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Doctoral Thesis
2023

Production of CO₂ gas hydrates with its application in wheat bread making process

Institute of Food Science and Biotechnology

Abstract (English)

The basic requirements necessary for gas hydrate (GH) formation are low temperature, high pressure, the presence of guest molecules, and the desired amounts of water molecules. The most common guest molecules used for the GH are ethane, methane, butane, propane, nitrogen, and carbon dioxide. Hydrate based technological applications almost always require rapid hydrate formation along with high gas uptake to be economically viable. One possible approach to achieving the same is the introduction of particular additives into the system. These additives are known as hydrate promoters. In recent times, amino acids have emerged as a highly effective class of promoters, and unlike surfactants, they promise a clean mode of kinetic action, i.e., no foam formation. Hence, the first part of the thesis dealt with the optimisation of GH formation with the application of amino acid promoters. The optimisation of the GH production was performed with different combinations of promoter ingredients namely cysteine, valine, leucine, and methionine. The amino acids leucine and methionine gave some positive results with the application of promoters for the production of GH therefore, these two amino acids were carried further for the experimentation purpose in the production of GH. Also, a combinational use of these amino acids (leucine and methionine) was studied to investigate the effect on percentage CO₂ retention in comparison to the normal water GH. The conventional baker’s yeast, Saccharomyces cerevisiae, remains the popular leavening agent in the bread baking industry. Carbon dioxide required for the rising of dough is produced by the metabolism of yeast with the consumption of sugars in the dough, which is a time and energy-consuming process. This research attempts to utilize carbon dioxide gas hydrate as a leavening agent in bread. Despite plentiful experiments on CO₂ gas hydrates in other fields, there is still an urge to carry out more analysis to elucidate various applications of GH in baking and positively validate its sustainability. The temperature stability of GH is important while baking due to the exposure to high temperatures during the various steps involved. In order to effectively use CO₂ GH as a leavening agent in the baking industry, a concise evaluation of the formation of CO₂ GH and its gas containment capacity should be adequately analysed and documented. Also, the effect of CO₂ GH properties by the addition of promoters should be taken into consideration as baking involves higher temperatures, and stabilising the GH at higher temperatures is an important criterion in the context of baking different products. Hence, the effect of a higher temperature of 90 ℃; on the CO₂ gas entrapment of the produced GH with promoters was studied. It was observed that the stability of GH decreases with an increase in temperature, but the addition of promoters, especially leucine + methionine + lecithin increased the CO₂ uptake during GH formation. Another part of the thesis was the application of GH in the baking bread with/without promoters and the study of physio chemical properties of bread. By varying the percentage of gas hydrates from 10-60 %, analysis of the performance of CO₂ GH as a leavening agent during baking was done. The effectiveness of GH bread was evaluated by comparing its characteristics to those of standard bread made with yeast. Also, a comparative evaluation was made for bread with and without promoters GH as leavening agents in terms of different physio chemical characteristics of the bread, such as moisture analysis, volume analysis, pore analysis, texture profile analysis, and baking loss. The results show that the bread with 20 % and 40 % GH obtained the best results in terms of volume and pore size. The next part of the thesis dealt with a comparative analysis of the partial replacement of yeast with CO₂ GH as leavening agents in bread baking. By partially eliminating the yeast, variations of bread dough were produced by the addition of GH in different percentages (20-70 %). The effectiveness of GH on bread manufacture was evaluated by comparing its characteristics to that of standard bread made with yeast. Once the bread was baked, the texture profile, volume, moisture content, and pore size were recorded to compare the leavening effect of GH with the standard recipe when partial addition of yeast was done. The best results combinations with respect to specific volume, pore analysis and hardness were obtained with 70 % GH + 50 % yeast and 70 % GH + 75 % yeast, respectively. As the final part of the thesis, the influence of additives on wheat bread baked with promoter induced CO₂ GH as leavening agents was studied. The additives used for the study were ascorbic acid (AC), egg white (EW), and rice flour (RF). These additives were added to the GH bread containing different amounts of GH (40, 60, and 70 % GH). Also, a combination of these additives in a wheat GH bread recipe was studied for each respective percentage of GH. Based on the results of the study, it was found that 70 % GH+ AC+EW+RF wheat bread was found to be the best in terms of textural analysis, pore size analysis, and other physiochemical parameters. Therefore, this research study will help us in understanding the application of GH in the bread baking process with replacement of conventional baking agents such as yeast.

Abstract (German)

Die Grundvoraussetzungen für die Bildung von Gashydraten (GH) sind niedrige Temperaturen, hoher Druck, das Vorhandensein von Gastmolekülen und die gewünschten Mengen an Wassermolekülen. Technologische Anwendungen auf Hydratbasis erfordern fast immer eine schnelle Hydratbildung zusammen mit einer hohen Gasaufnahme, um wirtschaftlich rentabel zu sein. Ein möglicher Ansatz, um dies zu erreichen, ist die Zugabe von bestimmten Additiven in das System. Diese Zusätze werden als Hydratpromotoren bezeichnet. In jüngster Zeit haben sich Aminosäuren als eine hochwirksame Klasse von Promotoren herauskristallisiert, und im Gegensatz zu Tensiden garantieren sie eine unproblematische Wirkungsweise, d. h. keine Schaumbildung. Daher befasste sich der erste Teil der Arbeit mit der Optimierung der GH-Bildung durch den Einsatz von Aminosäurepromotoren. Die Optimierung der GH-Produktion wurde mit verschiedenen Kombinationen von Promotorbestandteilen durchgeführt, nämlich Cystein, Valin, Leucin und Methionin. Die Aminosäuren Leucin oder Methionin erbrachten positive Ergebnisse bei der Anwendung von Promotoren für die GH-Produktion, weshalb diese beiden Aminosäuren zu Versuchszwecken bei der GH-Produktion weiter verwendet wurden. Außerdem wurde eine kombinierte Verwendung dieser Aminosäuren (Leucin und Methionin) untersucht, um die Auswirkungen auf die prozentuale CO₂ Retention im Vergleich zu normalem Wasser-GH zu untersuchen. Die herkömmliche Bäckerhefe, Saccharomyces cerevisiae, ist nach wie vor das beliebteste Backtriebmittel in der Brotbackindustrie. Das für das Aufgehen des Teigs erforderliche Kohlendioxid wird durch den Stoffwechsel der Hefe unter Verbrauch des Zuckers im Teig erzeugt, was ein zeit- und energieaufwändiger Prozess ist. In dieser Forschungsarbeit wird versucht, Kohlendioxid Gashydrat als Treibmittel in Brot zu verwenden. Trotz zahlreicher Experimente mit CO₂ Gashydraten in anderen Bereichen besteht nach wie vor der Wunsch, mehr experimente durchzuführen, um die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten von GH beim Backen zu erforschen und seine Nachhaltigkeit positiv zu bewerten. Die Temperaturstabilität von GH ist beim Backen wichtig, da es während der verschiedenen Schritte hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Um CO₂-GH effektiv als Backtriebmittel in der Backindustrie einsetzen zu können, sollte die Bildung von CO₂-GH und dessen Gaseinschlusskapazität genau analysiert und dokumentiert werden. Außerdem sollte die Auswirkung des Zusatzes von Promotoren auf die Eigenschaften von CO₂-GH berücksichtigt werden, da beim Backen höhere Temperaturen herrschen und die Stabilisierung des GH bei höheren Temperaturen ein wichtiges Kriterium im Zusammenhang mit dem Backen verschiedener Produkte ist. Daher wurde die Auswirkung einer höheren Temperatur von 90 ℃; auf den CO₂-Gaseinschluss des mit Promotoren hergestellten GH untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Stabilität von GH mit steigender Temperatur abnimmt, aber der Zusatz von Promotoren, insbesondere leucin + methionin + lecithin, erhöhte die CO₂-Aufnahme während der GH-Bildung. Ein weiterer Teil der Arbeit war die Anwendung von GH beim Backen von Brot mit/ohne Promotoren und die Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Brot. Durch Variation des Gashydratanteils von 10-60 % wurde die Leistung von CO₂-GH als Treibmittel beim Backen analysiert. Die Wirksamkeit von GH-Brot wurde durch den Vergleich seiner Eigenschaften mit denen von mit Hefe hergestelltem Standardbrot bewertet. Außerdem wurde eine vergleichende Bewertung für Brote mit und ohne GH- Promotoren als Triebmittel in Bezug auf verschiedene physikalisch-chemische Eigenschaften des Brotes vorgenommen, wie z. B. Feuchtigkeitsanalyse, Volumenanalyse, Porenanalyse, Texturprofilanalyse und Backverlust. Die Ergebnisse zeigen, dass die Brote mit 20 % und 40 % GH die besten Ergebnisse in Bezug auf Volumen und Porengröße erzielten. Der nächste Teil der Arbeit befasste sich mit einer vergleichenden Analyse des teilweisen Ersatzes von Hefe durch CO₂ GH als Backtriebmittel beim Brotbacken. Durch den teilweisen Verzicht auf Hefe wurden Variationen von Brotteigen durch die Zugabe von GH in verschiedenen Prozentsätzen (20-70 %) hergestellt. Die Wirksamkeit von GH bei der Brotherstellung wurde durch den Vergleich seiner Eigenschaften mit denen eines mit Hefe gebackenen Standardbrotes bewertet. Nach dem Backen des Brotes wurden das Texturprofil, das Volumen, der Feuchtigkeitsgehalt und die Porengröße aufgezeichnet, um die säuernde Wirkung von GH mit dem Standardrezept bei teilweiser Zugabe von Hefe zu vergleichen. Die besten Ergebnisse in Bezug auf das spezifische Volumen, die Porenanalyse und die Härte wurden mit 70 % GH + 50 % Hefe bzw. 70 % GH + 75 % Hefe erzielt. Im letzten Teil der Arbeit wurde der Einfluss von Zusatzstoffen auf Weizenbrot untersucht, das mit promotorinduzierten CO₂ GH als Triebmittel gebacken wurde. Die für die Studie verwendeten Zusatzstoffe waren Ascorbinsäure, Eiklar und Reismehl. Diese Zusatzstoffe wurden dem GH-Brot mit unterschiedlichen Mengen an GH (40, 60 und 70 % GH) zugesetzt. Außerdem wurde eine Kombination dieser Zusatzstoffe in einem Weizen-GH-Brot-Rezept für den jeweiligen GH-Anteil untersucht. Die Ergebnisse der Studie ergaben, dass 70 % GH+AC+EW+RF Weizenbrot die besten Ergebnisse in Bezug auf Texturanalyse, Porengrößenanalyse und andere physiochemische Parameter aufwies. Daher wird uns diese Forschungsstudie helfen, die Anwendung von GH im Brotbackprozess zu verstehen, indem sie herkömmliche Backmittel wie Hefe ersetzt.

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Institute of Food Science and Biotechnology

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2023-04-12

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English

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Classification (DDC)
570 Biology

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BibTeX

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