Backchemie und Lebensmitteltechnik
Weizenmehl und Eier sind essenzielle Zutaten in vielen Backrezepten. Was aber, wenn es ohne gehen muss? Klar ist: Austauschstoffe zu finden ist schwierig.
Glutenfrei ist im Trend. Zwar verträgt nur ein kleiner Teil – rund ein Prozent – der Menschheit das „Klebereiweiß“ genannte Makroprotein nicht; doch auch viele andere Konsument:innen greifen inzwischen zu weizenfreiem Brot − sei es aus der unbegründeten Angst, dass Gluten generell ungesund sei, oder einfach, weil sie mal was Neues probieren wollen.
Ei-frei ist ebenso gefragt: Die Industrie suche eifrig nach pflanzlichen Alternativen, sagt Maike Föste, Lebensmitteltechnologin am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Freising. Denn Lebensmittel mit Eibestandteilen benötigen eine Allergenkennzeichnung; viele Menschen seien nach Dioxin-, Salmonellen- und Fipronil-Skandalen gegenüber Eiprodukten misstrauisch; andere vermieden sie aus Tierschutzgründen − und mit den hohen Eierpreisen in den USA haben Alternativen jetzt sogar eine einschlagende finanzielle Komponente. Kurzum: „Der Markt und die Verbraucher verlangen nach eifreien Produkten.“
So unterschiedlich Gluten und Eier von ihrem molekularen Aufbau sind, eines haben sie gemeinsam: Sie lassen sich nicht einfach eins zu eins durch eine andere Substanz ersetzen.
Für Konsistenz und Fluffigheit
Einen Pizzateig auf die Größe eines Backblechs auszurollen, kann ganz schön nervenaufreibend sein: Der Teig zieht sich immer wieder zusammen. Grund für diese gummiartige Elastizität ist Gluten. Das Makroprotein entsteht beim Kneten des Teigs aus natürlichen Proteinen im Weizen, den Gliadinen und Gluteninen (siehe Abschnitt „Das Klebereiweiß“) – und übernimmt im weiteren Backvorgang wichtige Funktionen. [1]
„Gluten ist ein dehnbares dreidimensionales Netzwerk“, erklärt Ombretta Polenghi, Lebensmitteltechnologin und Leiterin Global Research & Innovation beim Dr. Schär R&D Centre im italienischen Triest. Das Unternehmen Dr. Schär stellt glutenfreie Lebensmittel her, darunter Mehlmischungen und glutenfreies Brot. „Dieses Proteinnetzwerk fängt Gasbläschen ein, die während des Teiganrührens entstehen, und hält sie fest, wenn sie sich beim Backen ausdehnen. So kann das Gebäck aufgehen.“ Im fertigen Brot sorgt das geronnene Gerüst dafür, dass der Laib seine Form behält. Gluten verleiht Broten und Kuchen ihre fluffige Struktur und Plätzchen ihre angenehm geschmeidige Konsistenz. Mal abgesehen davon, dass Gluten auch einen ganz charakteristischen Geschmack hat, den viele vermissen, wenn er fehlt.
Für das glutenfreie Backen stehen Mehle aus passenden Getreiden im Supermarktregal, etwa aus Hirse, Buchweizen, Mais oder Reis (siehe Tabelle). Aber Vorsicht: Wer im ursprünglichen Rezept einfach nur das Weizenmehl durch ein glutenfreies Mehl ersetzt, wird enttäuscht sein, warnt Mario Jekle, Leiter des Fachgebiets Pflanzliche Lebensmittel an der Universität Hohenheim. „Bei glutenfreien Teigen muss man die Funktion des Glutens in irgendeiner Form ersetzen, sonst hat man am Ende nichts weiter als einen Ziegelstein.“ Die Funktion ersetzen heißt: „Man muss dafür sorgen, dass Gasbläschen im Teig stabil bleiben − so wie der Schaum auf dem Bier, nur eben in fester Form.“
Das Klebereiweiß
Bei Gluten handelt es sich um ein variierendes Proteingemisch, das in Weizen, Dinkel und anderen nah verwandten Getreidearten vorkommt. Es besteht je nach Getreidesorte aus etwa 50 bis 100 unterschiedlichen Proteinen der Prolamin- und Glutelin-Gruppe; bei Weizen spricht man von Gliadinen und Gluteninen. Charakteristisch für Gluten ist stets die hohe Menge an den Aminosäuren Prolin und Glutamin. Die Pflanze nutzt Gluten als Speicherprotein, das dem Keimling während der Keimung und dem frühen Wachstum als Energie- und Aminosäurequelle zur Verfügung steht.
Beim Backen ist Gluten für die typische Teigstruktur verantwortlich: Kommt das glutenhaltige Mehl mit Wasser in Kontakt und wird geknetet, bilden die Cysteinreste Disulfidbrücken zwischen den Glutenproteinen aus;
Glutamin und hydroxylresttragende Aminosäuren gehen Wasserstoffbrückenbindungen ein. Dadurch entsteht ein dreidimensionales Netzwerk, das Klebereiweiß. In einem Plätzchenteig mit viel Fett und Zucker ist dieses Netzwerk viel schwächer. Daher sind diese Teige weniger elastisch, sie brechen beim Auseinanderziehen.
Erfolg mit Zusätzen
Das Internet ist voll mit Tipps für das glutenfreie Backen. Ein wichtiger, genereller Ratschlag: Man sollte angepasste Rezepte benutzen, statt einfach nur das Mehl in einem „normalen“ Rezept zu ersetzen. Denn glutenfreie Mehle absorbieren mehr Feuchtigkeit als Weizenmehl; es braucht daher meist mehr Wasser, Ei oder Milch in der Mischung und etwas weniger Mehl als gewohnt. Zusätze erhöhen den Erfolg beim glutenfreien Backen. Dazu gehört beispielsweise Xanthan: Dieses verzweigte Polysaccharid wird von Bakterien der Gattung Xanthomonas hergestellt und ist als Lebensmittelzusatzstoff E415 zugelassen. Es bildet eine gelartige Struktur, die den Teig Berichten zufolge „weicher, fluffiger und elastischer“ macht.
Ein anderer Geheimtipp aus der glutenfreien Backstube sind Flohsamenschalen, gewonnen aus der Indischen Flohsamenpflanze (Plantago ovata). Die Schalen enthalten Schleimstoffe und Ballaststoffe, darunter Hemicellulose, die bis zum 40-fachen ihres eigenen Gewichts an Wasser aufnehmen kann. Die hellen faserigen Pflanzenteile sorgen als Backzusatz daher für stabilere Teige und halten Brote und Gebäck in Form.
Wer sich nicht selber die ganzen Zutaten in Reformhäusern und im Internet zusammensuchen will, kann auch zu fertigen glutenfreien Backmischungen greifen, die es im Supermarkt zu kaufen gibt. Darin sind die Mehle bereits so gemischt und mit Zusätzen zusammengestellt, dass sie beim Backen gut funktionieren.
Die Mischung macht‘s
„Es benötigt viel Arbeit, um die richtige Kombination von Zutaten zu finden, damit am Ende ein gutes glutenfreies Produkt herauskommt“, erzählt Ombretta Polenghi von Dr. Schär. Das Unternehmen benutze vor allem glutenfreie Mehle aus Reis oder Mais und andere Getreide wie Buchweizen, Sorghum und Hirse. „Diese sind auch ernährungsphysiologisch und sensorisch attraktiv.“ Das alleine reiche aber noch nicht. Zu den Getreiden mischt das Unternehmen Proteine, etwa aus Milch, Eier oder Sojabohnen sowie Ballaststoffe und stärkehaltige Mittel – je nachdem, ob es sich um süße Backwaren oder Brot handelt. Eine Rolle spielen auch Zusatzstoffe wie Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), auch als E464 bekannt. Beim Erhitzen bildet das Polymer ein Gel – „es wirkt als Verdickungsmittel und hilft dabei, dem Produkt Struktur zu verleihen“, erklärt Polenghi. „Die Interaktion zwischen HPMC und anderen Zutaten imitiert die viskoelastischen Eigenschaften des Glutens.“
Nicht eine einzige Zutat führt also zum Erfolg: Es kommt laut Polenghi auf die richtige Mischung der Zutaten an. Besonders wichtig sei es, eine Lösung zu finden, die nicht nur technologisch funktioniert, sondern auch zu einem leckeren Ergebnis führt: „Letztendlich wollen wir den Menschen dabei helfen, eine glutenfreie Ernährungsweise einzuhalten. Und dafür müssen die Produkte gut sein − also schmecken.“
Neue Hilfsmittel aus Quinoa und Co.
Mario Jekle forscht an pflanzlichen Substanzen, die das glutenfreie Backen besser machen. Sein Fokus liegt auf oberflächenaktiven und schaumstabilisierenden Proteinen und Saponinen. [2] Letztere sind Glycoside von Steroiden, Steroidalkaloiden oder Triterpenen, die in den Wurzeln, Knollen, Blättern und Blüten höherer Pflanzen vorkommen und ihnen vermutlich als Abwehrstoffe, zum Beispiel gegen Pilzbefall, dienen. Die Idee: Mit ihren hydrophoben und hydrophilen Regionen stabilisieren solche Moleküle die Grenzfläche zwischen Gasbläschen und Teig und substituieren damit die Funktion von Gluten.
Jekles Doktorandin Natalie Feller gewinnt Proteine und Saponine beispielsweise aus Quinoa, Gänseblümchen, Roter Bete und Raps. Saponine aus Quinoa-Kleie haben sich laut Feller bisher als besonders vielversprechend erwiesen. „Die Substanzen erhalten wir über einfache wässrige Extraktion“, erzählt sie. Die Substanzen ließen sich dann so direkt einsetzen. „Unser Ziel ist es, das Ganze so einfach und natürlich wie möglich zu halten.“ Das erhöhe die Verbraucherakzeptanz, denn in dem Fall lassen sich die Substanzen als Extrakte aus Pflanzen kennzeichnen – ein großer Vorteil gegenüber Stoffen mit E-Nummern wie HPMC.
Ein anderer Ansatz ist es, das Glutennetzwerk an sich zu imitieren – und nicht nur dessen Funktion. Dafür versucht Jekles Team, Proteine und Arabinoxylane im Teig miteinander zu vernetzen. Arabinoxylane sind Ballaststoffe, die in pflanzlichen Zellwänden vorkommen und aus den Pentosen Arabinose und Xylose aufgebaut sind. Über Ferulasäurereste und Tyrosin lassen sich diese Teigbestandteile in einer enzymatischen Fermentation verbinden. „Dieses Netzwerk könnte dann vergleichbare Eigenschaften wie Gluten haben“, sagt Jekle.Mögliche Rohstoffe für solche enzymatischen Vernetzungsreaktionen sind Hafer, Mais und Reis, die nativ qualitativ hochwertiges Arabinoxylan und eine hohe Menge an tyrosinhaltigen Proteinen enthalten. „Wir versuchen, über die richtige Vermahlung und Fraktionierung die Mehle für eine enzymatische Fermentation vorzubereiten, um dann anschließend Arabinoxylane und Proteine über Enzyme zu vernetzen“, sagt Jekle. „Das Projekt ist herausfordernder als erwartet, aber inzwischen tut sich was“, verrät er.
Wann ist ein Produkt glutenfrei?
Die meisten Menschen vertragen Gluten problemlos. „Bei Menschen mit Zöliakie hingegen lösen einige Peptide, die im Verdauungstrakt aus Gluten entstehen, eine entzündliche Immunreaktion aus“, sagt Katharina Scherf, Lebensmittelchemikerin und Professorin am Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der Technischen Universität München. Entscheidend seien ganz bestimmte Aminosäuresequenzen, die für Glutenspaltprodukte typisch sind. Vollständig spalten können die Enzyme im Magen und im Darm Gluten nämlich nicht – das liegt vor allem an dem hohen Anteil der Aminosäuren Prolin und Glutamin.
Ein Lebensmittel, das einen Glutengehalt von maximal 20 mg/kg enthält, darf in der EU die Bezeichnung „glutenfrei“ tragen. Auch erlaubt ist dann das international anerkannte Glutenfrei-Symbol mit durchgestrichener Ähre. Der Spurenhinweis „Kann Spuren von Gluten enthalten“ ist allerdings eine freiwillige Angabe des Herstellers und nicht gesetzlich geregelt. Überprüft wird der Glutengehalt mit einem antikörperbasierten Test, einem Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA). Antikörper detektieren dabei für Gluten typische Aminosäuresequenzen. Weiterhin existieren Gluten-PCR-Tests, welche die DNA von glutenhaltigen Getreidesorten wie Weizen, Roggen oder Gerste nachweisen. Zudem können LC-MS/MS-Analytikmethoden typische Glutenpeptide quantifizieren, werden aber noch nicht routinemäßig eingesetzt.
Gelb, weiß oder beides
Vollei, Eigelb und Eiweiß getrennt oder nur Eischnee? „Mit Blick auf das Backen ist Ei nicht gleich Ei“, sagt Maike Föste. „Die Proteinfraktionen des Hühnereis unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Funktionen.“ Eigelb enthält vor allem Fett und hat bindende Eigenschaften. Unter anderem spielt Lecithin eine wichtige Rolle: Das amphiphile Phospholipid wirkt als Emulgator. Seine oberflächenaktive Struktur sorgt dafür, dass sich Butter und andere Fette im Teig gut mit den wässrigen Zutaten mischen. Auch verleiht Eigelb dem Gebäck einen reichen und cremigen Geschmack.
Eiweiß wiederum ist viskoelastisch und verleiht dem Gebäck Struktur. Es besteht zu 87 bis 90 Prozent aus Wasser und enthält die wasserlöslichen, mehr oder weniger kugelförmigen Proteine Albumin und Globulin. Beim Schlagen wird Luft zwischen Wasser und Protein eingefangen und es bildet sich ein erstaunlich fester Schaum, der Eischnee. Wird dieser dann erhitzt, koagulieren die Albuminproteine, und es bilden sich neue Wasserstoff- und Disulfidbrücken zwischen den einzelnen Proteinketten. Dadurch wird die schaumige Masse hart, wie wir es von Baiser kennen.
Ei in Tüten
Um in der Backstube das Ei als Ganzes zu ersetzen, haben Veganerinnen und Veganer viele Alternativen parat, von Apfelmus und Bananen über Chiasamen und Leinsamen bis zu Pflanzendrinks und Sojajoghurt. Solche Zutaten sollen vor allem die Bindefähigkeit des Eis substituieren, Feuchtigkeit verleihen und das Gebäck locker und fluffig machen. In den Supermarktregalen findet sich auch „veganer Ei-Ersatz“ in Tütchen, beispielsweise auf Basis von Süßlupinen- und Maismehl und mit Verdickungsmitteln wie Guarkernmehl. Um die Binde- und Emulgatorfunktion des Eigelbs zu ersetzen, eignet sich auch eben jenes Xanthan, das schon in der glutenfreien Backstube wertvolle Dienste leistet.
An der University of Massachusetts in den USA forscht Ernährungswissenschaftler David McClements an einem Ei-Ersatz aus Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase/-oxygenase, kurz RuBisCO. Dieses Pflanzenprotein spielt bei der CO2-Fixierung in der Photosynthese in Pflanzen und Bakterien eine wichtige Rolle. Aus den Blättern von beispielsweise Spinat oder Wasserlinsen extrahiert und in Lösung gebracht, erfüllt es ähnliche gelbildende Funktionen wie Eiweiß. [3]
Veganer Eischnee
Als Ersatz für Eiklar greifen vegane Bäcker:innen zu Aquafaba, das dickflüssige Kochwasser von Kichererbsen,
Bohnen und anderen Hülsenfrüchten. Diese Flüssigkeit enthält ebenfalls wasserlösliche Albumine und Globuline und lässt sich ebenso zu einer schaumigen, luftigen Konsistenz aufschlagen.
Im Projekt Legufoam hat ihr Team eine Alternative gesucht, die sich wie Eiklar aufschlagen lässt. [4,5] Dafür extrahierten sie Proteine aus Erbsen und Linsen und isolierten mit Membrantrennverfahren Proteinfraktionen unterschiedlicher Größe. Ergebnis waren flüssige Konzentrate mit einem Proteingehalt von mehr als 80 Prozent. Der daraus geschlagene Eischnee war allerdings weniger stabil als das Original aus Hühnereiweiß.
Föstes Team hat untersucht, welche technologischen Verfahren hier Verbesserungen bringen, etwa eine enzymatische Hydrolyse der Proteine in kleinere Peptide. „Vielversprechend ist eine Hochdruckhomogenisierung, die allerdings noch einer Optimierung bedarf“, berichtet Föste.
Zudem brachten die Forschenden die Proteinkonzentrate mit Sprühtrocknung in Pulverform – „das macht die Handhabung in den Bäckereien einfacher.“ Ergebnis: Auch nachdem die Proteine getrocknet und dann wieder gelöst wurden, ließen sie sich noch zu Eischnee schlagen – die Stabilität des Schaums litt allerdings darunter.
Und der Geschmack? „Bei einer ersten sensorischen Evaluation konnten Backwaren mit Proteinschaum aus Erbse geschmacklich durchaus überzeugen.“
Pflanzliches Ei mit Schale
Ein besonders ambitioniertes Ziel hat das Start-up Neggst aus Berlin, das aus einer Ausgründung des Fraunhofer IVV entstanden ist: Ein ganzes pflanzliches Ei, inklusive Eiweiß, Eigelb und einer eigens entwickelten Eierschale will das junge Unternehmen auf den Markt bringen. Preislich soll es einem guten Bio-Ei nahekommen.
Neggsts vegane Produkte bestehen aus einer Kombination aus Süßkartoffel, pflanzlichen Proteinen aus Ackerbohne und Erbse, natürlichen Aromen und Farbstoffen sowie Geliermitteln. Bisher sind schon vegane Rühreier, pochierte Eier und ein Spiegelei-Imitat auf dem Markt – Letzteres aus flüssigem Eigelb und festem Eiweiß. [6] Da ist der Weg zum veganen Ei mit Schale gar nicht mehr so weit.
Über die Autorin:
Brigitte Osterath ist promovierte Chemikerin und arbeitet als freie Wissenschaftsjournalistin.
www.writingscience.de
Titelfoto:
Uni Hohenheim/Corinna Schmid
Literaturangaben:
[1] A. Cappelli, N. Oliva, E. Cini, Applied Sciences 2020, 10, 6559. Doi: 10.3390/app10186559
[2] N. Feller, M. Jekle, „Elevating the Gluten Experience“, Baking Europe 2023
[3] H. Zhou, G. Vu, D. J. McClements, Food Chem 2022. Doi: 10.1016/j.foodchem.2022.133808
[4] Fraunhofer IVV | Forschungsprojekt Legufoam 🔗
[5] IVLV | LeguFoam 🔗
[6] Neggst | Home 🔗
[7] V. Atkonson, „An alternative approach to baking, Chemistry World 2023. |Chemistryworld 🔗
