Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2147
Main Title: Influence of Extrusion Parameters and Recipe Compounds on Flavor Formation and its Quantification
Translated Title: Einfluss von Extrusionsparametern und Rezeptur auf die Bildung von Aromastoffen und deren Quantifizierung
Author(s): Rausch, Tobias
Advisor(s): Knorr, Dietrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Das Ziel der vorliegenden Promotion war die Untersuchung des Einflusses von Tempe-ratur und spezifischer Prekursoren der Maillardreaktion auf die Aromastoffbildung und die Farbentwicklung in stärkehaltigen Extrudaten. Dazu wurden die funktionellen Be-ziehungen von Prozess-, System- und Produktparametern betrachtet. Mischungen aus Weizenstärke und Protein wurde in einem gegenläufigen Zweiwelle-nextruder mit einem Scheckendurchmesser von 44 mm unter Zugabe von in Wasser gelöstem Zucker und einzelnen Aminosäuren bei verschiedenen Gehäusetemperaturen extrudiert. Für jede der untersuchten Protein-Zucker-Mischungen wurde ein 33-Faktorenversuchsplan mit den nachfolgenden Einstellungen verwendet. i) Gehäusetemperatur 140°C, 160°C und 180°C ii) Proteingehalt der Mischung 1,3%, 2,0% und 2,6% iii) Zuckergehalt der Mischung 2%, 4% und 6% Um die Zahl der möglichen Einflussgrößen zu reduzieren und eine weitestgehend gleichbleibende Verweilzeit zu erreichen, wurden Schneckendrehzahl sowie Extrusions-feuchte und Gesamtmassenstrom nicht variiert. Hinsichtlich der gemessenen Systemgrößen Düsentemperatur, Düsendruck und spezi-fisch mechanischer Energieeinleitung (SME) zeigten Protein, Zucker und Temperatur unterschiedlich starke Einflüsse. Die SME war der einzige Systemparameter für den ein statistisch signifikanter Einfluss auf die Aromastoffentwicklung festgestellt werden konnte. Ein Anstieg führte zu einer erhöhten Konzentration der aromaaktiven Pyrazine und des aromaaktiven Furanmethanols. Die statistische Auswertung zeigte für keine der untersuchten Aromastoffe eine signifikante Beeinflussung im Bereich des gemessenen Produkttemperatur- beziehungsweise Produktdruckbereiches. Grundlage der Bewertung des Einflusses von Protein, Zucker und Temperatur sowie der in einer separaten Versuchsreihe untersuchten Aminosäuren auf die Aromaentwicklung waren die Konzentrationen ausgewählter Aromastoffe nach Auswertung von GC/MS-Analysen. Die Quantifizierung erfolgte hierbei mit Hilfe der Stable Isotope Dilution Analysis (SIDA) beziehungsweise durch die Verwendung von Trimethylpyrazin als internen Standard für die selektive Quantifizierung der Pyrazine. Proteine, Zucker und Temperatur zeigten hierbei unterschiedliche Einflüsse auf die Bildung verschiedener Aromastoffe. Es konnte gezeigt werden, dass die im Rahmen dieser Studie untersuchten Aromastoffe, welche für einen gewünschten cerealen Röstgeschmack verantwortlich sind, ähnlich beeinflusst werden. Hierzu zählten neben Pyrazinen auch Furanmethanol und Maltol. Bei allen zeigten sich zunehmende Konzentrationen mit steigenden Gehäu-setemperaturen und Proteingehalten. Im Gegensatz dazu führten erhöhte Zuckergehalte zu sinkenden Konzentrationen an 2,5 Dimethylpyrazin, Furanmethanol und Maltol. Lediglich Methylpyrazin zeigte steigende Werte bis 4 % Zucker, gefolgt von einer Kon-zentrationsabnahme. Neben ihren prozentualen Anteilen im Endprodukt konnte ein deutlicher Einfluss der Art von Protein und Zucker festgestellt werden. Während die Verwendung von Glucose und Molkenprotein die Bildung der untersuchten Pyrazine begünstigte, zeigten Furanmethanol und Maltol höchste Konzentration in Proben wel-che unter Zugabe von Milchprotein hergestellt wurden. Gegensätzliche Effekte wurden für die Bildung von 2,4-Decadienal festgestellt, einer während der Autoxidation von Fettsäuren gebildete Verbindung mit negativer Aroma-charakteristik. Es konnte gezeigt werden, dass die Bildung stark durch steigende Zu-ckerkonzentrationen begünstigt wird, während steigende Proteingehalte zu Abnahme führen. Die Bildung der untersuchten Säuren (Butansäure, Pentansäure und Hexansäure) war sowohl abhängig von der Konzentration als auch von der Art des Zuckers beziehungs-weise Proteins. Die Zugabe von 4 % Glucosesirup führte hierbei zu maximalen Kon-zentrationen aller untersuchten Säuren, während dieser Effekt bei Verwendung von 4 % Glucose nur für Butansäure beobachtet werden konnte. Die Verwendung von Molken-protein führte zu sinkenden Konzentrationen aller Säuren, wohingegen die Verwendung von Milchprotein zu Anstiegen führte. Die verschiedenen Aminosäuren zeigten grundsätzliche Ähnlichkeiten in der Art und Weise wie sie die Bildung der untersuchten Aromastoffen beeinflussten. Diese war wei-testgehend mit dem der Proteine vergleichbar. Untereinander zeigten sich hingegen Un-terschiede in der Intensität der Einflüsse. Während durch die Verwendung von Valin und Prolin die Bildung von 2,4 Decadienal am effektivsten gehemmt werden konnte, zeigte Leucin den positivsten Einfluss auf die Pyrazinbildung. Ein deutlicher Vorteil einer der verwendeten Aminosäuren gegenüber anderen Aminosäuren oder der Ver-wendung von Protein konnte jedoch nicht gezeigt werden. Die durchgeführten Farbmessungen zeigten einen signifikanten Einfluss aller Prozess-parameter auf die Helligkeit der Extrudate. Für die Temperatur im Untersuchungsbe-reich von 140°C bis 180°C konnte hierbei ein quadratischer Einfluss festgestellt wer-den. Abhängig von der verwendeten Protein-Zucker-Kombination zeigte sich eine ma-ximale Farbintensität bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Verwendung von Mol-kenproteinen führte hierbei erst bei höheren Temperaturen zu einer maximalen Bräu-nung im Vergleich zu Milchprotein. Sowohl Protein als auch Zucker beeinflussten die Farbbildung, wobei ein stärkerer Einfluss des Zuckers festgestellt wurde. Im Gegensatz zu den untersuchten Proteinen zeigte sich zusätzlich eine deutliche Abhängigkeit der Intensität der Farbstoffbildung von der Art des verwendeten Zuckers. Die Verwendung von Glucose führte hierbei zu stärkeren Bräunungsreaktionen im Vergleich zu Glucose Sirup. Ein Zusammenhanges zwischen der Produkthelligkeit und der Bildung spezifi-scher Aromastoffe konnte nicht festgestellt werden. Durch die vorliegende Studie konnte demonstriert werden, dass sich mit Hilfe der unter-suchten Parameter Temperatur, Protein und Zucker die Bildung von Aroma- und Farb-stoffen modulieren lässt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass sich sowohl die Aromabildung als auch die Farbgebung verschiedenartig durch die Art des gewählten Zusatzes (Zucker, Protein, Aminosäure) beeinflussen lassen.
Objective of the dissertation was to examine the influence of specific Maillard reaction precursors and temperature on the formation of flavor compounds and color develop-ment in extrusion cooked food products. For this, functional relationships between process, system, and product parameters were analyzed. Dry mixtures of wheat starch and protein were processed in a 44 mm diameter, co-rotating twin screw extruder by the addition of sugar and single amino acids dissolved in water. For each mixture of protein and sugar, a 33 factorial experiment was designed on the following operating conditions: i) barrel temperature 140°C, 160°C, and 180°C ii) protein concentration of the mixture 1.3%, 2.0%, and 2.6% iii) sugar concentration of the mixture 2%, 4%, and 6% Screw speed, moisture, and feed rate were kept constant to narrow the influencing vari-ables and to keep the residence time unchanged. Protein and sugar concentrations and barrel temperature showed different influences on the system parameters die temperature, die pressure, and specific mechanical energy input (SME). SME was found to be the only system parameter showing a significant influence on flavor development. An increase resulted in elevated concentrations of pyrazines and furanmethanol, representing important flavor compounds. Within this study, no statistical significance of product pressure and product temperature could be found regarding their influence on the formation of the examined flavor compounds. Evaluations of the influence of protein, sugar, and temperature as well as separate ex-aminations of the influence of single amino acids are based on GC/MS quantification results obtained by stable isotope dilution analysis (SIDA) or the use of trimethypyra-zine (TMP). The results showed distinct differences in how protein, sugar, and temperature influence different groups of flavor compounds. It was found that the most important flavor com-pounds for the desired cereal like aroma among the evaluated compounds, i.e. pyrazi-nes, furanmethanol, and maltol, showed similarities in how they were generally af-fected. They were significantly positive influenced by increasing barrel temperatures and protein contents. Increasing sugar contents led to decreasing concentrations of 2,5-dimethylpyrazine, furanmethanol, and maltol whereas the formation of methylpyrazine was favored up to 4% sugar followed by a distinct drop at higher concentrations. The kind of protein and sugar used was found to be important. The formation of pyrazines was favored by using glucose and whey protein while furanmethanol and maltol forma-tion was positively influenced by using milk protein. Oppositional effects regarding sugar and protein concentrations have been found for 2,4-decadienal, representing a chemical compound derived by the autoxidation of fatty acids, providing typical off-flavor characteristics at higher concentration. Its formation was favored at increasing sugar contents and reduced by increasing protein concentra-tions. Proceeding from the assumption that 2,4-decadienal follows a different chemical pathway than pyrazines, furanmethanol and maltol it was found that those pathways are differently influenced by protein and sugar. Acid formation was found to be dependent on the kind of sugar and protein used as well as on their concentration. By adding glucose syrup, acid formation reached its maxi-mum at 4% followed by a distinct decrease. The same effect was found for butyric acid using glucose, while a minimum concentration at 4% glucose was detected for pen-tanoic acid and hexanoic acid. Increasing whey protein contents led to decreasing acid concentrations whereas the use of 2% milk protein maximized the concentrations of butyric and pentanoic acid. Hexanoic acid made an exception by showing consistently increasing concentrations at high milk protein concentrations. The addition of different single amino acids as potential flavor precursors showed simi-larities in how they influence the formation of the examined flavor compounds. In gen-eral, the results were comparable to those found for protein. Differences were found in the intensity in which different amino acids affect the formation of the selected flavor compounds. Valine and proline showed the highest potential in reducing the amounts of 2,4 decadienal and acids whereas the highest levels of pyrazines were found using leu-cine. However, neither did one of the examined amino acids come along with definite advantages over the other amino acids nor were the detected variances distinct enough, compared to the reference sample, to justify their application. Color measurement showed significant influences of all adjustable parameters, i.e. pro-tein, sugar, and barrel temperature on product lightness. A quadratic influence was found for the barrel temperature, resulting in maximum darkening at different tempera-ture. This temperature depended on the protein-sugar composition used. A maximum darkening was reached at lower temperatures using milk protein, compared to samples containing whey protein. The addition of protein led to significant increasing product darkening due to Maillard type browning reactions. No differences could be found for the type of protein used. The addition of sugar resulted also in a significantly increasing color formation which was found to be more intense compared to protein. Thereby, more intense coloration was found using glucose compared to glucose syrup. A coher-ence regarding product lightness and the formation of specific flavor compounds could not be found. This study demonstrated that the formation of flavor compounds and color development could be modulated by the tested parameters. Furthermore it could be shown that flavor formation as well as coloration can be differently influenced depending on the kind of used additives, i.e. sugar, protein, and amino acid.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-22226
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2444
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2147
Exam Date: 11-Nov-2008
Issue Date: 8-May-2009
Date Available: 8-May-2009
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aromastoffe
Extrusion
Headspace
SAFE
SIDA
Stärke
Extrusion
Flavor
Headspace
SAFE
SIDA
Starch
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