Prehrambeno-biotehnološki fakultet Laboratorij za tehnologiju vrenja i kvasca

1. Prehrambeno-biotehnološki fakultet Laboratorij za tehnologiju vrenja i kvasca Izv.prof.dr.sc. Jasna Mrvčić Starter kulture u pekarstvu Bakterije mliječne kiseline

2. Definicija i uloga predtijesta u proizvodnji kruha PONAVLJANJE Pod pojmom „predtijesto“ u širem smislu, smatra se svako tijesto koje čini osnovu tj. bazu glavnom tijestu, a u kojemu se odvijaju procesi bubrenja, dozrijevanja i kiseljenja sa svrhom postizanja tehnoloških, senzorskih ili drugih kvalitativnih prednosti pekarskih proizvoda S obzirom na ulogu: a) Predtijesta za bubrenje dijelova žitarica i/ili sjemenki uljarica b) Predtijesta za pojačavanje arome pšeničnih i raženi tijesta c) Predtijesta za kiseljenje raženih i pšeničnih tijesta • Predtijesta s obzirom na prisustvo m.o.: • predtijesta bez ciljane upotrebe mikroorganizama (kukuruzna parena masa ) • s ciljanom upotrebom mikroorganizama (kvas, Biga, Poolish, kiselo tijesto)

3. PONAVLJANJE Kvasci BMK “Kvas” “Biga” “Poolish” Kvasci Kiselo tijesto 10-30% 5-30% PREDTIJESTO PREDTIJESTO PREDTIJESTO • STARTER KULTURE U PEKARSTVU: • KVASCI • BAKTERIJE MLIJEČNE KISELINE

4. Kiselo tijesto predtijesto s ciljanom upotrebom m.o.: BMK i kvasaca Kiselo tijesto (“sourdough”) – tijesto načinjeno od brašna, vode i mikroorganizama (bakterija mliječne kiseline i kvasaca, ≈ omjer 100:1) u aktivnom stanju Kiselo tijesto: mješovita kultura BMK i kvasaca – simbioza, kompeticija… tijekom fermentacije odvijaju se brojne biokemijske promjene ugljikohidrata i proteina FERMENTACIJA – tvornica okusa i arome

5. FERMENTACIJA – tvornica okusa i arome - uloga BMK u pripremi kruha Zakiseljavanje – promjena reoloških karakteristika tijesta (glutena) – primarni efekt zakiseljavanja - promjena aktivnosti enzima brašna – sekundarni efekt zakiseljavanja • Sinteza spojeva arome • Sinteza antimikrobnih spojeva • Sinteza CO2 – volumen kruha • Sinteza egzopolisaharida • Promjene nutritivne i • zdravstvene vrijednosti kruha 3. predavanje

6. Prednosti proizvodnje pekarskih proizvoda uz dodatak kiselog tijesta Mrvčić i sur., 2011.

7. Mehanizam djelovanja kiselog tijesta na strukturu tijesta i kruha je vrlo kompleksan i može se podijeliti na: • a) primarni efekt zakiseljavanja – djelovanje na strukturu tijesta • pH = 3,5-4,3 – mijenja se struktura vezanja škroba, glutena i arabinoksilana - povećava se topivost glutena – slabljenje strukture tijesta, lakše i kraće miješanje, povećana obradivost i elastičnost tijesta – povećanje volumena kruha, povećana mogućnost vezanja vode – produžena svježina • b)sekundarni efekt zakiseljavanja – djelovanje na enzime tijesta • pH = 3,5-4,3 – mijenja se aktivnost enzima u tijestu • ↓ Amilaze – smanjuje se aktivnost amilaza – povećava se svježina, smanjuje se glikemijski indeks • ↑ proteaze – povećava se konc. aminokiselina – aroma! • ↑fitaze – povećava se biološka raspoloživost minerala

8. Gluten pH zrelog kiselog tijesta je oko 3,5 – 4,3 Uobičajenim dodatkom oko 20 % kiselog tijesta u glavni zamjes- pH smanji se na oko 4,7-5,5 Topivost i bubrenje glutena se povećava u kiselom mediju zbog velike količine pozitivnog naboja bitne promjene reoloških svojstava tijesta,volumena kruha i strukture sredine. slabljenje strukture tijesta, lakše i kraće miješanje, povećana obradivost i elastičnost tijesta- lakše dizanje tijesta i povećanje volumena kruha, te vezanje veće kol. vode Modifikacija proteina (1) povećanje topivosti glutena

9. Modifikacija proteina (2) • Povećana mogućnost vezanja vode - produžuje svježinu kruha • Sredina kruha s kiselim tijestom je čvršća, elastičnija i manje mrvljiva, • Kora kruha duže vremena hrskavija - smanjene migracije vode iz sredine prema kori vlažnost sredine tijekom skladištenja • Brojne fizikalno-kemijske promjene sredine i kore kruha tijekom skladištenja zajednički se nazivaju starenje kruha. • Tijekom starenja, sredina kruha postaje tvrđa, čvršća i više mrvljiva, • a kora mekana i žilava. • Starenje sredine kruha je kompleksan proces najviše ovisan o promjenama u škrobnoj frakciji. • BUDITE OPREZNI ! • Smanjenje volumena predoziranjem kiselog tijesta zbog razgradnje glutenske mreže!!!

10. Primjer Utjecaj vrste startera i količine doziranja predtijesta na volumen kruha A – kvasno predtijesto B,C – kiselo tijesto

11. Primjer: Senzorska analiza

12. Primjer: Senzorska analiza Ocjene senzorskih svojstava kruha pripravljenih korištenjem različitih startera i s različitim stupnjem doziranja predtijesta

13. Alergijske reakcije 6-10 % dječje i 1-4 % odrasle populacije - alergije na hranu- pšenični i raženi proteini brzim procesima proizvodnje pekarskih proizvoda - blaga degradacija cerealnih alergena - veliku otpornost na gastrointestinalne enzime - izazivaju imunološku tj. alergijsku reakciju. Povećana aktivnost proteaza (enzimi za razgradnju proteina) pri nižim pH vrijednostima uz dodatak kiselog tijesta, kao i proteolitički sustav selektiranih BMK, smanjuje koncentraciju cerealnih alergena – manje alergijske reakcije na žitarice Modifikacija proteina (3)

14. Kiselo tijesto i bezglutenski proizvodi Celijakija - kronična gastroenterološka bolest, a doživotna bezglutenska dijeta jedina je potrebna i sigurna terapija. Mnoga škrobno bazirana bezglutenska brašna kontaminirana su glutenom u koncentracijama od 10 do 200 ppm Rješenje – mliječno kisela fermentacija bezglutenskih proizvoda Modifikacija proteina (4)

15. Primjer Western blot/R5 analysis of gliadin reference (1); chemically acidified dough (control) (2); dough incubated for 24 h at 37 °C with VSL#3 (3) From De Angelis et al. (2005).

16. Proteolitička aktivnost - povećanje koncentracije slobodnih aminokiselina – formiranje arome proizvoda (ornitin, leucin, izoleucin, valin, metionin) Modifikacija proteina (5)

17. A R O M A Ključna tvar arome kore pšeničnog kruha je 2-acetil-1-pirolin - nastaje za vrijeme pečenja u Maillardovoj reakciji iz ornitina Ornitin iz arginina sintetiziraju L. pontis, L. amylolyticus, L. brevis, L.fermentum, L. frumenti, L. reuteri , L. sakei, L. sanfranciscensis Ostale važne tvari arome koje su pronađene u višim koncentracijama u sredini kruha koji je proizveden uz dodatak kiselog tijesta su: alkoholi (2-propanol, 3-metil-propanol, 2-feniletanol), diacetil, acetaldehid itd. Iskorištenje tijesta (DY) = (m brašna+m vode)/m brašna*100 Tvrđa tijesta (IT=160) više octene kiseline, povećanje arome Mekša tijesta (IT=200) brža fermentacija, više mliječne kiseline – slaba aroma Poželjan omjer mliječne i octene kiseline (MK/OK = 2-4)

18. promjene u strukturi škroba odgovorne su za starenje kruha brzina starenja kruha ovisi o brzini retrogradacije amilopektina BMK svojim metabolizmom usporavaju retrogradaciju škroba (cijepaju bočne lance amilopektina) i time usporavaju proces starenja kruha • S M A NJ E NJ E M R V LJ I V O S T I • produljenjem svježine - modifikacijom škroba Amiloza Amilopektin

19. Povećanje potrošnje proizvoda od brašna cjelovitog zrna Proizvodi od brašna cjelovitog zrna neprimamljivog su okusa Posije (vlakna) u kruhu uzrokuje brojne probleme u kvaliteti kruha - smanjenje volumena, stvaranje krute i neelastične kore, promjenu okusa kruha - fermentacija s BMK Proces kiseljenja tijesta smanjuje negativan utjecaj mekinja na kvalitetu kruha i pridonosi povećanju potrošnje proizvoda povećane nutritivne i zdravstvene vrijednosti Vlakna su u zapadnjačkoj prehrani nedovoljno zastupljena, • oko 20 g/dan, dok je preporučena količina oko 25 – 30 g/dan Nedostatak vlakana u prehrani povezan je s pojavom karcinoma • debelog crijeva, srčanih bolesti te dijabetesom BMK pozitivno djeluju i na mikrobiološku ispravnost tijesta i • kruha - nepoželjni mikroorganizmi u vanjskom sloju zrna

20. Mikrobiološke prednosti proizvodnje pekarskih proizvoda uz dodatak kiselog tijesta • BMK svojim metabolizmom produžuju trajnost kruha • -antibakterijsko i antifungalno djelovanje • nepoželjni mikroorganizmi nalaze se u vanjskom sloju zrna – važna primjena kod proizvoda od punog zrna - BMK pozitivno djeluju na mikrobiološku ispravnost tijesta i kruha • Kruh iz povrata s prodajnih mijesta koristi se za mrvice, krušnu fermentaciju, ishranu stoke – NE ako su vidljive plijesni!

21. BMK Antifungalna aktivnost odabranih BMK prema plijesnima kruha određena metodom s dvostrukim slojem agara - primjer BMK

22. Kruh proizveden uz dodatak kiselog tijesta ima niži GI !!! Modifikacija škroba Moguća objašnjenja: • - smanjenje pH - smanjene aktivnosti amilaza i hidrolize škroba • - organske kiseline nastale tijekom kiseljenja usporavaju prolazak kroz želudac i na taj način postepeno doziraju razinu glukoze u krvi • - BMK pridonose vezenju škroba i glutena što smanjuje biološku • dostupnost škroba***

23. Kiseljenje tijesta Povećava količinu bioaktivnih komponenti u žitaricama te biološku raspoloživost minerala (fitaza, pri nižem pH) Povećava udio folne kiseline, tiamina i općenito lako ekstraktivnih polifenola smanjuje količinu ferulinske kiseline, tokoferola i tokotrienola Neki sojevi BMK sintetiziraju riboflavin i niacin te aminokiseline, posebice lizin, triptofan i metionin in situ - povećavaju nutritivnu i zdravstvenu vrijednost p.p. Stabilizira labilne bioaktivne komponente, posebice β- glukan Povećanje količine biološki aktivnih tvari • Bioaktivne komponente: lignani, fenoli, fitosteroli, tokoferoli, tokotrienoli kao i minerali (K, P, Mg, Zn) smješteni su u ovojnici zrna .

24. Biološka raspoloživost minerala fitinska kiselina (mio-inozitol-1,2,3,4,5,6-heksakis-dihidrogenfosforna kiselina) – dio rezervnih organa biljaka – tvori čvrste netopive komplekse s mineralima Može tvoriti i fitinska kiselina-protein kompekse Reducira biološku dostupnost minerala i proteina Aktivacija fitaza u kiselom pH (4,3-4,6) !!!

25. aditivi u pekarstvu - različiti hidrokoloidi za poboljšanje teksture i svježine - amilaze Odabrani sojevi BMK in situproizvode amilaze te egzopolisaharide – nema uporabe aditiva (L. sanfranciscensis, Leuc. mesenteroides = levan, dekstran) Smanjenje uporabe aditiva (1)

26. Dekstran - zbog svoje hidrokoloidne prirode veže više vode u tijesto - povećava svježinu gotovog proizvoda Dekstran ima duge molekulske lance koji se slažu u strukturu koja poboljšava stabilnost tijesta i sposobnost tijesta da zadrži CO2, sudjeluje u stvaranju glutenske mreže BMK proizvode bakteriocine te kiseline - nema uporabe aditiva za produženje trajnosti Trend u proizvodnji kruha - smanjenje količine soli - sintetizirana octena kiselina pridonosi slanom okusu Smanjenje uporabe aditiva (2)

27. Primjer – sinteza egzopolisaharida L. sanfranciscensis Leuc. mesenteroides Sluzavi rast bakterije na podlozi s dodatkom saharoze upućuje na proizvodnju EPS (EPS+ fenotip).

28. EPS – prebiotici EPS: glukani (reuteran, dekstran, mutan) i fruktane (levan, inulin) mogu djelovati i kao prebiotici L. sanfranciscensis - levan - pomaže rast bifidobakterija u probavnom traktu, što pozitivno djeluje na zdravlje čovjeka Dekstran - razgradnja do propionske kiseline za koju je dokazano da smanjuje razinu kolesterola i triglicerida Mliječni proizvodi s probiotičkim djelovanjem + sinteza metabolita („biogena“) Kod kruha je moguće samo posredno dijelovanje biogena. Ova istraživanja su u vrlo ranoj fazi, a primjer je proizvodnja kruha s pomoću BMK, obogaćenog s γ-aminobutiričnom kiselinom (GABA).

29. GABA (γ -aminobutyric acid) neproteinska amino kiselina – biološki aktivna komponenta hrane - inhibitorni neurotransmiter u mozgu - smiruje i smanjuje aktivnost neurona, smanjuje krvni tlak, potiče lučenje inzulina, povećava pamćenje… M.O. producenti GABA Rhodotorula glutinis Neurospora crassa, Aspergillus nidulans, A. niger BMK – najzanimljiviji producenti GABA: L. brevis,L. delbrueckii. subsp. bulgaricus, L. plantarum, L. paracasei, Lc. Lactis, Weissella cibaria, Leuc. mesenteroides, L. casei Marco Gobbetti: Use of sourdough fermentation and pseudo-cereals and leguminous flours for the making of a functional bread enriched of γ-aminobutyric acid (GABA) International Journal of Food Microbiology Volume 137, Issues 2–3, 28 February 2010, Pages 236–245

30. Pekarski proizvodi s dodatkom kiselog tijesta - funkcionalna hrana

31. Vrste kiselog tijesta I – tradicionalni, kontinuirana propagacija dok se ne postigne aktivna mikroflora (L.sanfrancisco, L. points) II – Adaptirane starter kulture, proizvodnja u fermentorima, jednostupanjski proces (15-20h, IT=200), zbog mogućnosti prepumpavanja pogodno za ind., L. reuteri, L. points, L. panis III – Suho kiselo tijesto, osigurava standardnu kvalitetu p. proizvoda, bakterije otporne na sušenje (lebdeći sloj, smrzavanjem..) L. brevis, L. plantarum, Pediococcus sp.

32. Oblici kiselog tijesta i sredstava zazakiseljavanje

33. Proizvodnja kiselog tijesta i kruha s kiselim tijestom * Predferment (doziranje: 5-20% bijeli i 20-30% raženi kruh

34. FERMENTOR ZA KRUŠNU FERMENTACIJUISERNHÄGER Primjer Prvi stupanj fermentacije -izofermentor (plastična posuda), 38°C, 24 h, brašno, voda, razmrvljena matična kultura (starter kultura). Trajnost kiselog tjesta 7 dana

35. Karakterizacija kiselih tijesta u industriji Mogućnost prepumpavanja Kiselo se tijesto mora vrlo jednostavno integrirati u modernu proizvodnju tijesta s kompjutorskim upravljanjem Trajnost Kiselo tijesto mora biti jednake kvalitete tijekom cijelog vremena predviđenog za njegovu uporabu Mogućnost reproduciranja Kiselo tijesto proizvedeno u ponedjeljak mora imati istu razinu kvalitete kao i kiselo tijesto proizvedeno slijedećih dana, tjedana i mjeseci.