Functionaliteit van suiker en chemische rijsmiddelen in cakesystemen

Cakes zijn bakkerijproducten waarvan een aantal ingrediënten spijtig genoeg gelinkt zijn aan bepaalde gezondheidsproblemen. In dit onderzoek wordt de focus gelegd op sucrose en fosfaat-houdend bakpoeder of rijsmiddel. Cakerecepten kunnen sterk van elkaar verschillen. Sponge cake (ook wel biscuit-cake genoemd) wordt geproduceerd met enkel bloem, eieren, sucrose en rijsmiddel, terwijl recepten voor cream cake en pound cake ook nog olie, margarine of boter bevatten.

De functionaliteit van sucrose in cakesystemen is relatief goed gedocumenteerd. Tijdens het maken van het beslag lost ze op in de batter liquor (BL), dit is de waterige fase van het beslag. Sucrose verhoogt daardoor de viscositeit en de stabiliteit van het beslag. Tijdens het bakken stuurt sucrose het moment van de structuurzetting van de cake-kruim door de temperaturen waarbij zetmeel verstijfselt en proteïne denatureert te bepalen. Hierdoor wordt de rijs tijdens het bakken verlengd, wat leidt tot cakes met een optimaal volume en een gewenste kruimtextuur.

Daarnaast is de functionaliteit van rijsmiddelen ook redelijk goed gedocumenteerd. Een typisch rijsmiddel bestaat uit een zuur (HX) en natriumbicarbonaat (NaHCO3). De gebruikte zuren zijn vaak fosfaat-houdend. HX en NaHCO3 reageren met elkaar, en zorgen er zo voor dat koolstofdioxide (CO2) vrijkomt tijdens de beslagbereiding en het bakken, wat de cakekwaliteit ten goede komt.

Het doel van dit doctoraatswerk was om de functionaliteit van sucrose en rijsmiddel tijdens de productie van cake in meer detail te bestuderen en een wetenschappelijk gefundeerde basis te verschaffen voor het verminderen van het aandeel aan sucrose en fosfaat-houdende rijsmiddelen in cakerecepten of ze zelfs volledig te vervangen.

In een eerste experimenteel deel werd gefocust op de functionaliteit van sucrose. De effecten van sucrose, de polyolen maltitol en mannitol, en de voedingsvezels oligofructose en inuline op de eigenschappen van beslag, BL, en cake werden vergeleken. Er werd aangetoond dat, net zoals sucrose, de meer optimale sucrosevervangers volledig oplossen in de BL, wat dan vervolgens resulteert in een vergelijkbare BL-hoeveelheid, BL-viscositeit en proton-mobiliteit in de BL [gemeten met time-domain proton-kernmagnetische resonantie (TD 1H NMR)].
Een optimaal sucrose-substituut resulteert in een vertraagde structuurzetting omdat het gebruik ervan leidt tot hogere temperaturen voor zetmeel-verstijfseling en proteïne-denaturatie, waardoor het beslag langer kan rijzen tijdens het bakken. Alhoewel de goed oplosbare maltitol, oligofructose en sucrose vergelijkbare effecten hebben op de BL-eigenschappen, resulteert het gebruik van oligofructose in een te sterk vertraagde structuurzetting tijdens het bakken. Daarnaast hebben mannitol en inuline negatieve effecten op de eigenschappen van BL omdat ze slecht oplosbaar zijn. Een interessante bevinding was dat de combinatie van oligofructose en mannitol een optimale sucrosevervanger is in recepten van zowel sponge, cream en pound cake, ofschoon deze componenten op zichzelf suboptimale sucrosevervangers zijn.

Een alternatieve manier om de negatieve gevolgen van het verlagen van het sucrosegehalte in cakesystemen te verminderen die bestudeerd werd was het veranderen van de mengatmosfeer bij het bereiden van beslag van lucht naar ofwel stikstofgas (N2) of CO2. Het effect van verschillende mengatmosferen blijkt af te hangen van de oplosbaarheid van het gebruikte gas in de waterige (en lipide) fase(n). N2 is iets minder oplosbaar in BL dan lucht. Hierdoor zorgt het gebruik ervan ervoor dat het beslag iets stabieler is. Om die reden is de kwaliteit van sponge cake met verlaagd sucrosegehalte net iets beter wanneer het beslag ervan bereid is onder N2-atmosfeer. Een dergelijk effect wordt echter niet waargenomen voor cream cake.

CO2 heeft een aanzienlijk hogere oplosbaarheid in BL dan lucht. Het gebruik ervan resulteert in beslag dat minder stabiel is en een hogere densiteit heeft. Echter, omdat bij stijgende temperatuur tijdens het bakken zijn oplosbaarheid sterk afneemt, komt de initieel opgeloste CO2 vrij in de gascellen, wat zorgt voor intenser rijzen. Bij het maken van sponge cake overschaduwt het negatieve effect van het gebruik van CO2 op de schuim-/beslag-stabiliteit het positieve effect op het rijzen, wat resulteert in een aanzienlijk slechtere cakekwaliteit. Bij de bereiding van cream cakes heeft het gebruik van CO2 een beperkt negatief effect op de beslagstabiliteit, waardoor het intensere rijzen tijdens de bakfase het negatieve effect tijdens het mengen van het beslag overtreft. Dit maakt dat cream cakes met verlaagd sucrosegehalte, waarvan het beslag onder CO2-atmosfeer wordt bereid, een aanzienlijk hoger volume en kwaliteit hebben. Bovendien verlaagt het gebruik van CO2-atmosfeer in de bestudeerde cake-types de pH van het beslag, wat de vorming van een proteïne-netwerk tijdens het bakken bevordert en zo leidt tot een betere caketextuur.

In het tweede experimentele deel lag de focus op de functionaliteit van rijsmiddelen.
Om het veelgebruikte anorganische fosfaat-houdende HX natriumzuurpyrofosfaat (SAPP)
te vervangen, werden de organische zuren adipinezuur, fumaarzuur, citroenzuur en
α-ketoglutaarzuur getest. Hun functionaliteit hangt grotendeels af van hun oplosbaarheid bij kamertemperatuur en in hoeverre ze verder oplossen tijdens het bakken. Citroenzuur en
α-ketoglutaarzuur zijn goed oplosbaar bij kamertemperatuur. Ze lossen grotendeels op tijdens de beslagbereiding, wat ze kwalificeert als vroeg-werkende HX's. Met deze HX worden slechts kleine hoeveelheden CO2 gevormd tijdens de bakfase, wat resulteert in cakes met een laag volume. De kleine hoeveelheid CO2 die met deze HX gegenereerd wordt tijdens het bakken komt vrij nog voor de kruimstructuur zich zet en dus nog voor het beslag vast wordt. Adipinezuur en fumaarzuur zijn net als SAPP maar beperkt oplosbaar bij kamertemperatuur, wat hen kwalificeert als laat-werkende HX. Omdat ze tijdens het bakken het grootste deel van de CO2 genereren, leidt het gebruik ervan tot cakes met hoog volume en hoge kwaliteit. Het gebruik van adipinezuur zorgt er echter voor dat een deel van de CO2 pas wordt gevormd na de structuurzetting, wat niet optimaal is. Bovendien leidt het gebruik van adipinezuur of  fumaarzuur tot de aanwezigheid van zure hotspots in de cakes, wat aantoont dat ze aan het einde van het bakken nog niet volledig opgelost zijn.

Een innovatieve benadering om anorganische fosfaat-houdende SAPP te vervangen is het gebruik van enzymen. Het potentieel van het gebruik van het enzym glutaminezuur-decarboxylase (GAD ST) samen met zijn substraat mononatriumglutamaat (MSG) en zijn cofactor pyridoxal 5'-fosfaat werd onderzocht in zowel pannenkoeken als cream cake. Dit deel van het experimentele werk was gericht op het testen of deze rijstechniek effectief kan zijn en, zo ja, wat de optimale uitvoeringsmodaliteiten zouden zijn. Terwijl de hoeveelheid MSG bepaalt hoeveel CO2 geproduceerd wordt, bepalen de concentratie van het enzym en zijn cofactor de snelheid waarmee CO2 vrijkomt. Daarnaast hangt de efficiëntie van het enzymatisch rijsmiddel sterk af van de pH en temperatuur van het beslag. Een pH (ongeveer 5,5) lager dan de gebruikelijke pH van beslag voor pannenkoeken en cream cake, een temperatuur van ongeveer 55 °C en een tragere verwarmingssnelheid dan klassiek gebruikt tijdens het bakken zijn nodig om het enzym optimaal te laten werken. Onder dergelijke omstandigheden is enzymatisch rijzen minstens even efficiënt als chemisch rijzen. Verder werd gevonden dat de enzymactiviteit niet geremd werd door sucrose. Omdat de omstandigheden waarbij het enzymatisch systeem optimaal presteert niet overeenkomen met deze waarbij standaard pannenkoeken of cream cakes bereid worden, is verder onderzoek nodig om tot industriële implementatie te kunnen overgaan.

Op basis van dit manuscript concluderen we dat de toekomst met betrekking tot zowel de vervanging van sucrose als de vervanging van fosfaat-bevattende HX er veelbelovend uitziet. Er moet echter nog wat werk worden verricht voordat ze volledig kunnen verwijderd worden uit cakerecepturen.