Schweizerische Brotinformation SBI Postfach Bern. Dr. sc. nat. Stephanie Baumgartner Perren, Ernährungswissenschaftlerin, infood GmbH, Brugg

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1 FACHBERICHT SCHWEIZER BROT WISSENSWERTES ÜBER GLUTEN: WIE ES ENTSTEHT UND WAS ES BEWIRKT Dr. sc. nat. Stephanie Baumgartner Perren, Ernährungswissenschaftlerin, infood GmbH, Brugg Gluten ist ein Gemisch von Proteinen, den Gluteninen und Gliadinen, welche die hervorragende Backqualität des Weizenmehls erklären. Dank des eidgenössischen Weizenzüchtungsprogramms stehen den Schweizer Bauern geeignete, den Umweltbedingungen angepasste Weizensorten zur Verfügung, die nach traditioneller Art durch Selektion und Kreuzung gewonnen wurden. In den Mühlen werden die Weizensorten sorgfältig verarbeitet und so gemischt, dass dem Bäcker optimale, einheimische Backmehle zur Verfügung stehen. In der Backstube entfaltet das Gluten unter dem Einfluss des Knetens seine Wirkung und ermöglicht ein feinporiges, aromatisches, formfestes Brot. Durch die Kombination mit anderen Proteinquellen wird Brot zu einer vollwertigen Mahlzeit und ist aus der Schweizer Küche nicht wegzudenken. Schweizer Weizen enthält einen ausbalancierten Proteinanteil WAS SIND PROTEINE? WAS IST GLUTEN? Proteine sind biologische Makromoleküle, die aus Aminosäuren aufgebaut sind. Jeder Organismus nutzt Proteine, das Weizenkorn ebenso wie der menschliche Körper. Proteine finden sich in allen Zellen und verleihen ihnen Struktur, sie transportieren Stoffwechselprodukte, pumpen Mineralstoffe, katalysieren Stoffwechselreaktionen und erkennen Signalstoffe. Gluten ist ein Gemisch aus den Proteinen Gliadin und Glutenin, die im Samen einiger Getreidearten vorkommen. Sie bilden zusammen mit dem zugegebenen Wasser beim Kneten eine gummiartige, elastische und doch formfeste Masse. Dank des eigenen Züchtungsprogramms produziert die Schweiz Brotgetreide von hoher Backqualität und konnte ihren Selbstversorgungsgrad von 15% Ende des 19. Jahrhunderts auf heute 85% steigern. Da in der Schweiz nie mithilfe der Gentechnik gezüchtet wurde, findet man in den modernen Schweizer Sorten immer noch das Genmaterial der alten Landsorten, ergänzt durch Genmaterial einiger ausländischer Sorten von guter Qualität. Entsprechend enthält Schweizer Weizen seit Beginn der Züchtung dieselben Proteine in vergleichbarer Menge. Schweizer Weizen weist 8 18% Protein auf. Dieses besteht zu 80 85% aus wasserunlöslichen Gluteninen und Gliadinen und zu 15 20% aus wasserlöslichen Albuminen und Globulinen. Diese sind im Weizenkorn ungleich verteilt (siehe Download «Aufbau des Getreidekorns» auf ). Verteilung der Proteine in den verschiedenen Kornfraktionen Schalen Aleuronschicht Mehlkörper Keimling Anteil im Korn 5% 9% 82% 4% Proteingehalt 6,9% 31,7% 12,6% 34,0% Gew. % der Trockenmasse Vorwiegender Proteintyp Strukturproteine Strukturproteine und Enzyme: Albumine und Globuline Speicherproteine: Glutenine und Gliadine Strukturproteine und Enzyme: Albumine und Globuline 1

2 Die heutigen drei Hauptziele der Weizenzüchtung sind: Stabilisierung der hohen Qualität, insbesondere der Backqualität Ertragssicherheit bei ökologischeren, extensiven Anbaumethoden Genügend Resistenz gegenüber Pilzkrankheiten für den extensiven Anbau Zu den drei Hauptzuchtzielen kommen weitere Ziele wie Standfestigkeit der Pflanze und Resistenz gegenüber Kälte und Auswuchs hinzu. Zudem wird auf Biodiversität geachtet und darauf, dass kein altes Genmaterial verloren geht. Man darf allerdings nicht vergessen, dass die erzielten Fortschritte pro Ziel umso kleiner ausfallen, je mehr Ziele verfolgt werden. Ziele wie die Auswuchsresistenz sind zudem Balanceakte, denn es geht darum, den Auswuchs auf der Ähre zu bremsen und auf den gewünschten Moment nach der Aussaat zu verschieben. Die hohe Backqualität des Weizens hängt von seinem Proteingehalt ab und von einem günstigen Verhältnis der Gliadine und Glutenine, die im Brotteig das Gluten bilden. Eine solche Kombination ist ein schwierig zu erreichendes Zuchtziel, denn es ist genetisch komplex determiniert. Der Proteingehalt sollte zudem nicht zu stark gesteigert werden, weil zu viel Protein zu harten Weizenkörnern führt und in der Folge zu vermehrter Beschädigung der Stärkekörner beim Mahlen. Die Stärke liegt im Mehlkörper des Weizenkorns als kleine Knäuel vor, die intakt bleiben sollten. Zudem besteht eine stark negative Wechselbeziehung zwischen dem Proteingehalt und dem Ertrag, sodass sich nicht beides beliebig steigern lässt. Die ertragreichen sind deshalb meist proteinärmere Weizensorten und zeigen im Durchschnitt ein bloss befriedigendes Backverhalten. Das Proteinmuster ist nicht nur von Sorte, Boden und Düngung abhängig, sondern auch von unbeeinflussbaren Faktoren wie dem Wetterverlauf während des Pflanzenwachstums. Die Aufgabe des Bauern besteht darin, Boden, Sorte und Düngung so aufeinander abzustimmen, dass er mit Brotweizen den von den Verarbeitern für den jeweiligen Verwendungszweck benötigten Proteingehalt erreicht. Zusammensetzung des Proteins im Backmehl Nach der Ernte mischt der Müller die Weizenpartien so, dass die Backfähigkeit des daraus resultierenden Mehls für die jeweiligen Einsatzgebiete (z.b. Brot, Gipfeli, Konditoreiwaren) resp. die Verarbeitungsmöglichkeiten (z.b. Langzeittriebführungen) bestmöglich erfüllt sind. Denn es braucht unterschiedliche Proteingehalte für die Herstellung unterschiedlicher Produkte. Das Brotmehl gehört zu den anspruchsvollen Mehlen. Für handelsübliche Weizen-Brotmehle sind 10 15% Protein wünschbar, hauptsächlich aus dem Mehlkörper. Für das Ruchmehl wird ein Anteil der Aleuronschicht mitverarbeitet, die den Mehlkörper von der Schale (Kleie) trennt. Für das Vollkornmehl nutzt der Müller auch Kleie und den Keimling, der zusätzliches Protein liefert. Ergänzend kann der Anteil an gesunden Inhaltsstoffen durch die separate Zumischung von Weizenkleie und stabilisiertem Aleuron und Keimling erhöht werden. Mehle aus Schweizer Weizen finden weltweit Anerkennung, z.b. in Frankreich als «farine améliorante». Sie bringen für die moderne, automatisierte Brotproduktion und für tiefgekühlte Brotteiglinge Vorteile. Zudem sind die Sorten der Klassen Top und 1 im Ausland sehr beliebt, weil ihre Backqualität das Backen von Vollkornbroten erleichtert. Das für den Backprozess wichtige Speicherprotein aus dem Mehlkörper des Weizenkorns besteht aus 20 50% Gliadinen und 50 80% Gluteninen. Gluten, auch Kleber oder Klebereiweiss genannt, ist der Sammelbegriff für das Gemisch aus Gliadinen und Gluteninen. Gliadine sind kleinere, dehnbare, kugelige Proteine. Glutenine bestehen aus einer Mischung von grösseren und kleineren, faserigen Proteinen. Diese räumlichen Formen werden durch interne Disulfidbrücken stabilisiert. Beide Proteine enthalten viel Prolin und Glutamin, im Vergleich zu den Albuminen und Globulinen aber weniger von den essenziellen Aminosäuren Lysin, Tryptophan und Methionin, was die 2

3 begrenzte biologische Wertigkeit von Weizenprotein erklärt. Viele dieser Proteine lösen bei insgesamt rund 5% der Bevölkerung Unverträglichkeiten aus (siehe Fachbericht «Trotz einer Unverträglichkeit beschwerdefrei leben»). BIOLOGISCHE WERTIGKEIT DER PROTEINE Der menschliche Körper baut sein Protein aus 23 Aminosäuren auf. Von diesen sind 8 essenziell, d.h. lebensnotwendig, und können vom Körper nicht selber hergestellt werden. Deshalb müssen sie mit der Nahrung aufgenommen werden. Die biologische Wertigkeit der Proteine eines Lebensmittels ist ein Mass dafür, mit welcher Effizienz diese in körpereigene Proteine umgebaut werden können. Je ähnlicher das Nahrungsprotein dem Körperprotein ist, umso grösser ist seine biologische Wertigkeit und umso weniger muss der Mensch davon essen, um alle für ihn notwendigen Aminosäuren aufzunehmen. Besondere Bedeutung kommt dabei dem Gehalt an essenziellen Aminosäuren zu. Als Referenzwert dient Vollei, dessen biologische Wertigkeit als 100 definiert wurde. Durch geschickte Lebensmittelkombinationen kann dieser Wert übertroffen werden. Roggenvollkornmehl 80 Weizenvollkornmehl 58 Helles Weizenmehl 47 75% Milchprotein und 25% Vollkornweizenmehl-Protein % Hühnereiprotein und 32% Vollkornweizenmehl-Protein 118 Der Einfluss von Teigbereitung, Triebführung und Backprozess auf das Weizenprotein Dem Bäcker obliegt es nun, aus dem Schweizer Brotmehl feine Brote zu backen. Dazu nutzt er seine vertieften Kenntnisse über die Prozesse der Teigbereitung, der Triebführung und des Backens. Bei der Teigbereitung wird Weizenmehl mit Wasser vermischt, es entsteht eine gummiartige und elastische Masse. Die ursprünglich gefalteten oder verknäuelten Proteine wickeln sich auf und strecken sich. Die Gliadine und Glutenine reorganisieren sich unter der Kneteinwirkung und formen gemeinsam das Glutengerüst des Brotlaibs. Da es das Zwei- bis Dreifache seines Eigengewichts an Wasser bindet, liegt der Feuchtglutengehalt bei etwa 30 35%. Durch Disulfidbrücken zwischen den Proteinen bzw. ihren schwefelhaltigen Aminosäuren entsteht ein elastisches Netz. Durch das Kneten des Teigs entsteht das Glutengerüst des Brotlaibs Die Glutenine und Gliadine liegen im Mehl locker durcheinander. Durch die Zugabe von Flüssigkeit und insbesondere das Kneten ordnen sie sich neu an. Im gut gekneteten Teig bilden sich Disulfidbrücken zwischen den Gluteninen und Gliadinen, es entsteht ein Netz. 3

4 Im optimal ausgekneteten Teig ist das Gluten stark vernetzt und dehnt sich bei der folgenden Triebführung zu dünnen Porenwänden aus. Sie halten das bei der Gärung entstehende Gas (CO 2 ) sowie die eingeknetete Luft. Der Teig geht auf, gewinnt an Volumen und entwickelt seine Form. Während des Gärprozesses bilden die Enzyme der Hefe und die Mikroorganismen des Sauerteigs zahlreiche neue Stoffe, die dem Brot seine Konsistenz und sein Aroma verleihen. Teige, die bei Temperaturen zwischen 20 C und 40 C geführt werden, gehen schnell auf. Es entstehen grössere Poren, jedoch weniger Aromastoffe. Dagegen ergeben Teige, die bei niedrigen Temperaturen geführt werden, aromatischere Brote mit kleinen, gleichmässigen Poren. Unterschiedliche Aromen bringen auch Mehle von Roggen, Hafer, Mais oder Kartoffeln. ROGGENBROT Weizen macht 90% des Brotgetreides in der Schweiz aus, aber auch mit Roggen lässt sich Brot backen. Während der Teigbereitung quillt und verklebt das Gluten und bildet schliesslich ein räumliches Netz mit vielen Poren. Dabei wirken auch Pentosane (Schleimstoffe) mit. Weizen bildet ein starkes, formfestes, elastisches Glutengerüst, enthält dagegen nur wenig Pentosane. Roggen enthält mit mind. 5% etwa doppelt so viele Pentosane wie das Weizenmehl, bildet dafür ein schwächeres, krümeligeres Gluten mit reduzierter Formfestigkeit. Deshalb haben Roggenbrote eher eine Fladenform. Im Roggenbrot sind die Pentosane dank ihrer besonders hohen Wasserbindungs- und Quellkapazität für das Teiggerüst und die Backeigenschaften verantwortlich. Durch Ansäuern des Teigs (ph-wert um 4,2) verbessert sich ihre Wirkung. Teige aus 20% und mehr Roggenmehl benötigen deshalb zusätzlich zur Hefe auch Sauerteig bzw. Teigsäuerungsmittel. Im Backofen laufen drei Prozesse ab: Teiglockerung, Krumenbildung und Krustenbildung. Zunächst wird verstärkt Gas gebildet, der Brotlaib gewinnt weiterhin an Volumen und es entsteht eine poröse, stabile Krume. Das Glutengerüst wird im Backprozess bis ca. 60 C weicher, denaturiert und wird ab 70 C fester. Dabei gibt das Gluten Wasser ab, welches von der Stärke aufgenommen und für die Verkleisterung genutzt wird. Im Innern des Teiglings steigt die Temperatur auf 95 C. Das nun geronnene Glutengerüst sorgt dafür, dass das Gebäck seine Form behält. Die Krume bleibt dank des Gliadinanteils aber elastisch. Die Aussentemperatur des Teiglings nähert sich der Ofentemperatur von rund 180 C. Dabei laufen Bräunungsreaktionen (Maillard-Reaktionen) ab, die zur Bildung von Aromastoffen und der Brotkruste führen. 4

5 GETREIDE WIRD DURCH DIE VERARBEITUNG BESSER VERDAULICH Mit der Verarbeitung von Lebensmitteln wird allgemein ein Nährstoffverlust assoziiert. Für die Makronährstoffe Protein, Stärke und Nahrungsfasern aus dem Getreide gilt das Gegenteil. Proteine liegen in unverarbeiteten Lebensmitteln in ihrer nativen, vierfach zusammengelegten Form vor. Das erschwert den menschlichen Verdauungsenzymen das Aufschneiden der Aminosäureketten. Durch das Erhitzen wird das Protein denaturiert, es öffnet seine Struktur und kann leichter verdaut werden. Auch die Stärke ist in ihrer nativen Form nur schwer verdaubar, sie liegt verknäuelt als Stärkekörner vor. Durch das Mischen mit Wasser und das anschliessende Erhitzen verkleistert die Stärke, öffnet sich und wird leichter verdaulich. Getreidemehle enthalten, abhängig vom Ausmahlungsgrad, mehr oder weniger Nahrungsfasern. Durch die Erwärmung in feuchter Umgebung quellen sie auf und werden dadurch wirksamer gemacht. Auch vom Ausmahlungsgrad abhängig ist der Phytatgehalt eines Mehls. Phytate binden in der Pflanze und im Speisebrei Mineralstoffe, sodass diese dem Körper nicht mehr zur Verfügung stehen. Nun enthalten die Getreide und die Hefe auch Phytatabbauende Enzyme. Bei der Herstellung von Vollkornprodukten wird deshalb durch die verlängerte Teigführung der Phytatgehalt reduziert und dadurch die Mineralstoffverwertung verbessert. Aufgrund dieser Eigenschaften, des feinporigen Teigs, der knusprigen Kruste und des feinen Aromas, ist Weizen sehr beliebt. Weizen macht 90% des Brotgetreides in der Schweiz aus und liefert nennenswerte Mengen Protein. Bei einem durchschnittlichen, täglichen Konsum von 133 g bzw. 2 3 Scheiben Brot sind dies 12,6 g Protein pro Person und Tag, bei einem täglichen Bedarf von 50 bis 70 g pro Tag für eine Frau bzw. einen Mann (Basis: 0,8 g pro Kilogramm Körpergewicht). Der durchschnittliche Nährstoffgehalt pro 100 g Produkt beträgt: Weizenkorn Ruchmehl Ruchbrot Hauptzutaten Ruchmehl (100%) Ruchmehl (56%), Wasser, Hefe, Salz Energie 1285 kj/306 kcal 1440 kj/340 kcal 1000 kj/235 kcal Fett 1,8 g 1,7 g 1,2 g Kohlenhydrate 61,0 g 64,6 g 44,3 g Protein 11,4 g 13,5 g 9,5 g Nahrungsfasern 13,3 g 5,7 g 4,1 g Das im Brot enthaltene Protein besitzt zwar eine geringere biologische Wertigkeit (siehe «Biologische Wertigkeit der Proteine» S. 3) als tierisches Protein. Durch den gleichzeitigen Verzehr von Milch, Fleisch oder Eiern wird es jedoch aufgewertet. Auch Getreide zusammen mit Hülsenfrüchten, was eine tolle vegane Kombination ist, ergeben ein hochwertiges Protein, z.b. Erbsensuppe mit Brot, Falafel in einer Brottasche oder Linsen mit Reis. 5

6 Quellenhinweise und weiterführende Literatur (letzter Zugriff 14. Juli 2015) Bundesamt für Landwirtschaft (BLW), FA Agroscope Changins-Wädenswil (ACW) und FA Agroscope Reckenholz-Tänikon (ART) (2008) «Sorten, Saat- und Pflanzgut in der Schweiz». (letzter Zugriff 16. März 2015) (letzter Zugriff 16. März 2015) (letzter Zugriff 16. März 2015) Felber J et al (2014) «S2k-Leitlinie Zöliakie Ergebnisse einer S2k-Konsensuskonferenz zur Zöliakie, Weizenallergie und Weizensensitivität». AWMF-Register Nr. 021/021 publiziert durch Deutsche Gesellschaft für Gastroenterologie, Verdauungs- und Stoffwechselerkrankungen (DGVS) und Deutsche Zöliakie-Gesellschaft (DZG e.v.) Bundesamt für Landwirtschaft (BLW); Fachbereich Marktbeobachtung (2009), «Brotkonsumstatistik». Weiss C (2010) «Brot und Backwaren». Ernährungsumschau 9/10: Weiss C (2012) «Nährstoffveränderungen bei der Lagerung, Verarbeitung und Zubereitung von Lebensmitteln». Ernährungsumschau 7: B25 B29 (A); 8: B29 B32 (B) und 9: B33 36 (C) Belitz HD, Grosch W, Schieberle P (2001) «Lehrbuch der Lebensmittelchemie, Kapitel Getreide und Getreideprodukte». 5. Aufl. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York. ISBN Köhler P, Schurer F, Kieffer R, Wieser H (2006) «Folien aus Weizeneiweiss». Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie, Forschungsreport 2/2006:30 32 Baraka S et al (2015) «Biochemical and Functional Properties of Wheat Gliadins: A Review». Critical Reviews in Food Science and Nutrition 55 (3): Veraverbeke WS, Delcour JA (2002) «Wheat Protein Composition and Properties of Wheat Glutenin in Relation to Bread Making Functionality». Critical Reviews in Food Science and Nutrition 42 (3):