Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchungen zur Technofunktionalität von Eigelbfraktionen in Feinen Backwaren am Beispiel von Biskuit und Sandkuchen

Dietrich, Katrin Ursula

In fine pastry made of nearly equal parts of eggs, flour, and sugar (with or without fat and raising agent), hen´s egg is the most important structure-giving ingredient. Eggs are especially valued not only for their taste and nutritional value, but also for three outstanding techno-functional properties, in which egg yolk also plays a decisive role: thermal gelation, the ability to incorporate air, and excellent emulsifying properties. Egg yolk can now be separated and freeze-dried economically and on an industrial scale into its three main fractions, the low-density-lipoproteins (LDL), the granules, and the livetins, with full recovery and complete maintenance of techno-functional properties. The present study was undertaken to explore the techno-functional properties of the freeze-dried egg yolk fractions (LDL, granules, livetins) by using them in two types of cake widely produced commercially: one, a fat-free sponge cake without raising agent, the other, a pound cake with fat and baking powder. This study explored the complex relationships in the thermally induced gelation of egg yolk, with particular focus on the details of the significance of different ionic strengths. The first step was to determine the temperature-dependant viscosity curve of LDL, the main components of the egg yolk, and then to describe their mode of action in cooperation with the livetins. A further aim was to determine the influence of the viscosity of sodium carboxymethylcellulose (CMC), a hydrocolloid that supports the separation of egg yolk into its three main fractions, on the fractionation process of egg yolk, in order to produce fractions of higher purity. The investigation of the techno-functional properties of egg yolk fractions was based on baking trials with two defined model systems (model A: sponge cake; model B: pound cake). In order to determine the effects of the properties of the egg yolk fractions on the model systems, the cakes were tested for density, crumb firmness, and sensory qualities (shape, appearance, volume, taste). Cake volume was determined by the displacement method (using poppy seeds) as the basis for calculating cake densities [g/mL]. Crumb firmness was measured using a penetrometer punch to measure depth [mm]. Use of the various egg yolk fractions (LDL, granules, livetins) in the model systems (sponge and pound cakes) produced significant quality differences in these fine baked goods, making it possible to use the economical, industrially separated egg yolk fractions to positively influence the quality parameters of these baked goods. It was determined that the livetin fraction will not be of major importance for the production of fine baked goods not only because of the low concentration of livetins in egg yolk but also due to their negative baking properties (high cake density, high crumb firmness). On the other hand, livetins are of great economic importance as a source of immunoglobulins, so that this fraction can be sold at high prices, e.g., for functional food products and pharmaceutical applications. However, it was shown here for the first time that high concentrations of the isolated livetin fraction contributed to an intensive browning of the finished baked goods, which was not true of the LDL and granule fractions. The granule fraction showed different modes of action depending on the model system. Its use in the fat-free sponge cake recipe (without raising agent) resulted in high density and a hard, uneven, large-pored crumb, both of which are undesirable in this product. On the other hand, the granule fraction had a positive influence on density and crumb structure of the pound cake model (with added fat and baking powder). The granule fraction resulted in a uniformly fine-pored crumb structure with a sandy, slightly crumbly chewing impression corresponding to the desired quality characteristic of pound cake. It is assumed that the dissociation of the granules in the oil/dough mixture played a decisive role in the development of their techno-functional properties in the pound cake model system. Consequently, it should be possible to apply the granule fraction in the manufacture of pound cake, a potential application described here for the first time. It was also shown that the LDL fraction was less important for the pound cake than for the sponge cake. Moreover, the LDL fraction was found to be decisive for high quality in the sponge cake model. It was shown that the LDL fraction can be used to produce sponge cakes of excellent quality which are entirely comparable to those made with egg yolk and even whole egg. In fact, the crumb structure of sponge cake made with the LDL fraction was more tender (greater penetration depth) than that made with egg yolk, with no significant differences in cake density. The LDL fraction was found to be crucial for a tender, low-strength crumb. The tenderness of the typical sponge cake was thus mainly be attributed to the techno-functional properties of the LDL fraction. Furthermore, LDL was shown here for the first time to be the main carrier of flavor in the egg yolk in baked goods. LDL was also found to be responsible for the yellow coloring of the cakes. Moreover, it was proven that the method applied here for pasteurization and freeze-drying of egg yolk fractions completely maintained their techno-functionality in the baking process. For the first time, it was determined that pasteurized freeze-dried egg products give an optically visible more uniform, finer-pored crumb structure than that of fresh egg yolk products, many of which tended to have a coarse crumb structure. The experiments carried out here identified for the first time egg white as an important structure-giving component for the pound cake recipe, whereas egg white proteins were less important for the crumb structure of the sponge cake. There was no difference in crumb firmness and cake density between sponge cake made with whole egg or egg yolk. Heat-induced gelation of LDL and plasma was studied as a function of different ionic strengths using measurements of the temperature-dependent viscosity made with a rotational rheometer. The apparent viscosity was determined over time in the temperature range of 25°C to 95°C. Rheological studies have already shown that egg yolk exhibits a characteristic temperature-dependent viscosity curve with two distinctive maxima within this temperature range, and that the rheological properties of egg yolk correspond with the individual egg yolk fractions. The present studies demonstrated for the first time that the presence of salt ions is necessary for formation of the first characteristic viscosity increase in LDL and plasma. Under these conditions, formation of the first viscosity maximum was independent of the presence of livetins. Moreover, high salt concentrations (5% and 10%) increased the thermal stability of LDL, so that its denaturation temperature was shifted to a higher temperature range. This has previously only been described for egg yolk. Studies of the influence of CMC viscosity during fractionation showed differences in the purity of the LDL and livetin fractions obtained between the use of low-viscosity CMC 30 and high-viscosity CMC 60,000. There were significant differences in the concentration of active immunoglobulin Y (IgY) in the LDL and livetin fractions. While the viscosity of CMC is determined on the one hand by molecular weight, its viscosity can also be adjusted by the concentration of CMC on the other. In these experiments it was demonstrated for the first time that CMC solutions of low viscosities improved the success of separation of the plasma, i. e. increased the purity of the LDL and livetin fractions, regardless of whether these are determined by the molecular weight or the concentration of CMC. This also was reflected in altered protein and fat contents. Furthermore, rocket immunoelectrophoresis according to Laurell was used for the determination of ovalbumin, the main egg white protein, in each egg yolk fraction. This allows conclusions to be made on the insufficient separation of egg white and egg yolk only under the assumption that no ovalbumin is naturally present in the yolk. With this method ovalbumin was detected here for the first time in all fractions. Moreover different degrees of ovalbumin enrichment were found in the various egg yolk fractions, with particularly high levels in the livetin fraction. The results of this research will contribute to better economic utilization of valuable ingredients from the chicken egg. An economic problem in existing procedures for extraction of livetins or lecithins from egg yolk components has been the fact that only a single component is detected. At present, in the recovery of immunoglobulins (IgY) from the livetin fraction of the yolk, none of the other, profitable egg yolk fractions are separated because of the lack of economical alternatives. Here, it was shown that the quality parameters of cake can be positively influenced by the use of the LDL or granules fractions. For manufacturers of fine baked goods, this means an opportunity to economize on valuable raw materials while maintaining product quality. Therefore, despite the fact that the livetin fraction is not of relevance for fine baked goods because of its negative baking properties, it can be used as a valuable source of immunoglobulins for other applications (pharmaceuticals, functional food).

In Feinen Backwaren, wie Biskuit und Sandkuchen, stellt das Hühnerei die wichtigste strukturgebende Zutat dar. Es wird, neben dem Geschmack und Nährwert, v. a. aufgrund seiner drei herausragenden technofunktionellen Eigenschaften wertgeschätzt: der thermischen Gelbildung, dem Schaumbildungsvermögen und seiner exzellenten emulgierenden Eigenschaften, wobei hier das Eigelb ebenso einen entscheidenden Stellenwert einnimmt. Eigelb lässt sich mittlerweile kostengünstig und im industriellen Maßstab in drei Hauptfraktionen auftrennen: die Low-Density-Lipoproteine (LDL), Granula sowie die Livetine und anhand eines speziellen Verfahrens gefriertrocknen. Hierbei können die technofunktionellen Eigenschaften vollständig erhalten und ausgenutzt werden. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, die technofunktionellen Eigenschafen neuentwickelter gefriergetrockneter Eigelbfraktionen (LDL, Granula, Livetine) zu erarbeiten, um diese zielgerichtet in Feinen Backwaren (Biskuit/Sandkuchen) einzusetzen. Des Weiteren wurden die komplexen Zusammenhänge in der thermisch induzierten Gelbildung von Eigelb, insbesondere die Bedeutung unterschiedlicher Ionenstärken untersucht und näher beschrieben. Hierzu erfolgten zum einen Untersuchungen des temperaturabhängigen Viskositätsverlaufs von LDL, der Hauptkomponente des Eigelbs und zum anderen ihrer Wirkungsweise in Kooperation mit den Livetinen. Ein weiteres Ziel bestand darin, den Einfluss der CMC-Viskosität bei der Fraktionierung von Eigelb zu erarbeiten, um nach Möglichkeit Fraktionen höherer Reinheit zu gewinnen. CMC bezeichnet die Natrium-Carboxymethylcellulose (CMC), ein Hydrokolloid, welches die Auftrennung von Eigelb in seine drei Hauptfraktionen unterstützt. Die Untersuchung der technofunktionellen Eigenschaften der Eigelbfraktionen fand anhand von Backversuchen an definierten Kuchenmodellsystemen (Modell A: Biskuitkuchen, Modell B: Sandkuchen) statt. Um die Effekte den Eigenschaften der Eigelbfraktionen zuordnen zu können, wurden die Gebäcke anhand ihrer Kuchendichte sowie Krumenfestigkeit untersucht und teils einer sensorischen Prüfung (Form, Aussehen, Volumen, Geschmack) unterzogen. Mithilfe der Verdrängungsmethode (Mohnsamen) erfolgte die Bestimmung des Kuchenvolumens, welches der Berechnung der Kuchendichten [g/mL] diente. Die Krumenfestigkeit wurde anhand der Eindringtiefe [mm] eines Stempels in die Kuchenkrume mithilfe eines Penetrometers gemessen. Mit dem Einsatz der verschiedenen Eigelbfraktionen (LDL-, Granula-, Livetin-Fraktion) in den Modellsystemen (Biskuit/Sandkuchen) ließen sich signifikante Qualitätsunterschiede in Feinen Backwaren erreichen. Die Anwendung kostengünstig industriell separierter Eigelbfraktionen ermöglichte Qualitätsparameter eines Gebäckes positiv zu beeinflussen. Es konnte gezeigt werden, dass die Livetin-Fraktion keine größere Bedeutung bei der Herstellung Feiner Backwaren erlangen wird, nicht nur aufgrund ihres sehr geringen prozentualen Anteils am Eigelb sondern zugleich angesichts ihrer negativen Backeigenschaften (hohe Kuchendichten, hohe Krumenfestigkeiten). Demgegenüber besitzen die Livetine jedoch eine hohe wirtschaftliche Bedeutung als Lieferant von Immunglobulinen, sodass diese Fraktion hochpreisig bspw. für Functional-Food-Produkte oder pharmazeutische Anwendungen angeboten werden kann. Allerdings trägt, wie hier erstmals beschrieben wurde, die isolierte Livetin-Fraktion in hohen Konzentrationen, im Unterschied zur LDL- und Granula-Fraktion, zu einer intensiven Bräunung der fertigen Backware bei. Die Granula-Fraktion zeigte je nach Modellsystem unterschiedliche Wirkungsweisen. Ihre Verwendung in der Biskuitrezeptur resultierte in einer für Biskuitkuchen unerwünschten hohen Kuchendichte sowie einer harten, großporigen und ungleichmäßigen Krume. Hingegen wirkte sie im Sandkuchenmodell (Zusatz von Fett) positiv auf die Kuchendichte und Porenstruktur. Sie rief eine gleichmäßig feinporige Krumenstruktur mit einem sandigen, leicht krümeligen Kaueindruck hervor, welche der erwünschten Qualitätseigenschaft für Sandkuchen entsprach. Vermutlich spielte das Dissoziieren der Granula im Öl-/Teiggemisch die entscheidende Rolle bei der Entfaltung ihrer technofunktionellen Eigenschaften im Sandkuchenmodell. Demzufolge ist es möglich, die Granula-Fraktion zielgerichtet für die Herstellung von Sandkuchen einzusetzen; eine potentielle Anwendungsmöglichkeit, welche hier erstmalig beschrieben wurde. Es konnte ebenfalls gezeigt werden, dass der LDL-Fraktion im Sandkuchenmodell, im Vergleich zum Biskuit, eine geringere Bedeutung zukam. Die LDL-Fraktion war entscheidend für hohe Gebäckqualitäten im Biskuitkuchenmodell. Mit ihr ließen sich Biskuitgebäcke hervorragender Qualität herstellen, welche im vollen Umfang mit Eigelbbiskuit und sogar Volleibiskuit vergleichbar waren. Im Vergleich zu Eigelb, zeigten diese Biskuitgebäcke sogar eine höhere Krumenzartheit (höhere Penetrometereindringtiefen) und keine signifikanten Unterschiede der Kuchendichten. Die LDL-Fraktion war ausschlaggebend für eine Krume von geringer Festigkeit. Die Lockerheit des typischen Biskuitgebäckes konnte hauptsächlich auf die technofunktionellen Eigenschaften der LDL-Fraktion zurückgeführt werden. Weiterhin wurde LDL erstmals als Hauptgeschmacksträger des Eigelbs im Gebäck identifiziert. Zudem war es für die gelbe Färbung des Gebäckes verantwortlich. Ferner konnte nachgewiesen werden, dass die hier angewendeten Verfahren zur Pasteurisation und Gefriertrocknung von Eigelbfraktionen, ihre Technofunktionalität im Backprozess vollständig erhalten. Dabei wurde erstmalig festgestellt, dass pasteurisierte gefriergetrocknete Eigelbprodukte eine optisch sichtbare gleichmäßigere, feinporigere Krume im Vergleich zu frischen Eigelbprodukten, hervorriefen. Die Verwendung frischer Eigelbprodukte führte vermehrt eine großporige Krumenstruktur herbei. Mithilfe der hier durchgeführten Versuche konnte zudem erstmals das Eiklar als eine für den Sandkuchen wichtige strukturgebende Rezepturkomponente identifiziert werden, während dahingegen beim Biskuit die Eiklarproteine einen weitaus geringeren Beitrag zur Krumenstruktur leisteten. Volleibiskuit und Eigelbbiskuit unterschieden sich in der Kuchendichte und Krumenfestigkeit nicht feststellbar voneinander. Untersuchungen zur thermisch induzierten Gelbildung von LDL und Plasma in Abhängigkeit unterschiedlicher Ionenstärken erfolgten mithilfe von Messungen der temperaturabhängigen Viskosität mit einem Rotationsrheometer. Dabei wurde die scheinbare Viskosität zeitabhängig in einem Temperaturbereich von 25 °C bis 95 °C bestimmt. Es ist bereits bekannt, dass Eigelb innerhalb dieses Temperaturbereichs zwei unterschiedliche Viskositätsmaxima aufweist und das temperaturabhängige rheologische Verhalten von Eigelb mit dem jeder einzelnen Eigelbfraktion korrespondiert. Anhand der hier durchgeführten Untersuchungen konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass die Anwesenheit von Salzionen eine Notwendigkeit zur Ausbildung des charakteristischen ersten Viskositätsanstieges von LDL und Plasma darstellte. Unter diesen Bedingungen war die Ausbildung des ersten Viskositätsmaximums unabhängig von der Anwesenheit von Livetinen. Zudem steigerten hohe Salzkonzentrationen (5 % und 10 %) die Thermostabilität von LDL, sodass dessen Denaturierungstemperatur in einen höheren Temperaturbereich verschoben wurde. Dies ist bisher nur für Eigelb beschrieben. Hinsichtlich des Einflusses der CMC-Viskosität bei der Fraktionierung zeigte sich, dass zwischen der Verwendung des niedrigviskosen CMC 30 im Gegensatz zum hochviskosen CMC 60 000 Unterschiede in der Reinheit der gewonnenen LDL- und Livetin-Fraktionen auftraten. Die Konzentration des aktiven Immunglobulin Y (IgY) in den gewonnenen LDL- und Livetin-Fraktionen wies signifikante Unterschiede auf. Die Viskosität des CMC wird einerseits durch das Molekulargewicht bestimmt, andererseits kann die Viskosität über die CMC-Konzentration eingestellt werden. Anhand der durchgeführten Versuche konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass CMC-Lösungen niedriger Viskositäten, ob über das Molekulargewicht des verwendeten CMC oder die CMC-Konzentration eingestellt, den Trennerfolg des Plasmas verbesserten, d. h. die Reinheit der LDL- und Livetin-Fraktion erhöhten. Dies spiegelte sich ebenfalls in veränderten Protein- und Fettgehalten wieder. Ferner erfolgte mithilfe der Rocket-Immunelektrophorese nach Laurell eine Bestimmung von Ovalbumin, dem Haupteiklarprotein, in den einzelnen Eigelbfraktionen. Dies erlaubt das Ziehen von Rückschlüssen auf eine unzureichende Trennung von Eiklar und Eigelb nur unter der Annahme, dass im Eigelb natürlicherweise kein Ovalbumin vorhanden ist. Ovalbumin konnte anhand dieser Methode erstmalig in jeder einzelnen Fraktion nachgewiesen werden. Zudem reicherte es sich unterschiedlich in den verschiedenen Eigelbfraktionen an. Es konnte festgestellt werden, dass sich besonders hohe Gehalte in der Livetin-Fraktion befanden. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit sollen zur besseren wirtschaftlichen Ausnutzung von Inhaltsstoffen aus dem Hühnerei beitragen. Bisher ist es als wirtschaftliches Problem anzusehen, dass bei den gegenwärtigen Prozessführungen, bspw. zur Extraktion von Livetinen oder Lecithinen aus den Eigelbbestandteilen, jeweils nur die eine Komponente erfasst wird. Bei der Gewinnung von Immunglobulinen (IgY) aus der Livetin-Fraktion des Eigelbs, erfolgt derzeit aus Mangel an wirtschaftlichen Alternativen, keine Abtrennung weiterer Eigelbfraktionen. Hier konnte gezeigt werden, dass mit dem Einsatz der LDL- oder Granula-Fraktion die Qualitätsparameter eines Gebäcks positiv beeinflusst werden können. Für die Hersteller von Feinen Backwaren ergibt sich dadurch die Möglichkeit für wertvolle Rohstoffeinsparungen bei gleichbleibender Produktqualität. Die Livetin-Fraktion dagegen wird aufgrund ihrer negativen Backeigenschaften keine größere Bedeutung in Feinen Backwaren erlangen, sodass sie, als Lieferant von Immunglobulinen, für andere Einsatzmöglichkeiten (Pharmazie, Functional-Food) verwendet werden kann.



Dietrich, Katrin Ursula: Untersuchungen zur Technofunktionalität von Eigelbfraktionen in Feinen Backwaren am Beispiel von Biskuit und Sandkuchen. Hannover 2015. Tierärztliche Hochschule.


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