Substrate specificities of baking lipases for use in fine bakery goods

Lipasen werden seit Jahrzehnten als clean-label Alternativen für herkömmliche Emulgatoren zur Verbesserung der Backeigenschaften von Brot eingesetzt. Für Feine Backwaren gibt es jedoch bisher nur wenige Anwendungen. Bei der Reaktion von Lipasen mit Butter, einem üblicherweise in Feinen Backwaren eingesetzten Fett, werden geruchsintensive kurzkettige Fettsäuren freigesetzt. Um deren Freisetzung und damit die Bildung von ranzigen Fehlaromen zu begrenzen, werden Lipasen mit geeigneten Fettsäuresubstratspezifitäten benötigt. Dazu wurden 17 Lipasen mithilfe des p-Nitrophenyl-Assays auf die Fettsäuren hin untersucht, die sie bevorzugt freisetzen. Das aus dem Assay resultierende, breite Spektrum an Fettsäuresubstratspezifitäten konnte bei der Reaktion mit Backfetten in neu entwickelten Modellemulsionen jedoch nicht bestätigt werden. Stattdessen war die Struktur der Grenzfläche entscheidend für die Freisetzung von Fettsäuren. Sieben Lipasen wurden aufgrund ihrer Reaktionsmuster im p-Nitrophenyl-Assay und ergänzenden, sensorischen Experimenten mit den Modellemulsionen für weitere Versuche ausgewählt. Die Einsatzmöglichkeiten von Lipasen in Feinen Backwaren mit unterschiedlichen Rezepturen wurden am Beispiel eines eifreien Rührkuchens, eines traditionellen Sandkuchens und einer hefebasierten Brioche untersucht. Die Lipasen beeinflussten die Eigenschaften von Kuchenteigen und Backwaren. Das Ausmaß der Veränderung hing dabei sowohl von der Rezeptur, als auch von der Lipase ab. Enthielt die Rezeptur intrinsische, oberflächenaktive Moleküle wie polare Ei-Lipide in Sandkuchen, waren die Effekte der Lipasen schwächer als in der Rezeptur ohne Ei. In Brioche wurden nur geringe bis keine Verbesserungen der Backqualität erreicht. Die Unterschiede der Lipasen wurden auf ihre Reaktionsmuster zurückgeführt. Diese Hypothese unterschiedlicher Reaktionsmuster wurde durch Lipidomics-Analysen von Lipase-behandelten Teig- und Kuchenproben weiter untersucht. Dazu wurde eine Flüssigkeitschromatographie-Tandem-Massenspektrometrie Methode genutzt. Durch den Vergleich der Substratspezifitätsmuster der Lipasen mit den Ergebnissen zu ihren Auswirkungen auf die Backqualität wurden mögliche Schlüsselverbindungen für die Backqualität ermittelt. Bei Rührkuchen ist die Hydrolyse von Glyceroglycolipiden entscheidend, während in Sandkuchen Lysoglycerophospholipide mit Effekten auf die Textur in Verbindung gebracht wurden. In Brioche wurde die Reaktion der Lipasen nicht, wie ursprünglich vermutet, gehemmt, aber die Art der freigesetzten Lipide hatte keinen Einfluss auf die Backqualität. Zur Vorhersage der Eignung einer Lipase f ür den Einsatz in Feinen Backwaren wird ein Assay benötigt. Basierend auf den Ergebnissen der Lipidomics-Analysen ist die Substratspezifität von Lipasen entscheidend für ihre Wirkung. Daher wurde ein fluorimetrischer Assay entwickelt, um die Reaktion von Lipasen mit verschiedenen Substraten zu analysieren. Die mithilfe des Assays ermittelten Reaktionsmuster stimmten jedoch nicht mit den Reaktionsmustern aus Kuchen überein. Ähnlich wie bei den Ergebnissen für die Fettsäurensubstratspezifität war die Substratspezifität ebenfalls von der Verfügbarkeit von Substraten für die Reaktion abhängig. Diese Arbeit eröffnet neue Einblicke in die Reaktion von Lipasen und Mechanismen der (Fettsäuren)substratspezifität. Außerdem zeigte sie das Potenzial von Lipasen als Backhilfsmittel in Feinen Backwaren und ebnete den Weg für weitere zukünftige Anwendungen von Lipasen

Improvement of cake baking properties by lipases compared to a traditional emulsifier

Lipases are commonly used as clean-label improvers for bread. However, their potential use in cakes with different formulations remains unknown. The aim was to analyze the effects of seven baking lipases on three different cake formulations (an eggless cake, a pound cake with eggs and a yeast-based cake) in comparison to a traditional emulsifier. Product density, water loss during baking and product texture were assessed. If and to what extent the product quality was improved depended on both the lipase and the cake formulation. Lipase-induced effects mostly exceeded those of the emulsifier and were most pronounced in formulations without intrinsic emulsifiers like eggs. The lipases differed in their extent of improvement, hinting at the importance of their specific reactivity patterns and the resulting range of interactions with macromolecules. Further research is needed to unravel the mechanistic background of baking quality improvement in cakes

Comparative characterization of baking lipase substrate specificities using emulsions and the p-nitrophenyl assay

For use in cakes, lipases with suitable substrate specificity are needed to minimize the release of short-chain fatty acids that cause undesirable off-flavors. We analyzed the substrate specificities of 17 lipases using the p-nitrophenyl (PNP)-assay. These results were compared to the reactions of the lipases with the baking fats rapeseed oil, margarine and butter in a new model emulsion. The free fatty acids (FFA) released from this model emulsion were quantitated by gas chromatography. The broad spectrum of lipase specificities seen in the PNP-assay was not apparent in the patterns of FFA released from the model emulsions. There, all lipases released similar percentages of FFA depending on the fat and emulsifier used. The prediction of lipase reactions via the PNP-assay should therefore be critically reevaluated for real food systems such as cakes

Lipases as cake batter improvers compared to a traditional emulsifier

Lipases can act on the baking quality of cakes as clean-label improvers. Only little is known about their possible effects on the batter quality of cakes. Especially the importance of the cake formulation has not been studied before. We therefore aim to analyse the effects of seven baking lipases on three different cake formulations (an eggless basic cake, a pound cake and a yeast-based cake) in comparison to the emulsifier DATEM (mono- and diacetyl tartaric acid esters of mono- and diglycerides of fatty acids). The impact on batter density, stickiness and rheological properties was examined. Both the lipase and the cake formulation had an influence on the extent of batter improvement. The greatest lipase-induced effects occurred in the eggless cake, probably because no intrinsic emulsifiers were present. Lipase reactions seemed to be inhibited in the yeast-based cake. For basic cake and pound cake, three lipases decreased batter density (up to 3.7%) and stickiness (up to 42.7%) and caused a liquefaction of the batter. This leads to an eased machinability of lipase-treated batters for cake manufacturing and opens up many possibilities for application of lipases in cakes and other fine bakery goods

Lipidomic insights into the reaction of baking lipases in cakes

Lipases are promising improvers of cake batter and baking properties. Their suitability for use in various cake formulations cannot be predicted yet, because the reactions that lead to macroscopic effects need to be unravelled. Therefore, the lipidome of three different cake recipes with and without lipase treatment was assessed by ultra high performance liquid chromatography-mass spectrometry before and after baking. By comparing the reaction patterns of seven different lipases in the recipes with known effects on texture, we show that lipase substrate specificity impacts baking quality. Key reactions for the recipes were identified with the help of principal component analysis. In the eggless basic cake, glyceroglycolipids are causal for baking improvement. In pound cake, lysoglycerophospholipids were linked to textural effects. Lipase substrate specificity was shown to be dependent on the recipe. Further research is needed to understand how recipes can be adjusted to achieve optimal lipase substrate specificity for desirable batter and baking properties

Data_Sheet_1_Lipidomic insights into the reaction of baking lipases in cakes.PDF

Lipases are promising improvers of cake batter and baking properties. Their suitability for use in various cake formulations cannot be predicted yet, because the reactions that lead to macroscopic effects need to be unravelled. Therefore, the lipidome of three different cake recipes with and without lipase treatment was assessed by ultra high performance liquid chromatography-mass spectrometry before and after baking. By comparing the reaction patterns of seven different lipases in the recipes with known effects on texture, we show that lipase substrate specificity impacts baking quality. Key reactions for the recipes were identified with the help of principal component analysis. In the eggless basic cake, glyceroglycolipids are causal for baking improvement. In pound cake, lysoglycerophospholipids were linked to textural effects. Lipase substrate specificity was shown to be dependent on the recipe. Further research is needed to understand how recipes can be adjusted to achieve optimal lipase substrate specificity for desirable batter and baking properties.</p