Projecten

INNOCEREAL II

Innovatieve fermentatiestrategieën om de aromavorming in bakkerijproducten te accentueren

Opportuniteit & probleemstelling

De toepassing van al dan niet gecontroleerde graanfermentatie kent een belangrijke opmars, niet alleen omwille van het gezond imago van gefermenteerde graanproducten maar tevens voor de bijdrage in de nutritionele, organoleptische (textuur, aroma en smaak) en andere functionele eigenschappen (met clean label) van de eindproducten, hetgeen een toegevoegde waarde biedt voor de producent en consument (verbeterde producteigenschappen, verhoogde natuurlijke waarde door E-nummervrij te kunnen werken, enz.). De productie van gefermenteerde graanproducten is afhankelijk van gisten en veelal ook van melkzuurbacteriën. Dit is in het bijzonder zo voor zuurdesemgebaseerde producten met artisanaal karakter, waar melkzuurbacteriën (en gisten) via de bloem in het product gebracht worden door een voor de industrie tijdrovende zogenaamde ‘backslopping’-procedure of terugfermentatie van het bloem-watermengsel (traditioneel, spontaan proces). Het kan echter ook sneller aan de hand van starterculturen (melkzuurbacteriën met of zonder gisten) of gedroogde zuur- en/of aromadragende (gedroogde) zuurdesems (al dan niet inclusief bakkersgist), die op hun beurt ook via starterculturen toegevoegd aan een bloem-watermengsel worden geproduceerd. Deze handelswijze zorgt voor een verhoogde procescontrole, maar veelal ook voor een gemis aan bepaalde kwaliteitseigenschappen. Dit is ondermeer te wijten aan een gebrekkig inzicht in de fysiologische en metabole karakteristieken van de betrokken of toegepaste micro-organismen en de afstemming hiervan op de toegepaste fermentatietechnologie. Deze limitaties belangen bedrijven aan die actief zijn in de productie van bloem, zuurdesem en gefermenteerde granen, alsook hiervan afgeleide bakkerijproducten [niet alleen (artisanale) broden, baguettes, croissants, enz. maar ook bijvoorbeeld pizza’s, koekjes, enz.].

De bakkerijsector (en aanverwante sectoren) wordt, naast de aanwezigheid van een aantal grote spelers, gekenmerkt door een groot aantal middelgrote tot kleinschalige bedrijven (inclusief artisanale bakkers) en ondervindt sterke economische druk wat betreft prijszetting, vooral in de huidige periode van dalende koopkracht, hetgeen kan gecompenseerd worden door innovatie. Anderzijds bestaat een duidelijke vraag naar ‘betere’ bakkerijproducten met verhoogde sensorische kwaliteit of met bepaalde gezondheidsbevorderende eigenschappen, inclusief clean label. Dit wordt in het bijzonder geïllustreerd door de opkomst van “speciale” broden, wat vorm wordt gegeven door te werken met diverse graantypen, het gebruik van meerdere granen, het toevoegen van functionele componenten aan het deeg, het modificeren van het rijs- en bakproces, het modificeren van het uitzicht van de eindproducten, enz. Ook het verwerken van zuurdesem in het te bakken eindproduct, om zo tegemoet te komen aan ambachtelijke en kwaliteitsvolle aspecten (bijvoorbeeld smaak en aroma, antischimmeleffect, enz.), is hierbij gebruikelijk. Verder bestaat een toenemende vraag naar alternatieve producten (bv. glutenvrije en zoutgereduceerde bakkerijproducten) en productdiversificatie en -innovatie [bv. nutriënten-aangerijkte bakkerijproducten, bakkerijproducten met nieuwe (alternatieve) aroma’s, bakkerijproducten zonder toegevoegde functionele componenten, ...]. Artisanaliteit, diversificatie en innovatie kunnen verder een tegengewicht vormen voor de toenemende globalisering van de voedingsindustrie door te streven naar unieke producteigenschappen op het gebied van gezondheid of sensorische kwaliteit.

Rekening houdend met hogergenoemde gegevens is het cruciaal dat het productieproces, steunend op de fermentatie van graangebaseerde grondstoffen en de directe link met de uiteindelijke productkwaliteit, beter wordt begrepen. Het begrijpen van het gedrag van melkzuurbacteriën en (wilde) gisten in een graanomgeving, die in het deeg actief zijn en zorgen voor de verzuring en de generatie van allerlei smaak-, aroma- en andere functionele componenten, staat hierbij centraal. Naderhand kunnen geselecteerde melkzuurbacterie- en/of giststammen ingezet worden als ‘functionele’ startercultuur in gerichte fermentatieprocessen ter productie van specifieke eindproducten. Functionele starterculturen zijn starterculturen die in situ een extra, gewenste, functionele eigenschap tot expressie brengen, naast de klassieke verzuring of fermentatie van de natuurlijke grondstof. Een beter begrip impliceert verder een betere sturing van het proces, wat zowel de innovatiemogelijkheden als de algemene procesefficiëntie ten goede komt. Het productieproces van ‘speciale’ broden, gebaseerd op zuurdesemfermentatie, kan worden gelinkt aan een productieketen gaande van bloemmolens over zuurdesemproducenten en toeleveranciers van ingrediënten (inclusief starterculturen) tot (industriële) bakkerijbedrijven en supermarkten.

Inhoud onderzoek

Zuurdesem is een matrix van hoofdzakelijk bloem en water die een spontane fermentatie ondergaat door middel van melkzuurbacteriën (lactobacillen en leuconostocs) en (wilde) gisten (De Vuyst & Gänzle, 2005; De Vuyst & Neysens, 2005; Gobbetti et al., 2005; Gobbetti & Gänzle, 2007; Corsetti & Settanni, 2007; De Vuyst & Vancanneyt, 2007; Gänzle et al., 2007, 2008; Vogel & Ehrmann, 2008; De Vuyst et al., 2009; Vogel & Gänzle, 2009; De Vuyst et al., 2013; Huys et al., 2013; Poutanen & Katina, 2013). Dergelijke spontane zuurdesemfermentaties worden toegepast tijdens terugfermentaties in hoofdzakelijk (artisanale) bakkerijen. Tevens worden momenteel bepaalde stammen van lactobacillen en Ascomyceten-gisten toegepast als starterculturen voor de industriële productie van zuurdesems die vooral als smaakingrediënt worden toegepast in (industriële) bakkerijen. Deze micro-organismen zijn verantwoordelijk voor verzuring (melkzuurbacteriën), aromavorming (melkzuurbacteriën en gisten) en gasvorming (gisten en melkzuurbacteriën), hetgeen gewenste eigenschappen zijn voor zuurdesemproducten. Helaas voldoet het aroma- en smaakprofiel van de geproduceerde bakkerijproducten niet volledig aan de verwachtingen van consument en producent en zijn producent en consument continu op zoek naar innovatieve producten met unieke aroma- en smaakprofielen.

Dankzij de metagenoomanalyse van ganse ecosystemen en de genoomanalyse van de betrokken micro-organismen werd vastgesteld dat vele melkzuurbacteriën en gisten genen bezitten die niet optimaal tot expressie komen, al dan niet in bepaalde ecosystemen, niettegenstaande zij coderen voor metabole paden die een belangrijke impact kunnen hebben op de functionaliteit van zuurdesembereidingen. Het is niet onwaarschijnlijk dat deze (slapende) genen tevens coderen voor voor aromavorming relevante (verborgen) metabole paden. Het komt er dan ook op neer de juiste omgevingssignalen of -moleculen te vinden die de expressie van deze genen kunnen activeren en aldus de activiteit van de betrokken micro-organismen stimuleren, hetzij deze die van nature uit aanwezig zijn hetzij deze die als functionele starterculturen kunnen worden toegevoegd. In samenwerking met de bloemmolens en bakkerijbedrijven betrokken bij dit onderzoeksproject zullen de nodige inzichten bekomen worden in de sturing van graanfermentaties naar specifieke aromavorming in bepaalde eindproducten toe door in te spelen op technologische factoren, met name intrinsieke en extrinsieke factoren - inclusief de te gebruiken startercultuur -, van het graanfermentatieproces met het oog op (verborgen) aromaproductie. Dit zal voornamelijk gebeuren door het toepassen van innovatieve ingrediënten, in het bijzonder deze die (nieuwe) aroma’s kunnen genereren, in combinatie met het gebruik van een of meerdere bloemtypen en –fracties, indien mogelijk aangeleverd door de bloemmolens betrokken bij dit project en waarbij parameters als asgehalte en nutritionele samenstelling door hen bepaald worden.

Twee parallelle benaderingen zullen worden gevolgd. Een eerste, fenotypische evaluatie zal gebaseerd worden op het toevoegen van substraten (ingrediënten) en/of aromaprecursormoleculen aan het bloem-watermengsel om slapende genen tot expressie te brengen, om bepaalde genen van relevante metabole paden tot overexpressie te brengen teneinde de metabole flux via deze paden die betrokken zijn bij aromavorming te verhogen, of om minderheidspopulaties van bepaalde bacteriële of gistsoorten die zuurdesems herbergen te laten uitgroeien. Zo zullen de toevoeging van citraat, bepaalde aminozuren (bijvoorbeeld asparaginezuur, glutaminezuur en fenylalanine) en andere organische moleculen (bijvoorbeeld α-ketozuren, oxaalazijnzuur en appelzuur) uitgetest worden. Zo is het immers bekend dat citroenzuur een belangrijke electronendonor is die zowel het pyruvaatkatabolisme als reductieve Krebscyclusactiviteit kan stimuleren en dat aminotransferase-activiteit van primordiaal belang is tijdens aminozuurconversies die gepaard gaan met redoxbalancering. Tenslotte produceren mogelijk aanwezige azijnzuurbacteriën azijnzuur en andere organische zuren (bijvoorbeeld gluconzuur) door oxidatie van respectievelijk ethanol en glucose. Indien de fermentatiecondities optimaal zouden zijn voor de groei van deze natuurlijk voorkomende soorten of indien zij zodanig gestuurd worden dat functionele starterculturen van stammen van deze soorten optimaal kunnen groeien, kunnen deze levensmiddelencompatiebele micro-organismsen en/of nieuwe startercultuurstammen bijdragen tot de aromavorming tijdens zuurdesemproductie. Het is derhalve interessant om het gedrag (groei, aanpassingsvermogen, enz.) en de potentiële functionele rol van deze micro-organismen te onderzoeken. Daartoe zullen de op te zetten experimenten geanalyseerd worden naar microbiële samenstellling (cultuurafhankelijke en/of cultuuronafhankelijke analysen), genexpressie (directe en indirecte analysen) en metabolietvorming (diverse chromatografische technieken en detectiemethoden).

Parallel zal een tweede, genotypische evaluatie uitgevoerd worden, zodat de gewenste micro-organismen en metabole paden sneller kunnen gedetecteerd worden. Gegeven het feit dat vele genomen van verschillende microbiële soorten, ook deze betrokken bij graanfermentaties, ontrafeld zijn of worden, zullen in silico genoomanalysen het voorkomen van geschikte enzymcoderende genen (bijvoorbeeld esterasen) aantonen en bijgevolg kunnen bijdragen tot de ontrafeling van de expressie van (verborgen) metabole paden betrokken bij aromavorming. Daartoe zullen diverse bioinformatica-tools gebruikt worden.

Beide benaderingen zullen ertoe leiden dat door een optimale combinatie van specifieke micro-organismen, toegediend onder de vorm van starterculturen, bloemtypen en -fracties en innovatieve ingrediënten, een graanfermentatieproces kan bekomen worden met een toegevoegde waarde voor het eindproduct inzake aromasamenstelling. Deze kennis zal vervolgens in nauwe samenwerking met de deelnemende bedrijven vertaald worden naar nieuwe procedures binnen de bedrijven, waarbij indien nodig de gebruikte fermentatie- of verwerkingstechnieken aangepast zullen worden, zodat de fermentatieprocessen dermate gestuurd kunnen worden dat de gewenste metabolieten in voldoende mate aanwezig zijn in de eindproducten.

Doelgroep bedrijven/sectoren

Binnen dit project kunnen bedrijven uit de verschillende schakels van de bakkerijsector deelnemen: bloemmolens, ingrediëntenleveranciers (inclusief startercultuurproducenten), zuurdesemproducenten, bakkerijbedrijven (zowel kleine artisanale bakkers als industriële, grote bedrijven) en retailers.

Uitvoerder

De Onderzoeksgroep Industriële Microbiologie en Voedingsbiotechnologie (IMDO; Faculteit Wetenschappen en Bio-ingenieurswetenschappen, Vrije Universiteit Brussel) is een wereldwijde speler op het gebied van industrieel voedingsbiotechnologie-onderzoek, meer bepaald levensmiddelenfermentaties. Het voor dit project relevante onderzoek richt zich op de kwalitatieve en kwantitatieve studie van de soortdiversiteit, soortdynamica en meta-metabolomica van gefermenteerde levensmiddelenecosystemen (waaronder zuurdesem). Tevens wordt de (meta)genomica, de microbiële fysiologie en de modellering van fermentaties met food-grade micro-organismen (melkzuurbacteriën, azijnzuurbacteriën en coagulase-negatieve stafylokokken) bestudeerd.

De fundamentele doelstellingen van deze studies is om door middel van state-of-the-art technologieën, te ontrafelen waarom bepaalde micro-organismen de overhand krijgen in bepaalde ecosystemen en hoe hun dominantie en functionaliteit in deze ecosystemen op een biochemische en moleculaire manier verklaard kunnen worden. Het uiteindelijke doel van deze studies is de ontwikkeling van nieuwe, functionele starter- of adjunctculturen voor een gecontroleerd en/of gestuurd fermentatieproces van granen (in dit project), rekening houdend met voedselveiligheid, voedselkwaliteit (organoleptische eigenschappen zoals textuur en smaak) en authenticiteit.

De onderzoeksgroep beschikt over een uitgebreide, moderne onderzoeksinfrastructuur, gaande van basisuitrusting voor microbiologie en moleculaire biologie over computergecontroleerde fermentoren en een state-of-the-art analyseplatform dat is opgebouwd uit verscheidene chromatografische en massaspectrometrische apparaten tot en met een tweedegeneratie-sequentieplatform en een hoogperformant computercluster voor bioinformatica-toepassingen.

De projectuitvoerder voerde eerder het INNOCEREAL I project uit (01/06/2010 - 30/11/2013)

Deelnemen

Het project is gestart op 1 mei 2014 en loopt tot 31 mei 2017 (projectduur 3 jaar), tot die tijd is steeds een deelname mogelijk. Nadien kunnen de resultaten opgevraagd worden (mits betaling). Voor meer info en tarief voor deelname, neemt u best contact op met de projectbeheerder (Steven Van Campenhout).