Chemie des Backens: Kleine Helferlein – Bakterien

Stäbchenförmige Milchsäurebakterien unter dem Mikroskop

Stäbchenförmige Milchsäure-Bakterien unter dem Mikroskop (Quelle)

Heute müsst ihr euch ein wenig Zeit nehmen. Es wird länger. Dafür hoffe ich alles abgehandelt zu haben, was es über diese kleinen Helferlein zu sagen gibt. In einem Sauerteig finden sich neben Hefen auch Milchsäurebakterien, die ebenso wie Hefen Zucker abbauen und dabei, wenn auch in geringerem Maße als Hefen, Gase zur Teiglockerung entwickeln. Derzeit werden Milchsäurebakterien in 15 Gattungen unterteilt. Die Gattung mit den meisten Vertretern dieser Mikroorganismen hat den Namen Lactobacillus, der der Art vorangestellt wird. Neuere Forschungsmethoden, insbesondere das Auslesen von Genomsequenzen, erlauben heute einen anderen Zugang zur Klassifizierung dieser artenreichen sowie physiologisch (= Stoffwechsel-, Wachstums- und Fortpflanzungsanalogien betrachtend) und phylogenetisch (= Verwandtschaftsverhältnisse betrachtend) vielfältigen Bakteriengruppe. Und es ist zu erwarten, dass sich in den nächsten Jahren da noch einiges tun wird. Daher ist das Studium bestehender Literatur schwierig. Häufiger wurden Umklassifizierungen vorgenommen und Bakterienarten mal der einen, mal der anderen Gattung zugeordnet. Oft liest man auch, es wäre Essigsäurebakterien im Sauerteig enthalten, die dem Biologen als Acetobacter bekannt sind. Dies ist so nicht richtig. Vielmehr handelt es sich bei den angeblichen Essigsäurebakterien ebenfalls um Milchsäurebakterien, die unter bestimmten Voraussetzungen auch Essigsäure bilden können (Gegen den Essigsäureirrtum). Man sollte sie daher korrekterweise als essigsäurebildende Milchsäurebakterien bezeichnen. Aber das ist natürlich ganz schön Tipparbeit und deshalb wird es wohl oft falsch geschrieben.

Aber woher kommen die Milchsäurebakterien? Bakterien befinden sich überall. Auch auf dem Korn bzw. dann im bzw. auf dem Mehl. Durch Wasser werden sie aktiviert und beginnen sich zu vermehren. Auch in ganz normaler Backhefe sind Milchsäurebakterien vorhanden. Also selbst wenn wir einen simplen Hefeteig machen, sind im Teig Milchsäurebakterien enthalten.

Lactobacillus Brevi, der meist in Sauerteig zu finden ist.

Lactobacillus brevi, der meist in Sauerteig zu finden ist.

Das Aussehen der Milchsäurebakterien ist ebenfalls nicht einheitlich. Man findet kugelförmige (Kokken), die sich einzeln oder in Gruppen länglich (Staphylokokken) oder in Häufchen (Streptokokken) anordnen. Aber es gibt ebenso stäbchenförmige oder ovale Milchsäurebakterien.

Die in Sauerteig vorkommenden Milchsäurebakterien sind ebenfalls fakultativ anaerob, können also mit und ohne Sauerstoff existieren. Man findet in Sauerteigen verschiedene Arten von Milchsäurebakterien, die alle dem Stamm Lactobacillus angehören. Zum Beispiel den im Speichel vorkommende Lactobacillus plantarum oder auch Lactobacillus brevi, ein stäbchenförmiges Bakterium, das auch im Darm und auf Schleimhäuten des Menschen zu finden ist, Lactobacillus fermentum findet sich im menschlichen Verdauungstrakt und übersteht sogar das stark saure Milieu des Magens. Auch hat es eine natürliche Resistenz gegenüber Antibiotika und ist damit „ein richtig harter Hund“.

Welche Bakterien in einem Sauerteig zu finden sind hängt maßgeblich vom Vorteig ab. Meist finden sich viele verschiedene Arten auf dem Korn und damit auch im Mehl. Durch Temperatur, Zeit und Zutaten kann man es einigen Arten leichter und anderen schwerer machen.

Um den Herstellungsprozess besser zu verstehen müssen wir uns noch weiter in die Chemie und Klassifizierung der Bakterien vertiefen. Man teilt allgemein alle Bakterien einmal nach Temperaturverträglichkeit ein (psychrophile, stabil bei -20 – 0°C, mesophile, stabil bei 5 – 45°C und thermophile, die auch über 55°C beständig sind). Bei den in einem Sauerteig vorliegenden Milchsäurebakterien handelt es sich also um mesophile Bakterienstämme, die beim Backprozess absterben. Weiterhin ist aber noch folgendes wichtig:

Einteilung der Milchsäurebakterien nach Abbauprodukten

Milchsäurebakterien können zudem nach ihren Abbauprodukten klassifiziert werden. Im Fall der Milchsäurebakterien sind das homo- und heterofermentative Stämme. Wobei es solche gibt, die ausschließlich Milchsäure bilden (obligat homoferm.), solche die wahlweise Milch- oder Essigsäure bilden (fakultativ heteroferm.) und jene die immer Milch- und Essigsäure bilden (obligat heteroferm.). Wichtigstes Merkmal ist, dass homofermentative Bakterien lediglich Milchsäure bilden. Daher auch der Name homo (= gleich), weil alle Abbauprodukte identisch sind. Den heterofermentativen Stämmen fehlt ein Enzym, die Aldolase.

Bakterien Artikel Diese ist für die vollständige Glykolyse nötig. Daher bilden diese Bakterien nicht nur Milchsäure, bzw. das Anion Lactat sondern auch Essigsäure (Acetat-H) und Alkohol (Ethanol). Zur besseren Übersicht hier mal eine Tabelle.

heterofermentativ

besitzen keine Aldolase

homofermentativ

besitzen Enzym Aldolase

GlucoseMilchsäure + Ethanol + CO2
GlucoseMilchsäure + Essigsäure
GlucoseMilchsäure
1 ATP pro Molekül Glucose 2 ATP pro Molekül Glucose

Fermentieren? Enzym? Glykolyse? Hääää? Fermentieren ist ein alter lateinischer Ausdruck für gärend machen und das Substantiv bedeutet wörtlich genommen Quellendes, (Auf)wallendes. Als man herausfand, dass für diesen Gärungsprozess in den Mikroorganismen Stoffe verantwortlich sind, die zwar für die Reaktion unabdingbar sind, durch sie aber nicht verbraucht werden, kreierte Wilhelm Friedrich Kühne Ende des 19. Jhd. für dieses Substanzklasse biologischer Reaktionen das griechische Kunstwort Enzym, das nichts anderes bedeutet als „in der Hefe“ oder „im Sauerteig“ und damit ein Synonym des lateinischen Fermentum ist. Fermentationsprozesse sind daher ganz allgemein enzymatische Prozesse (von Mikroorganismen) und spielen bei der Herstellung vieler Lebensmittel eine Rolle.

Stärke besteht aus langen aneinander gereihten und verzweigten Zuckermolekülen. Diese werden von Enzymen, meist sind es Amylasen, in ihre Einzelbestandteile zerlegt. Diese Zersetzung von Stärke nennt man Glykolyse. Bakterien wie auch Hefen enthalten solche Enzyme zur Verdauung von Stärke. Sie benötigen die daraus gewonnene Energie für ihren eigenen Stoffwechsel, den sogenannten Glucosestoffwechsel. Auch der Mensch besitzt zur Verdauung von Stärke und anderen Polysacchariden solche Enzyme im gesamten Verdauungstrakt.

Auch Bakterien bilden Kohlendioxid zur Teiglockerung. Allerdings in wesentlich geringeren Mengen. Hefen bilden je nach Bedingungen aus einem Molekül Glucose 2 oder 6 Kohlendioxidmoleküle, Bakterien lediglich eines und das auch nur, wenn es heterofermentative Bakterien sind. Warum also sind diese Milchsäurebakterien so wichtig, welche Funktion haben sie?

Es muss sein: Kurzer Exkurs zum pH-Wert

Eventuell erinnert sich der ein oder andere noch dunkel an den Chemieunterricht: pH-Werte schwacher Säuren und Dissoziationsgleichgewicht. Na, schnackelt’s? Nein? Macht nichts. Ich erkläre es kurz.

Die im Sauerteig entstehenden Säuren sind schwache Säuren. Das heißt, sie dissoziieren (=zerfallen) nicht vollständig, sondern es bildet sich ein Gleichgewicht. Wird eine der Komponenten der Reaktionsgleichung entfernt, wird sie nachgebildet, bis das Gleichgewicht wieder erreicht ist. Dabei kann die Reaktion sowohl vorwärts, wie auch rückwärts ablaufen.

Säureanion-H + Wasser ⇋ Säureanion + Wasser-H

oder um es vollkommen chemisch zu machen:

Milchsäure + H2O ⇋ Lactat- + H3O+

Lactat ist das Anion der Milchsäure, also Milchsäure minus ein Wasserstoffion. Bilden die Bakterien vermehrt Milchsäure und Essigsäure, verschiebt sich das Gleichgewicht immer mehr auf die rechte Seite, der pH-Wert sinkt und der Teig wird saurer, weil sich mehr H3O+-Ionen bilden. Dies geschieht so lange, bis ein bestimmter pH-Wert erreicht ist. Der pH-Wert ist proportional zur Konzentration der H3O+-Ionen. Na ja, fast proportional, es ist eine logarithmische Funktion, aber das soll Laien nun nicht weiter stören. Wir merken uns einfach die logische Kette:

Mehr gebildete Säure ⇒ mehr H3O+-Ionen ⇒ geringerer pH-Wert ⇒ Teig ist stärker sauer

Warum ist die Säure wichtig?

  1. Feuchtigkeit: Würde keine Feuchtigkeit im Brot sein, hätten wir nach dem Backen eine staubtrockene Masse. Ähnlich einem Keks. Dass die Feuchtigkeit im Brot bleibt und beim Backen nicht entweicht, liegt maßgeblich an der Säure im Teig. Sie sorgt dafür, dass das Kohlenhydratgerüst im Teig Wasser aufnehmen kann und dieses auch während des Backens kaum abgibt.
  2. Teigfestigkeit: Insbesondere bei Roggen ist dies wichtig, da diese Getreideart weniger Klebeiweiß (Gluten) enthält als Weizen, dafür aber schleimbildende Polysaccharide, sogenannte Pentosane. Pentosane nehmen 3-4 mal mehr Wasser auf als Gluten. Beim Backen werden sie abgebaut und geben das gespeicherte Wasser wieder ab. Bei zu geringer Säuerung fällt das Teiggerüst deshalb beim Backen in sich zusammen und das Brot wird matschig. Die Säure hemmt die mehleigenen Enzyme etwas, die während des Backvorgangs das Teiggerüst abbauen, so dass diese Pentosane das Wasser besser halten können. Letztlich ist dies auch der Grund, warum uns Roggenbrote so saftig vorkommen: weil sie mehr gebundenes Wasser enthalten.
  3. Haltbarkeit: Durch die Säuerung des Teiges werden andere das Brot verderbende Mikroorganismen in ihrer Aktivität und Vermehrung gehemmt. Während Milchsäurebakterien noch bei pH-Werten von unter 4 existieren können, fällt dies vielen anderen Keimen schwer, in solch stark saurem Milieu zu bestehen und sie sterben daher ab. Ein Teig und auch ein Brot das weniger Keime enthält, verdirbt natürlich auch nicht so schnell. Die Säure verhindert z.B. das Wachstum von Schimmelpilzen. Gerade deshalb kann man einen Sauerteig so lange an der Luft stehen lassen ohne dass er schimmelt oder verdirbt. Trotzdem sollte man beim Backen aber auf Hygiene achten, denn auch Milchsäurebakterien haben ihre Grenzen.
  4. Geschmack: Die Säure schmeckt man natürlich. Milchsäure wird in einem Teig am besten bei Temperaturen von 30-35°C gebildet, Essigsäure bei 20-25°C. Außerdem bilden Milchsäurebakterien auch weitere Geschmacksstoffe, die jedem Brot je nach Teigführung den einzigartigen Geschmack verleihen. „Entstehende Geschmacksstoffe in Sauerteig sind Oligopeptide und Aminosäuren, Aromakomponenten sind Säuren, Alkohole, Esther“ (Quelle).
  5. Nährstoffgehalt: In den Randschichten des Roggenkorns ist viel Phytinsäure enthalten. Diese komplexiert viele Mineralstoffe und hindert die Verdauungsenzyme des Menschen, diese Mineralstoffe aufzunehmen. Das Enzym Phytase spaltet diese Mineralstoffkomplexe. Es benötigt für seine Arbeit aber drei Bedingungen: Ein saures Milieu, ausreichend Wasser und Zeit. Die säurebildenden Bakterien sorgen also dafür, dass die Nährstoffe des Getreides besser aufgenommen werden können.

Übersäuerung

Und weil es ja nicht einfach geht gibt es nicht nur ein zu wenig, sondern auch ein Zuviel an Säure für ein Brot. Diesen Effekt nennt der Fachmensch Übersäuerung. Sie entsteht, wenn sich zu viel Essigsäure bildet. Übersäuerung heißt nicht, dass sich mehr Essig- als Milchsäure im Teig befindet. Die Essigsäure ist als flüchtige Substanz nur in kleineren Konzentrationen wahrnehmbar. Mengenmäßig überlegen ist aber trotz allem die Milchsäure (je nach Teigführung ca. 4-9 mal mehr). Davon abgesehen, dass das Brot aus einem solchen Teig stark sauer riecht und schmeckt, kann dies zu senkrechten Rissen in der Krume (so nennt der Bäcker das Innere des gebackenen Brotes) führen, sowie zu kleinen Poren und damit geringer Teiglockerung. Auch ein gewölbter Boden kann ein Indiz dafür sein. Bei übersäuerten Teigen kann die Kruste zu stark bräunen. Ein Brot aus einem übersäuerten Sauerteig bildet beim Schneiden außerdem viele feuchte Krumenröllchen.

Zu viele Essigsäure bildet sich eher bei zu kalt geführten Sauerteigen, bei zu langen Gehzeiten zwischen den Stufen oder wenn der Ansatz zu alt ist. Hat man ein Mehl mit starker Enzymaktivität, so sollte man deshalb den Starter öfter füttern, um Übersäuerung zu vermeiden. Manchmal passiert dies auch, wenn die Ansätze zu gering sind. In einer Bäckerei mit 10kg-Chargen an Sauerteigansatz passiert das für gewöhnlich nicht. Aber beim Backen für den Hausgebrauch kommt es gelegentlich vor, dass der Starter übersäuert.

Sollte einem ein starker Essiggeruch bei einem Grundsauer auffallen, so ist es meist besser, den Ansatz zu verwerfen und nochmal von vorne zu beginnen.

Salzgehalt

Die unterschiedlichen Bakterienstämme vertragen unterschiedliche Konzentrationen an Salz. Daher spielt die Wasserhärte des verwendeten Wassers eine wichtige Rolle dabei, welche Bakterien in einem Sauerteig optimale Bedingungen vorfinden und sich am besten vermehren. Je nachdem welche Bakterienstämme stärker wachsen, bilden sich auch andere Aromastoffe. Generell ist die Aktivität der Mikroorganismen bei härterem Wasser besser als bei weichem Wasser.

Beeinflussung der Bakterienzusammensetzung und -produktion

Die unterschiedlichen Bakterienstämme finden bei verschiedenen Temperaturen und Wasser- und Salzgehalten optimale Bedingungen. Daher ist es wichtig, wann welche Temperaturen im Teig herrschen, wie feucht der Teig zu dieser Zeit ist und welche Salzkonzentrationen herrschen. Auch welche Sauerstoffkonzentration in einem Teig anzutreffen ist, maßgeblich durch den Knetprozess in den Teig gebracht, kann das Wachstum verschiedener Mikroorganismen unterschiedlich beeinflussen. Je nach Temperatur, Wassergehalt, Salzkonzentration, Führung und Gehzeiten sowie  Teigbehandlung findet man andere pH-Werte. Bei einer dreistufigen Teigführung verändert man bei jeder Stufe Wassergehalt und Temperatur, so dass in verschiedenen Phasen der Herstellung verschiedene Mikroorganismen wachsen können. Auch der pH-Wert ändert sich, sowohl von Stufe zu Stufe wie auch während einer Stufe, was ebenfalls einen Einfluss auf die Zusammensetzung der Teig-Mikroflora hat. Dies im Einzelnen zu beschreiben ist quasi unmöglich. Ein einziges kleines und vielleicht als unwichtig erachtetes Detail zu verändern kann ein ganz anderes Brot herausbringen. Und so bleibt es jedes Mal eine Überraschung, was dabei herauskommt.

Ist der Starter z.B. feuchter und wärmer lässt es Bakterien besser wachsen. Außerdem wird mehr Milchsäure gebildet. Ein kälter geführter und trockenerer Grundsauer enthält mehr Essigsäure. Ich merke z.B. dass mein Anstellgut meist stark nach Essig riecht, weil es in meinem Kühlschrank kalt ist. Der Grundsauer, also der aus Anstellgut und Mehl zubereitete erste Sauerteig, riecht nach ein paar Stunden aber nicht nach Essig sondern eher fruchtig und milchig-sauer, eben wie vergorene Milchprodukte.

Wie fein das Zusammenspiel von Bakterien und Hefen sein kann zeigt die Geschichte des San Francisco Sauerteigs, der gerühmt wurde für seine milden aromatischen Brote. Ursprünglich dachte man, es läge am Ort der Herstellung. Bis Wissenschaftler herausfanden, dass das Bakterium Lactobacillus sanfranciscensis (nach diesem Sauerteig benannt) und die Wildhefe Candida milleri eine perfekte Kombination eingegangen waren, indem sie sich das Zuckerangebot teilten.
Hefen verdauen viele verschiedene Zucker, nicht nur einfache Glucose. Unter anderem auch Maltose. Maltose ist ein sogenanntes Disaccharid und besteht aus 2 Glucose-Einheiten. Beim Stärkeabbau wird von den Amylasen nicht immer Stück für Stück von der Stärkekette „abgebissen“, sondern es entstehen auch größere Teilstücke. Ein solches ist die Maltose. Was ungewöhnlich für eine Hefe ist: Candida milleri akzeptiert hohe Salzgehalte und lässt die Maltose links liegen. Und genau von dieser Maltose ernährt sich das Lactocillus sanfranciscensis am liebsten. Und da jeder Bakterienstamm andere Aromakombinationen hervorbringt, war dieser Sauerteig eben besonders aromatisch. Dafür benötigt diese Kultur aber alle 24h eine Auffrischung und Temperaturen von 25 – 30°C.

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Die meisten Informationen zu diesem Artikel habe ich aus:
Brandt, Gänzle [Hrsg.]: Handbuch Sauerteig, 6. überarb. Aufl., 2006, Hamburg: Behr’s
Suas, Suas: Advanced Bread an Pastry, 2008, Clifton Park, NY: Thomson Delmar Learning
Geißler: Das Brotbackbuch, 2013, Stuttgart: Ulmer

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4 Gedanken zu „Chemie des Backens: Kleine Helferlein – Bakterien

  1. Chapeau!!! Ich bin sehr beeindruckt, wie tief Du Dich eingelesen hast! Freuen tue ich mich über die Erklärungen, WARUM etwas manchmal so ist (Brotteigeöllchen). Dass die KRUME das INNERE des Brotes ist, ist mir auch neu, dachte immer, es wär die Kruste!! Du siehst, Du hast aus mir einen klügeren Menschen gemacht und ich werde Deine Hefeposts sicher oft in meinen Kursen weiterempfehlen! Danke!!

    • *schamvoll erröte* Oh, welche Ehre. Ich bin ganz gerührt. Auch ich habe während des Selbststudiums einiges gelernt. Mir fällt es immer leichter etwas zu tun, wenn ich weiß WARUM ich es mache und die Folgen kenne, wenn ich es nicht mache.

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