Prehrambeno-biotehnološki fakultet Laboratorij za tehnologiju vrenja i kvasca

1. Prehrambeno-biotehnološki fakultet Laboratorij za tehnologiju vrenja i kvasca Dr. sc. Jasna Mrvčić, doc. Starter kulture u pekarstvu

2. ??? “KRUH NAŠ SVAGDAŠNJI”... KRUH JE KRIVCA ZA NAJVEĆI PROBLEM ZAPADNE CIVILIZACIJE - PRETILOST I!!!

3. Što je istina??? • istraživanja ukazuju na značajan pad udjela kruha u dnevnoj prehrani u posljednjih 100 god. 1880. g - 600 g, 1950.g. - 300 g, 1977.g.- 180 g. danas – 130 g. • R Hrvatska - prosjek potrošnje kruha i peciva po članu kućanstva bio 71 kg, i oko 5 kg ostalih pekarskih proizvoda. • ZAŠTO ??? • 1994 – Francuska - 75% potrošača nije zadovoljno kvalitetom kruha na tržištu, iako, ne može se zanemariti ni činjenica da je kruh kao najjeftinija namirnica bio temelj prehrane • 20.st. rast standarda stanovništva - promjene prehrambenih navika • kruh poprima negativan predznak, po prvi put u svojoj povijesti ... Povijesno, kruh ima posebno značenje u razvoju kompletne civilizacije, iz tih razloga se kruh održao u ljudskoj prehrani, te će u budućnosti imati ulogu koja mu pripada, a zadatak struke i znanosti je vratiti njegov status omiljene namirnice...

4. Stanje u R Hrvatskoj ? Istraživanje GfK agencije za istraživanje tržišta iz srpnja 2010. g: • tek u 39 % hrvatskih kućanstava pojede sav kupljeni kruh. • 47 % ostatak nepotrošenog kruha koristi za izradu mrvica, daje za hranu uzgajivačima domaćih životinja i slično, dok se ostale količine bacaju. • najviše kupljenog kruha potroši se u Istri s Primorjem (54 %). - najmanja iskorištenost kupljenog kruha u Dalmaciji (35 %) i Zagrebu s okolicom (37 %). • OSNOVNI RAZLOG tome navodi se LOŠA KVALITETA KRUHA i KRATAK ROK UPORABE.

5. Stanje u R Hrvatskoj ? • - R Hrvatska - još uvijek se najviše konzumira pšenični bijeli kruh proizveden direktnim postupkom s pekarskim kvascem kao monokulturom. • nema zadovoljavajuće organoleptičke karakteristike (pusta aroma, izražena mrvljivost, brzo starenje), siromašne nutritivne i zdravstvene vrijednosti • rješenje pekara - dodatak sve većih količina raznih aditiva - suprotno novim strategijama prehrambene industrije - Povezanost hrane i zdravlja potrošača Rješenje struke i znanosti – povratak izvornim (prirodnim) načinima proizvodnje - poticanje pekarskih pogona da opet vode predtijesta i kisela tijesta.

6. Definicija i uloga predtijesta u proizvodnji kruha 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)

7. Prvi zapisi o proizvodnji kruha - Babilon 2600 g. p.K. spontane fermentacije bakterija i kvasaca prirodno prisutnih u brašnu Pravi početak pekarstva 13 st. p.K., Egipad, fermentacija kruha pomoću starog tijesta (mješovita kultura kvasca i bakterija) - PREDTIJESO Početkom 15 st., počinje uporaba pivskog kvasac kao monokulture (nusproizvod pivovara koji je bio dostupan u dovoljnoj količini za pekarstvo) - prodaja pivskog kvasca razvila u se proizvodnju današnjeg prešanog pekarskog kvasca Vođenje kvasnog predtijesta - umnožavanjem kvasca financijske uštede Ulaskom u 20 st. - uvođenje mehanizacije u pekarstvo – DIREKTNI POSTUPAK PROIZVODNJE BEZ PREDTIJESTA – gubitak kvalitete kruha ... Iz povijesti... Danas se primjena pekarskog kvasca kao monokulture u pekarstvu napušta i koriste se ponovno mješovite kulture bakterija (BMK) i kvasaca (“starter kulture”) BMK - pozitivan učinak na tehnološke, mikrobiološke te nutritivne i organoleptičke karakteristike pekarskih proizvoda

8. Prednosti upotrebe predtijesta u prvoj liniji leže u enzimatskim i mikrobiološkim aktivnostima: a) Bubrenje dijelova pšeničnog brašna – “skelet tijesta“ (gluten, pentozani, ljuska) b) Razvoj arome i okusa - obogačivanje glavnog tijesta aromatskim tvarima koje su nastale uslijed enzimatske i mikrobiološke aktivnosti tijekom fermentacije predtijesta (preko 40 komponenti arome !!!) Predtijesta u pripremi različitih pekarskih proizvoda: Pšenični kruh i pecivo Baguette, Ciabatta Croissants, Brioches Krafne i ostali proizvodi od kvasnih tijesta Blagdanski kruhovi (Pinca, Panettone, …)

9. KISELO TIJESTO - predtijesto s ciljanom upotrebom m.o.: BMK i kvasaca • Kruh je od pamtivijeka neizostavni dio ljudske prehrane i kulture. • Svaki korak u njegovoj proizvodnji, od pažljivog izbora sirovina do pripreme i obrade tijesta te procesa pečenja, predstavlja dio umjetnosti koja u konačnici osigurava neograničeno bogatstvo boje, okusa • Raznolikost pekarskih proizvoda rezultat je različitosti tradicije, kulture te geografskog podrijetla. • Međutim, san svakog pekara, primamljivi i mirisni pekarski proizvodi diljem svijeta, uvijek sadržavaju KISELO TIJESTO…

10. Kiselo tijesto 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

11. Mikroflora kiselog tijesta Kvasci Candidamilleri Candidaholmii Candidakrusei Saccharomycesexiguus Saccharomycescerevisiae Homofermentativne BMK Pediococcusspp. Lactobacillusplantarum Lactobacilluscasei Lactobacillusfarciminis Lactobacillusamylovorus Lactobacillusjohnsonii Lactobacilluscrispatus Heterofermentativne BMK Lactobacillus brevis Lactobacillus buchneri Lactobacillus fermentum Lactobacillus sanfranciscensis Lactobacillus reuteri Lactobacillus pontis Leuconostoc mesenteroides “aromatična mikroflora” Raznolikost i održivost mikrobnih vrsta u kiselom tijestu znatno ovisi o iskorištenju tijesta (IT=masa tijesta/masa brašna), vrsti brašna i temperaturi

12. Produkti metabolizma BMK utječu na reologiju, okus i miris gotovog proizvoda- heterofermentativne BMK “aromatična mikroflora” * ornitin-prekursor arome 2-acetil-1-pirolina = “pečena” aroma kore ** ADI pathway – arginin deaminaza put *** branched-chain amino acid (BCAA)

13. 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.

14. Oblici kiselog tijesta i sredstava zazakiseljavanje

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

16. 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

17. 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.

18. Trendovi razvoja proizvođača pekarskih proizvoda u Hrvatskoj Stanje u R Hrvatskoj ? Primjena kiselog tijesta u “povojima” Razlog: viši stupanj preciznosti i organizacije proizvodnje; stručna radna snaga

19. Proizvodi s kiselim tijestom su vrlo malo zastupljeni Stehlik – Tomas, V. (1995) “Priprema mješovitih starter kultura za pekarstvo”, Doktorski rad PBF, Zagreb TP/01/0058-05 – “Proizvodnja kruha i peciva s pomoću mikrobnih starter-kultura” Primjena: - Đakovština d.d., Đakovo - Pekarna “Kruna”, Osijek U fazi ispitivanja u još nekoliko pekarni Kisela tijesta u R Hrvatskoj optimirana proizvodnja suhog startera za proizvodnju bijelog kruha

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

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

22. Primjer: Senzorska analiza

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

24. Što je gluten ? Glutenska mreža tijekom fermentacije CO2

25. 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

26. 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

27. 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!!!

28. 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)

29. 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)

30. 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. From De Angelis et al. (2005).

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

32. 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)

33. 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

34. 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

35. 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!

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

37. 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***

38. 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 .

39. 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) !!!

40. 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)

41. 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)

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

43. 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 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).

44. Pekarski proizvodi s dodatkom kiselog tijesta - funkcionalna hrana