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Food & Nutrition
Advanced
materials for
food
(TQOVJGOKNNVQMPGCFKPIVQVJGQXGP (QQF
technologists from the Chair of Brewing and
Beverage Technology are looking closely at
the entire industrial process to improve the
quality of gluten-free bread and other baked
goods. People with celiac disease will particu-
NCTN[DGPGƄVHTQOVJGUGGHHQTVUNEUE ROH-
STOFFKONZEPTE FÜR LEBENSMITTEL · Von
der Mühle über die Knetmaschine bis hinein
KPFGP$CEMQHGP .GDGPUOKVVGNVGEJPQNQIGP
vom Lehrstuhl für Brau- und Getränketechno-
logie nehmen den gesamten industriellen
2TQ\GUUWPVGTFKG.WRGWOFKG3WCNKVÀVINW
VGPHTGKGT$TQVGWPFCPFGTGT$CEMYCTGP\W
verbessern. Vor allem Menschen mit Zöliakie
YGTFGPFCXQPRTQƄVKGTGP
Taste in numbers: Using a laser volumeter, Dr. Mario
Jekle measures the shape, volume and density of
the breads. The number and size of the pores in the
crumb determines the taste experience. Geschmack
in Zahlen: Am Laservolumeter misst Dr. Mario Jekle
die Form, das Volumen und die Dichte der Brote. Die
#P\CJNWPF)TÒ»GFGT2QTGPKPFGT-TWOGGPVUEJGK-
det über das Geschmackserlebnis.
36 37
Food & Nutrition
F ood from a material science point of
view: In contrast to a chef who usually
works from a recipe, industrial food
production operates via a fundamental
mechanistic understanding of the pro-
RGTVKGUQHVJGFGUKTGFƄPCNRTQFWEV*GTG
material science aspects are essential;
and involves the recombination of pro-
cesses that utilize a reverse-engineering
approach. This is akin to the personali-
zation of nutrition, the use of food-grade
raw materials or new production tech-
nologies; and is the food science of the
future. About one percent of the total population
in Europe and North America is diagnosed
Gluten-free baked goods are a classic with celiac disease. Another 2–10% suffer
example, where people with celiac from gluten sensitivity. While the disease
FKUGCUG YKNN RCTVKEWNCTN[ DGPGƄV #HVGT can appear at any age, women are affected
more frequently than men. Etwa ein Prozent
VJG ƄTUV DKVG VJG ETWUV ETCEMU VJG KP
der Gesamtbevölkerung in Europa und
terior pore structure is even, and the Nordamerika erhält die Diagnose Zöliakie.
texture is elastic like a sponge; then the Dazu kommen zwei bis zehn Prozent
DTGCFKURGTHGEVp;QWECPCNTGCF[VGNNVJG Menschen mit Glutensensitivität. Die Krank-
SWCNKV[QHVJGDTGCFD[CIGPVNGUSWGG\Gq heit kann in jedem Alter auftreten. Frauen
says Dr. Mario Jekle, Food Technologist UKPFJÀWƄI
GTDGVTQHHGPCNU/ÀPPGT
CPF *GCF QH VJG %GTGCN 6GEJPQNQI[ CPF *
2TQEGUU 'PIKPGGTKPI )TQWR CV VJG %JCKT 5QWTEG '%#4(
of Brewing and Beverage Technology. If
the bread is very compact and hard, it
is likely lacking the essential element of
gluten. &QWIJWPFGTGZCOKPCVKQP &QEVQTCNUVWFGPV%JTKUVQRJ2CE\MQYUMKOGCUWTGUICU
retention capacity, the stability of gluten-free dough, in the biophysics laboratory.
6GKIKO6GUV &QMVQTCPF%JTKUVQRJ2CE\MQYUMKOKUUVKO$KQRJ[UKMNCDQTFKG)CUJCN
Food technologists tefähigkeit, also die Stabilität glutenfreier Teige.
ensure adequate
baking results Lebensmittel aus materialwissenschaft- der Arbeitsgruppe Getreidetechnologie mitteln. Auf Dauer führt die Zöliakie zu
Gluten, also referred to as gluten protein, licher Sicht: Im Gegensatz zu einem und -verfahrenstechnik des Lehrstuhls einer Entzündung des Dünndarms mit
is a unique mixture of proteins that, ac- Koch, der nach Rezepten arbeitet, für Brau- und Getränketechnologie. Ist einem pathologischen Beschwerdebild.
cording to Jekle, are responsible for the ƄPFGV FKG .GDGPUOKVVGNRTQFWMVKQP CWU die Semmel jedoch sehr kompakt und Ursache ist eine – zum Teil genetisch
familiar dough structure currently known einem grundlegenden mechanistischen hart, fehlt womöglich ein wesentliches XGTCPNCIVG s ¸DGTGORƄPFNKEJMGKV FGT
VQ EQPUWOGTU p6JG RTQVGKPU RQN[OGTK\G Verständnis heraus gezielt auf die Element: Gluten. Darmschleimhaut gegenüber Gluten,
to form a dense, multi-dimensional pro- gewünschten Produkteigenschaften hin das in vielen Getreidearten und damit
VGKPPGVYQTMUKOKNCTVQCƄUJKPIPGVqUC[U statt. Dabei werden die materialwissen- )NWVGP QHV CWEJ -NGDGTGKYGK» IGPCPPV auch in fast allen Backwaren vorkommt,
Jekle. This network is primarily responsi- schaftlichen Aspekte miteinbezogen. ist ein einzigartiges Stoffgemisch aus beispielsweise in allen Weizen-, Dinkel-
ble for the appearance of our commercial Gluten is crucial to Das betrifft die Rekombination in einem Proteinen und laut Jekle verantwort- und Roggenprodukten. Etwa ein Prozent
baked goods that is appreciated and en- reverse engineering Ansatz in gleicher lich für die Teigstruktur, wie sie die Ver- der Bevölkerung kann aus gesundheit-
joyed by consumers. the elasticity of dough. Weise wie die Personalisierung der braucher momentan kennen. „Die darin lichen Gründen kein Gluten essen, zwei
Gluten ist für Ernährung, den Einsatz lebensmittelferner enthaltenen Proteinfraktionen poly- bis zehn Prozent sind zumindest gluten-
Gluten, however, can also cause disease: Rohmaterialien oder neuer Produktions- merisieren und bilden ein dichtes, mehr- sensitiv und stellen daher ihre Ernährung
Increasingly more people are being dia- die Elastizität von Teigen technologien. Das ist die Lebensmittel- dimensionales Proteinnetzwerk ähnlich komplett um. „Es gibt aber auch einen
gnosed with celiac disease or are hyper- ausschlaggebend. forschung der Zukunft. GKPGO (KUEJGTPGV\p DGUEJTGKDV ,GMNG Trend, sich ohne Krankheitsbild bewusst
sensitive to the consumption of conven- Dieses Netzwerk ist hauptverantwort- INWVGPHTGK \W GTPÀJTGPp JCV ,GMNG DG-
tional cereal foodstuffs. In the long term, Glutenfreie Backwaren sind ein Beispiel lich für das Erscheinungsbild unserer obachtet. Weil Gluten aus material-
EGNKCE FKUGCUG NGCFU VQ KPƅCOOCVKQP QH Dr. Mario Jekle, Food Technologist and head of – vor allem Menschen mit Zöliakie werden handelsüblichen Backwaren, wie sie die wissenschaftlicher Sicht jedoch so extrem
the small intestine and the development VJG%GTGCN6GEJPQNQI[CPF2TQEGUU'PIKPGGTKPI FCXQP RTQƄVKGTGP 'KP $KUU FKG -TWUVG Konsumenten schätzen. wichtig ist, kann es nicht einfach weg-
of pathological symptoms. The cause is Research Group kracht, das Porenbild des Inneren ist gelassen werden. Die Backergebnisse
partly genetic and results from a hyper- INGKEJOÀ»KI WPF FKG -TWOG KUV GNCUVKUEJ Allerdings kann Gluten auch eine Erkran- wären nicht so, wie der Verbraucher sie
sensitivity of the intestinal mucosa to wie ein Schwamm, dann ist alles in kung auslösen: Immer mehr Menschen erwartet.
gluten. As gluten is present in many cereal DGUVGT 1TFPWPI d&CU OGTMV OCP UEJQP erhalten die Diagnose Zöliakie oder
grains, it also thus occurs in a range of DGKO
Food & Nutrition
Gluten-free
cereals
spelt and rye products. About one per-
cent of the population cannot tolerate
gluten in the diet at all, and two to ten
percent are gluten-sensitive and there-
Amaranth /CK\G %QTP
fore opt to completely revert to a gluten- Amaranth Mais
HTGG FKGV p$WV VJGTG KU CNUQ C VTGPF VQ
consciously consume gluten-free food
GXGP YKVJQWV CP[ FKUGCUG KPFKECVKQPq
Jekle has observed. From a material
science point of view, however, gluten
is so extremely important and cannot
simply be excluded. The quality of the Rice Millet 1CVU
baked goods would be far from what is Reis *KTUG *CHGT
expected and demanded by consumers.
And this is exactly where the involve-
OGPV QH UEKGPVKUVU DGIKPU p#U DCUKE TG-
searchers, we have set ourselves the goal
of understanding the basic mechanistic
relationships governed by gluten Buckwheat Quinoa
throughout the entire production process. Buchweizen Quinoa
6JKU KPENWFGU HTQO VJG ƅQWT OKNN VQ VJG
kneading of the dough, the fermentation
RTQEGUU CPF CNN VJG YC[ VQ VJG QXGPq
In collaboration with industrial com-
RCPKGUVJGNCVGUVƄPFKPIUCTGKORNGOGP „Als Grundlagenforscher haben wir zuwaschen. Jekles Team hat untersucht, 9ÀJTGPF FGT CPUEJNKG»GPFGP )ÀTRJCUG
ted, the products transferred to the uns zum Ziel gesetzt, entlang des welche Mahlfraktionen sich am besten für RTQFW\KGTV FKG KO 6GKI GPVJCNVGPG *GHG
bakeries and then directly to the gesamten Produktionsprozesses die glutenfreie Produkte eignen. Ein weiteres Kohlenstoffdioxid. Dieses geht zunächst
EQPUWOGTU p2TQFWEV SWCNKV[ FQGU PQV mechanistischen grundlegenden Zusam- Ziel der Wissenschaftler ist es, noch mehr KPFGPƅØUUKIGP6GKIØDGTYKTFCDGTYKGFGT
only mean volume and porosity, but also menhänge, die vom Gluten bestimmt Wasser in den Teig zu bringen – „nicht gasförmig, wenn es eine der während
taste, longevity, freshness and nutritional werden, zu verstehen – angefangen bei OKV
Food & Nutrition
The trend towards
gluten-free foods
US dollars global turnover
4.89 billion Milliarden
2.84 billion Milliarden
Gluten-free in high-tech: A 3D food printer prints the TUM logo from gluten-free ingredients. Parallel image processing evaluates the print
image.)NWVGPHTGKKP*KIJVGEJ 'KP&&TWEMGTHØT.GDGPUOKVVGNFTWEMVFCU.QIQFGT67/CWUINWVGPHTGKGP4QJUVQHHGP'KPGRCTCNNGNG$KNFXGT-
arbeitung bewertet das Druckbild.
Gluten-free food is becoming in-
creasingly popular. Worldwide, the
demand for – and thus the supply
of – gluten-free food will continue
to rise. Trend zu glutenfreien Le-
bensmitteln: Glutenfreie Lebensmittel
werden immer beliebter. Weltweit
wird die Nachfrage – und damit
%TWPEJKPIETWUVU 6JGCRRGCTCPEGCPFVJGƄTUVDKVGFGEKFGYJGVJGTVJGEQPUWOGTNKMGUVJGINWVGPHTGGDTGCF
auch das Angebot an glutenfreier at the end.-TCEJGPFG-TWUVGP 0KEJVPWTFKG1RVKMUQPFGTPCWEJFGTGTUVG$KUUGPVUEJGKFGVQDFGO8GT-
Nahrung weiter steigen. braucher das glutenfreie Brot am Ende schmeckt.
*
Source: Transparency Market Research
additives such as hydrocolloids, but with carbon dioxide. Initially, the gas dissolves
the process of so-called forced hydra- into the liquid components of the dough.
VKQPqGZRNCKPU,GMNG*GTGYCVGTKUUJQV When encountering an air bubble in-
YKVJJKIJ RTGUUWTG CV VJG ƅQWT 6JG CF troduced during kneading, the carbon UCIV ,GMNG &KG *KV\G KO $CEMQHGP GTMNÀTV ,GMNG d5Q GTJCNVGP YKT *KPYGKUG
vantage is that there is a higher content dioxide becomes gaseous again; and verändert das Teigsystem jedoch extrem: wie sich der Prozess besser an den Brot-
of water in the dough, and thus the bread the dough expands. Paczkowski also &KG8KUMQUKVÀVsCNUQFKG(NKG»GKIGPUEJCHV teig anpassen lässt oder durch welche
remains moister and fresher for longer. GPLQ[U FKUEWUUKPI JKU ƄPFKPIU YKVJ des Teiges – nimmt zunächst leicht ab, funktionellen Eigenschaften anderer
colleagues from the beverage and die Gasblasen dehnen sich aus, ehe 4QJYCTGFKGUGGTTGKEJVYGTFGPMÒPPGPp
The scientists also adapted how gluten- DTGYKPI ƄGNF 'ZENWFKPI JQRU VJGUG die (Gluten-)Proteine gerinnen und Im nächsten Schritt wollen die Grund-
HTGGFQWIJKUMPGCFGFp(QTGZCORNGYG scientists work with identical raw mate- verfestigen. Final verkleistert die Stärke lagenforscher aus diesem material-
used attachments with a special shape rials and use the same reaction schemes. WPF FKG )CUDNCUGP YGTFGP ƄZKGTV wissenschaftlichen Verständnis heraus
CPFVJWUCEJKGXGFUKIPKƄECPVFKHHGTGPEGU The only differences are that more water Am Ende ist der Teig zur Krume um- gänzlich neue Wege gehen, wie sie das
KP FQWIJ FGPUKV[ CPF XQNWOGq UC[U is used, and the reaction yields are higher. gewandelt und hat eine braune Kruste. glutenfreie Material besser texturieren
,GMNGp+HVJGMPGCFKPIKUFQPGWPFGTJKIJ *GTGVJGGP\[OGUFGITCFGVJGITCKPRQN[- Bei klassischen Backwaren wie etwa und vernetzen können. Dies soll mittels
pressure, the gas content in the dough mers almost completely; whereas with Weizenbrötchen spielt Gluten dabei eine eines 3D-Druckers erreicht werden, bei
KPETGCUGUq GZRNCKPU 2CE\MQYUMK pCPF KH bread, the process is only partial. The entscheidende Rolle, man kann es nicht dem ein Grundgerüst gedruckt wird,
a vacuum is subsequently applied, the carbon dioxide produced by the yeast einfach weglassen. Man muss die Rolle das dann mit funktionellen, sensorisch
gas bubbles expand and can then be is responsible for both the beer and the dieser Proteine genau kennen, um sie akzeptierten und ernährungsphysiolo-
HWTVJGTFKUKPVGITCVGFKPVQUOCNNGTDWDDNGUq HQCOJGCF*GTGVJGUWICTKUEQORNGVGN[ entweder durch andere Rohstoffe oder gisch wertigen Inhaltsstoffen besiedelt
7NVKOCVGN[VJKUTGUWNVUKPCWPKHQTOƄPG degraded by the yeast – in contrast to Prozesstechnologien zu ersetzen. wird. So löst man sich komplett vom
pored texture; and all without gluten! DCMGF RTQFWEVU p6JGTG KU OQTG QXGTNCR Backprozess. Gleiche Wege werden
VJCP [QW VJKPMq UC[U 2TQHGUUQT 6JQOCU „Um solche Ergebnisse zu erhalten, übrigens bei der Produktion künstlicher
During the subsequent fermentation $GEMGTJGCFQHVJG%JCKTHQT$TGYKPICPF müssen wir die einzelnen Schritte im 1TICPGYKG*GT\QFGT0KGTGIGICPIGP
phase, the yeast in the dough produces Beverage Technology. $CEMRTQ\GUU FGVCKNNKGTV CPCN[UKGTGPp
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Food & Nutrition
Food in the laboratory:
The scientists take samples
throughout the entire pro-
duction process and investi-
gate various properties of
gluten-free materials such as
their surface tension (left
picture) or their strength and
elasticity. Lebensmittel im
Labor: Die Wissenschaftler
nehmen Proben über den
gesamten Produktionspro-
zess hinweg und untersu-
chen verschiedene Eigen-
schaften glutenfreier
Materialien wie deren
1DGTƅÀEJGPURCPPWPI
(linkes Bild) oder deren
Festigkeit und Elastizität.
To determine details of the dough gluten-free material. This will be achieved An diesem Beispiel sieht man, wie die
structure and texture, the researchers with 3D printing; whereby a basic frame- Lebensmittelproduktion der Zukunft ge-
use computer tomography or con- work is printed and then complemented dacht werden muss. Nur auf diese Weise
focal laser microscopy. The distribution, with functional, sensory-acceptable and MÒPPGP FKG *GTCWUHQTFGTWPIGP FGT
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