Gluteenittoman kauraleivän säilyvyyden parantaminen

Gluteenittoman kauraleivän säilyvyyden parantaminen

Helsingin yliopistossa tehdyssä maisterintutkielmassa selvitettiin, voidaanko gluteenittoman kauraleivän säilyvyyttä parantaa tärkkelyksen esiliisteröinnillä, eli keittämällä osa reseptin kaurajauhoista ja vedestä velliksi. Myös esiliisteröidyn vellin hapattamisen vaikutusta kauraleivän säilyvyyteen tutkittiin, ja tutkimuksessa vertailtiin hapatusta mikrobiologisella ja kemiallisella menetelmällä.

TEKSTI Saara Sammalisto, ETM, väitöskirjatutkija Elintarvike- ja ravitsemustieteiden osasto, Helsingin yliopisto

Tutkimuksen tausta ja tavoitteet

Gluteeniton kauraleivonta on haastavaa, sillä viskoelastisen gluteeniverkoston puuttuessa kaurataikinoita on hankalaa työstää ja kauraleivät jäävät usein tiiviiksi, kosteiksi ja tahmeiksi. Hyväksyttävän rakenteen aikaansaanti on vaikeaa ja gluteenittomille leiville on tyypillistä, että ne vanhenevat nopeasti ja niiden rakenne on heikko. Leivän rakenteen vanhenemiseen johtavina tekijöinä pidetään tärkkelyksen uudelleenkiteytymistä ja veden liikkumista leivässä säilytyksen aikana. Leipätaikinassa on liian vähän vettä kiteisen tärkkelyksen täydelliseen liisteröitymiseen, mutta leivän paiston aikana tärkkelys liisteröityy osittain amorfiseen, pehmeään muotoon. Liisteröitynyt tärkkelys pyrkii uudelleenkiteytymään säilytyksen aikana, ja tärkkelyksen uudelleenkiteytyessä leivän rakenne kovettuu.

Tämä maisterintutkielma toteutettiin Vuohelan Herkku Oy -yrityksen toimeksiantona, Helsingin yliopiston elintarvike- ja

ravitsemustieteen osastolla kesällä ja syksyllä 2019. Vuohelan Herkku Oy:n ohjausryhmässä olivat toimitusjohtaja Pirkko Hämäläinen, kehityspäällikkö Eriikka Koivisto ja tuotekehittäjä Henna Sireeni. Tutkielman ohjasi yliopistonlehtori Tuula Sontag-Strohm, ja tutkielma arvioitiin joulukuussa 2019.

Maisterintutkielman tavoitteena oli selvittää, voidaanko gluteenittoman kauraleivän säilyvyyttä parantaa tärkkelyksen esiliisteröinnillä, eli keittämällä osa reseptin kaurajauhoista ja vedestä

Tutkimuksessa onnistuttiin pidentämään gluteenittoman kauraleivän pehmeää aikaa käyttämällä taikinassa sitruunahapolla hapatettua, esiliisteröityä velliä

velliksi. Hypoteesina oli, että esiliisteröidyn vellin muodossa veden liikkuminen leivässä hidastuisi ja vellin esiliisteröinti lisäisi amorfisessa tilassa olevan tärkkelyksen määrää, kun liisteröitymiseen on saatavilla enemmän vettä kuin taikinassa. Oletettiin, että kauraleivän rakenne kovettuu hitaammin, kun esiliisteröidyssä vellissä vesi puristuu hitaammin ulos tärkkelysgeelistä ja amorfisiin tärkkelysalueisiin on sitoutunut enemmän vettä, ja rakennetta kovettavien tärkkelyskiteiden muodostuminen on hitaampaa.

Myös esiliisteröidyn vellin hapatusta tutkittiin mikrobiologisella ja kemiallisella menetelmällä. Tavoitteena oli tutkia, pidentääkö vellin mikrobiologinen hapatus leivän pehmeää aikaa edelleen, kun jauhopartikkelit vettyvät ja pehmenevät hapatuksen aikana. Mikrobiologisesti hapatettua velliä sisältäneen kauraleivän kontrollinäytteenä toimi kemiallisesti sitruunahapolla hapatettua velliä sisältänyt kauraleipä. Kummatkin vellit hapatettiin samaan pH-arvoon. Tutkittavia gluteenittomia kauraleipänäytteitä oli siis neljä: kauraleipä (kontrollileipä), velliä sisältänyt kauraleipä,

mikrobiologisesti hapatettua velliä sisältänyt kauraleipä ja kemiallisesti hapatettua velliä sisältänyt kauraleipä.

Materiaalit ja menetelmät

Tutkimuksen esikokeissa kaurajauhoista tehtiin fysikaalisia testejä (partikkelikoko- ja vedensidontakykyanalyysit), tutkittiin kaurajauhojen liisteröitymisominaisuuksia RVA-viskometrillä ja leivottiin koeleivontoja. Kauraleivistä vertailtiin ulkonäköä, ominaistilavuutta, sisuksen rakennetta ja huokoskokojakaumaa, suutuntumaa ja makua. Esikokeissa muodostettiin gluteenittomien kauraleipien leivontareseptit ja valmistusmenetelmät, joita noudattaen suoritettiin varsinainen tutkimus, jossa seurattiin leipien rakenteen vanhenemista säilytyksen aikana. Esikokeissa

Kuva 1. Esikokeissa muodostetulla leivontaohjelmalla ja -reseptillä leivottu gluteeniton kontrollikauraleipä.

Kuva 2. Kauraleipien ominaistilavuuksien ja paistohäviöiden keskiarvot keskivirheineen kolmena toistotaikinana leivotuista leipäryhmistä.

Kuva 3. Kauraleipänäytteiden rakenteen kovuus yhden, kolmen ja kuuden päivän kuluttua leivonnasta puristustestillä mitattuna. Tulokset edustavat keskiarvoja keskivirheineen kolmena toistotaikinana leivotuista leipäryhmistä. tutkittiin myös sopivaa kauravellin koostumusta, hapatusmenetelmiä ja pitoisuutta leipätaikinassa.

Tutkimuksen gluteenittoman kontrollikauraleivän (kuva 1) resepti koostui täysjyvä- ja kauraydinjauhoista, vedestä, kuivahiivasta, rypsiöljystä, sokerista, suolasta ja hydrokolloideista, psylliumista ja hydroksipropyylimetyyliselluloosasta (HPMC:stä). Hydrokolloidit ovat vettä sitovia yhdisteitä, yleisimmin hiilihydraattipolymeerejä, joita käytetään gluteenittomassa leivonnassa taikinan käsiteltävyyden ja leivontalaadun parantamiseksi. Sopiva täysjyväjauhojen osuus jauhoista oli 51 % ja ydinjauhojen osuus oli 49 % kun haluttiin, että täysjyväjauhojen pitoisuus on ydinjauhoja korkeampi. Esikokeissa taikinatulos 196 ja psylliumin ja HPMC:n pitoisuudet 1,6 % ja 0,8 % jauhojen painosta havaittiin sopiviksi. Esikokeissa myös huomattiin, että hydrokolloidien yhdistelmä johti parempaan kauraleivän rakenteeseen kuin yksittäisen hydrokolloidin käyttö samalla pitoisuudella. Velliä sisältäneissä leivissä sopivaksi kauravellin pitoisuudeksi osoittautui 20 % taikinasta.

Reseptin lisäksi taikinantekoprosessi ja nostatus- ja paisto-olosuhteet optimoitiin kauraleiville sopiviksi. Havaittiin, että tutkimuksen leivän rakenne ja paistoaste paranivat, kun uuniin ohjelmoitiin höyrytys paiston puoliväliin, eikä paiston alkuun. Suoraleivontana leivotut vapaat leivät muotoiltiin sekoituksen jälkeen kevyesti ennen nostatusta (30 minuuttia huoneenlämmössä), jonka jälkeen leivät paistettiin kiertoilmauunissa (210 °C, 32 min). Paiston jälkeen leivät arvioitiin yhden tunnin jäähtymisen jälkeen.

Kauraleipänäytteet leivottiin kolmena rinnakkaisena taikinana ja leipäryhmien kauraleivistä tarkasteltiin paistohäviöitä, ominaisuustilavuuksia ja leivän sisuksen kovettumista säilytyksen aikana puristustestein. Puristustestit suoritettiin 1, 3, ja 6 vuorokauden kuluttua leivonnasta, ja mittaukset tehtiin leivän sisuksesta leikatuista tasasivuisista kuutioista. Tärkkelyksen uudelleenkiteytymistä tutkittiin valituista kauraleipänäytteistä DSC-kalorimetrillä 3 ja 6 päivän kuluttua leivonnasta.

Eri kaurajauhoja ja kauraleipätaikinoita edustavista näytteistä tutkittiin RVA-viskometrillä liisteröitymisominaisuuksia ja liisteröidyistä näytteistä tutkittiin synereesiä eli geelin pysyvyyttä. Ainesosat lisättiin RVA-viskometrillä tehtyihin analyyseihin taikinaa vastaavissa suhteissa, mutta huomattavasti suuremmassa vesipitoisuudessa, ja laimennettujen taikinoiden liisteröitymisominaisuudet ja geelitestien tulokset eivät juurikaan eronneet toisistaan. Luultavasti reseptin hydrokolloidit (psyllium ja HPMC) yhtenäistivät tuloksia suurella vedensidontakyvyllään, sillä geelitestien näytteissä veden määrä oli kuiviin aineisiin suhteutettuna paljon suurempi kuin taikinassa.

Tulokset ja pohdinta

Tutkimuksessa havaittiin, että esiliisteröity kauravelli lisäsi kaurataikinan kaasunpidätyskykyä ja täten kasvatti kauraleivän ominaistilavuutta (kuva 2). Velliä sisältäneiden leipien ominaistilavuudet olivat merkitsevästi kontrollileipiä suurempia. Paistohäviöt eivät eronneet kauraleipänäytteiden välillä, ja leipien ulkonäölliset erot olivat pieniä.

Esiliisteröidyn vellin käyttö leivonnassa pehmensi gluteenittoman kauraleivän rakennetta. Yhden päivän kuluttua leivonnasta kontrollileipä oli rakenteeltaan kovin ja kemiallisesti hapatettua velliä sisältänyt leipä oli pehmein rakenneanalyysin mukaan (ku-

va 3). Mikrobiologisesti hapatettua ja hapattamatonta velliä sisältäneet leivät olivat myös kontrollileipää pehmeämpiä, mutta kovempia kuin kemiallisesti hapatettua velliä sisältäneet leivät. Säilytyksen aikana erot rakenteen kovuudessa tasoittuivat muiden näytteiden välillä, mutta kemiallisesti hapatettua velliä sisältäneessä leivässä rakenne kovettui vähiten ja leipä oli rakenteeltaan pehmein jokaisena mittauspäivänä. Mikrobiologisesti hapatettua velliä sisältäneessä leivässä rakenteen kovettuminen oli nopeinta.

Esiliisteröidyn vellin rakennetta pehmentävä vaikutus johtui luultavasti siitä, että vellissä tärkkelystä liisteröityi enemmän amorfiseen muotoon ja sitoutui tiukemmin geeliin, ja täten veden liikkuminen hidastui leivässä säilytyksen aikana. Mikrobiologisessa hapatuksessa velli esiliisteröitiin ennen sen hapattamista yön yli, joten tärkkelys oli ehtinyt alkaa kiteytyä jo hapatuksen aikana ja rakenne vanheni nopeammin kuin muissa esiliisteröityjä vellejä sisältäneissä leivissä.

Tutkimuksessa seurattiin tärkkelyksen uudelleenkiteytymistä DSC-kalorimetrillä ja oletettiin, että rakenteeltaan kovin leipä sisältäisi eniten uudelleenkiteytynyttä tärkkelystä. DSC-mittausten mukaan tärkkelyksen uudelleenkiteytyminen oli nopeinta kontrollileivässä, ja hitaampaa mikrobiologisesti ja kemiallisesti hapatettuja vellejä sisältäneissä leivissä (kuva 4). Rakenneanalyysin mukaan rakenteen kovettuminen oli kuitenkin nopeinta mikrobiologisesti hapatettua velliä sisältäneessä leivässä ja hitainta kemiallisesti hapatettua velliä sisältäneessä leivässä. DSC-mittausten mukaan kontrollileivässä oli vähiten uudelleenkiteytynyttä tärkkelystä kolmantena säilytyspäivänä, vaikka leivän rakenne oli kovin puristustestein mitattuna.

Tulosten epäjohdonmukaisuudesta päätellen tärkkelyksen uudelleenkiteytymisen lisäksi leivän kovettumisen taustalla on jokin muukin ilmiö, tai DSC-kalorimetrin tulokset eivät kuvanneet kauraleivän rakenteen kovuutta. Tärkkelys oli luultavasti alkanut kiteytyä vellejä sisältäneissä leivissä jo heti vellin jäähdyttyä esiliisteröinnin jälkeen, mutta tärkkelyksen uudelleenkiteytymisestä huolimatta kemiallisesti hapatettua velliä sisältäneen kauraleivän rakenne oli pehmein kolmantena ja kuudentena mittauspäivänä rakenneanalyysin mukaan. Näin ollen pääteltiin, että amorfiseen tilaan esiliisteröity velli ja sitruunahappo peittivät tärkkelyskiteiden rakennetta kovettavan vaikutuksen. On mahdollista, että velliä sisältäneissä leivissä tärkkelyskiteiden muodostuminen ei varsinaisesti hidastunut, vaan taikinaan lisätyn vellin myötä kasvanut amorfisten tärkkelysalueiden määrä ja hidastunut veden liikkuminen pehmensivät kauraleivän rakennetta.

Tutkimuksessa onnistuttiin pidentämään gluteenittoman kauraleivän pehmeää aikaa käyttämällä taikinassa sitruunahapolla hapatettua, esiliisteröityä velliä. Tutkimusaineistoa sitruunahapon käytöstä leivän leivonnassa löytyi todella vähän, eikä sitruunahappoa ollut aiemmin tutkittu kauraleivonnassa. Rakennetta pehmentävän vaikutuksen pohdittiin johtuvan sitruunahapon lisäyksestä johtuvan pH:n laskun aiheuttamasta tärkkelyksen hydrolyysistä, joka voisi hidastaa tärkkelyksen uudelleenkiteytymistä, mutta pH:n lasku ei kirjallisuusviitteiden mukaan ollut riittävän suurta happohydrolyysiin. Tutkimuksessa oletettiin, että pH:n lasku ei hydrolysoi β-glukaania, ja että olosuhteet eivät olleet otolliset proteiinien liukoisuuden muutoksille kaurataikinassa.

Kirjallisuudesta löytyi muutamia viitteitä sitruunahapon positiivisista vaikutuksista vehnäleivonnassa ja gluteenittomassa rii-

Kuva 4. Kauraleipänäytteiden uudelleenkiteytyneen tärkkelyksen sulamisentalpiat kolmen ja kuuden vuorokauden kuluttua leivonnasta keskiarvoineen ja keskiarvojen keskivirheineen DSC-kalorimetrillä määritettynä.

Kuva 5. Kemiallisesti hapatettua velliä sisältäneen kauraleivän ulkonäkö ja sisuksen huokosrakenne leivontapäivänä.

sileivonnassa, mutta tutkimukset eivät olleet täysin verrattavissa tähän tutkimukseen. Täten mekanismia, jolla sitruunahapolla hapatettu esiliisteröity velli pehmensi gluteenittoman kauraleivän rakennetta, ei voitu tässä tutkimuksessa saatujen tietojen perusteella luotettavasti tunnistaa. Jatkotutkimusta tarvitaan, jotta ilmiö voidaan täysin ymmärtää.

Tutkimuksessa ominaisuuksiltaan parhaaksi havaittu, sitruunahapolla hapatettua velliä sisältänyt kauraleipä (kuva 5), leivottiin onnistuneesti tuotantomittakaavan koeajossa syyskuussa 2019 Vuohelan Herkun leipomossa Lahdessa. Tutkielmantekijänä sain arvokkaan kokemuksen laboratoriomittakaavan tutkimuksen siirtämisestä tuotannon koeajoon.

Maisterintutkielman myötä kiinnostuin kauraleivonnan haasteista ja aloitin väitöskirjatutkimuksen kauraleivonnan parissa tammikuussa 2020. Väitöstyöni tutkimusartikkeleista ensimmäinen julkaistiin lokakuussa 2021, siinä tutkittiin lajikepuhtaiden täysjyväkauranäytteiden leivontalaadullisia eroja. Artikkelissa on avoin saatavuus:

Sammalisto S, Laitinen M, Sontag-Strohm T. Baking Quality Assessment of Twenty Whole Grain Oat Cultivar Samples. Foods. 2021; 10(10):2461. https://doi.org/10.3390/foods10102461