoals kalium en fosfor, werden voornamelijk verantwoordelijk gehouden voor dit effect aangezien ze de weekmakingscapaciteit van het solvent verminderen. De eindtemperatuur van verstijfseling was onafhankelijk van de zemelenconcentratie, maar negatief gecorreleerd met het watergehalte. Deze waarnemingen werden mechanistisch verklaard met het side-chain liquid-crystalline polymeric model voor zetmeel.

Gluten zijn verantwoordelijk voor de unieke visco-elastische eigenschappen van deeg waardoor de gascellen in een deeg kunnen uitzetten. Het effect van (gemodificeerde) tarwezemelen op glutenfunctionaliteit werd onderzocht in een gluten-zetmeelmengsel als vereenvoudigd modelsysteem voor bloem. Een goede microstructuur van het glutennetwerk, zoals gevisualiseerd met een confocale laser scanning microscoop (CLSM), werd bereikt in de aanwezigheid van (gemodificeerde) tarwezemelen. De deegreologie en het broodvolume werden echter beïnvloed door het type tarwezemelen, de waterabsorptie en de mengtijd. Uniaxiale extensionele deegreologie werd bepaald met een extensional viscosity fixture (EVF) gemonteerd op een reometer. Toevoeging van tarwezemelen verminderde de strain hardening van deeg ondanks optimalisatie van waterabsorptie en mengtijd. Het negatieve effect van tarwezemelen op de deegreologie nam toe door toevoeging van gemodificeerde tarwezemelen met een hoge sterke waterretentiecapaciteit en groot specifiek oppervlak. De strain hardening van deeg bleek een waardevolle voorspeller van het broodvolume, ook in de aanwezigheid van (gemodificeerde) tarwezemelen.

Uiteindelijk werd een op tarwebloem gebaseerd broodsysteem gebruikt om meer inzicht te verkrijgen in de impact van (gemodificeerde) tarwezemelen tijdens de verschillende fasen van het broodbereidingsproces. De incorporatie van 10% zemelen beïnvloedde de volume-toename van het deeg voornamelijk vanaf de bakfase, terwijl in aanwezigheid van 20% zemelen ook de fermentatiefase werd beïnvloed. De daling in gasretentie tijdens fermentatie omwille van de incorporatie van zemelen kon gerelateerd worden aan een afname van de strain hardening, zoals ook werd waargenomen bij gluten-zetmeelmengsels. Het effect van tarwezemelen op de ovenrijs kon niet worden toegeschreven aan de impact op zetmeelverstijfseling of verdamping van water/ethanol tijdens het bakken. Deegreologie werd daarom ook tijdens het bakken geïdentificeerd als de belangrijkste reden voor de waargenomen verschillen in volumetoename. Verder werd aangetoond dat de sterke waterretentiecapaciteit van tarwezemelen de verdamping tijdens het bakken beïnvloedt, wat de uiteindelijke broodkwaliteit zal beïnvloeden.

In dit doctoraatsonderzoek werd het effect van gemodificeerde tarwezemelen op de zetmeel- en glutenfunctionaliteit tijdens de broodbereiding onderzocht. Er werd aangetoond dat voornamelijk de hydratatie-eigenschappen van tarwezemelen de glutenfunctionaliteit en daarmee de deegreologie beïnvloeden. Dit leidt tot een afname van gasretentie tijdens fermentatie en meer uitgesproken tijdens het bakken en resulteert uiteindelijk in een verminderd broodvolume. Hoewel de verstijfseling van zetmeel wordt beïnvloed, voornamelijk door de water-extraheerbare fractie van tarwezemelen, is dit bij het bakken van brood van ondergeschikt belang. Om de negatieve invloed van tarwezemelen tijdens de broodbereiding tegen te gaan, is het dus nodig om de glutenfunctionaliteit en de deegreologie te verbeteren. Mogelijke strategieën die hiervoor verder onderzocht zouden kunnen worden zijn: de waterretentiecapaciteit van tarwezemelen verlagen, het receptuur voor de broodbereiding aanpassen (watergehalte of additieven) of de mengprocedure aanpassen. Bovendien kunnen de onderzochte technieken voor het modificeren van tarwezemelen helpen om de functionaliteit van tarwezemelen af te stemmen op verschillende andere toepassingen. De inzichten verkregen in dit doctoraatsonderzoek kunnen daarom leiden tot strategieën om de incorporatie van tarwezemelen in levensmiddelen te verhogen en bijgevolg de consumptie van dieetvezels te verhogen.