Ringvorlesung „Analyse und Qualitätssicherung in der Lebensmittelproduktion“ –

1. Ringvorlesung „Analyse und Qualitätssicherung in der Lebensmittelproduktion“ – Teil Getreidetechnologie

2. Analyse und Qualitätssicherung von ... • GetreideInhaltsstoffe, Rückstände, Produkteigenschaften… • MalzInhaltsstoffe, Enzymaktivität, Farbe… • MahlerzeugnissenInhaltsstoffe, Produkteigenschaften… • ProduktenProdukteigenschaften

3. Handbonitierung • Neben den heute üblichen analytischen Schnellmethoden für Wasser und Eiweiß kommt der Handbonitierung, d.h. der Beurteilung der Gerste aufgrund äußerer Merkmale, nach wie vor Bedeutung zu. • • Geruch • • Feuchtigkeit • • Farbe und Glanz • • Verunreinigung • • Mutterkorn • • Verletzte Körner • • Sortenreinheit • • Auswuchs • • Schädlingsbefall

4. Getreideinhaltsstoffe

5. Getreideinhaltsstoffe Die einzelnen Getreidearten setzen sich stofflich ähnlich zusammen. Die Körner bestehen in erster Linie aus Kohlenhydraten (ca. 70 %), gefolgt von Eiweißen (6-16 %), Fetten (2-7 %) und Mineralstoffen (2-5 %). Die Zusammensetzung hängt stark von der Art, der Sorte, der Witterung und der Düngung ab. Zusammensetzung in %, Quelle: Grundlagen der Getreidetechnologie, 1995

6. Wassergehalt Wichtig für • Lagerung, • Preis, • Trockensubstanz Methoden: • Trockenschrank, sehr zeitaufwändig • IR-Trocknung, schnell, aber u. U. sehr ungenau • Karl-Fischer-Titration (Prof. Isengard) • Bestimmung mit NIR, sehr schnell, schwierige Kalibrierung

7. Fett und Stärke Fett • Aufschluss mit Säure • Extraktion mit Hexan • Verdampfen des Lösungsmittels (Hexan) • Wiegen des Rückstands Stärke • Extraktion mit Calciumchlorid oder Salzsäure mit polarimetrischer Messung • Enzymatische (z.B. mit Malzauszügen) Lösung in Wasser mit Dichtebestimmung

8. Rohprotein Rohprotein ist ein Standardausdruck für den Gesamtgehalt des Untersuchungsproduktes an Stickstoffverbindungen, der durch Multiplikation des entsprechenden Gesamtstickstoffgehaltes mit einem Standardfaktor errechnet wird. Backweizen: >13 % Brauweizen: 12-13 % Braugerste: <11 % für helles Malz <13 % für dunkles Malz

9. Kjeldahl - Prinzip Die Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl (dän. Chemiker) wird in folgende Schritte eingeteilt: Aufschluss der ProbeOxidation der Substanz zu H2O, CO2, NH3 DestillationÜberdestillieren des NH3 in eine Borsäurelösung TitrationErmittlung der nach der Destillation in der Vorlage vorhandenenMenge an NH3

10. Kjeldahl – Chemismus und Durchführung 1,0 bis 1,5 g Probe mit 20 ml konz. Schwefelsäure und „Reaktionsgemisch“ (Kalium- und Kupfersulfat, Titanoxid) kochen:Aufschluss→ 2 NH3 + H2SO4→ (NH4)2SO4 Abkühlen, mit 70 ml konz. Natronlauge kochen, NH3 in Borsäure auffangen:(NH4)2SO4 + 2 NaOH→ Na2SO4 + 2 NH3 + 2 H2O3 NH3 + H3BO3→ (NH4)3BO3 Titration mit 0,1 N Schwefelsäure:2 (NH4)3BO3 + 3 H2SO4→ 3 (NH4)2SO4 + 2 H3BO3

11. Kjeldahl - Umrechnungsfaktor Der Kjeldahl weist den in der Probe vorhandenen Stickstoff nach. Zur Bestimmung des Roheiweißgehalts existieren verschiedene Faktoren: Backweizen Backroggen: 5,7 Futtergetreide: 6,25 Braugerste: 6,25 Brauweizen: 6,25 Da die Faktoren nicht einheitlich sind, sollten sie immer mit angegeben werden. Der wirkliche Faktor weicht natürlich von den oben angegebenen ab, diese sind jedoch als Standard etabliert.

12. Kjeldahl - Nachteile • giftige Reagenzien • starke Säuren • starke Laugen • fehleranfällig • zeitaufwändig • arbeitsaufwändig • … Aber: Die Bestimmung nach Kjeldahl ist nach wie vor die Referenzmethode.

13. Rohprotein - NIR • NIR: naher Infrarotbereich, ca. 800-2500 nm • Messung in der Reflektion oder in der Transmission • inzwischen keine Probenaufbereitung mehr nötig • kein Einwiegen der Probe erforderlich • Messung dauert wenige Sekunden • gleichzeitige Bestimmung des Wassergehalts möglich • sortenabhängige Kalibrierung nötig • Kalibrierung nicht trivial →Standard in der Warenannahme, keine Referenzmethode

14. NIR-Kalibrierung Kalibrierung bei mehreren Wellenlängen. Vermeidung der Übermodellierung durch Verwendung von multivariaten Kalibrierverfahren • PCR (Principal Component Regression) • PLS (Partial Least Squares Regression)

15. Aschegehalt • Probe (ca. 2-6 g, je nach zu erwartendem Aschegehalt) • Ascheschalen im Muffelofen ausglühen, abkühlen und wiegen • Feuchtigkeitsgehalt der Proben bestimmen • ca. 2 Stunden im Muffelofen verbrennen bis der Glührückstand weiß erscheint. • im Exsiccator abkühlen lassen und schnell wiegen WVK-Mehl ca. 1,8 g/100 g

16. Rückstandsanalyse bei Getreide • In den letzten Jahren ist die Belastung mit Mykotoxinen immer mehr den Blickpunkt der Öffentlichkeit gerückt. Folglich gehört die Bestimmung der Schimmelpilzbelastung inzwischen zur Standarduntersuchung in allen Wareneingangskontrollen. • Neben der Belastung durch Toxine kann Schimmelpilzbefall bei Bier zum so genannten „Gushing“ führen, d.h. eine Flasche schäumt beim Öffnen über. Die Mechanismen sind noch nicht richtig geklärt. • Die Untersuchung auf Mykotoxine findet sowohl für Futter- als auch für Lebensmittelgetreide statt. • Durch eine gute Müllerarbeit kann der Gehalt an Mykotoxinen um 50 % gesenkt werden. Dementsprechend sind auch die Grenzwerte angepasst.

17. Mykotoxine

18. Vermeidung von Fusarientoxinen

19. Nachweis von Mykotoxinen Untersuchung auf ZEA und DON am wichtigsten. HPLC• Extraktion mit Methanol/Wasser • Reinigung der Probe in Immunoaffinitätssäulen • Nachweis mit UV- oder Fluoreszenzdetektoren ELISA (enzym-linked-immunosorbent-assays)• Extraktion mit Methanol/Wasser • Nachweis über eine Farbreaktion • Kreuzreaktivitäten der Antikörper führen zu überhöhten Befunden

20. Qualitätseigenschaften von Weichweizen Fallzahl Zeit, die Normstab benötigt, um durch eine verkleisterte Mehlsuspension zu fallen. Niedrige Fallzahlen sind ein Hinweis auf hohe Amylaseaktivität Schwächung der Krumenelastizität. Rohproteingehalt Neben dem Einfluss der Düngung, gibt es Sortenunterschiede. Hoher Proteingehalt für Brot, niedriger für Kekse. Sedimentationswert Mehl in Milchsäurelösung suspendiert, Eiweiß bildet Sediment. Wichtiges Kriterium für die Eiweißqualität (Quellungsvermögen). Griffigkeit Rückstand auf einem 75 µm Sieb. Maß für die Kornhärte. Griffige Mehle (=harter Weizen) werden für Brot bevorzugt. Feine Mehle aus Weizen mit geringerer Kornhärte eignen sich für Kekse und Vollkornbackwaren.

21. Qualitätseigenschaften von Weichweizen Wasseraufnahme Dem Teig wird beim Kneten Wasser zugesetzt bis eine definierte Teigfestigkeit erreicht ist. Abhängig vom Proteingehalt und der Quellfähigkeit des Klebers. Die Wasseraufnahme eines Mehles ist maßgebend für die Teigausbeute und die Teigfestigkeit. Aschewertzahl Die Aschewertzahl wird aus dem Mehlanfall nach 6 Passagen berechnet. Mineralstoffgehalt % i. Tr.Aschewertzahl = –––––––––––––––––––––––––––– x 100 000 Mehlausbeute % Mehlausbeute Type 550 Die Ausbeute der Mehltype 550 bei einem festgesetzten Mineralstoffgehalt von 0,6 %

22. Qualitätseigenschaften von Weichweizen Volumenausbeute (Rapid-Mix-Test) Zentrales Bewertungskriterium. Der Rapid-Mix-Test ist ein Backversuch unter erschwerten Bedingungen (intesives Kneten, kurze Garen). Das Volumen der entstandenen Gebäckstücke wird als Qualitätskriterium herangezogen. Elastizität des Teiges Beurteilung des Teiges, der im Rapid-Mix-Test hergestellt wird. Beschreibende Bewertung (normal, kurz, zäh, geschmeidig usw.) Oberflächenbeschaffenheit des Teiges Beurteilung des Teiges, der im Rapid-Mix-Test hergestellt wird. Beschreibende Bewertung (normal, trocken, feucht, schmierig)

23. Hartweizen Hartweizen oder Durumweizen (Triticum durum) stammt aus der Emmerreihe und ist damit tetraploid. Wichtig für einen Ertrag sind feuchte Winter und heiße Sommer. Der Hartweizenanbau hat daher in Deutschland nur eine geringe Bedeutung und konzentriert sich in Europa auf die Mittelmeerländer. Auch für Hartweizen sind Untersuchungsmethoden zur Qualitätsbe-schreibung festgelegt. Sie orientieren sich an der hauptsächlichen Verwendung des Hartweizens für Teigwaren. • Sortierung • Aschewertzahl • Fallzahl • Gelbpigmentgehalt • Rohproteingehalt • Farbton • Glasigkeit • Kochpotential • Dunkelfleckigkeit

24. Malzanalyse Die Analysenmethoden beim Malz sind an den sich meist anschließenden Brauprozess angepasst. Während bei Brennmalz hauptsächlich die enzymatische Aktivität wichtig ist, kommen bei Braumalz • die späteren Verarbeitbarkeit, • Eiweißeigenschaften (Haltbarkeit und Schaum) • Farbe und vor allem • der vergärbare Extrakt als Qualitätskriterium hinzu. Am Anfang einer umfangreichen Malzanalyse steht ein standardisiertes Maischverfahren, das so genannte Kongressmaischverfahren.

25. Kongressmaischverfahren Je 50 g Feinschrot (0,2 mm Mahlspalt) bzw. Grobschrot (1 mm Mahlspalt) werden bei 45 °C mit 200 ml Wasser eingemaischt und dann nach dem unten angegebenen Schema gemaischt. Nach Erreichen von 70 °C werden 100 ml Wasser von 70 °C zugegeben. Nach Ende des Maischens schnell abkühlen, auf 450 g mit Wasser aufwiegen und mit Faltenfilter filtrieren. Untersuchungsparameter: • Extrakt (-ausbeute) • Mehl-Schrot-Differenz • Eiweißgehalt • Farbe • Vergärungsgrad • Viskosität • ...

26. Kongressmaischverfahren Untersuchungsparameter: • Extrakt (-ausbeute) • Mehl-Schrot-Differenz • Eiweißgehalt • Farbe • Vergärungsgrad • Viskosität • ...

27. Malzanalyse - Friabilimeter Prinzip Malz wird in eine Siebtrommel mit Drahtgeflecht aus Edelstahl gegeben. Während einer festgelegten Zeit werden die Körner mittels einer Walze gegen die rotierende Siebtrommel gepresst, wobei die mürben Malzteile durch das Siebgewebe fallen, während die glasigen Bestandteile in der Trommel verbleiben. Auswertung Mürbigkeit = (Einwaage – Rest in der Trommel) /Einwaage Ganzglasigkeit = ganze Körner / Einwaage Normwerte Mürbigkeit > 80 %Ganzglasigkeit < 2,5 %

28. Farinograph • Der Farinograph misst und registriert den Knetwiderstand eines Teiges, seine Bildung aus Mehl und Wasser, seine Entwicklung und seine Teigerweichung. • Der Widerstand (Konsistenz) wird gegenüber der Drehung der Knetarme gemessen. Die Übertragung des Widerstands erfolgt über einen pendelnd gelagerten Motor und einen Hebelarm zur Neigungswaage, die mit der Schreibvorrichtung verbunden ist. • Die Maximalkonsistenz des Teiges wird durch Änderung der zugegebenen Wassermenge auf einen bestimmten Wert eingestellt. • Mit dieser Menge, der Wasserabsorption, erhält man eine vollständige Knetkurve, aus deren verschiedenen Kennzeichen die Qualität des Mehls ersichtlich ist.

29. Farinograph – Standardisiertes Kneten Auswertung • Absorption (> 56 %) • Teigentwicklungszeit (> 2 min) • Stabilität (> 0,5 min) • Teigerweichung (< 70 FE) • Qualitätszahl

30. Extensograph- Standardisiertes Ziehen • Ein Teig aus Weizenmehl, Wasser und Salz wird im Farinographen standardisiert mit einer Konsistenz von 500 FE nach fünfminütiger Knetung hergestellt. • Mittels Rund- und Langwirker werden Teigstränge geformt, die nach 45, 90 und 135 Minuten Ruhezeit, in welcher sich der Kleber entspannt (Relaxation), gedehnt werden. • Die Dehnung geschieht mittels eines Hakens, welcher sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt. Hierbei wird die der Dehnung entgegenwirkt Kraft über ein Hebel- und Waagensystem auf eine Schreibvorrichtung übertragen. • Anhand der ermittelten Kurven lassen sich Aussagen über das Verhalten der Teige bei der Verarbeitung und auf Gare gewinnen.

31. Extensograph – Standardisiertes Ziehen Auswertung Wasserabsorptionbeim Extensograph-Test Dehnwiderstand R50("Resistance") [EE]mittlere Höhe der beiden Kurven 50mm nach Beginn der Dehnung (450 – 600 EE) Dehnbarkeit E("Extensibility") [mm]: Länge des Extensogramms (120-150 mm) Energie A ("Area") [cm2]: Fläche des Extensogramms (100-130 cm2 ) Verhältniszahl R/E [-]: Quotient aus Dehnwiderstand und Dehnbarkeit (3-4)

32. Amylograph – Verkleisterungstest • Aus einem Amylogramm ergeben sich Informationen über das Verkleisterungsverhalten von Mehlen (v.a. von Roggen-, aber auch von Weizenmehlen) oder Stärken. • In Anlehnung an den Temperaturverlauf während des ersten Teils des Backprozesses wird eine Mehl-Wasser-Suspension von 30 °C auf 95 °C mit einer konstanten Aufheizrate von 1,5 K pro Minute erwärmt. • Da die Stärke abbauenden Enzyme auch noch in der Aufheizphase aktiv sind, gibt ein Amylogramm nicht nur Auskunft über die Stärkeverkleisterung, sondern auch über die verflüssigende Wirkung der Amylasen. • Während des Versuchs dreht sich der Messbecher mit konstanter Geschwindigkeit und überträgt einen Widerstand auf den Messfühler, welcher in die verkleisternde Probe hineinragt.

33. Amylograph – Verkleisterungstest Auswertung Verkleisterungsmaximum [AE] höchster Punkt auf derAmylogrammkurve unter 250 AE: starker Auswuchs, starke Säuerung erforderlich, Gefahr einerklitschigen Brotkrume 250 - 400 AE: leicht auswuchsgeschädigt, mittlerer Säurebedarf, etwas unelastische Brotkrume 400 - 600 AE: gute Qualität, normaler Säurebedarf, gute Brotkrume über 600 AE: geringer Säurebedarf, etwas fader Geschmack Verkleisterungsendtemperatur [°C]Temperatur, die am Maximum erreicht istunter 65 °C : unbefriedigender Verarbeitungswert65 °C – 75 °C : guter Verarbeitungswertüber 75 °C : befriedigender Verarbeitungswert

34. Fallzahl • Die Fallzahl ist ein Maß für die α-Amylaseaktivitätin Getreide, Mehl oder stärkehaltigen Produkten und beruht auf der raschen Verkleisterung einer Mehl/Wasser-Suspension im kochenden Wasserbad und der anschließenden Verflüssigung des Stärkegels. • Die Fallzahl ist die Zeit in Sekunden, die derRührstab benötigt, um eine bestimmte Streckein das sich in Verflüssigung befindliche Geleinzusinken (incl. der Rührzeit!). • Diese Methode eignet sich zur schnellen Erkennung von auswuchsgeschädigtemGetreide, ebenso zur Festlegung des Saueranteils oder des Enzymeinsatzes.

35. Feuchtklebergehalt Feuchtkleber ist die Substanz, die beim Auswaschen von Weizenteigen mit Kochsalzlösung als unlösliche, viskoelastische Masse zurückbleibt. Feuchtkleber besteht aus den Eiweißfraktionen Gliadin und Glutenin. Die Menge an Feuchtkleber und dessen qualitative Eigenschaften (Dehnbarkeit und Dehnwiderstand) sind entscheidende Kriterien bei der Beurteilung von Weizenmehlen. Zur Herstellung von Kleingebäcken benötigt man ein Mehl mit viel Kleber und guter Dehnbarkeit. Klebermenge: hoch über 27,0 % mittel 20 - 27,0 % niedrig unter 20,0 % Dehnbarkeit: gute Qualität: nimmt nach einer Dehnung schnell wieder die alte Form an schlechte Qualität:schlaff, zusammenhanglos, zeigt beim Dehnen nur schwachen Widerstand

36. Sedimentationswert • • Diese Methode erfasst die Quellung der Kleberteilchen von Mehl in einer Milchsäurelösung und die anschließende Sedimentationsgeschwindigkeit der Mehlsuspension. • • Sowohl ein höherer Klebergehalt als auch eine bessere Kleberqualität führen zu langsamerer Sedimentation und höheren Sedimentationswerten. • • Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, müssen die Mehle die gleiche Granulation aufweisen, deshalb werden die Mehle auf einer speziellen Versuchsmühle (Brabender Sedimat) ermahlen. • Bewertung • < 25 Eh nicht ausreichend25-35 Eh ausreichend36-40 Eh befriedigend41-50 Eh gut> 50 Eh sehr gut

37. Backversuche Backversuche dienen zum Charakterisieren von Getreide und Mehl hinsichtlich der Backeigenschaften. Weizenmehl Der Rapid-Mix-Test ist ein Backversuch unter erschwerten Bedingungen (intesives Kneten, kurze Garen). Das Volumen der entstandenen Gebäckstücke wird als Qualitätskriterium herangezogen. RoggenmehlDer Hefebackversuch lässt den unterschiedlichen Backwert der Roggen-typenmehle ohne Säuerung erkennen. Der Milchsäurebackversuch lässt den unterschiedlichen Backwert der Roggentypenmehle bei schwacher Säuerung erkennen. Der Sauerteigbackversuch lässt den unter-schiedlichen Backwert der Roggentypenmehle bei optimaler Säuerung mit Sauerteig erkennen und kommt der üblichen Roggenbrotherstellung am nächsten

38. Beurteilung der Gebäcke DLG Prüfschema für Brot (1) Form, Aussehen (2) Oberfläche-, Krusteneigenschaften (4) Lockerung, Krumenbild (4) Struktur, Elastizität (9) Geruch, Geschmack Für anderes Gebäck existieren Prüfschemata, die ähnlich aufgebaut sind. Grundsätzlich gibt es bei DLG-Verkostungen Punktabzüge nur für Fehler.

39. Brotfehler