1. Grondstoffen

1.6. Enzymen

Inleiding

Eerst en vooral moet het duidelijk zijn dat enzymen eiwitten zijn en dat ze een specifieke reactie katalyseren voor een bepaald substraat. Met andere woorden een bepaald enzym zal slechts inwerken op een bepaald substraat en alleen ÚÚn welbepaalde reactie katalyseren. Ten tweede moet men onthouden dat het enzym, alhoewel het een belangrijke speler is in een chemische reactie, het zelf geen veranderingen ondergaat omwille van de reactie. Het zijn biologische katalysatoren die een chemische reactie mogelijk maken of ze versnellen.

Omdat het eiwitten zijn, zijn ze warmte gevoelig en alle enzymen hebben een optimum temperatuur en optimum pH voor wat betreft hun activiteit. En naast de optimale temperatuur en/of pH zijn zij actief binnen een bepaalde bandbreedte. In die bandbreedte zal hun activiteit stijgen tot zij de denaturatie temperatuur bereikt hebben. Dat is de temperatuur waarbij het eiwit vernietigd wordt en waarbij de functionaliteit van het enzym verloren gaat. De zelfde regel geldt voor de pH. Bij een bepaalde pH (te hoog of te laag) zal het enzym zijn functionaliteit verliezen. Naast temperatuur en pH is hun werking ook afhankelijk van de beschikbaarheid van water (zonder water doet het enzym niets), de beschikbaarheid van het substraat en de tijd. Voorbeeld: amylasen werken in op suikers maar als er geen suiker is zal de amylase niets doen.

Men moet echter in het oog houden dat het al dan niet nuttig zijn van een bepaalde enzymatische reactie, gedeeltelijk afhankelijk is van het op elkaar afstemmen van de optimum pH van het enzym met de pH van het deeg.

Samenvattend: enzymen zijn biologische stoffen, meestal eiwitten, die meewerken aan het omzetten van een bepaalde stof in een andere stof. Hun aanwezigheid versnelt de chemische reactie en ze zijn zeer specifiek. Ze werken in op ÚÚn bepaalde stof of ze katalyseren slechts een bepaalde soort reactie. Soms werken ze wel in op verschillende substraten die een zeer gelijkaardige chemische structuur hebben.

De activiteit van het enzym is afhankelijk van de temperatuur. Enzymen die in de bakkerij gebruikt worden zijn normaal stabiel bij kamertemperatuur. De snelheid waarmee een enzym werkt verdubbeld, algemeen gesproken, voor elke schijf van 10░C zolang tot het enzym gedenatureerd wordt. De meeste enzymen worden gedeactiveerd boven de 60░C. Een uitzondering op deze regel is bacteriŰle alfa-amylase, die actief blijft tot ongeveer 85░C maar die ook een residuele activiteit kan hebben na het bakken van het brood. Hierdoor wordt het brood na verloop van tijd echt kauwgomachtig.

Enzymatische activiteit is ook afhankelijk van de pH; er is een optimum pH (verschillend voor ieder type enzym) waarbij een maximum activiteit bereikt wordt. Enzymen zijn normaal stabiel tussen een pH van 4 tot 9 en de pH van een deeg ligt meestal tussen 5 en 6. Het is uitzonderlijk dat denaturatie omwille van de pH zich voordoet. Maar, de zuurtegraad heeft een effect op de ionisatie van de actieve groepen in de molecule van het enzym waardoor het enzym minder of meer functioneel wordt. De kunst bestaat er dus in om de pH van het deeg zo goed mogelijk af te stemmen op de optimale pH van het enzym

De activiteit van het enzym hangt ook af van de concentratie van het enzym en de concentratie van het substraat. Een hoger concentratie van enzym zal de reactiesnelheid verhogen maar dit is niet lineair met de hoeveelheid aanwezig substraat. De tijd dat het enzym en het substraat met elkaar in contact zijn beïnvloedt de duur en de intensiteit van de reactie.

De meeste enzymen functioneren alleen maar als er een co-enzyme aanwezig is. Dit co-enzyme is meestal geen eiwit. Er zijn ook stoffen die de werking van het enzym gaan vertragen of zelfs blokkeren omdat ze zich omkeerbaar of onomkeerbaar aan het enzym of aan het substraat vasthechten. Oxidatiemiddelen zoals bromaten hebben dit effect maar ook een aantal zware metalen.

scheme of enzymatic reaction

Er zijn 4 grote families enzymen die een rol spelen in het bakproces: amylases, proteases, pentosanases en lipoxygenases. Amylases kunnen onderverdeeld worden in α-amylase en β-amylase.

Wat zijn enzymen?

Eerst en vooral moet het duidelijk zijn dat enzymen eiwitten zijn en dat ze een specifieke reactie katalyseren voor een bepaald substraat. Met andere woorden een bepaald enzym zal slechts inwerken op een bepaald substraat en alleen één welbepaalde reactie katalyseren. Ten tweede moet men onthouden dat het enzym, alhoewel het een belangrijke speler is in een chemische reactie, het zelf geen veranderingen ondergaat omwille van de reactie. Het zijn biologische katalysatoren die een chemische reactie mogelijk maken of ze versnellen.

Omdat het eiwitten zijn, zijn ze warmte gevoelig en alle enzymen hebben een optimum temperatuur en optimum pH voor wat betreft hun activiteit. En naast de optimale temperatuur en/of pH zijn zij actief binnen een bepaalde bandbreedte. In die bandbreedte zal hun activiteit stijgen tot zij de denaturatie temperatuur bereikt hebben. Dat is de temperatuur waarbij het eiwit vernietigd wordt en waarbij de functionaliteit van het enzym verloren gaat. De zelfde regel geldt voor de pH. Bij een bepaalde pH (te hoog of te laag) zal het enzym zijn functionaliteit verliezen. Naast temperatuur en pH is hun werking ook afhankelijk van de beschikbaarheid van water (zonder water doet het enzym niets), de beschikbaarheid van het substraat en de tijd. Voorbeeld: amylasen werken in op suikers maar als er geen suiker is zal de amylase niets doen.

Men moet echter in het oog houden dat het al dan niet nuttig zijn van een bepaalde enzymatische reactie, gedeeltelijk afhankelijk is van het op elkaar afstemmen van de optimum pH van het enzym met de pH van het deeg.

Omdat enzymen bestaan uit lange ketens aminozuren worden zij beschouwd als eiwitten en hebben zij vele eigenschappen gemeen met de groep van de eiwitten in het algemeen. De molecule van een enzym heeft echter een specifieke driedimensionale structuur. En binnenin deze structuur zijn er specifieke plaatsen waarin bepaalde delen van de molecule van het substraat - een vet, een ander eiwit of zetmeel bijvoorbeeld - precies past zoals een sleutel precies in een bepaald slot past.

Wanneer het actieve stuk van de molecule van het enzym zich vasthecht aan het substraat ontstaat er een enzym-substraat complex. Door de vorming van het complex is er minder energie nodig om een bepaalde reactie te laten plaats vinden. Die reactie van het substraat in stukken breken of het aan een andere molecule vasthechten. Het enzyme-substraat complex zorgt er ook voor dat de reactie beperkt blijft tot zeer specifieke bindingen in het substraat.

Enzym activiteit is dus uiterst specifiek. Afhankelijk van zijn driedimentionale structuur zal bijvoorbeeld een bepaald enzym slechts een bepaalde molecule hydroliseren. Andere enzymen gaan enkel en alleen bepaalde reacties doen verlopen en zolang het substraat bepaalde structuur elementen bevat, zal de reactie plaatsvinden. Wat de reactie ook zij, het enzym komt steeds onveranderd uit de reactie en dat is de reden waarom enzymen als katalysatoren beschouwd worden.

De naam van een enzym wordt gevormd door de uitgang "-ase" toe te voegen aan de naam van het substraat. Gemakshalve wordt de naam van het substraat meestal ingekort. De meest gebruikte enzymen in de bakkerij zijn carbohydrases, proteases en lipoxygenases.

Enzymen behoren chemisch gezien tot de groep van de eiwitten. Het zijn biologische katalysatoren die nodig zijn om bepaalde reacties - ook in het menselijk lichaam - tot stand te brengen. Hoewel zij slechts in kleine hoeveelheden aanwezig zijn in de graankorrel, spelen zij een primordiale rol in het rijs- en bakproces. Het voornaamste enzym dat aanwezig is in de graankorrel is diastase dat voorkomt in de kiem van de korrel. Dit enzym speelt een belangrijke rol bij het ontkiemen van de graankorrel.

schematische voorstelling enzymatische reactie

Eiwitten zijn lineaire polymeren van aminozuren die via een peptidenbinding aan elkaar zijn gekoppeld. In de natuur zijn 20 verschillende aminozuren bekend, wat betekent dat er een zeer grote variatie aan aminozuurvolgordes mogelijk is. Enzymen zijn zoals gezegd eiwitten. Een eiwitmolecuul bestaat uit een lange rij aminozuren die als een keten chemisch aan elkaar gebonden zijn. De aminozuren zijn de bouwstenen van alle eiwitten. De volgorde waarin de aminozuren in een eiwitmolecuul voorkomen, de lengte van de keten en de ruimtelijke structuur van de keten, bepalen de eigenschappen van het eiwit en dus van het enzym. De meeste enzymen bevatten tussen de 100 en 10.000 aminozuren. In feite zijn het daarmee betrekkelijk kleine eiwitten, die meestal in water oplosbaar zijn.

Het moet duidelijk zijn dat een enzym geen levend organisme is maar materiaal dat uit eiwit bestaat. Enzymen komen voor in en worden geproduceerd door alle levende wezens zoals bacteriën, gisten, schimmels, plant, dier en mens. Reacties, die in de natuur plaatsvinden worden gekatalyseerd door enzymen. Voor elk type reactie in de natuur is er een bepaald specifiek enzym nodig. Deze biochemische katalysatoren onderscheiden zich op een aantal punten van chemische katalysatoren :

Het merendeel van de door mensen toegepaste enzymen is afkomstig uit micro-organismen. Een uitzondering is het stremsel dat gebruik wordt in de kaasbereiding, dat afkomstig is van de kalfsmaag. Er is echter ook een alternatief : een enzym dat door micro-organismen geproduceerd wordt, omdat men er dankzij de moderne biotechnologie in geslaagd is de genetische informatie van het kalfsenzym over te brengen naar micro-organismen.

Van oudsher is moutmeel de bron van enzymen voor de bakker. Moutmeel ontstaat door drogen en malen van gekiemd graan. Moutmeel bevat veel enzymen. Het jonge plantje heeft voor de groei voedsel nodig. Dat voedsel is het zetmeel dat aanwezig is in het meellichaam van de graankorrel. Om dat voedsel in bruikbare vorm te brengen, is het enzym amylase nodig. Mout wordt gebruikt om een eventueel tekort aan amylase in de bloem te corrigeren. Men maakt een onderscheid tussen :

Door middel van verhitten is het mogelijk :

Inactief mout wordt gebruikt in bijvoorbeeld bruin brood met als doel smaak, kleur en aroma bij te sturen. Actief mout wordt gebruikt om enzym tekorten te corrigeren.

De werking van de enzymen is afhankelijk van :

a. reactie omstandigheden zoals temperatuur : veel enzymen werken optimaal tussen de 30°C en 40°C. Enzymen hebben een temperatuur waarbij ze optimaal functioneren, een optimum temperatuur. Dit wil ook zeggen dat de reactiesnelheid afhankelijk is van de temperatuur. De optimum temperatuur is ook niet noodzakelijk altijd dezelfde omdat hij op zijn beurt beïnvloed wordt door de samenstelling van het deeg.

b. ook de pH heeft een optimum m.a.w. ieder enzym heeft een maximale reactiesnelheid bij een welbepaalde pH. Indien dus de pH van het deeg verandert, omdat men bijvoorbeeld zuurdesem gebruikt, dan kan het nodig zijn om de dosering van de enzymen bij te sturen.

c. het substraat : hoeveelheid en soort. De hoeveelheid beschadigd zetmeel aanwezig in de bloem speelt hier een belangrijke rol.

d. aan- of afwezigheid van inhibitoren

Enzymen worden gerangschikt naar de werking ervan. De naam eindigt vrijwel altijd op "-ase", voorafgegaan door de naam van de stof die het omzet. Zo is een protease een enzym dat proteïnen omzet en cellulase een enzym dat cellulose omzet. In de bakkerij worden vrijwel uitsluitend hydrolasen en oxidasen toegepast. Hydrolasen zijn betrokken bij de hydrolyse van stoffen dit wil zeggen het splitsen van verbindingen in aanwezigheid van water. Oxidasen zijn betrokken bij de oxidatie van verbindingen.

Soorten enzymen

Er zijn ontelbaar veel soorten enzymen. We bespreken hier enkel die enzymen die in de bakkerij gebruikt worden.

Veel productontwikkelaars in de voedingsindustrie denken dat het gebruik van enzymen een innovatieve manier is om nieuwe producten te ontwikkelen. En alhoewel dit juist is voor veel producten, de bakkerij heeft reeds een lange staat van dienst als het hem gaat over het gebruik van enzymen. De oudste referenties over het gebruik van enzymen in de bakkerij zijn meer dan 100 jaar oud.

Enzymen zijn aantrekkelijke functionele ingrediënten voor een aantal redenen. Om te beginnen komen ze op een natuurlijke wijze voor in de grondstoffen. Denk maar aan de amylasen die aanwezig zijn in de bloem. Ook interessant is het feit dat ze vernietigd worden door het bakproces, dus ze blijven niet achter in het brood. Hierdoor verkrijgt men een "clean label" (etiket of ingrediënten lijst zonder E-nummers) en toch kan men gebruik maken van de functionele voordelen die het gebruik van enzymen met zich meebrengt. Daarenboven zijn ze ook, zoals hierboven reeds uitgelegd, specifiek (één substraat, één welbepaalde reactie) waardoor men zich geen zorgen hoeft te maken over eventuele secondaire reacties of ongewenste neveneffecten (op voorwaarde dat het enzym zuiver is m.a.w. geen verontreinigingen bevat).

Amylasen

Diastase is samengesteld uit alfa-amylase en beta-amylase. Onder invloed van deze twee enzymen wordt zetmeel omgezet in maltose en in dextrinen Terwijl α-amylase zowel dextrinen als maltose vormt, produceert de β-amylase alleen maltose. Deze enzymen zijn dus belangrijk omdat zij de nodige suikers aanmaken die later door de gist gebruikt worden in het gistingsproces.

maltose

Twee amylasen komen veelvuldig voor in de bakkerij sector: alfa-amylase en beta-amylase die respectievelijk ook bekend zijn onder de namen alfa-1,4-glucaan glucanohydrolase en alfa-1,4-glucaan maltohydrolase.

Amylasen zetten zetmeel om in suiker: de α-amylase knipt het zetmeel door op willekeurige plaatsen (de zogenaamde 1-4 bindingen in het zetmeel) terwijl de β-amylase alleen twee suikermoleculen kan afsplitsen die zich aan de uiteinden van de zetmeelmolecule bevinden. Normaal gezien is er, van nature uit, voldoende β-amylase aanwezig in de bloem maar soms moet α-amylase toegevoegd worden. De α-amylase breekt het zetmeel af in kleinere moleculen, dextrinen genaamd, en hoe groter de α-amylase activiteit, des te beter de β-amylase gaat functioneren gewoon omdat er meer molecuul uiteinden beschikbaar zijn. Dus het substraat voor de β-amylase is zowel zetmeel als dextrinen en die worden op hun beurt afgebroken tot maltose.

Alfa-amylase is een "endo-enzyme" die verbindingen binnen in de zetmeel molecule gaat verbreken. Het splitst de zetmeelketen op een willekeurige plaatsen bij de alfa-1,4-glycoside binding en er ontstaan daarbij korte glucose ketens of dextrinen. Beta-amylase is een "exo-enzyme" dat maltose eenheden afsplitst van het niet-reducerende uiteinde van de zetmeel molecule.

Afhankelijk van hun herkomst, vertonen alfa- en beta-amylase verschillen in de optimale temperatuur en pH, hun resistentie tegen temperatuur en andere chemische toestanden. Ze hoeven geen co-enzyme om functioneel te zijn alhoewel het bewezen is dat de aanwezigheid van calcium de activiteit van alfa-amylase versterkt.

De optimale pH voor alfa-amylase is 4.5 en het enzym wordt gedeactiveerd bij een pH tussen 3.3 en 4.0. Deze pH afhankelijkheid vermindert de efficiëntie van het enzym in zuurdegen. Beta-amylase is actief in een grotere pH bandbreedte: 4.5-9.2, en heeft een optimum bij pH 5.3. alfa-amylase is is redelijk stabiel tot zo'n 70°C, terwijl beta-amylase ongeveer de helft van zijn functionaliteit verliest bij deze temperatuur. Amylase geproduceerd door schimmels heeft de kleinste thermoresistentie, gevolgd door amylasen uit graangewassen, terwijl amylase die geproduceerd werden door bacteriën stabiel is bij hogere temperaturen. Er bestaan ook "intermediaire" enzymen die actief blijven boven de verstijfselingstemperatuur van zetmeel (60°C), en die later in het bakproces volledig gedeactiveerd 80-90°C). Het objectief is het anti-staling effect te maximaliseren zonder een plakkerige, gummy-achtige kruin te krijgen.

Het toevoegen van amylase kan gebeuren in de molen of in de bakkerij. Er is trouwens een algemene tendens dat de bakker zelf de functionele ingrediënten die zich normaal in een verbeteraar bevinden toevoegt. Mout hetzij van gerst hetzij van tarwe wordt reeds meer dan een eeuw gebruikt in de bakkerij maar nu worden die langzaam maar zeker vervangen door enzymepreparaten. De reden hiervoor is dat mout een natuurlijk product is en dat de enzym activiteit van mout nogal eens kan variëren. Door amylasen toe te voegen worden er meer suikers geproduceerd die dan op hun beurt door de gist omgezet worden in alcohol en CO2. De suikers gaan ook het aroma beïnvloeden van het brood en de korstkleur. Door het afbreken van zetmeel verbeteren de amylasen de waterhuishouding in de kruim waardoor die op haar beurt malser wordt en het verouderingsproces anders verloopt.

De hoeveelheid α-amylase in bloem is meestal te laag en de molen zal de bloem bijsturen door α-amylase toe te voegen. De amylase activiteit van bloem wordt bepaald door het valgetal van Hagberg. Een goede bloem heeft een valgetal tussen de 200 en 250 seconden. De α-amylase die de molen toevoegt kan afkomstig zij van graangewassen (mout), geproduceerd door schimmels (Aspergillius oryzae) of een bacteriële oorsprong hebben (Bacillus subtilis). Amylase geproduceerd door bacteriën wordt op een hogere temperatuur gedenatureerd en kan in de kruim van het brood achterblijven. Het enzym zal actief blijven en zetmeel blijven omzetten. Aangezien zetmeel een belangrijke component is van het verouderingsproces worden bacteriële amylasen gebruikt om een malsere kruim te verkrijgen. Er is echter ook een keerzijde van de medaille. Als deze enzymen bijven nawerken in het brood, wordt de kruim gummy-achtige en in het slechtste geval gaat het brood inzakken terwijl het op het rek in de supermarkt staat.

Enzymen die verkregen worden via een fermentatie met schimmels gedragen zich op precies dezelfde manier als bacteriële enzymen of mout. Ze worden alleen bij een lagere temperatuur, dus vroeger in het bakproces, gedeactiveerd.

Amylasen werken in op zetmeel maar niet op natief zetmeel. Zetmeel is een polymeer opgebouwd uit glucose-eenheden. Er wordt onderscheid gemaakt tussen onvertakte glucoseketens (amylose) en de vertakte glucoseketens (amylopectine). Alfa-amylase knipt zetmeel in kleinere delen, de zogenaamde dextrinen. Deze dextrinen kunnen variŰren van vrij grote tot kleinere ketens. Beta-amylase splits vanaf het einde van een zetmeelketen twee glucose-eenheden af, maltose.

De amylasen kunnen het zetmeel pas bereiken wanneer het beschadigd is (en dit gebeurt bijvoorbeeld tijdens het malen; bloem bevat 6 - 12 % beschadigd zetmeel afhankelijk van het maaldiagramma van de molen) of wanneer het zetmeel verstijfseld is. Daarnaast zijn amylasen temperatuursgevoelig. Dit wil zeggen dat ze bij verhitting boven een bepaalde temperatuur ge´nactiveerd (denaturatie) worden. Verstijfseling van het zetmeel en hitteresistentie van het enzym zijn dus twee belangrijke factoren. Als men een groot rond brood van 800 g bakt dan wordt na ongeveer 13 - 15 minuten de verstijfselingstemperatuur van zetmeel bereikt. Vanaf dat moment komt er voor de amylasen veel zetmeel beschikbaar voor afbraak. De temperatuursstijging in het deeg gaat echter door en ongeveer 2 minuten laten wordt een temperatuur bereikt waarbij de amylasen langzaam ge´nactiveerd worden. Ongeveer 8 minuten nadat de zetmeelverstijfseling is ingezet zijn alle amylasen gedenatureerd. Het is dus duidelijk dat het meeste zetmeel afgebroken wordt tijdens het bakproces en dat de inwerkingtijd vrij kort is.

Carbohydrases hydroliseren de glycoside bindingen in carbohydraten. Deze verbinding komt tot stand tussen het reducerende uiteinde van een suikermolecule en de hydroxyl (-OH) groep van een andere molecule, meestal ook een suikermolecule. Amylases zijn carbohydrases die een groot aantal toepassingen vinden in de bakkerij. Ze hydroliseren amylose en amylopectine niet alleen in zetmeel maar ook in de zetmeelderivaten zoals dextrinen en oligosacchariden.

Alfa-amylase zet zetmeel om in water oplosbare dextrinen. De dextrinen kunnen op hun beurt gehydrolyseerd worden door beta-amylase waardoor maltose ontstaat. De dextrinen kunnen ook gehydrolyseerd worden door amyloglucosidase waardoor glucose ontstaat. Omdat zetmeel een heel compacte structuur heeft ageren de amylases slechts op beschadigd zetmeel (zoals er ongeveer 5 - 6 procent gevormd wordt tijdens het maalproces) of wel op gegelatiniseerd zetmeel dat ontstaat door het "koken" van zetmeel met water, een proces dat uiteraard plaats vinden tijdens de broodbereiding.

De suikers die gevormd worden door amylase activiteit worden gebruikt door de gist in met gist  bereide producten. Het is evident dat de aanwezigheid van deze enzymen in de juiste proporties van groot belang is voor de productie van CO2 door de gist. Bloem bevat zoals reeds aangehaald zowel alfa als beta-amylase. Het is echter alleen deze laatste die van nature uit in voldoende hoeveelheid aanwezig is in de bloem. Dus om de CO2 productie tijdens het rijzen te kunnen sturen wordt er alfa-amylase (via de broodverbeteraar) toegevoegd aan het deeg. Men moet echter opletten want men kan via allerlei toevoegingen ook te veel amylase toevoegen en dit kan op zijn beurt leiden tot problemen bij het snijden van het brood (kruim begint te kleven aan de messen van de snijmachine).

Amylases beïnvloeden ook de consistentie van het deeg. Beschadigd zetmeel kan meer water absorberen dan zetmeel korrels die nog in takt zijn. Maar de amylases gaan ook eerst en vooral het beschadigd zetmeel omzetten zodanig dat de water absorptie van de bloem eventueel kan dalen, waardoor een iets meer plakkerigere deeg ontstaat.

Tenslotte gaan amylases ook het verouderingsproces vertragen. Tijdens het bewaren wordt de kruim van het brood harder. Dit is niet alleen een gevolg van complexe reacties tussen het zetmeel en de eiwitten maar ook van de herkristallisatie van de amylopectine. Door hydrolisatie van de amylopectine in kleinere glucose ketens, kan bacteriële alfa-amylase de malsheid van de kruim bevorderen en men kan op die manier een langere houdbaarheidsdatum bekomen.

a-amylase is in staat zetmeel af te breken tot dextrinen en maltose. Het is een endo-enzym dat optreedt als katalysator bij de hydrolyse van zetmeel. CommerciŰle a-amylase gebruikt in de bakkerij is afkomstig van mout, schimmels of bacteriŰn. Het verschil zit in het optimale temperatuursgebied : a-amylase afkomstig van schimmels werkt het best bij lagere temperaturen (50-60░C) en bacteriŰle a-amylase werkt beter bij hogere temperaturen (70-80░C).Er zijn verschillende redenen waarom a-amylase toegevoegd wordt aan brooddeeg:

De voornaamste reden om a-amylase toe te voegen aan brooddeeg is dat het voldoende suikers vrijstelt voor de gist met als doel een optimale gasontwikkeling. Tarwebloem bevat slechts 0.5% vergistbare suikers wat onvoldoende is om tot een optimale deegontwikkeling te komen. De simpelste oplossing zou toevoegen van suikers zijn maar men prefereert een constante vrijstelling van suiker om tijdens de fermentatie een goede gasvorming te bekomen.

Tijdens het malen van de tarwe wordt ongeveer 10% van het zetmeel beschadigd. Deze beschadigde zetmeelgranulen nemen water op en zwellen, daardoor krijgt het deeg een hogere viscositeit en dit heeft een negatieve invloed op de kneedeigenschappen van het deeg. Alfa-amylase heeft de mogelijkheid om secties met een hoge absorptie af te breken en de kneedeigenschappen te verbeteren.

De kleur van de korst wordt verbeterd (donkerder) als resultaat van suikervorming en dus de vorming van Maillard reactieproducten.

Wanneer brood oud wordt, migreert water van de kruim naar de korst, de kruim wordt harder door de zetmeelherkristallisatie. Dit proces is het oudbakken worden van brood en limiteert het gebruik ervan voor de consument tot enkele dagen. Het oudbakken worden van brood kan vertraagd worden door toevoeging van a-amylase. Het beste effect wordt bekomen als een deel van het al verstijfselde zetmeel gehydrolyseerd wordt. Dit is mogelijk door toevoeging van mout of fungaal a-amylase. Bacterieel a-amylase is niet geschikt omdat het thermostabiel is en dus aanwezig blijft in het gebakken brood. Hierdoor zal het zetmeel verder afgebroken worden wat leidt tot een klefferig brood.

Beta-amylase wordt in de tarwebloem in minder constante hoeveelheden gevonden dan a-amylase en de hoeveelheid zal in tegenstelling tot a-amylase niet stijgen bij kieming. Beta-amylase is een exo-enzym dat 2 glucose-eenheden (maltose) afsplitst van het niet-reducerende einde van de zetmeelketen. Enkel lineaire zetmeelketens kunnen afgebroken worden door β-amylase want het is niet in staat de α-1,6-bindingen af te breken in amylodextrine. Samen met a-amylase zorgt β-amylase voor de vrijstelling van maltose aan de gist.

De hoeveelheid α-amylase die van nature uit aanwezig is in de bloem is soms niet toereikend vooral als het graan gekweekt werd in een droog klimaat. In zoĺn geval kan men mout toevoegen. Mout is zeer rijk aan alfa-amylase en aan beta-amylase. Alfa-amylase kan een plantaardige oorsprong hebben of een microbiŰle oorsprong:

oorsprong

enzym

reactie product

mout

diastase

dextrinen

graan

α-amylase

β-amylase

dextrinen

Aspergillus oryzae

α-amylase

glucoamylase

dextrinen

glucose

Aspergillus niger

glucoamylase

glucose

Bacillus subtilis

α-amylase

dextrinen

Aangezien enzymen eiwitten zijn denatureren ze bij een bepaalde temperatuur:

enzym

oorsprong

optimum temperatuur

T50

a-amylase

bloem

60 - 66░C

75░C

b-amylase

bloem

48 - 51░C

60░C

a-amylase

mout

55 - 60░C

65 - 75░C

a-amylase

Aspergillus

50 - 60░C

60 - 70░C

glucoamylase

Aspergillus

40 - 45░C

65 - 70░C

a-amylase

B. subtilis

70 - 80░C

85 - 90░C

Van alle graangewassen is gerst het best geschikt om mout van te maken. Tijdens het mouten ondergaat de gerst vergaande transformaties: nadat de gerst een voldoende hoeveelheid water heeft geabsorbeerd, begint het te kiemen. Tijdens het kiemen ontwikkelen er zich verschillende belangrijke enzymen waaronder diastase. Dit enzym is in staat zetmeel om te zetten in dextrinen en maltose. Maltose kan door de gist direct als voedingsbron gebruikt worden en omgezet worden in CO2 en alcohol.

De invloed van de beta-amylase op niet beschadigde zetmeelkorrels is heel langzaam in tegenstelling tot de alfa-amylase die vrij snel inwerkt op het zetmeel. De zetmeelkorrels die echter tijdens het malen beschadigd werden, worden door zowel de alfa-amylase als de beta-amylase omgezet. Verstijfseld zetmeel wordt ook gemakkelijk door beide enzymen omgezet in vergistbare suikers.

De technologie van de broodbereiding vertoont 4 belangrijke onderdelen en in alle 4 spelen de amylasen een belangrijke rol :

Al gedurende het kneden begint de a-amylase het beschadigd zetmeel om te zetten. De hydrolyse van het zetmeel speelt een belangrijke rol in de rheologische eigenschappen van het deeg. Het beschadigd zetmeel absorbeert namelijk een vrij grote hoeveelheid water. Als het zetmeel afgebroken wordt, komt dat water vrij waardoor het deeg meer plakkerig wordt.

Tijdens het rijzen worden bepaalde hoeveelheden maltose, glucose en dextrinen gevormd. Deze hoeveelheden zijn afhankelijk van het type enzym (o.a. zijn oorsprong). Maar zoals eerder gezegd spelen maltose en glucose een belangrijke rol bij het stofwisselingsproces van de gist. De aanmaak van maltose is afhankelijk van de hoeveelheid beta-amylase die aanwezig is. Dit enzym is meestal in voldoende hoeveelheden aanwezig. Het is vooral de hoeveelheid alfa-amylase dat behoorlijk kan schommelen met als gevolg dat de hoeveelheid beschikbaar glucose niet altijd even groot is. Om de gewenste hoeveelheden glucose te hebben in het deeg kan men glucoamylase toevoegen.

Ook tijdens het bakken gaan de enzymen ook een belangrijke rol spelen. Wanneer het deeg wordt ingeovend, dan gaat de temperatuur van het deeg langzaam beginnen stijgen. Hierdoor gaat de viscositeit van het deeg dalen en worden de enzymen meer mobiel. Bij 56░C ongeveer gaat het zetmeel beginnen verstijfselen (of gelatiniseren) waardoor het beschikbaar komt voor de enzymen om te worden omgezet. Maar ľ zoals aangegeven in een van de vorige tabellen ľ de enzymen hebben een optimale temperatuur en ook een halveringstemperatuur (T50). Dat is de temperatuur waarbij de helft van de activiteit van het enzym door denaturatie verloren gaat. Beta-amylase wordt gedeactiveerd bij ongeveer 60░C terwijl a-amylase heel wat meer thermostabiel is. Ook hier geldt dat door de hydrolyse van het zetmeel er water vrij komt. De vorming van dextrinen gaat dus enerzijds een rol spelen bij de kleurvorming van de korst maar ook bij het plakkerig, nattig aanvoelen van de kruim.

Aminozuren en suikers nemen deel aan de Maillard reactie, reactie die instaat voor de bruinkleuring van de korst. Deze suikers worden reducerende suikers genoemd. De Maillard reactie verloopt sneller bij verhitting en is een reactie tussen suikers en eiwitten. Het gevolg hiervan is dat er reactieproducten ontstaan die zorgen voor bruinkleuring van de korst en voor smaak- en aromavorming in de korst.

De glucoseketens binnen een zetmeelmolecuul hebben de neiging om na het verstijfselen bij het afkoelen naar elkaar toe te bewegen. Een herkristallisatieproces dat we retrogradatie noemen (staling in het Engels). Dit verschijnsel treedt ook op na het bakproces van brood. Direct na het bakken tijdens het afkoelen krijgt de kruim hierdoor de gewenste stevigheid. Het proces zet echter door en is een van oorzaken dat de broodkruim langzaam stug wordt. Wanneer nu een gedeelte van de zetmeelketens is afgebroken tot dextrinen is de neiging tot retrogradatie minder. De dextrinen zijn in staat om vocht vast te houden maar zullen minder herkristalliseren. Het gevolg is dat de kruim minder stug wordt en het brood langer mals blijft. Het kan echter ook zo zijn dat het zetmeel te ver wordt afgebroken met een kleffe, niet elastische kruim als gevolg. Dit kan gebeuren als men te veel amylasen heeft toegevoegd of wanneer men een hittebestendig amylase gebruikt heeft.

De rol die amylasen en andere enzymen spelen in het verouderingsproces wordt verder uitgediept in het hoofdstukje over het verouderen van brood.

Proteasen

Wanneer men bloem gaat analyseren dan wil men vooral de hoeveelheid eiwitten bepalen en naargelang het type product dat men wil produceren gaat men voor een bloem kiezen met bepaalde eigenschappen. De volgende tabel geeft dit weer:

product

eiwitgehalte

type bloem

wit brood

11 - 12 %

sterke bloem

bruin brood

14 - 16 %

zeer sterke bloem

koekjes

8 - 10 %

zwakke bloem

crackers

9 - 10 %

middelmatig sterk

cake

7 - 9 %

zeer zwakke bloem

pasta

13 - 15 %

durum tarwe

noodles

9 - 10 %

middelmatig sterk

Protease reageert met proteïnen en gaat de gluten structuur verzwakken. Kneedtijden worden korter, de verwerking op automatische lijnen gaat iets gemakkelijker en het deeg gaat beter de bakpan vullen. Dit is het gevolg van het afbreken van de lange eiwitketens, waarbij de peptide bindingen afgebroken worden.

Proteïnen zijn lange ketens van aminozuren. Proteolytische enzymen, ook proteasen genoemd kunnen onderverdeeld worden in twee grote groepen: proteasen en peptidase. Proteasen splitsen eiwitten bij de CO-NH binding waardoor er polypeptiden, peptiden en peptonen gevormd worden. Deze worden dan verder gehydrolyseerd in aminozuren door peptidases.

Mout werd vroeger ook gebruikt niet alleen voor het toevoegen van amylasen, maar ook om extra proteolytische enzymen aan de bloem toe te voegen. Voor deze toepassing is mout vervangen door proteasen afkomstig van planten of schimmels. De toevoeging van proteasen vindt zijn oorsprong in automatische lijnen met een grote capaciteit. Proteasen werden (worden) gebruikt om de kneedtijd te verkorten en toch een soepel deeg te verkrijgen. Ze werken in op de glutenstructuur. Hun effect is gelijkaardig aan dat van reducerende stoffen, behalve dat het effect blijvend is en het is niet omkeerbaar door oxidatie middelen zoals vitamine C toe te voegen.

Eiwitten zijn polymeren, opgebouwd uit aminozuren die aan elkaar gekoppeld zijn via zogenaamde peptidenbindingen. Proteasen splitsen eiwitten op de plaatsen van de peptidenbindingen, waardoor kortere eiwitketens ontstaan. Bij de proteasen wordt onderscheid gemaakt tussen endo- en exo-enzymen. Endo-enzymen splitsen midden in de keten en maken daardoor heel snel een aantal grotere brokstukken, de peptiden. Exo-enzymen splitsen het eiwit vanaf de uiteinden van de keten. Ze splitsen steeds een aminozuur af en breken zo heel geleidelijk de ganse keten af.

Het zijn de eiwitten (de hoeveelheid, het type en de kwaliteit) die de rheologische of visco-elastische eigenschappen van het deeg gaan bepalen. En deze eigenschappen be´nvloeden het gasweerhoudend vermogen van het deeg en het gedrag van het deeg onder invloed van temperatuursstijgingen. Door het toevoegen van proteasen kan men deze eigenschappen be´nvloeden. Het is zo dat de proteasen de eigenschappen van het gluten netwerk gaan veranderen. Als gevolg hiervan zijn proteasen uiteraard een belangrijk hulpmiddel om de consistentie van het deeg zodanig te veranderen dat men deze gemakkelijker kan verwerken.

Proteasen gaan peptide bindingen in de eiwitten verbreken. Hierdoor worden de eiwitten gedeeltelijk gewijzigd waardoor het deeg zachter wordt en waardoor het zich gemakkelijker mechanisch laat verwerken. De studie van de invloed van de proteasen op het deeg is niet eenvoudig aangezien hun invloed, hun werking en het effect dat ze hebben op het deeg, van het deeg zelf afhangt. Daarenboven bevat de bloem stoffen die een remmende werking hebben op de proteasen.

Proteasen kunnen het eiwit meteen afbreken van zodra er water bij te pas komt. Dit betekent in de praktijk dat de proteasen al tijdens het kneden beginnen met het afbouwen van de eiwitten. De werking tijdens het kneedproces be´nvloedt de ontwikkeling van het glutennetwerk. Tijdens de ontwikkeling van dit netwerk worden de eiwitketens ontrold door op bepaalde plaatsen verbindingen te verbreken en op andere plaatsen nieuwe verbindingen te maken. Een gedeeltelijke afbraak van het eiwit door proteasen helpt bij de ontwikkeling van het glutennetwerk.

Een factor die een belangrijke invloed heeft op de werking van de proteasen is de pH. Proteasen van bacteriŰle oorspong hebben een optimum pH bij 7,5 ongeveer terwijl proteasen die afkomstig zijn van schimmels een optimum pH hebben rond pH 5,5. Aangezien de pH varieert met het recept, met het al dan niet gebruiken van desems en met de pH van het water dat we gebruiken is het niet eenvoudig om de activiteit van de proteasen te sturen. Proteasen die in het deeg actief zijn zullen een optimum pH hebben en de werking van de proteasen zal dus afhankelijk zijn van de pH van het deeg. Ook voor proteasen geldt dat ze gevoelig zijn voor temperatuur waardoor ze tijdens het bakken ge´nactiveerd worden.

Proteasen die afkomstig zijn van Aspergillius oryzae en van Bacillus subtilis hebben een optimum pH boven pH 8 en hebben daarom geen of weinig invloed op het glutennetwerk omdat het deeg een pH heeft tussen 5,5 en 6,5 naargelang het recept enz.

Sommige proteasen die afkomstig zijn van dezelfde micro-organismen hebben echter een optimum pH die rond pH 6,5 ligt en deze hebben uiteraard wel een grote invloed op de rheologische eigenschappen van het deeg.

Proteasen die gewonnen worden uit Saccharomyces carlsbergensis hebben ook een goed merkbare invloed op de visco-elastische eigenschappen van het deeg.

Er moet tevens opgemerkt worden dat naargelang de oorsprong het enzym een verschillende invloed heeft op glutenine en op gliadine. In de volgende tabel kan men vaststellen hoe de enzymatische activiteit wisselt (absorptie van licht bij 280 nm door een oplossing van gliadine en glutenine waaraan 1 mg enzym toegevoegd was en na 1 minuut inwerken) :

protease

glutenine

gliadine

1

100,6

218,0

2

50,6

16,9

3

69,9

6,4

4

130,4

91,0

Tenslotte gaan de proteasen ook nog een invloed hebben op de smaak en de kleur van het brood. Omdat zijn eiwitten splitsen ontstaan er een aantal aminozuren in het deeg. Deze gaan dan op hun beurt een rol spelen bij de Maillard reactie.

Samenvattend kan men stellen dat proteasen de volgende effecten hebben in het deeg :

Hydroliseren van gluten : door hydrolyse vindt een gedeeltelijke afbraak plaats van het gluteneiwit. Hierdoor wordt de glutenontwikkeling bevorderd, wat resulteert in een kortere kneedtijd. De hydrolyse heeft ook invloed op de rheologische eigenschappen van het deeg : het wordt soepeler. In sommige gevallen is dit wenselijk zoals bij de productie van stokbroden waarbij een stukje deeg moet langgestoken worden. De deegversoepeling voorkomt tevens het krimpen van bladerdeeg.

Indien het gluten echter te veel afgebroken worden kunnen ongewenste effecten ontstaan. De degen worden dan te slap en worden quasi onverwerkbaar. Maar ook het glutennetwerk wordt verzwakt zodanig dat het deeg onvoldoende gashoudend vermogen zal hebben, met als gevolg een te klein volume, een open- en grove onregelmatige kruimstructuur en zwakke plekken in de korst.

Proteasen zorgen ook voor het ontstaan van vrije aminozuren in het deeg die in staat zijn o met de reducerende suikers deel te nemen aan de Maillard reactie. Het resultaat is een verbeterde kleuring van de korst en tevens meer smaak en aroma in het brood.

Hemicellulase

Hemecellulase is een verzamelnaam voor al de enzymen die het "niet-zetmeel" en "niet-cellulose" polysacchariden afbreken. Pentosanasen en xylanasen behoren tot deze groep. Bloem bevat ongeveer 2 - 3 % hemicellulose dat 30 % van het vocht in het deeg bindt. Hemicellulose komt voor in de celwanden van het meellichaam en in de vezelrijke delen van de tarwekorrel. Daarnaast is het waarschijnlijk dat een gedeelte van de hemicellulose aan het gluten gekoppeld worden om zo het glutennetwerk te verstevigen. De basisstructuur van de hemicellulosen bestaan uit een keten opgebouwd uit xylose-eenheden met daaraan als vertakking arabinose-eenheden. We spreken over een arabino-xylaan

d-xylose

Pentosanasen

Bloem bevat naast zetmeel nog andere polysacchariden (ongeveer 2 % - 3 %). Ongeveer de helft hiervan is oplosbaar in water (en noemt men pentosanen) en de andere helft is dat niet (hemicellulosen genoemd). De pentosanen spelen een belangrijke rol bij het broodproces omdat zij een grote hoeveelheid water kunnen absorberen :

Pentosanen zijn polysachariden die hoofdzakelijk bestaan uit de suikers xylose en arabinose die beide 5-ringen zijn. Alhoewel ze slechts in kleine hoeveelheden aanwezig zijn in de bloem (2 - 3 %) zijn ze in grote mate verantwoordelijk voor de water absorptie door de bloem. Ongeveer één vierde van het water dat men gebruikt in het recept, wordt door de pentosanen gebonden en de rest van het water door het (beschadigd) zetmeel en de eiwitten. Dit verhoogt de viscositeit van het deeg en beïnvloedt op een negatieve manier het volume van het brood. Pentosanases splitsen de polysacharide ketens waardoor de viscositeit van het deeg vermindert en het brood volume verbeterd wordt.

De pentosanen verbeteren het volume van het brood maar ľ en dit is vooral heel belangrijk ľ zij gaan het verouderingsproces van het brood vertragen. Het is dus evident dat enzymen van het type pentosanase en hemicullulase de kwaliteit van het brood gaan be´nvloeden.

Deze enzymen worden meestal gewonnen uit Aspergillius oryzae en A. niger. Dit zijn ook de micro-organismen die men aanwendt om amylasen te produceren. Vandaar het grote belang dat men moet hechten aan de oorsprong en de kwaliteit van de amylasen: een goedkoop amylase kan minder geraffineerd zijn en dus nog vrij veel pentosanasen en hemilcellulasen bevatten. Hierdoor gaan ongewenste secondaire effecten optreden bij het gebruik van deze amylasen. Trouwens de kwaliteit van ieder enzympreparaat wordt bepaald door het type van secondaire effecten.

Er bestaat geen algemeen aanvaarde theorie over de invloed en het belang van de pentosanasen bij de broodbereiding. Het lijkt er in ieder geval wel op dat deze enzymen het coaguleren van de eiwitten vertragen waardoor ze op indirecte manier zowel de kwantiteit als de kwaliteit van het gluten verhogen.

Xylanasen

Arabinoxylasen zijn celwandcomponenten van tarwe. Ze kunnen zowel wateroplosbaar als wateronoplosbaar zijn en ze bedragen 1 tot 3% van het droge stof gehalte van tarwebloem. De wateroplosbare pentosanen kunnen tot 10 maal hun eigen gewicht aan water vasthouden en hun aanwezigheid is positief gecorreleerd met broodeigenschappen. De wateronoplosbare pentosanen resulteren in een lager broodvolume. Om het gehalte aan wateroplosbare pentosanen te verhogen wordt xylanase toegevoegd aan brooddeeg. Xylanase breekt bindingen in de arabinoxylasen wat kan leiden tot de afbraak van de wateronoplosbare met vorming van wateroplosbare arabinoxylasen. Indien men teveel toevoegt zullen echter ook de wateroplosbare arabinoxylasen afgebroken worden waardoor het deeg kleverig wordt. Toevoeging van xylanase verbetert de bewerkbaarheid van het deeg, de ovensprong en het broodvolume. Het brood blijft ook langer vers. De oplosbare pentosanen hebben verschillende effecten op het deeg. Door hun grote capaciteit om water vast te houden be´nvloeden de pentosanen in het deeg de distributie van het aanwezige water. Indien er uitgebreide degradatie is of teveel exo-activiteit, zal de additie van xylanase - vooral die afkomstig van Aspergillus niger - eerder een negatief effect hebben : het deeg zal kleverig worden en veel moeilijker te bewerken. Algemeen kan men stellen dat de toevoeging van xylanase zorgt voor een groter broodvolume en een verbetering van de kruimstructuur van het brood, maar het maakt het deeg kleveriger en minder stevig.

Lipoxigenase

Lipoxygenase is betrokken bij oxidatie reacties. Hoewel ze al lang in de bakkerij worden toegepast is er relatief weinig bekend over het werkingsmechanisme. Lipoxygenase komt onder andere voor in sojabloem en via de sojabloem wordt er ook lipoxygenase toegevoegd aan het deeg. In pure vorm is het enzym vrijwel onbetaalbaar en daarom bijna niet te verkrijgen. In sojabloem komen verschillende typen lipoxygenases voor die allemaal actief zijn in verschillende pH gebieden. Onder invloed van lipoxygenase wordt in aanwezigheid van zuurstof een reactie ge´nitieerd waarbij uit onverzadigde vetzuren een peroxide-radicaal wordt gevormd. Dit peroxide-radicaal zorgt voor verdere oxidatiereacties waardoor, door oxidatie van pigmenten aanwezig in de bloem, onder andere een wittere kruim wordt verkregen.

Lipoxygenase wordt meestal toegevoegd onder de vorm van soja bloem. Dit enzym bleekt de bloem en geeft een wittere kruim. De bloem bevat gele pigmenten die afgebroken worden door lipoxygenase met het gevolg dat de kruim witter wordt.

Ook sulfhydryl-groepen (SH-groepen) gaan geoxideerd worden. In deeg komen vrije SH-groepen voor die een onderdeel uitmaken van gluten. Tijdens de ontwikkeling van het gluten komen deze SH-groepen steeds in aanraking met elkaar. Onder invloed van lipoxygenase is het mogelijk om van 2 SH-groepen een zogenaamde disulfidebinding (-S-S-brug) te laten ontstaan. Door deze brugvorming worden het gluten aan elkaar gekoppeld en dit is belangrijk voor de opbouw van een goed glutennetwerk. Door de vorming van de S-S-bindingen wordt het deeg standiger.

Tenslotte gaat lipoxygenase ook een invloed uitoefenen op de smaak en het aroma van het brood. De oxidatieproducten die ontstaan, worden verder omgezet tot vluchtige componenten die mede het aroma van het brood gaan bepalen.



e-mail
NoŰl Haegens

Home