Staling and Starch Retrogradation in Speciality Bread

Abstract

Bread products are one of the most common and important foods in our daily diet, and have been since ancient times. Although it has a long history and comes in many variations, the staling phenomenon of bread is still not fully known. Staling is a complex phenomenon that includes all the physical and sensorial changes occurring in bread during storage.

To gain a better understanding of staling, different additives were used in the studies that make up this thesis. The additives were divided into two groups according to their mechanisms, where they had either a direct or an indirect influence on the starch retrogradation. The additives that had a direct influence on the starch retrogradation were α-amylase, lipase and monoglycerides, whereas the additives gluten, oat, wheat and rye bran, waxy wheat flour, waxy barley starch, barley flour and pre-gelatinized barley flour, oat flour and waxy barley starch had an indirect influence on the starch retrogradation.

The staling process was monitored by measuring the firmness, springiness, water migration and loss, cutability and crumbliness. However, since all these parameters are affected by the water content, starch retrogradation and/or amylose-lipid complex formation, additional measurements were performed regarding these attributes. A texture analyzer was employed for analyzing the firmness and springiness while the starch retrogradation and presence of amylose-lipid complexes were measured by a DSC. A 1H-NMR was also employed to give information on the water mobility and increased solid fraction.

The bread was made using different baking processes - laboratory baking, industrial baking and in a household baking machine. Two different methods were used in the laboratory baking, where the loaves were baked either as freestanding or as pan-baked loaves.

The results showed that small amounts of additives, with increased water absorption compared to wheat flour, could increase the water content in dough to various extents and, in most cases, also maintain the extra amount of water during the bread making. The pre-gelatinized additives had the greatest water absorption and displayed improved water maintaining capacity during both baking and storage of laboratory-baked bread. The water content and distribution was seen to be important for the softness of the loaves. For some recipes, greater water content was seen to give a softer crumb although higher amounts of starch retrogradation were detected. Both water content and firmness displayed a variation within the slices as a result of the water migration. The firmness was also found to correlate with the starch retrogradation, proton relaxation and specific volume although the correlations were dependent on the recipe of the bread. Furthermore, the firmness influenced the cutability which improved to a certain degree of firmness, after which it became constant.

Both baking process and method were seen to be of great importance for the bread quality and staling. Industrially-baked bread lost more water during the bread making than bread baked in the other two baking processes. Furthermore, pan-baked loaves lost less water during both baking and storage and resulted in less firm bread although no differences were seen in the amount of starch retrogradation. The baking method showed a greater influence on the staling of the loaves than some of the used additives, indicating the importance of the baking process and method, and not only the ingredients, for the final quality of the loaves.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Bröd har varit ett av våra viktigaste baslivsmedel sedan antiken (700 f.Kr. – 400 e.Kr.) och kommer med all sannolikhet också fortsätta att vara en viktig del av vår föda även i framtiden. Det i Sverige rekommenderade dagliga intaget (RDI) av kostfiber är 25-35g. Utav dessa kostfibrer bör hälften komma från bröd (33%) och andra spannmålsprodukter (17%), vilket motsvarar en konsumtion på 6-8 skivor blandat bröd per dag. Många människor har av olika anledningar svårt att komma upp i dessa rekommendationer för kostfiber, dels för att det blir för stor konsumtion men även för att en stor grupp av befolkningen inte kan äta vanliga cerealiebaserade produkter på grund av celiaki, eller så kallat glutenintolerans.

Att möta kraven på mer hälsosamma bröd med högre kostfiberinnehåll är en utmaning för bageribranschen då både degens och det slutgiltiga brödets texturegenskaper och sensoriska egenskaper förändras vid en ökad tillsats av kostfiber. Dessa förändringar medför ofta att brödet åldras fortare, dvs. dess hållbarhet förkortas. En ännu större utmaning är att få fram glutenfria bröd med både en acceptabel hållbarhet och smak. De glutenfria bröden har generellt en mycket sämre hållbarhet än vanliga gluteninnehållande bageriprodukter och dessutom en speciell smak.

Det har under lång tid forskats på bröds åldrande, även kallat staling, men ännu är inte gåtan löst fullt ut då åldringsprocessen är ett väldigt komplext fenomen. Staling innefattar alla förändringar (förutom de mikrobiologiska, dvs. mögling) som sker i brödet under lagring. Några av de i inkråmet mest undersökta förändringarna är hårdhet, elasticitet, vattenhållande förmåga, smulighet och skivbarhet samt vattentransporten från inkråm till skorpa och olika smakbedömningar.

Stärkelse, vilken utgör ca 70% av vanligt vetemjöl, är uppbyggd utav amylos och amylopektin. Förhållandet mellan amylos och amylopektin är i en normal stärkelse ungefär 75% amylopektin och 25% amylos. När ett bröd lagras blir det med tiden både hårt och torrt. Den ökade hårdheten och en minskning i elasticitet i inkråmet under lagring har visat sig bero på att amylopektinmolekylerna bildar ett kristallint nätverk. Bildandet av detta kristallina nätverket kallas retrogradering.



I merparten av de studier som denna avhandling innefattar har olika typer av naturliga tillsatser använts i brödbaket, såsom värme-förbehandlade mjöl och stärkelser, mjöl och stärkelser med olika amylos och amylopektinförhållanden, extra gluten samt kli från vete, råg och havre. Alla dessa tillsatser har en indirekt påverkan på amylopektinets retrogradering då de antingen har en utspädande effekt på stärkelsen eller ändrar mängdförhållandet mellan amylos och amylopektin.

Även studier med en direkt påverkan på retrograderingen av amylopektin har genomförts där de tillsatser som använts antingen har varit enzym, vilka klipper sönder amylos-/amylopektinmolekylerna eller lipiderna (fettmolekylerna), eller emulgatorer som hindrar att stärkelsegranulerna, inuti vilka amylos och amylopektin finns i naturlig form, sväller och går sönder. Både enzym och emulgatorer är vanligt förekommande i bageriindustrin och deras effekter på bröd är väl dokumenterade. Dessa tillsatser valdes för att kunna jämföra om någon/några av de indirekta tillsatserna kunde uppnå likvärdiga eller bättre resultat avseende att förhindra staling.

Studierna visade att de flesta tillsatser med indirekt påverkan på amylopektinets retrogradering kunde ta upp mer vatten än det normala vetemjölet, vilket skulle kunna vara till fördel för den mjukhållande förmågan. De mjöl och stärkelser som värmebehandlats innan de tillsattes till degen hade även en bättre vattenhållande förmåga än referensbrödet, vilket bidrog till att dessa bröd innehöll mer vatten och blev mjukare trots att de hade en tendens till att innehålla en större mängd retrograderad amylopektin.

Bröd som innehöll en tillsats med extra hög halt av amylopektin skulle kunna förväntas bli hårdare än referensbrödet eftersom amylopektinet bidrar till hårdheten under lagring. Detta visade sig bara vara delvis sant då resultaten pekade på ett koncentrationsberoende med två olika koncentrationsoptimum, ett för färska bröd och ett annat för lagrade bröd.

Trots att den tillsatta mängden kli var liten (3% av mjölvikten), fick det stora konsekvenser för brödkvalitén. Dessa bröd fick minskad volym och alla klitillsatser utom havrekli gav hårdare inkråm än referensbrödet.

De glutenfria bröden åldrades fortare än normala gluteninnehållande bröd, vilket är välkänt sedan tidigare. Hårdheten i dessa bröd verkade dock vara mer beroende av brödets volym, mängden retrograderad amylopektin och om amyloset kunde bilda komplex med lipiderna eller inte, än själva vattenhalten i bröden.



Bakningsmetoden är mycket viktig för brödets slutgiltiga kvalité och hållbarhet. De bakningsmetoder som har används i dessa studier har varit både laboratorie- och industribakning, samt bakning i en vanlig hushållsbakmaskin. Dessutom har en del bröd blivit bakade som fristående limpor medan andra har bakats i bakformar. Bröd som bakats i form bibehöll generellt mer av sitt vatteninnehåll, både under bakningen och lagringen, samt gav mjukare inkråm. Det fanns ingen skillnad i mängden retrograderat amylopektin mellan fri- och formbakade bröd med samma recept.

En ökad vattenhalt har visat sig kunna bevara mjukheten och elasticiteten i vissa typer av bröd trots en ökad amylopektinretrogradering. Genom att tillsätta olika varianter av mjöl, stärkelser eller fiber går det att öka vattenhalten i bröd och även påverka vattnets distribution/fördelning och därigenom förlänga hållbarheten vilket gynnar både fiberrika- och glutenfria bröd.

• author: Purhagen, Jeanette
• supervisor: Ann-Charlotte Eliasson; Malin Sjöö
• opponent: Professor Chinachoti, Pavinee, Faculty of Agro-Industry, Prince of Sonkla University, Thailand
• organization: Department of Food Technology, Engineering and Nutrition
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Food Engineering
• keywords: Anti-staling agents, Staling, Starch retrogradation, Bread, Water content, Bran, Heat-treated additives, Gluten-free bread
• defense location: Lecture hall C, Center of Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-02-25 13:00:00
• ISBN: 978-91-978122-2-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c25db3b6-c357-4761-83cb-2d33f55f264b (old id 1776876)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:37:46
• date last changed: 2019-04-12 12:05:40