Onderzoek naar de fermentatiecapaciteit van verschillende Saccharomyces cerevisiae giststammen in brooddeeg.

Gist en brood zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden. De productie van CO2 om deeg te doen rijzen, wordt vaak gezien als de belangrijkste functie van gist. Tijdens het fermentatieproces zorgt gist echter ook voor de productie van componenten zoals ethanol, glycerol en organische zuren. Van deze fermentatiemetabolieten is geweten dat ze deegreologie, textuur, smaak en aroma van brood kunnen beïnvloeden. De mate waarin deze metabolieten geproduceerd worden tijdens de broodbereiding, is sterk afhankelijk van de ingrediënten (beschikbaarheid van nutriënten in bloem, aanwezigheid van zout,…), de fermentatietijd en –temperatuur, maar ook van de groeicondities en genetische achtergrond van de gebruikte giststammen.

Door het groeiende bewustzijn van de consument voor gezonde en gevarieerde voeding, worden industriële en artisanale bakkers continu uitgedaagd om bestaande eindproducten te verbeteren of broden met vernieuwde smaken of verbeterde nutritionele waarde te ontwikkelen. Hierbij kan de samenstelling van brood gewijzigd worden door, onder andere, toevoeging van enzymen als broodverbeteraars of zemel als bron van dieetvezel. Daarnaast kan ook ingespeeld worden op de gist die aangewend wordt voor broodbereiding. Hiervoor wordt typisch gebruik gemaakt van het species Saccharomyces cerevisiae. Dit species omvat echter tal van verschillende stammen die ook in andere industriële fermentatieprocessen toegepast worden, wat de broodindustrie tal van mogelijkheden biedt voor de wijziging van broodeigenschappen.

Voorafgaand aan dit doctoraatsonderzoek werd de impact van S. cerevisiae stammen, toegepast in verschillende industrieën, op deegreologie onderzocht. Hierbij kwam aan het licht dat sommige S. cerevisiae stammen tarwebloemdeeg slechts in heel beperkte mate konden doen rijzen. Deze observatie werd echter niet verder onderzocht en vormde de eerste doelstelling van deze doctoraatsstudie. Naast het inzicht verwerven in het inhibitiefenomeen door karakterisering en identificatie van de inhiberende tarwebloemfactor(en), werd als tweede doel ook de toepasbaarheid van verschillende (niet-bakkerij) stammen van S. cerevisiae voor de broodbereiding geëvalueerd.

In een eerste deel werd de fermentatiecapaciteit van 45 verschillende S. cerevisiae stammen, komende uit 5 verschillende industrieën (brood, bier, bio-ethanol, sake & spirits en wijn) nagegaan in verschillende fermentatiemedia. Na een eerste screening in vloeibaar medium, met dezelfde wateractiviteit als in deeg, bleken de geteste gisten een goed fermentatiepotentieel te vertonen, aangezien geen van de groepen – ondanks de individuele variatie – significant verschilde van de bakkerijstammen. In tarwebloem werd eveneens variatie tussen de individuele stammen waargenomen. Opmerkelijker was dat een vijfde van de giststammen een uiterst beperkte fermentatiecapaciteit vertoonde. Het totaalvolume CO2 dat geproduceerd werd na twee uur fermentatie lag tot 85% lager in vergelijking met de beste bakkersgist. De inhibitiegevoelige giststammen waren wel in staat om te fermenteren in een modeldeegsysteem bestaande uit gluten en zetmeel. Wanneer de waterige fase van het glutenzetmeeldeeg werd vervangen door een waterig tarwebloemextract, werd opnieuw hetzelfde inhibitiefenomeen als in tarwebloemdeeg waargenomen. Dit toonde aan dat de waterextraheerbare fractie van bloem een gistinhiberende component bevat.

In de volgende fase van het doctoraatsonderzoek werd dit inhibitiefenomeen verder gekarakteriseerd. Naast de fermentatiecapaciteit werd ook de groei van inhibitiegevoelige gisten beïnvloed door de inhibitor. Verschillende tarwevariëteiten en graansoorten werden getest en gelijkaardige inhibitie werd teruggevonden in alle tarwes, rogge, mais en gerst. Verder onderzoek toonde uiteindelijk aan dat de inhibitor een waterextraheerbaar tarwebloemproteïne was.

De inhibitor werd geïsoleerd door fractionering van een ruw tarwebloemextract waarbij de bekomen fracties telkens getest werden op inhibitie-activiteit. Hierbij werd achtereenvolgens gebruik gemaakt van kationuitwisselingschromatografie en reversed phase-HPLC. De proteïnen aanwezig in de zuiverste inhiberende fractie werden geïdentificeerd met behulp van LC-MS/MS en Edmandegradatie. Dit resulteerde in de assumptie dat de inhibitor het thaumatin-like proteïne was, wat bevestigd werd na het testen van de inhibitie-activiteit van een recombinant tot expressie gebracht thaumatin-like proteïne. De manier waarop het proteïne inwerkt op inhibitie-gevoelige gisten werd niet onderzocht in deze doctoraatsstudie, maar analogie met osmotine, een thaumatine-achtig proteïne uit tabak dat de permeabiliteit van de celwand beïnvloedt, werd gesuggereerd. Hoewel de inhibitie van bepaalde giststammen in een tarwebloembeslag in de jaren zeventig reeds werd toegeschreven aan purothionines, was dit niet in overeenstemming met onze resultaten. Enkele verschilpunten tussen ons onderzoek en de literatuur waren de extraheerbaarheid (petroleumether versus water), de grootte van de inhibitor (5 kDa versus ongeveer 24 kDa) en het verlies van inhibitie-activiteit in aanwezigheid van divalente ionen.

In het laatste deel van dit onderzoek werd de toepasbaarheid van een selectie van (niet-bakkers)gisten in de broodbereiding nagegaan. Uit de 45 stammen werden er 10 geselecteerd, inclusief twee inhibitie-gevoelige. Van deze kleine selectie werd vervolgens de metabolietproductie tijdens de fermentatie, de impact hiervan op deegreologie, alsook de invloed op broodaroma en andere kwaliteitsparameters nagegaan. Ondanks de variatie in de metabolietprofielen en het feit dat de invloed van individuele fermentatiemetabolieten op deegreologie reeds aangetoond werd in niet-gegiste degen, konden deze verschillen niet eenduidig gecorreleerd worden aan reologische veranderingen in gegiste degen. De voortdurende densiteitswijziging door de constante CO2-productie bleek mogelijke invloeden van metabolieten op de reologie te overstijgen. Analoog kon de variatie in fermentatiecapaciteit van de niet-geïnhibeerde gisten niet rechtstreeks gelinkt worden aan significante verschillen in broodvolume, kruimtextuur en kruimstructuur. Dit deed vermoeden dat de verschillen in fermentatie en metabolietproductie onvoldoende waren om tot uiting te komen in deeg- en broodkwaliteitsparameters. Bijgevolg resulteerde de aanwending van alle geselecteerde inhibitie-ongevoelige gisten in de productie van broden van gelijkaardige kwaliteit als dat van de bakkersgist. De productie van meer gewenste en/of minder ongewenste aromacomponenten zou de finale broodkwaliteit bijgevolg ten goede kunnen komen. Aangezien de aroma-analyses in dit onderzoek echter niet kwantitatief waren en bijgevolg slechts een indicatie gaven van het potentiële aromaprofiel, kon op dit vlak eveneens geen uitspraak gedaan worden over de voorkeur voor bepaalde niet-bakkerijgisten voor de broodbereiding.

Deze doctoraatsstudie gaf inzicht in het gist-specifieke inhibitiefenomeen, veroorzaakt door het thaumatin-like proteïne tijdens de fermentatie van tarwebloemdeeg. Deze bevindingen, samen met kennis over de concentratie van de inhibitor in tarwebloem en de manier waarop hij inwerkt op de verschillende gisten, kan de gist- en graangebaseerde fermentatie-industrieën zeker en vast ten goede komen. Modificatie van gisten om ze resistent te maken of van tarwe om de inhibitor te elimineren, kunnen oplossingen bieden om inhibitie-gevoelige gisten met een positieve impact op deeg en brood en die aangename aroma’s produceren, toch te kunnen aanwenden in de broodindustrie.