cc_by-nc-ndJekle, MarioŚwiacka, Jagoda2026-01-162026-01-162025https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/1874210.60848/13671Bread is a product made from cereals and/or cereal-based ingredients, which are combined with water or other water-containing liquids. Also, additional ingredients such as oilseeds, legumes, potato products, dairy products, spices, and vegetables may be incorporated into the dough. Products containing these ingredients can be referred to as special bakery products. However, the use of these additional ingredients has been raising food-safety concerns, particularly because of the possibly elevated levels of acrylamide detected in the final products. Acrylamide is a process contaminant, considered undesirable due to its potential carcinogenicity and is currently subject to various European food safety regulations. However, the acrylamide mitigation strategies defined so far for standard bakery products do not appear to be sufficiently effective for special bakery products. This is presumably due to the high levels of precursor molecules and the varying quality of the special ingredients. As a result, there are large variations in the levels of precursors, namely reducing sugars and asparagine in the dough, which consequently lead to unpredictably elevated acrylamide contamination. To address these problems and to gain a deeper understanding of acrylamide formation in special bakery products, further investigation is essential. Therefore, this thesis aimed to identify specific acrylamide precursors, to analyze acrylamide levels, and to assess the effectiveness of hydration-based approaches as mitigation measures for special bakery products. Mitigation was to be achieved either by eliminating the precursors or by adjusting processing conditions. After a theoretical introduction in Chapter I, a systematic investigation of two special ingredients, with a focus on their specific acrylamide precursors, was presented in Chapter II and Chapter III. Particular attention was drawn to potato flakes, known for their high asparagine content, and carrot strips, awaited to be high in reducing sugars. The effects of these ingredients in combination with varying water additions as hydration approach, were investigated using a model dough recipe. The model dough consisted of wheat flour type 550, water, NaCl, yeast and selected special ingredients. After baking, both bread crust and crumb were analyzed for acrylamide and in parallel, baking qualities of these bakery products were evaluated. Considering acrylamide contamination, increased water addition showed highly raw material-specific effects. In high-asparagine doughs, higher dough water addition tended even to increase acrylamide formation, presumably due to enhanced mobility of precursors. Interestingly, for the carrot-based doughs, the polyphenols emerged as a potential factor significantly reducing acrylamide formation at higher water additions, highlighting their relevance for future mitigation strategies. Due to the significant differences in the qualities of available carrot strips, shown in Chapter III, Chapter IV described the effects of origin, processing and drying methods on different quality features of dried carrot strips. For that, three carrot varieties were purchased and processed. Processing steps included blanching and drying methods, such as hot-air drying, vacuum drying, or freeze-drying. The impact of each processing method on quality of carrot strips, their acrylamide-forming potential, and the resulting acrylamide levels in model bakery products was analyzed. Blanching in particular, significantly reduced the acrylamide formation potential of the carrot strips. Freeze-drying consistently resulted in the highest concentrations of sugars, free asparagine, and β‑carotene for all carrot varieties, whereas the retainment of these compounds was inconsistent with other drying methods. Asparagine levels during storage were shown to fluctuate, with an initial increase and a following decrease, underlining the importance of timed processing to warrant constant product quality. Overall, the potential of carrot strips for acrylamide formation depended mostly on their variety and storage conditions, which determined primarily their precursor profile. To investigate a variety-unspecific acrylamide mitigation strategy, soaking was evaluated in Chapter V as an approach for products with dried carrot strips. Additionally, ultrasound-assisted rehydration was investigated as a method to enhance the diffusion of carrot matrix constituents. Regular soaking was compared with ultrasound-assisted rehydration (ultrasonic bath or sonotrode) regarding rehydration rate and leaching of sugars from the carrot strips. The kinetics of rehydration and diffusion were modelled using the ExpAssoc and the Peleg equations. Rehydrated carrot strips were then implemented in model breads and acrylamide concentration in the crust along with baking qualities were analyzed. Overall, longer rehydration led to higher water retention in the carrot strips and increased leaching of sugars and polyphenols. Both ultrasound-assisted rehydration and regular soaking led to reduced acrylamide levels in model breads up to 75%. Summarizing, this thesis systematically examined the addition of potato flakes and carrot strips to bakery products, identifying their critical acrylamide precursors, expected acrylamide levels, and characteristic changes in bread quality. It proved that rehydration is an effective acrylamide mitigation strategy for special bakery products, primarily by promoting precursor leaching and influencing reaction conditions. Overall, this thesis provides guidance on the target raw material qualities and presents (easy-to-apply) mitigation approaches for various manufacturers.Brot ist ein Lebensmittel aus Getreide und/oder getreidebasierten Zutaten, die mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten kombiniert werden. Auch weitere Zutaten, wie Ölsaaten, Hülsenfrüchte, Kartoffelprodukte, Milchprodukte, Gewürze und Gemüse können in den Teig eingearbeitet werden. Diese daraus entstehenden Backwaren werden als Spezialbackwaren bezeichnet. Die Verwendung dieser Zutaten wirft jedoch etwaige Bedenken hinsichtlich der Lebensmittelsicherheit auf, insbesondere aufgrund der möglicherweise erhöhten Acrylamidgehalte in den Endprodukten. Acrylamid ist eine Prozesskontaminante, die aufgrund ihrer potenziellen kanzerogenen Wirkung unerwünscht ist und aus diesem Grund heutzutage europäischen lebensmittelrechtlichen Regelungen unterliegt. Allerdings sind die bislang für Standardbackwaren definierten Maßnahmen zur Acrylamidminimierung bei Spezialbackwaren nicht hinreichend wirksam. Dies ist vermutlich auf den hohen Anteil an Acrylamidvorstufen, wie reduzierende Zucker und die Aminosäure Asparagin, als auch auf die schwankende Qualität der Spezialzutaten zurückzuführen. Infolgedessen sind große Unterschiede in den Konzentrationen an Acrylamidvorstufen in den Spezialzutaten zu verzeichnen, was wiederum zu unvorhersehbar erhöhten Acrylamidgehalten in den Spezialbackwaren führt. Um diese Problematik zu adressieren und ein grundlegendes Verständnis der Acrylamidbildung in Spezialbackwaren zu gewinnen, sind weitere Untersuchungen somit unerlässlich. Demnach war das Ziel dieser Arbeit, spezifische Acrylamidvorstufen zu identifizieren, Acrylamidgehalte zu analysieren und die Wirksamkeit hydratationsbasierter Ansätze als Minimierungsmaßnahmen für Spezialbackwaren zu untersuchen. Die Minimierung sollte dabei entweder durch Eliminierung der relevanten Vorstufen oder durch Anpassung der Verarbeitungsschritte erreicht werden. Nach einer theoretischen Einführung in Chapter I wurde in Chapter II und Chapter III eine systematische Untersuchung zweier Spezialzutaten präsentiert, mit dem Fokus auf deren spezifischen Acrylamidvorstufen. Ausgewählt wurden Kartoffelflocken, die für ihren hohen Asparagingehalt bekannt sind, sowie Karottenstreifen, bei denen ein hoher Gehalt an reduzierenden Zuckern erwartet wurde. Die Auswirkung dieser Spezialzutaten, in Kombination mit variierenden Wasserzugaben zum Teig als Hydratationsansatz, wurden danach anhand einer Modellteigrezeptur untersucht. Für den Modellteig wurden Weizenmehl Type 550, Wasser, NaCl, Hefe und die jeweiligen Spezialzutaten verwendet. Nach dem Backen wurden Kruste und Krume auf Acrylamid untersucht und parallel dazu die Backqualität dieser Produkte analysiert. Die Acrylamidkontamination hat bei erhöhter Wasserzugabe stark rohstoffspezifische Effekte gezeigt. In asparaginreichen Teigen wurde eine Erhöhung der Acrylamidgehalte beobachtet, vermutlich aufgrund einer verstärkten Mobilität der Vorstufen. Interessanterweise zeigte sich bei den Karottenstreifen, dass der Polyphenolgehalt der Spezialzutaten eine wichtige Rolle bei der Verringerung der Acrylamidbildung mit erhöhter Wasserzugabe spielte. Dies verdeutlichte somit die Relevanz der Polyphenole für zukünftige Minimierungsmaßnahmen. Aufgrund der in Chapter III, festgestellten signifikanten Qualitätsunterschiede in den untersuchten Karottenstreifen, wurde in Chapter IV der Einfluss von Herkunft, Verarbeitung und Trocknungsmethoden auf verschiedene Qualitätsmerkmale getrockneter Karottenstreifen untersucht. Hierfür wurden drei Karottensorten bezogen und verarbeitet. Die Verarbeitungsschritte umfassten Blanchieren und Trocknungsmethoden wie die Heißlufttrocknung, Vakuumtrocknung oder Gefriertrocknung. Dabei wurden der Einfluss der Verarbeitungsschritte auf die Qualität der Karottenstreifen, ihr Acrylamidbildungspotenzial sowie die resultierenden Acrylamidgehalte in Modellbackwaren untersucht. Insbesondere das Blanchieren reduzierte das Acrylamidbildungspotenzial der Karottenstreifen signifikant. Die Gefriertrocknung führte bei allen Karottensorten zu den höchsten Gehalten an Zuckern, freiem Asparagin und β-Carotin. Hinsichtlich der Retention dieser Verbindungen zeigten die restlichen Trocknungsmethoden allerdings uneinheitliche Ergebnisse. Die Asparagingehalte schwankten bereits während der Lagerung, mit einem anfänglichen Anstieg und anschließendem Rückgang, was die Bedeutung einer zeitgerechten Verarbeitung zur Sicherung einer konstanten Produktqualität unterstreicht. Insgesamt war das Acrylamidbildungspotenzial der Karottenstreifen vor allem von der Sorte und den Lagerungsbedingungen abhängig, da diese maßgeblich das Acrylamid-Vorstufenprofil beeinflusst haben. Um sortenunabhängige Minimierungsmaßnahmen von Acrylamid zu erforschen, wurde in Chapter V das Einweichen als Ansatz für Produkte mit getrockneten Karottenstreifen untersucht. Darüber hinaus wurde die ultraschallunterstützte Rehydratation als Methode zur Förderung der Diffusion von Inhaltsstoffen aus dem Karottengewebe betrachtet. Insgesamt wurde die Rehydratation durch herkömmliches Einweichen mit der ultraschallunterstützten Rehydratation (Ultraschallbad oder Sonotrode) hinsichtlich der Rehydratationsrate und des Auswaschens von Zuckern aus den Karottenstreifen verglichen. Die Kinetik der Rehydratation und Diffusion wurde mithilfe der ExpAssoc- und Peleg-Gleichungen modelliert. Rehydratisierte Karottenstreifen wurden anschließend in Modellbrote eingearbeitet. Abschließend wurden die Acrylamidkonzentrationen in den Krusten sowie verschiedene Faktoren der Gebäckqualität analysiert. Insgesamt führte eine längere Rehydratation zu einem höheren Wassergehalt in den Karottenstreifen und zu einem verstärkten Auswaschen von Zuckern und Polyphenolen. Sowohl ultraschallunterstützte Rehydratation als auch herkömmliches Einweichen führten zu einer Reduktion der Acrylamidgehalte in Modellbroten von bis zu 75%. Zusammenfassend beschäftigte sich diese Arbeit mit der systematischen Analyse der Zugabe von Kartoffelflocken und Karottenstreifen zu Backwaren, der Identifizierung kritischer Acrylamidvorstufen und erwarteter Acrylamidgehalte sowie der charakteristischen Veränderungen in der Brotqualität dieser Spezialbackwaren. Es konnte gezeigt werden, dass die Rehydratation eine wirksame Strategie zur Acrylamidminimierung darstellt, vor allem durch die Förderung des Auswaschens von Acrylamidvorstufen und die Beeinflussung der Reaktionsbedingungen. Insgesamt bietet diese Arbeit eine Übersicht hinsichtlich der erforderlichen Rohstoffqualitäten und präsentiert (einfach) umsetzbare Strategien zur Minimierung von Acrylamid für verschiedene Hersteller.eng660DoctoralThesis1949330842