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Dr. Lutz Popper, seit 1993 in der Forschung und Entwicklung der Stern-Wywiol Gruppe, insbesondere auf dem Gebiet der Mehlanwendungen tätig, Scientific Director der SternEnzym GmbH & Co. KG, Ahrensburg
Aufgrund ihres großen verfügbaren Wirkungsspektrums eignen sich Enzyme besonders, um in Lebensmittelanwendungen zu helfen, den vielfältigen Anforderungen von Herstellern und Konsumenten gerecht zu werden. Bei Backwaren lassen sich zum Beispiel Teige festigen oder erweichen, die Bräunung, das Backvolumen oder die Frischhaltung verbessern. Dabei ist aufgrund ihrer hohen Wirksamkeit der Verbrauch an Ressourcen für ihre Herstellung besonders niedrig. Von den geschätzt 25.000 verschiedenen Enzymaktivitäten, die in der Natur vorkommen, werden hier einige wenige, für Backanwendungen jedoch entscheidende vorgestellt.
Die Verwendung von Enzymen ist für die Lebensmittelindustrie seit vielen Jahren selbstverständlich. Sie sind sehr spezifisch, das heißt sie wirken bei entsprechender Reinheit nur auf ausgewählte Ziele, sie brauchen nur niedrig dosiert zu werden und sie sind natürlichen Ursprungs, da diese Proteine bislang nur auf fermentativem Wege aus Mikroorganismen oder durch Extraktion aus pflanzlichen oder tierischen Geweben und Flüssigkeiten gewonnen werden können.
Der vergleichsweise geringe ökologische Fußabdruck macht Enzyme für viele Anwendungen auch in der Lebensmittelproduktion interessant, bei der sie zum Teil Zutaten, darunter auch Zusatzstoffe, ersetzen helfen, die oft mit einem deutlich höheren Ressourcenverbrauch hergestellt wurden. Das mengenmäßig häufigste Protein der Natur ist übrigens ein Enzym: Es heißt abgekürzt Rubisco und ist in grünen Pflanzen an der Photosynthese beteiligt. Von ihm kommen weltweit auf jeden Menschen ca. 5 kg. Damit spielt das Enzym eine wichtige Rolle als Eiweißquelle am Anfang der Nahrungskette.
In der Vergangenheit waren Enzyme zudem attraktiv, da sie als Verarbeitungshilfsstoffe nicht auf der Endverbraucherverpackung deklariert werden mussten. Das dürfte sich jedoch in einigen Jahren – möglicherweise schon 2025 – ändern, wenn nämlich die derzeit in der Entstehung befindliche Unionsliste für Enzyme vollständig ist, in der alle in der EU zugelassenen Enzyme gelistet werden sollen. Allerdings werden dann voraussichtlich auch alle anderen Verarbeitungshilfsstoffe angegeben werden müssen – so scheinen zumindest die Pläne der EU-Kommission zu sein.
Die Auswirkungen wichtiger Enzymklassen auf die Eigenschaften von Weizenmehlteigen und die Qualität von Backwaren werden im Folgenden beschrieben.
Amylasen
Amylasen spalten unverzweigte Abschnitte des Stärkemoleküls in kürzere Bausteine. Wie alle Enzyme wirkt auch Amylase nur auf gelöstes Substrat, das heißt auf gequollene oder geschädigte Stärkekörner im Teig. Dadurch wird die Teigviskosität erniedrigt. Das aus der Stärke freigesetzte Wasser kann von anderen Inhaltsstoffen wie beispielsweise dem Weizenkleber absorbiert werden, wodurch die Dehnbarkeit der Teige steigt.
Im Laufe der Fallzahlmessung steigt die Temperatur bis auf ca. 95 °C. Infolgedessen werden Enzyme mehr oder weniger früh inaktiviert. Während die hitzelabileren pilzlichen Amylasen sich daher kaum auf die Fallzahl auswirken (oder nur bei sehr hoher Dosierung), werden die stabileren Getreideamylasen und insbesondere bakterielle Amylasen durch eine Senkung der Viskosität und somit der Fallzahl bemerkbar.
Die durch die Wirkung von α-Amylase entstehenden kurzkettigen Dextrine dienen als Substrat für ß-Amylase oder Glucoamylase (Amyloglucosidase), die daraus für die Hefe verwertbare Zucker (Maltose, Glucose) abspalten. Dadurch verbessert sich die Gärkraft und somit die Volumenausbeute sowie Geschmack, Bräunung und Frischhaltung.
Pilz-α-Amylase
Für die Herstellung von Enzympräparaten für Lebensmittelanwendungen werden häufig Schimmelpilze eingesetzt. Durch den Herstellungsprozess können Nebenaktivitäten weitestgehend abgetrennt werden. Im Gegensatz zur pflanzlichen Amylase in Malzmehl hat Pilz-α-Amylase nur einen sehr geringen Effekt auf die Fallzahlen, da sie empfindlicher als Erstere auf die hohen Temperaturen bei der Fallzahlbestimmung reagiert und inaktiviert wird, bevor sie das Stärkegel abbauen kann. Sichtbar wird jedoch, wenn eine deutliche Überdosierung vorliegt oder wenn die Maximaltemperatur der Bestimmungsmethode auf ca. 80 °C gesenkt wird. Vor wenigen Jahren entwickelte neuartige Pilz-Amylasen mit höherer Hitzestabilität haben sowohl einen deutlichen Effekt auf die Fallzahlerniedrigung als auch eine positive Wirkung auf das Gärvermögen (Abbildung 1).
Abbildung 1: Amylasen zur Steuerung der Fallzahl, der Volumenausbeute und der Bräunung. A: Pilz- und Gersten-Amylase, B: neuartige Pilz-Amylase, C: Gersten-Amylase, D: Pilz-Amylase
Getreide-Amylasen
Malzmehle und Malzextrakte werden aus gekeimten Getreidekörnern hergestellt. Beim Keimen von Gerste, Weizen oder anderen Cerealien entstehen vornehmlich α- und ß-Amylase, aber auch Protease, Glucanase und viele andere Enzyme, die teilweise positiv für den Backprozess sein können (Amylasen, Glucanasen), aber durchaus auch stören können (Proteasen) (Abbildung 2). Ebenso wie die mehleigenen Amylasen hat auch die Amylase des Malzmehls eine deutliche Wirkung auf die Fallzahlen. Dies ist auf die im Vergleich zur Pilz-Amylase erhöhte Temperaturstabilität zurückzuführen.
Abbildung 2: Bildung von Amylase und Protease beim Einweichen (Steeping), Keimen (Germination) und Trocknen (Drying) von Gerste (Zeit in Tagen) (Popper und Lösche, 2021)
Bakterielle α-Amylase
Bakterien wie Bacillus subtilis, B. licheniformis oder B. amyloliquefaciens dienen als Quellen für sehr thermostabile Amylasen, die jedoch beim Backen mit Bedacht eingesetzt werden sollten. Zwar haben sie das Potenzial, den Ofentrieb und die Krumenfrischhaltung zu erhöhen, jedoch können sie bei einer sehr leicht möglichen Überdosierung den Backprozess überstehen, mit fatalen Folgen für die Brotstruktur.
Maltogene α-Amylase
Bacillus stearothermophilus produziert eine α-Amylase mittlerer Thermostabilität, die die besondere Eigenschaft hat, die Stärke zu kurzkettigen Dextrinen mit 2 bis 6 Glucoseeinheiten abzubauen. Neben der Fähigkeit dieser Amylase, bei steigender Temperatur die beginnende Verkleisterung der Stärke auszunutzen und diese abzubauen, wird die Bildung der kurzen Dextrinmoleküle als Grund für die erstaunliche Wirkung des Enzyms auf die Brotfrischhaltung gesehen: Durch Interaktion mit den helikalen Strukturanteilen des Amylopektins wird dessen Rekristallisation und damit die Brotalterung verzögert. Aufgrund der nur mittleren Hitzestabilität wird das Enzym im weiteren Backverlauf inaktiviert.
Glucoamylase (Amyloglucosidase)
Glucoamylase baut Stärke zu den kleinsten Untereinheiten, zur Glucose ab. Im Gegensatz zur α-Amylase, die nur die geradkettigen Regionen der Stärke (α-1,4-verknüpft) spalten kann, schreckt sie dabei auch nicht vor den Verzweigungen (α-1,6) im Amylopektin zurück. Glucoamylase hat vornehmlich eine Bedeutung für die Bräunung und für die Aufrechterhaltung der Gärung über längere Zeit (Gärverzögerung und -unterbrechung). Da sie stets mit α-Amylase kombiniert wird, ist die Dosierung von Glucoamylase im Allgemeinen sehr niedrig.
Anders verhält es sich mit vor Kurzem neu entwickelten Glucoamylasen, die hitzestabiler als die klassischen Enzyme dieser Familie sind. Sie betreiben den Stärkeabbau auch noch zu Beginn des Backprozesses, wenn die Stärke durch die beginnende Verkleisterung besser zugänglich wird. Neben der positiven Wirkung auf die Bräunung und die Gärung stellt sich mit ihnen auch eine deutliche Verzögerung der Stärkeretrogradation und damit Verlangsamung des Altbackenwerdens ein, weil offenbar die dafür verantwortlichen spiralförmigen Seitenketten des Amylopektins so weit abgebaut werden, dass sie kaum noch in den festeren kristallinen Zustand zurückkehren können.
Hemicellulase
Die Familie der Hemicellulasen umfasst eine Vielzahl von Enzymen. Für Weizenmehl die wichtigste Unterfamilie der Hemicellulasen ist die der Pentosanasen beziehungsweise – noch präziser – sind die Endo-1,4-ß-Xylanasen.
Xylanasen
Weizenmehl der Type 550 enthält ca. 2,5 % Schleimstoffe (Roggenmehl Type 1150: ca. 7 %), die das 10-Fache ihres Gewichts an Wasser binden können. Diese auch Pentosane genannten Stoffe gehören zu den Hemicellulosen, gewissermaßen chemischen Verwandten der Cellulose. Sie sind aus unterschiedlichen Zuckermolekülen aufgebaut, vor allem Xylose und Arabinose, aber auch Glucose und Galactose. Hemicellulasen bauen diese Substanzen ab.
Wenn die mengenmäßig wichtigste Hemicellulose des Mehls – ein Pentosan, genauer Xylan beziehungsweise Arabinoxylan – durch Xylanasen abgebaut wird, entstehen zunächst aus den zwar im Wasser suspendierten, jedoch unlöslichen Xylanen hohen Molekulargewichts kleinere und daher lösliche Moleküle mit höherem Wasserbindungsvermögen. Somit steigt die Viskosität und folglich der Knetwiderstand. Im weiteren Verlauf werden diese Moleküle und auch die schon zuvor wasserlöslichen Xylane (mit bereits kleineren Molekülen) zunehmend abgebaut, Wasser wird freigesetzt und die Viskosität sinkt (Abbildung 3).
Von Xylanen wird behauptet, dass sie mit dem Klebereiweiß des Weizens ein Netzwerk bilden, das umso fester ist, je mehr Xylane daran beteiligt sind. Ferner verknüpfen sich Xylane untereinander über ihre Seitenketten im Laufe der oxidativen Gelbildung. Dabei wird vermehrt Wasser fixiert, das wiederum dem Kleber nicht mehr zur Verfügung steht, um die notwendige Dehnbarkeit auszubilden: ein weiterer Grund für verringerte Volumenausbeuten durch Xylane.
Mit Xylanase lässt sich auch die Krumenstruktur verändern: während vor allem „klassische“ Xylanasen aus Trichoderma dosisabhängig eine grobe, rustikale Struktur bewirken können, lassen sich vor allem mit Xylanase aus Bacillus subtilis, aber auch gut aufgearbeiteten Xylanasen aus Aspergillus niger feinere Porungen erzielen.
Abbildung 3: Die Wirkung verschiedener Xylanasen auf die Viskosität einer Weizenpentosansuspension.
A: Aspergillus, B: Bacillus, T: Trichoderma (Popper und Lösche, 2021)
Protease
Protease (auch Proteinase oder Peptidase) spaltet die Proteinstränge des Weizenklebers und führt so zunächst zu einer Erweichung und dann zu einem vollkommenen Nachlassen der Struktur. Daher wird vielfach auch auf Enzympräparate Wert gelegt, die Protease nicht einmal in Spuren enthalten. Mitunter lassen sich mit Spuren von Protease aber auch die Volumenausbeute oder der Ausbund von Brötchen verbessern. Unproblematischer ist die Verwendung von Protease bei kleberreichen Mehlen. Von großem Nutzen sind Proteasen bei der Herstellung von Keks- oder Waffelmehlen. Zum Einsatz kommen Proteasen aus Pilzen (oft Aspergillus oryzae) und Bakterien (oft Bacillus subtilis). Sie verringern die Neigung der Keksteige zum Schrumpfen („Schnurren“) und beugen der Deformation der Kekse sowie der Rissbildung vor. Im Gegensatz zu bakteriellen Amylasen haben Proteasen aus Bacillus übrigens keine erhöhte Thermostabilität, werden also beim Backen sicher inaktiviert.
Oxidasen
Schon lange wird versucht, mittels oxidativ wirkender Enzyme die Verwendung oxidativer Präparate zu vermeiden oder wenigstens zu verringern. Wenngleich einige Enzyme gewisse Vorteile in bestimmten Anwendungen zeigen, gibt es bislang noch keines, das für sich alleine genommen die Wirkung der üblichen Mehlreifungsmittel (zum Beispiel Ascorbinsäure) ersetzen könnte. Kombinationen mit diesen hingegen haben durchaus das Potenzial für Qualitätsverbesserungen. Insbesondere die Maschinengängigkeit, der Teigstand und auch der Ausbund profitieren von oxidativen Enzymen.
Glucose-Oxidase, Hexose-Oxidase und Pyranose-Oxidase
Glucose-Oxidase oxidiert im Teig mithilfe des Luftsauerstoffs zum einen Glucose zu Gluconsäure beziehungsweise deren inneren Ester Glucono-delta-Lacton und zum anderen wandelt sie Wasser zu Wasserstoffperoxid. Dieses unspezifische Oxidationsmittel wirkt unter anderem auf die Sulfhydrylgruppen des Klebers, wodurch eine Straffung eintritt. Eine wichtige Funktion ist auch die ausgelöste oxidative Gelierung von Pentosanen (die durch mehleigene Peroxidasen befördert wird): Die verknüpften Pentosane binden Wasser sehr stark und führen dadurch zu einer Abtrocknung der Teigoberfläche sowie Stärkung der äußeren Schichten der Teiglinge. Abbildung 4 zeigt die Auswirkung von Glucose-Oxidase auf Form und Größe von Ausbundbrötchen nach Übergare.
Der begrenzende Faktor ist bei Oxidasen die Verfügbarkeit von Sauerstoff. Nur an der Teigoberfläche finden sich gute Bedingungen für Glucose-Oxidase, da hier stets ausreichend Sauerstoff vorhanden ist. Abhilfe schaffen nur technische Maßnahmen im Bereich der Teigbereitung, zum Beispiel Kneten unter Überdruck oder Sauerstoffzufuhr über die Knetwerkzeuge oder das Wasser.
Hexose-Oxidase und Pyranose-Oxidase wirken wie unspezifische Glucose-Oxidase. Das Prinzip ist das gleiche (Zucker und Wasser zu Zuckersäure und Wasserstoffperoxid), jedoch akzeptieren sie auch andere Zucker als nur Glucose.
Abbildung 4: Vergleich der Wirkung von Ascorbinsäure und Glucose-Oxidase bei Ausbundbrötchen aus übergaren Teiglingen.
Alle Ansätze enthielten eine Grundbehandlung mit Amylase und 20 ppm Ascorbinsäure.
Carboxylesterasen (lipolytische Enzyme)
Mehl enthält verschiedene fettähnliche Substanzen. Deren Ab- oder Umbau ist mit lipolytischen Enzymen möglich, insbesondere Lipasen, Phospholipasen und Glycolipasen. Häufig ist die Abspaltung einer Fettsäure das Wirkprinzip. Dabei entstehen polarere Moleküle, denen schon von MacRitchie und Gras (1973) eine bessere Backwirkung zugeschrieben wurde. Während des Knetprozesses assoziieren die freien Lipide mehrheitlich mit dem Kleber. Werden sie an dieser Stelle von lipolytischen Enzymen modifiziert, treten sie offenbar in eine verstärkte Wechselwirkung mit dem Protein. Dies zeigt sich sowohl in einer deutlich verbesserten Teigstabilität mit daraus resultierendem Anstieg des Backvolumens (Abbildung 5) als auch in rheologischen Untersuchungen, zum Beispiel durch einen erhöhten Widerstand und eine verringerte Dehnbarkeit im Alveogramm.
Abbildung 5: Auswirkung eines lipolytischen Enzymsystems auf Form und Größe von brasilianischen Baguette-Brötchen. Alle Ansätze enthielten Amylase, Ascorbinsäure, Oxidationsmittel (Azodicarbonamid, nicht zulässig in der EU) und Emulgator
Triacyl-Lipase
Dieses Enzym spaltet Fette in Mono- und Diglyceride. Somit entstehen in-situ Emulgatoren, mit den bekannten Auswirkungen auf Teig- und Backeigenschaften. Allerdings scheint die Interaktion mit Protein zu überwiegen, da vor allem die Teigstabilität und die Volumenausbeute positiv beeinflusst werden können, nicht jedoch die durch Wechselwirkung mit Stärke beeinflussbare Frischhaltung der Krume. Es muss beachtet werden, dass beim Zusammentreffen bestimmter Fette mit bestimmten Lipasen auch Aromaveränderungen aufgrund der Freisetzung von Fettsäuren auftreten. Die in jüngster Vergangenheit entwickelten Lipasen haben jedoch eine geringere Affinität zu den kurzkettigen Milchfettsäuren als die frühen Enzyme, sodass die Neigung zu Fehlgeschmackbildung selbst bei Buttergebäcken deutlich abgenommen hat.
Phospholipasen
Die Phospholipasen A1 und A2 spalten Fettsäuren von Lecithinmolekülen. Dabei entstehen aus den an sich schon polaren Lecithinen noch polarere, wasserliebendere Substanzen (Lysophospholipide), die in eine verstärkte Wechselwirkung mit Gasblasen im Teig und mit Kleber treten können.
Glycolipasen
Diese Enzyme spalten Fettsäuren aus mit Zuckern veresterten Lipiden ab. Dabei entstehen aus den ebenfalls schon polaren Glycolipiden (im Mehl vor allem Galactolipide) noch polarere Substanzen. Die positive Wirkung der so entstehenden Galactoside ist bemerkenswert. Auch die Krumenstruktur entwickelt sich zumeist in Richtungen feiner und gleichmäßiger, ähnlich wie beim Einsatz von Emulgatoren.
Transglutaminase
Über die Seitenketten der Aminosäure Lysin und Glutamin kann Transglutaminase die Proteine intra- und intermolekular verknüpfen. Daraus resultiert eine Proteinfestigung, die sich zum Beispiel auf das Extensogramm ähnlich auswirkt wie Ascorbinsäure (Abbildung 6). Dass sich Transglutaminase in der Mehlbehandlung bislang nicht durchgesetzt hat, liegt an den im Vergleich zu Ascorbinsäure hohen Kosten einer Behandlung und der eher geringen Wirkung auf Volumen und Erscheinung der Gebäcke.
Abbildung 6: Vergleich der Wirkung von Ascorbinsäure und Transglutaminase im Extensograph.
TG: Transglutaminase, Asco: Ascorbinsäure (Popper und Lösche, 2021)
Zusammenfassung
Anhand von einigen praktischen Beispielen wurde gezeigt, dass sich mit Enzymen die Eigenschaften von Teigen und die Qualität der Backprodukte in vielerlei Hinsicht günstig beeinflussen lassen.
Enzyme bilden einen „Werkzeugkasten“, in dem der Anwender in vielen Fällen das richtige Werkzeug findet, um einen Prozess in positiver Weise zu steuern. Doch auch unabhängig von der Verwendung von Enzymen als Hilfsstoff ist das Wissen über die Wirkung von Enzymen von großer Bedeutung, da viele der in Backanwendungen eingesetzten Rohstoffe natürlicherweise Enzyme enthalten, deren Wirkung bei entsprechendem Wissen in günstiger Weise gesteuert werden kann, vor allem durch Temperatur, Feuchtigkeit, pH-Wert oder Zeit.
Für einen tieferen Einblick in die Enzymwirkungen beim Backen empfiehlt sich die Lektüre von Quelle 2.
Quellen
[1] MacRitchie, F und Gras, PW, 1973. The role of flour lipids in baking. Cereal Chem. 50(3), 292-302.
[2] Popper, L und Lösche, K, 2021. Understanding baking enzymes. Robert Wenzel Verlag, Hamburg.
