DE69311656T2 - Methode zur kontrolle des bräunungsverfahrens mittels edelgasen - Google Patents

Methode zur kontrolle des bräunungsverfahrens mittels edelgasen

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung:
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Bräunungsreaktionen in Nahrungsmitteln unter Verwendung von Edelgasen oder Edelgasgemischen oder Edelgase enthaltenden Gasgemischen.
    • Beschreibung des Hintergrunds:
  • Die Reaktion von reduzierenden Zuckern mit Aminosäuren ist formal als Maillard-Reaktion bekannt und tritt bei der nichtenzymatischen Bräunung von Nahrungsmitteln während des Zubereitens, Herstellens und Lagerns auf. Im allgemeinen ist diese Reaktion auch als die "Bräunungs"-Reaktion bekannt. Während des Zubereitens oder einer anderen Nahrungsmittelherstellung ist diese Reaktion häufig erwünscht, um dem Endprodukt, wie beim Backen von Brot oder bei der Karamelisierung von Bonbons, eine vorteilhafte Färbung zu verleihen. Bei einigen anderen Nahrungsmittelherstellungsprozessen, die ein Kühlen oder Erhitzen umfassen können oder nicht, ist, wie bei der Lagerung von weißem Zucker, die Reaktion nicht erwünscht. Des weiteren treten auch bei Milchprodukten Bräunungsveränderungen, die auf die Maillard- Reaktion zurückzuführen sind, auf.
  • Derzeit sind Verfahren zur Steuerung von Bräunungsreaktionen auf die Steuerung von Prozeßparametern wie der in der Atmosphäre des Hauptprozesses vorliegenden Feuchtigkeitsoder Sauerstoffmenge beschränkt.
  • Zum Beispiel kann bei der Herstellung von Milchprodukten die Steuerung der Maillard-Reaktion in bestimmtem Umfang durch Aufrechterhalten der Kontrolle über die Reduktions- und Oxidationspotentiale in den Prozeßmedien, durch Sicherstellen, daß keine unerwünschten Amine oder Zucker zugegeben werden, durch Vermeiden von unerwünschten Reaktionen wie der Säuerung von Milch, durch Vermeiden eines Kontaktes mit überschüssigem CO&sub2; und durch sorgfältige Wärmeregelung erreicht werden. Typische Prozeßverbesserungen sind in den Schriften WO 8600503, DE 3 425 088, AU 8 546 026, EP 189 442 und DE 3 4448 380 beschrieben. Hierbei werden inerte oder nichtreaktive Gase, entweder Stickstoff oder ein Edelgas, zur Regelung des Drucks in dem System verwendet, so daß ein Mittel bereitgestellt wird, durch das tiefere Temperaturen verwendet werden können oder ein Aufkochen vermieden werden kann oder Aromen erhalten werden können.
  • Jedoch sind die üblichen Verfahren zum Hemmen der Maillard- Reaktion ungeeignet, da sie untauglich sind, eine direkte Steuerung zu bewirken. Des weiteren gibt es derzeit kein Mittel, durch das die Maillard-Reaktion im erforderlichen Umfang sowohl beschleunigt als auch verzögert werden kann.
  • Zudem wäre es ausgesprochen wünschenswert, wenn ein Mittel zur direkten Steuerung der Maillard-Reaktion unter Verwendung einer speziellen Atmosphärenzusammensetzung verfügbar wäre. Derzeit geht man davon aus, daß Gase im allgemeinen keinen Einfluß auf die Maillard-Reaktion haben. Kürzlich beschrieben Waller, G.R. und M.S. Fezther, 1983, ACS Symposium Series 215, "The Maillard Reaktion in Foods and Nutrition", American chemical society, Washington, D.C., USA, daß die Atmosphärenzusammensetzung keinen Einfluß auf den Verlauf oder die Geschwindigkeit der Maillard-Reaktions zugesprochen werden kann, ausgenommen daß ein reaktives Gas wie Kohlendioxid mit einer Reaktionkomponente reagieren könnte.
  • Jedoch besteht, ungeachtet des bisherigen Wissenstandes, ein Bedarf für ein Mittel, durch das während des Erhitzens oder Backens einer Backware Bräunungsreaktionen abhängig von der Atmosphärenzusammensetzung beschleunigt werden können.
  • Die Datenbank WPI, AN 80-72435C beschreibt ein Verfahren zum Aufrechterhalten der Farbe von Getreide und Gemüse, das die Verwendung einer bis zu 10% Ar oder He enthaltenden Atmosphäre umfaßt. Die EP-A-0 289 777 beschreibt ein ähnliches Verfahren zum Haltbarmachen von frischen Fruchtstücken, bei dem diese u.a. in eine Ar enthaltende Atmosphäre gehalten werden. Jede dieser Veröffentlichungen bezieht sich auf Verfahren zum Hemmen, im Gegensatz zum Beschleunigen, der Bräunungsreaktion und keine bezieht sich überhaupt auf Backwaren.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Demgemäß ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Beschleunigen von Bräunungsreaktionen während des Erhitzens oder Backens einer Backware unter Verwendung eines Edelgases, eines Gemisches aus Edelgasen oder eines mindestens ein Edelgas enthaltenden Gasgemisches bereitzustellen.
  • Das genannte Ziel und weitere, die anhand der folgenden Beschreibung deutlich werden, werden durch ein Verfahren zum Beschleunigen mindestens einer Bräunungsreaktion während des Backens oder Erhitzens einer Backware erreicht, das eine zumindest teilweise Steuerung der Reaktion oder der Reaktionen in Gegenwart eines Edelgases, eines Edelgasgemischs oder eines mindestens ein Edelgas enthaltenden Gasgemisches ermöglicht.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Figur 1 zeigt den Verlauf der Maillard-Reaktion.
  • Figur 2 zeigt UV/VIS-Scans über den gesamten Bereich, die im Verlauf der Maillard-Reaktion mit Glukose und Lysin als Reaktanten unter einer Sauerstoffatmosphäre bei 60ºC aufgenommen wurden.
  • Figur 3 zeigt eine identische Reaktion unter einer Stickstoffatmosphäre.
  • Figur 4 zeigt das Fortschreiten der Maillard-Reaktion bei 90ºC unter Verwendung von jeweils 500 mg Glukose und Lysin als Reaktanten und 2 ml Wasser unter sieben verschiedenen Atmosphären.
  • Figur 5 zeigt eine Wiederholung des Experiments von Figur 4 unter Verwendung der halben Reaktantenkonzentration.
  • Figur 6 zeigt die unterschiedlichen Einflüsse von Edelgasen auf die Maillard-Reaktion bei 90ºC unter Verwendung von jeweils 338 mg Glukose und Glycin und 2 ml Wasser.
  • Figur 7 zeigt, daß bei 25ºC Stickstoff und die Edelgase die Maillard-Reaktion unter Verwendung von jeweils 250 mg Glukose und Lysin im Vergleich zu Luft oder Sauerstoff stark beschleunigen.
  • Figur 8 zeigt den Verlauf der Maillard-Reaktion unter Verwendung von jeweils 1000 mg Glukose und Albumin und 2 ml Wasser bei 25ºC.
  • Figur 9 zeigt die gleiche Reaktion, wobei ein Viertels der obigen Konzentrationen eingesetzt wird.
  • Figur 10 zeigt das Fortschreiten der Maillard-Reaktion unter Verwendung von jeweils 750 mg Glukose und Lysin und 2 ml Wasser bei 60ºC.
  • Figur 11 zeigt eine Wiederholung der obigen Reaktion bei der halben Konzentration.
  • Figur 12 zeigt, daß die Maillard-Reaktion bei relativ niedrigen Konzentrationen von Glukose und Lysin bei 60ºC unter Sauerstoff oder Luft langsamer fortschreitet und durch Xenon beschleunigt wird und durch Argon, Krypton, Neon oder Stickstoff weiter beschleunigt wird.
  • Figur 13 zeigt, daß die Maillard-Reaktion zwischen Glukose und Albumin bei 60ºC bei einer Konzentration von jeweils 250 mg in 2 ml Wasser unter einer Argonatmosphäre optimal fortschreitet und unter Luft oder Sauerstoff am schwächsten ist.
  • Figur 14 zeigt die Reihenfolge des Einflusses auf die Maillard-Reaktion zwischen Glukose und Albumin bei jeweils 1000 mg und 2 ml Wasser bei 60ºC entsprechend Ar=Xe=Kr)N&sub2;=Luft)Ne, wobei die Temperatur im Laufe einer Stunde von 20 auf 60ºC erhöht wurde.
  • Figur 15 zeigt die Reihenfolge des Einflusses auf die Maillard-Reaktion zwischen Glukose und Lysin bei niedriger Konzentration bei 60ºC entsprechend Luft> Ne> N&sub2;> Kr> Xe»O&sub2;, wobei die Temperatur im Laufe einer Stunde von 20 auf 60ºC erhöht wurde.
  • Figur 16 zeigt die Reihenfolge des Einflusses auf die Maillard-Reaktion zwischen Glukose und Glycin bei 60ºC unter Verwendung von jeweils 1000 mg in 2 ml Wasser entsprechend Luft=O&sub2;> Ar> Kr> Ne=Xe=N&sub2;, wobei die Temperatur während im Laufe einer Stunde von 20 auf 60ºC erhöht wurde.
    • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Nach der Erfindung wird ein Mittel zum Beschleunigen des Verlaufs oder zum Erhöhen der Geschwindigkeit einer Bräunungsreaktion, insbesondere der Maillard-Reaktion, in Backwaren bereitgestellt. Insbesondere wird nach der Erfindung ein Mittel für Erhitzungs- und Backverfahren bereitgestellt, bei denen die Bräunung gewünscht ist.
  • Es sei ausdrücklich erwähnt, daß die Erfindung zur Steuerung jeder Bräunungsreaktion beim Zubereiten von Nahrungsmitteln verwendet werden kann, jedoch ist es insbesondere vorteilhaft, die Erfindung zur Steuerung der Maillard-Reaktion zu verwenden. Der Ausdruck "Maillard-Reaktion" wird hier wie in der oben genannten Schrift von Walles et al. definiert verwendet.
  • Der hier ebenfalls verwendete Ausdruck "Nahrungsmittel" bezeichnet jegliche eßbaren Substanzen oder Verbindungen.
  • Die Erfindung begründet sich allgemein auf die überraschende Entdeckung, daß jedes der Edelgase die Umsatzrate von Bräunungsreaktionen beeinflußt.
  • So umfaßt die Erfindung allgemein die Verwendung eines Edelgases, eines Edelgasgemisches oder eines mindestens ein Edelgas enthaltenden Gasgemisches zur Steuerung der Bräunungsreaktionsgeschwindigkeit.
  • Der hier verwendete Ausdruck "Edelgas" umfaßt die Gase Argon, Xenon, Krypton, Neon und Helium. Obwohl Radon ein Edelgas ist, wird es nicht verwendet, da es gefährlich radioaktiv ist.s
  • Des weiteren kann nach der Erfindung jedes der genannten Edelgase oder Kombinationen der genannten Edelgase oder mindestens eines der genannten Edelgase enthaltenden Gasgemische verwendet werden. Z.B. kann jedes der genannten Edelgase als Beimischung zu Stickstoff verwendet werden.
  • Obwohl zudem nach der Erfindung im allgemeinen das Edelgas, das Edelgasgemisch oder die Gemische aus mindestens ein Edelgas enthaltenden Gasen gasförmig verwendet werden, können die genannten Gase auch in verflüssigter Form eingeleitet werden. Zum Beispiel kann beim Steuern einer Bräunungsreaktion in Nahrungsmitteln wie Zucker oder Backwaren das Gas oder Gasgemisch in verflüssigter Form in ein Back- oder Lagerungsmittel eingeleitet werden, wo die Flüssigkeit zu einem Gas verdampfen darf.
  • Des weiteren ist insbesondere in Betracht zu ziehen, daß verflüssigte Edelgase in anderen verflüssigten Gasen, wie beispielsweise Stickstoff, gelöst und so verwendet werden können.
  • Wie oben angemerkt, können Gemische aus den obigen Edelgasen verwendet werden. Z.B. werden ausgezeichnete Effekte beobachtet, wenn ungereinigte oder halbgereinigte Edelgasquellströme aus Luftzerlegungsanlagen verwendet werden, wie z.B. He, Ne im Verhältnis von ca. 1:1 oder Kr, Xe im Verhältnis von ca. 90:10.
  • Ganz allgemein stellt die Erfindung ein direktes Mittel zur Steuerung von Bräunungsreaktionen in eßbaren Stoffen bereit. Des weiteren wird nach der Erfindung die Geschwindigkeit von Bräunungsreaktionen direkt beeinflußt, und jedes der Edelgase besitzt unterschiedliche Fähigkeiten zur Beeinflussung dieser Reaktionen.
  • So wurde nach der Erfindung entdeckt, daß ein Edelgas oder ein Edelgas enthaltendes Gemisch die Geschwindigkeit der Bräunungsreaktion verändern kann.
  • Zudem wird dieser Effekt unter Bedingungen beobachtet, bei denen die wesentlichen Elemente einer Bräunungsreaktion vorhanden sind, jedoch die Reaktion noch nicht begonnen hat.
  • Der Effekt nach der Erfindung kann durch Erhöhung der molaren Konzentration des wirksamen Gases durch Erhöhung des Drucks ohne Beschränkung, außer, daß der Zustand der reagierenden Materialien oder des Substrats beachtet werden muß, verstärkt werden.
  • Nach der Erfindung wurde auch erkannt, daß die Anwesenheit von Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff, Ammoniak, Wasser oder jeder anderen reaktiven Chemikalie den Verlauf von Bräunungsreaktionen durch gut verstandene chemische Mittel unabhängig verändern kann. Es ist auch verstanden, daß der Reaktionsverlauf teilweise von herrschenden Oxidations/Reduktions-Potentialen des Reaktionsmilieus abhängig ist, und daß diese teilweise von der Anwesenheit von Sauerstoff oder Kohlendioxid oder Wasserstoff oder anderer oxidierender oder reduzierender Gase oder Chemikalien abhängig sein kann.
  • Nach der Erfindung können das Edelgas, das Edelgasgemisch oder das mindestens ein Edelgas enthaltende Gemisch verflüssigt oder gasförmig vorliegen. Beispielsweise ist das Einleiten des Edelgases oder Edelgas enthaltenden Gemischs als kryogene Flüssigkeit ein wirkungsvolles Mittel zur Sicherung eines hohen Titers an wirksamen Gasen, insbesondere zur Lagerung von Materialien wie Feinstpharmazeutikas, Proteinen und Zuckern, wobei Wärmezufuhr kein erforderlicher Prozeßschritt ist.
  • Es wurden auch hervorragende Effekte mit jedem Edelgasgemisch oder Gemischen aus Edelgasen und Stickstoff beobachtet, und hervorragende Effekte wurden beobachtet, wenn ungereinigte oder halbgereinigte Quelledelgasströme aus Luftzerlegungsanlagen verwendet wurden, wie z.B. He und Ne im Verhältnis von ca. 1:1 und Kr und Xe im Verhältnis von ca. 90:10.
  • Helium beschleunigt im allgemeinen Bräunungsreaktionen, jedoch ist seine Verwendung eingeschränkt, da es bei hohen Temperaturen dazu tendiert, zu entweichen, denn He besitzt eine hohe Permeabilität hinsichtlich Polymeren.
  • Sowohl Kohlendioxid als auch Stickoxide hemmen im allgemeinen Bräunungsreaktionen, jedoch verursachen beide viele andere oxidative Effekte einschließlich des Auslösens anderer Bräunungstypen, und sind somit weniger geeignet.
  • Im allgemeinen kann der Effekt nach der Erfindung unter Verwendung einer Konzentration von mindestens einem Edelgas, die größer als die in atmosphärischer Luft vorliegende ist, erzielt werden. Während es bekannt ist, daß sich mit dem Ort die Menge an Edelgasen in der Atmosphäre ändern kann, wird im allgemeinen eine Menge von jeweils mindestens 0,1 Vol.-% bei Gas und mindestens 0,1 Gew.-% bei Flüssigkeiten verwendet. Im allgemeinen zieht man jedoch vor, eine Menge von jeweils mindestens 10 Vol.-% bei Gas und 10 Gew.-% bei Flüssigkeit zu verwenden.
  • Mindestens 50 Vol.-% an Edelgas werden bei Gasen verwendet oder mindestens 50 Gew.-% werden bei Flüssigkeiten verwendet. Es wird jedoch bevorzugt, Edelgasmengen von mindestens 90 Vol.-% bei Gasen und 90 Gew.-% bei Flüssigkeiten zu verwenden, noch besser sind Edelgasmengen von mindestens 95 Vol.-% bei Gasen und 95 Gew.-% bei Flüssigkeiten.
  • Des weiteren wird nach der Erfindung im allgemeinen ein Druckbereich von nahe Vakuum, d.h. 6,9 x 10&supmin;&sup8; KPa (10&supmin;&sup8; Torr), bis 10&sup4; KPa (100 Atmosphären) verwendet. Im allgemeinen wird jedoch ein Druck zwischen 0,1 KPa und 300 KPa (0,001 bis 3 Atmosphären) bevorzugt. Des weiteren ist die im allgemeinen verwendete Temperatur die (der) üblicherweise beim Zubereiten, Backen und/oder Bräunen von Backwaren eingesetzte Temperatur (Temperaturbereich).
    • Beispiel 1
  • Edelgase wurden in allen möglichen dezilen Kombinationen von zwei oder drei Gasen untersucht und Beispiele von Mischungen aus vier und fünf Gasen wurden getestet. In jedem Fall war der beobachtete Effekt ungefähr gleich dem additiven Effekt der einzelnen Komponenten, korrigiert für die Änderung der relativen Konzentration in den Medien.
  • Edelgase und Gemische aus Edelgasen wurden in dezilen Kombinationen mit Stickstoff untersucht, und in jedem Fall war der beobachtete Effekt der Edelgase oder Gemische aus Edelgasen nach Korrektur für den verdünnenden Einfluß von Stickstoff der gleiche wie ohne Stickstoff.
  • Edelgase und Edelgasgemische wurden in Kombinationen mit Luft, Sauerstoff, Stickoxid und Kohlendioxid untersucht. Es hat sich gezeigt, daß die Wirkung dieser Gase identisch mit der additiven Wirkung der Gase ist, abgesehen davon, daß bei höheren Konzentrationen die vier zuletzt genannten reaktiven Gase von der Maillard-Reaktion unabhängige Effekte auslösten, die den beobachteten Effekt der Maillard- Reaktionen überdeckten. Diese überdeckenden anderen Effekte und andere Reaktionen führen zur Beschränkung der praktischen Anwendung von Edelgasen auf solche Verhältnisse, bei denen Edelgase 50% oder mehr, vorzugsweise 95% oder mehr oder besser noch 100% der überdeckten Atmosphäre bilden.
  • Nach der Erfindung wird auch verstanden, daß andere Reaktionsbedingungen, wie beispielsweise Konzentration von Reaktanten, Menge an Wasser oder anderen vorliegenden reaktiven Chemikalien, pH, Salzkonzentrationen, konkurrierende Reaktionen, andere Oxidations-/Reduktions-Reaktionen, Druck und insbesondere Temperatur, den Verlauf von Bräunungsreaktionen direkt steuern.
  • Zudem ist der beobachtete Einfluß von Edelgasen mindestens teilweise unabhängig von diesen anderen Parametern und eine einzigartige und bisher unbekannte Eigenschaft der Edelgase.
  • Die Edelgase haben unterschiedliche und voneinander unabhängige Wirkungen, die bei Kombination additiv sind. Diese Wirkungen werden auch durch Reaktionsbedingungen, insbesondere durch die Konzentration an Reaktanten in Lösung und folglich mit der Menge an vorhandenem Wasser modifiziert.
  • Es wird beobachtet, daß Argon und andere Edelgase die Geschwindigkeit der Maillard-Reaktion unter bestimmten Bedingungen bis zu 50% erhöhen können. Oft wird eine Hemmung von 10 bis 25% beobachtet.
  • Nach einer allgemeinen Beschreibung der Erfindung werden nun einige Beispiele gegeben, die nur Illustrationszwecken dienen.
    • Protokoll: Maillard-Reaktion, ein visuelles Experiment Zweck des Experiments:
  • Der Zweck dieses Experiments ist, die Maillard-Reaktion mit den spezifizierten Systemen bei 25ºC, 60ºC und 90ºC nachzuverfolgen. Dies wird sowohl visuell als auch spektrophotometrisch unter Verwendung eines "Hunter Laboratories Mini-Scan 4500L Large Area View Spectrophotometer" durchgeführt. Die interessierende Farbänderung geht von einer farblosen bzw. einer Anfangsfarbe zu einem leuchtenden gelb.
  • Gase: Luft
  • Sauerstoff
  • Krypton
  • Xenon
  • Stickstoff
  • Neon
  • Argon
  • Temperatur: 25ºC
  • 60ºC
  • 90ºC
  • Begasung: 10 ml Serumampullen mit 2 ml Lösung werden mit 6 x 30 cm³ des entsprechenden Gases begast. Die Ampullen werden dann für 24 Stunden zur gründlichen Gassättigung der Lösungen gekühlt.
    • Heizapparatur:
  • 25ºC entspricht Raumtemperatur.
  • 60ºC werden unter Verwendung eines "Lab-Line Orbit Environ-Shaker"-Sets bei 60ºC und 900 U/min aufrechterhalten.
  • 90ºC werden unter Verwendung eines "Precision Shaking Water Bath 25"-Sets bei 91ºC und einer Schüttlergeschwindigkeit von 75/min aufrechterhalten.
  • Farbcode für das visuelle Ablesen:
  • Anmerkung: Die Farben 6 bis 11 wurden für Untersuchungen hinzugenommen, bei denen die Ampullen über den gesamten Farbwechsel hinweg vermessen wurden.
    • "Hunter Lab"-Farbskala für visuelles Ablesen:
  • Ein "Hunter Laboratories Miniscan 4500L wide area view"- Spektrocolorimeter wurde zur Bestätigung der obigen Ablesungen verwendet. Im allgemeinen stellte ein Hunter L-Wert von 0 eine vollständige Maillard-Reaktion dar (dunkelbraune oder schwarze Farbe und opak), und ein Hunter L-Wert von 100 gab den ohne bereits abgelaufene Reaktion auftretenden Anfangszustand für die Reaktionslösung an (Farbe ist klar oder transparent). So kann die obige Skala in oder von Hunter L-Werten wie folgt übertragen werden:
  • Sowohl wegen der großen Anzahl von Probenläufen als auch wegen eines nicht gewünschten Entfernens von Proben aus den temperaturgeregelten Bädem und Inkubatoren zur Durchführung von Hunter-Kolorimeter-Messungen wurden aus Parktikabilitätsgründen meist zahlreiche Proben entnommen und visuell vermessen, um die Ablesungen, die zusätzlich unter Verwendung des Hunter-Kolorimeters gemacht wurden, zu bestätigen.
    • Präparation der Lösung:
  • Lösung A: Glukose/L-Lysin (1000 mg : 1000 mg: 2 ml); löse jeweils 25,0 g Glukose und L-Lysin in 50 ml H&sub2;O (deion.).
  • Lösung B: Glukose/L-Lysin (750 mg : 750 mg : 2 ml); löse jeweils 18,8 g Glukose und L-Lysin in 50 ml H&sub2;O (deion.).
  • Lösung C: Glukose/L-Lysin (500 mg : 500 mg : 2ml); löse jeweils 12,5 g Glukose und L-Lysin in 50 ml H&sub2;O (deion.).
  • Lösung D: Glukose/L-Lysin (250 mg : 250 mg: 2 ml); löse jeweils 6,3 g Glukose und L-Lysin in 50 ml H&sub2;O (deion.).
  • Lösung E: Glukose/Glycin (450 mg : 450 mg . 2 ml); löse jeweils 11,3 g Glukose und Glycin in 50 ml H&sub2;O (deion.).
  • Lösung F: Glukose/Glycin (338 mg : 338 mg : 2 ml); löse jeweils 8,5 g Glukose und Glycin in 50 ml H&sub2;O (deion.).
  • Lösung G: Glukose/Glycin (225 mg : 225 mg : 2 ml); löse jeweils 5,7 g Glukose und Glycin in 50 ml H&sub2;O (deion.)
  • Lösung H: Glukose/Glycin (57 mg : 57 mg : 2 ml); löse jeweils 2,9 g Glukose und Glycin in 50 ml H&sub2;O (deion.). Lösung 1: Glukose/Albumin (1000 mg : 1000 mg : 2 ml); löse jeweils 25,0 g Glukose und Albumin in 50 ml H&sub2;O (deion.).
  • Lösung J: Glukose/Albumin (750 mg : 750 mg : 2 ml); löse jeweils 18,8 g Glukose und Albumin in 50 ml H&sub2;O (deion.)
  • Lösung K: Glukose/Albumin (500 mg : 500 mg : 2 ml); löse jeweils 12,5 g Glukose und Albumin in 50 ml H&sub2;O (deion.).
  • Lösung L: Glukose/Albumin (250 mg : 250 mg : 2 ml); löse jeweils 6,3 g Glukose und Albumin in 50 ml H&sub2;O (deion.)
  • Anmerkung: Alle Lösungen wurden in braunen Glasflaschen gekühlt, um eine Bräunung zu verhindern.
    • Maillard-Reaktion, ein UV/VIS-Experiment Zweck des Experiments:
  • Der Zweck dieses Experiments ist, fortlaufende, über den gesamten Bereich gehenden Scans von einem Zucker/Aminosäure- System aufzunehmen, um die Maillard-Reaktion bei dem spezifizierten System bei 60ºC nachzuverfolgen. Scans über den gesamten Bereich werden benötigt, da sich die Farbe von
  • klar > gelb > orange > braun,
  • mit vielen Zwischenfarben, ändert. Da sich die Wellenlänge, bei der die Küvette vermessen werden soll, kontinuierlich ändert, werden wir zum Nachverfolgen der Reaktion über den gesamten Bereich durchgeführte Scans verwenden.
  • System: Glucose/L-Lysin
  • Konzentrationen: 100 mg : 100 mg / 2 ml H&sub2;O (deion.)
  • 10 mg : 10 mg / 2 ml H&sub2;O (deion.)
  • 1 mg : 1 mg / 2 ml H&sub2;O (deion.)
  • Gase: Luft
  • Sauerstoff
  • Krypton
  • Xenon
  • Stickstoff
  • Neon
  • Argon
  • Temperatur: 60ºC
  • Messungen: Scan über den gesamten Bereich, 900 - 190 nm
  • Zyklenanzahl: 30
  • Zykluszeit: 900
  • Anmerkung: Die Dauer eines jeden Scans beträgt ungefähr 109 Sek.
  • Materialien: Acrylküvetten mit blauen Silikonstöpseln (gasdicht);
  • 10 cm³-Spritzen;
  • Begasung: 2,5 ml Lösung enthaltende Küvetten werden mit 10 x 10 cm³ des entsprechendes Gases begast. Küvetten werden für 15 Minuten zur Gewährleistung der Gassättigung gekühlt.
    • Präparation der Lösung:
  • Lösung 1: 100 mg : 100 mg / 2 ml H&sub2;O (deion.); löse jeweils 2 g Glukose und L-Lysin in 40 ml H&sub2;O (deion.)
  • Lösung 2: 10 mg : 10 mg / 2 ml H&sub2;O (deion.); verdünne 4 ml Lösung 1 mit H&sub2;O (deion.)auf 40 ml.
  • Lösung 3: 1 mg : 1 mg / 2 ml H&sub2;O (deion.); verdünne 4 ml Lösung 2 mit H&sub2;O (deion.) auf 40 ml.
  • Spektrophotometer-Untersuchung:
  • Perkin-Elmer Lambda 6 UV/VIS Spektrophotometer
  • Scan über den gesamten Bereich: 900 - 190 nm
  • Zyklenanzahl: 30
  • Zyklusdauer: 900 s
  • Digitalregler: 60ºC
  • Referenzzelle: 2,5 ml H&sub2;O (deion.)
  • Die Erfindung wird nun anhand einiger illustrativer Beispiele weiter erläutert.
    • Beispiel 2
  • Ungefähr 250 g Pizzateig und Brotteig, die jeweils aus üblichen Zutaten wie Hefe, Mehl, Salz und Zucker hergestellt wurden, wurden präpariert und in jeweils neun Proben zerteilt.
  • Jede wurde in ein gasdichtes Ein-Liter-Glasgefäß mit einer gasgeregelten Atmosphärenkammer gelegt. Jedes der folgenden Gase wurde bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur getestet. Der Druck stieg selbstverständlich mit der Temperatur an. Die Pizzateigproben wurden für ungefähr 30 Minuten auf 191ºC (375ºF) erhitzt, wogegen die Brotteigproben für ungefähr 30 Minuten auf 177ºC (350ºF) erhitzt wurden.
  • Analysierte Gase: O&sub2;, CO&sub2;, N&sub2;, Ar, Xe, Kr, Ne, He, N&sub2;O und Luft.
  • Ergebnis: Im allgemeinen wurde beobachtet, daß die für die Bräunung erforderliche Zeit bei Edelgasen im Vergleich zu Luft, CO&sub2; und N&sub2;O 25% kürzer ist, wogegen mit O&sub2; die Hemmung der Bräunung im Vergleich zu Luft beobachtet wird.
  • Die Figuren 1 bis 16 werden nun ausführlicher beschrieben.
  • Figur 1 zeigt die Maillard-Reaktionsfolge. Diese Reaktion umfaßt die wärmegesteuerte Reaktion eines Zuckers mit einem Amin zur Herstellung eines Komplexes, der weitere Reaktionen, wie eine reverse Aldolkondensation zur Herstellung von farbigen Produkten, eingehen kann. Diese Reaktion ist oft für die während des Zubereitens auftretende Bräunung von Nahrungsmitteln verantwortlich.
  • Figur 2 zeigt über den gesamten Bereich aufgenommene UV/VIS- Scans während des Fortschreiten der Maillard-Reaktion mit Glukose und Lysin als Reaktanten bei 60ºC, wenn eine Sauerstoffatmosphäre aufrechterhalten wird. Das Fortschreiten der Reaktion wird von einer Erhöhung der Extinktion über den gesamten Bereich begleitet.
  • Figur 3 zeigt einen identischen Reaktionsverlauf unter einer Stickstoffatmosphäre. Die Reaktion ist ein wenig verlangsamt, wenn sie im Gegensatz zu Sauerstoff unter Stickstoff abläuft.
  • Figur 4 zeigt das Fortschreiten der Maillard-Reaktion bei 90ºC unter Verwendung von jeweils 500 mg Glukose und Lysin als Reaktanten in 2 ml Wasser unter sieben verschiedenen Atmosphären. Krypton verlangsamt die Reaktion verglichen mit Luft um ungefähr 20% und Argon um ungefähr 10%. Bei diesem Experiment hat der Einfluß auf die Reaktionsgeschwindigkeit folgende Reihenfolge: Luft=O&sub2;> Xe=Ne=N&sub2;> Ar> Kr.
  • Figur 5 ist eine Wiederholung des Experiments von Fig. 4 unter Verwendung der halben Reaktantenkonzentration. Die weitere Differenzierung der verlangsamenden Effekte der verschiedenen Gase tritt auf, weil die Reaktantenkonzentration erniedrigt ist. In diesem Fall: O&sub2;> Ne> =Luft> Xe> Ar> N&sub2;> Kr.
  • Figur 6 zeigt die unterschiedlichen Effekte von Edelgasen auf die Maillard-Reaktion unter Verwendung von jeweils 338 mg Glukose und Glycin in 2 ml Wasser bei 90ºC. In diesem Fall verlangsamen Luft und Sauerstoff die Reaktion, und Stickstoff, Krypton und Xenon beschleunigen die Reaktion. N&sub2;=Xe=Kr> Ar> Ne> O&sub2;> Luft.
  • Figur 7 zeigt, daß Stickstoff und die Edelgase das Fortschreiten der Maillard-Reaktion bei Verwendung von jeweils 250 mg Glukose und Lysin bei 25ºC im Vergleich zu Luft oder Sauerstoff stark beschleunigen. Das gleiche wurde bei dieser Reaktion gefunden, wenn sie bei Konzentrationen bis zu 1000 mg je Reaktant abläuft.
  • Figur 8 zeigt den Verlauf der Maillard-Reaktion unter Verwendung von jeweils 1000 mg Glukose und Albumin in 2 ml Wasser bei 25ºC. Diese Reaktion läuft unter Argon, Krypton und Stickstoff viel schneller als unter Sauerstoff, Xenon oder Neon ab.
  • Figur 9 zeigt die gleiche Reaktion, durchgeführt mit einem Viertel der obigen Konzentrationen. Die Reaktion läuft unter Krypton und Neon besser als unter den anderen Gasen ab.
  • Figur 10 zeigt das Fortschreiten der Maillard-Reaktion zwischen 750 mg Glukose und Lysin in 2 ml Wasser bei 60ºC. Argon beschleunigt die Reaktion um ungefährt 25%, wogegen Krypton die Reaktion um ungefähr 15% verlangsamt, jeweils bezogen auf Luft. Die beobachtete Reihenfolge des Einflusses auf die offensichtliche Rate ist Ar> N&sub2;> Luft=O&sub2;=Ne> Xe> Kr.
  • Figur 11 ist eine Wiederholung der obigen Reaktion mit der halben Konzentration. Hier ist die Reihenfolge des Einflusses auf die Geschwindigkeit Luft> Ar> =O&sub2;> Ne> Xe=N&sub2;> Kr.
  • Figur 12 zeigt, daß bei 60ºC die Maillard-Reaktion zwischen Glukose und Lysin bei relativ niedrigen Konzentrationen (57 mg/ml) am langsamsten unter Sauerstoff oder Luft abläuft und durch Xenon beschleunigt wird und durch Argon, Krypton, Neon oder Stickstoff weiter beschleunigt wird. Die beobachtete Reihenfolge des Einflusses auf die Geschwindigkeit ist Ar=N&sub2;=Kr=Ne> Xe> Luft> O&sub2;. Der Beschleunigungsgrad liegt bei anderen Konzentrationen verglichen mit Luft zwischen 25 bis 50%.
  • Figur 13 zeigt die Maillard-Reaktion zwischen Glukose und Albumin bei 60ºC bei einer Konzentration von jeweils 250 mg in 2 ml Wasser, die optimal unter einer Argonatmosphäre und am schlechtesten unter Luft oder Sauerstoff abläuft. Die beobachtete Reihenfolge des Einflusses auf die Geschwindigkeit ist Ar> Xe=Kr=Ne=N&sub2;> Luft> O&sub2;. Dies gilt auch für andere Konzentrationen zwischen 1 und 1000 mg/ml je Reaktant.
  • Figur 14 zeigt eine Reihenfolge des Einflusses auf die Maillard-Reaktion zwischen Glukose und Albumin mit jeweils 1000 mg in 2 ml Wasser bei 60ºC entsprechend Ar=Xe=Kr> N&sub2;=Luft> Ne, wobei die Temperatur innerhalb einer Stunde von 20 auf 60ºC erhöht wurde. Ein stärkere Differenzierung des Effekts zwischen den Gasen ist im Vergleich zu Figur 12 zu erkennen.
  • Figur 15 zeigt die Reihenfolge des Einflusses auf die Maillard-Reaktion zwischen Glukose und Lysin (jeweils 75 mg in 2 ml Wasser) bei 60ºC entsprechend Luft> Ne> N&sub2;> Ar> Kr> Xe> O&sub2;, wobei die Temperatur innerhalb einer Stunde von 20 auf 60ºC erhöht wurde. Ein stärkere Differenzierung des Effekts zwischen den Gasen ist zu erkennen.
  • Figur 16 zeigt die Reihenfolge des Einflusses auf die Maillard-Reaktion zwischen Glukose und Glycin bei 60ºC mit jeweils 1000 mg in 2 ml Wasser entsprechend Luft=O&sub2;> Ar> Kr> Ne=Xe=N&sub2;, wobei die Temperatur innerhalb einer Stunde von 20 auf 60ºC erhöht wurde. Ein stärkere Differenzierung des Effekts ist zwischen den Gasen zu erkennen.
  • Nach der Erfindung kann jedes Nahrungsmittel so behandelt werden, daß Bräunungsreaktionen darin gesteuert werden. Zudem ist die Erfindung so zu verstehen, daß sie auf die Beschleunigung mindestens einer Bräunungsreaktionsabfolge in einer Backware oder nur auf einen Teil dieser Abfolge angewendet werden kann, um den gewünschten Effekt zu erzielen.
  • Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft beim Backen von Broten, Torten und Kuchen mit verstärkter Bräunung.
  • Im allgemeinen ist der Effekt der Edelgase nach der Erfindung additiv. Des weiteren können Edelgase als Gase, als Gas enthaltende Lösungen, als Flüssigkeiten oder als Flüssigkeit enthaltende Flüssigkeiten verwendet werden. So können die Gase oder Flüssigkeiten ein Edelgas, ein Edelgasgemisch oder ein mindestens ein Edelgas enthaltendes Gemisch sein.
  • So können einzelne Edelgase oder binäre Mischungen wie Argon-Neon, Argon-Krypton oder Krypton-Xenon verwendet werden. Es können auch ternäre Gemische wie Argon-Neon- Krypton oder Krypton-Xenon-Neon verwendet werden. Des weiteren können, wenn Flüssigkeiten verwendet werden, das Edelgas oder die Edelgase rein oder in einer anderen Flüssigkeit wie flüssigem Stickstoff gelöst verwendet werden.
  • Im allgemeinen hat bei Gemischen aus zwei oder mehr Edelgasen jedes Gas einen Anteil zwischen 0.01 Vol.-% und 99,99 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen.
  • Des weiteren kann mindestens ein Trägergas als Beimischung zu dem mindestens einen Edelgas verwendet werden. Als Beispiele können Trägergase wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Stickoxid, Wasserstoff und Helium genannt werden. Zudem kann Helium nicht nur als "Edelgas", sondern auch als "Trägergas" verwendet werden.
  • Es sei weiter angemerkt, daß nach der Erfindung Trägergase wie Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickoxid reaktiv sein können und den Effekt der Edelgase überdecken. Somit muß bei Verwendung solcher Gase als Tägergase für den Effekt der Edelgase der Anteil an Edelgas ausreichend hoch sein, um den überdeckenden Effekt des Trägergases auszugleichen.
  • Somit wird das Verfahren nach der Erfindung im allgemeinen zur Steuerung mindestens einer Bräunungsreaktion, insbesondere der Maillard-Reaktion, verwendet. Im allgemeinen wird die Erfindung vorteilhaft zum Beschleunigen solcher Reaktionen in Backwaren wie Torten, Kuchen, Plätzchen, Donuts, Brot jeglicher Art und auch Brezen und zum Hemmen von Reaktionen in beispielsweise Zucker und Milch verwendet.

Claims (8)

1. Verfahren zur Beschleunigung mindestens einer Bräunungsreaktion in einer Backware, dadurch gekennzeichnet, daß die Backware während des Erhitzens oder Backens derselben einer aus mindestens einem Edelgas bestehenden Atmosphäre ausgesetzt wird, wobei die Atmosphäre mindestens zu 50% aus dem mindestens einem Edelgas besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas Argon, Neon, Krypton oder Xenon ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre ein Trägergas umfaßt.
4. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre Helium und Neon im Volumenverhältnis 1:1 oder Krypton und Xenon im Volumenverhältnis 90:10 umfaßt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff oder Stickoxid umfaßt.
6. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bräunungsreaktion die Maillard-Reaktion ist.
7. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas, das Edelgasgemisch oder das mindestens ein Edelgas umfassende Gemisch in gasförmigem Zustand der nächsten Umgebung der mindestens einen Bräunungsreaktion zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre in flüssigem Zustand der nächsten Umgebung der mindestens einen Bräunungsreaktion zugeführt und anschließend verdampft wird.
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