Совершенствование технологии ржаного и ржано-пшеничного хлеба на основе оптимизации биотехнологических свойств полуфабрикатов

На правах рукописи

ЧЕРНЫХ Илья Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЖАНОГО И РЖАНО-ПШЕНИЧНОГО ХЛЕБА НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУФАБРИКАТОВ

Специальность 05.18.01. - Технология обработки, хранения и

переработки злаковых, бобовых культур,

крупяных продуктов, плодоовощной

продукции и виноградарства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре “Технологии хлебопекарного и макаронного производств” ГОУ ВПО “Московский государственный университет пищевых производств”

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Богатырева Татьяна Глебовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дубцов Георгий Георгиевич

доктор технических наук, профессор

Дерканосова Наталья Митрофановна

Ведущая организация: НОУ ДПО “Международная промышленная академия”

Защита состоится 24 декабря 2009 в 1300 часов в ауд. 302 на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.03 в ГОУ ВПО “Московский государственный университет пищевых производств” по адресу: 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГУПП.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять Ученому секретарю Совета.

Автореферат разослан « » _________ 2009 г.

Ученый секретарь Совета

к.т.н. Белявская И.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ржаной и ржано-пшеничный хлеб на протяжении многих столетий занимает особое место в рационе питания народов России. Эти хлебобулочные изделия обладают не только ни с чем не сравнимым вкусом и ароматом, но и, благодаря особенностям химического состава ржаной муки, оказывают положительное влияние на здоровье человека. К сожалению, в последние годы и у нас в стране, и за рубежом отмечается тенденция снижения удельного потребления ржаного и ржано-пшеничного хлеба. Несомненно, что только постоянное совершенствование технологии приготовления этих изделий, обеспечивающее высокое качество готовой продукции при переработке нестабильного сырья, способно вернуть им былую популярность.

Особенностью существующих технологий производства ржаного и ржано-пшеничного хлеба является то, что они предусматривают, в основном, приготовление теста двухфазным способом на заквасках.

В разные годы исследованием микробиологического состава заквасок, процесса брожения, а также влияющих на него факторов во взаимосвязи с качеством готового хлеба занимались многие отечественные и зарубежные исследователи: Л. Я. Ауэрман, Л. Н. Казанская, О. В. Афанасьева, Л. И. Кузнецова, Е. И. Квасников, Т. Г. Богатырева, Н. М. Дерканосова, G. Spicher, H. Stephan, M. Rohrlich и др.

Тем не менее, на сегодняшний день приходится констатировать, что научные основы технологии хлеба из ржаной муки и её смеси с пшеничной имеют еще определенные пробелы. В частности, остается неизвестным механизм влияния продуктов молочнокислого брожения на реологические и биотехнологические свойства полуфабрикатов. Для ржаного теста не определены оптимальные реологические свойства после замеса. Также не установлен оптимальный режим замеса ржаного теста. Не оценено технологическое значение пентозанов и соответственно не даны четкие рекомендации по применению цитолитических ферментных препаратов. Отсутствует объективный интегральный критерий для оценки биотехнологических свойств бродящих полуфабрикатов из ржаной муки и её смеси с пшеничной. Не определено оптимальное значение автолитической активности смеси ржаной муки с пшеничной в разных соотношениях и др.

Решение перечисленных выше проблем является актуальной задачей для хлебопекарной промышленности России.

Цель и задачи исследований. Целью настоящих исследований явилось определение критических точек физико-химических параметров ржаной муки и ее смеси с пшеничной мукой и полуфабрикатов, направленных на совершенствование технологического регламента процесса производства ржаного и ржано-пшеничного хлеба и обуславливающих получение готовых изделий наилучшего качества.

Для реализации поставленной цели решали следующие задачи:

• определение влияния дозировки цитолитических, амилолитических ферментных препаратов и солода на “число падения” ржаной муки;
• определение оптимальной автолитической активности смеси ржаной муки с пшеничной в разных соотношениях;
• исследование изменения “числа падения” ржаной муки, пшеничной муки, а также их смеси в зависимости от кислотности субстрата;
• определение влияния кислотности ржаного теста на его реологическое поведение в процессе и после замеса;
• определение влияния кислотности ржаного и ржано-пшеничного теста, приготовленного с использованием органических кислот или заквасок, на качество готового хлеба;
• определение оптимальной консистенции ржаного теста;
• определение оптимального режима замеса ржаного теста;
• разработка безразмерного критерия для оценки биотехнологических свойств ржаного и ржано-пшеничного теста при его созревании;
• изучение бродильной активности разных штаммов гомоферментативных и гетероферментативных молочнокислых бактерий;
• апробация работы в производственных условиях.

Научная новизна работы. Установлена динамика изменения “числа падения” ржаной обдирной муки, пшеничной муки 1 с и их смеси в зависимости от кислотности водно-мучной суспензии. Раскрыт механизм протекания ферментативного и кислотного гидролиза крахмала под влиянием кислотности полуфабриката.

Показано, что различие в оптимальных значениях автолитической активности ржаной, пшеничной муки и их смеси, оцениваемых по показателю “числа падения”, объясняется разной кислотностью ржаного, ржано-пшеничного и пшеничного теста.

Установлено влияние кислотности на реологическое поведение водно-мучной суспензии из ржаной муки в процессе клейстеризации, обусловленное вкладом амилозы и амилопектина.

Определено влияние кислотности ржаного теста на изменение его реологических свойств в процессе замеса и при прогреве до 90С, моделирующем процесс выпечки хлеба.

Установлена кинетика изменения величины крутящего момента на приводе месильных органов в процессе замеса ржаного теста.

Для оценки свойств бродящего теста предложен безразмерный биотехнологический критерий бр, представляющий собой отношение скорости относительного изменения rH2 к скорости относительного изменения pH.

Установлено, что среди гомоферментативных молочнокислых бактерий наибольшей бродильной активностью отмечен штамм L. plantarum-30, а среди гетероферментативных – штамм L. brevis-13.

Практическая значимость. Показана технологическая целесообразность применения цитолитических ферментных препаратов в оптимальной концентрации и предложена методика ее определения.

Установлена оптимальная автолитическая активность смеси ржаной муки с пшеничной мукой при различных соотношениях.

Определена оптимальная консистенция ржаного теста, позволяющая устанавливать дозировку воды при его замесе.

Установлена оптимальная кислотность ржаного и ржано-пшеничного теста.

Разработан способ определения оптимального режима замеса ржаного теста, заключающийся в установлении частоты вращения месильных органов по точке перегиба числа циклов деформации теста и продолжительности замеса по моменту времени, к которому его консистенция приобретает постоянное значение.

Показана взаимосвязь критерия бр с автолитической активностью ржаной муки и ее смеси с пшеничной мукой, а также качеством ржаного и ржано-пшеничного хлеба. Установлена возможность определения бродильной активности разных штаммов молочнокислых бактерий с помощью критерия бр.

Проведена производственная апробация критерия бр в условиях ОАО “Хлебозавод № 9” (г. Москва).

Апробация работы. Результаты исследований, выполненных автором, были представлены на третьей международной конференции “Качество зерна, муки, хлебобулочных и макаронных изделий” (г. Москва, 5-7 декабря 2006 г); на международной научно-практической конференции “Биотехнология. Вода и пищевые продукты” (г. Москва, 11-13 марта 2008 г); на первой научно-практической конференции “Управление реологическими свойствами пищевых продуктов” (г. Москва, 25-26 сентября 2008 г.).

По результатам исследований опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 151 странице основного текста, включает 56 рисунков и 24 таблицы. Список литературы включает 128 источников отечественных и зарубежных авторов.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обобщено и проанализировано влияние состояния основных макрокомплексов ржаной и пшеничной муки: углеводно-амилазного, белково-протеиназного и липид-гидролазно-липоксигеназного, а также гранулометрического состава муки на свойства теста и качество хлебобулочных изделий. Освещены основные существующие технологии приготовления ржаного и ржано-пшеничного хлеба. Обоснованы причины технологической необходимости применения заквасок или органических кислот при приготовлении ржаного и ржано-пшеничного хлеба. Описаны ржаные закваски, применяющиеся в нашей стране, и рассмотрен видовой состав молочнокислых бактерий и хлебопекарных дрожжей, входящих в эти закваски. Рассмотрены основные способы управления качеством ржаного и ржано-пшеничного хлеба. В ходе анализа научно-технической литературы выявлена целесообразность и необходимость определения критических точек физико-химических параметров ржаной муки и ее смеси с пшеничной мукой и полуфабрикатов, обуславливающих получение готовых изделий наилучшего качества.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬАЯ ЧАСТЬ

Исследования проводили в лабораториях кафедры “Технологии хлебопекарного и макаронного производств” ГОУ ВПО “Московский Государственный Университет пищевых производств”. Производственные испытания осуществляли в условиях ОАО “Хлебозавод № 9” (г. Москва).

Объекты и методы исследования

В работе использовали общепринятые и специальные методы оценки свойств сырья, полуфабрикатов и качества готовых изделий.

При проведении исследований использовали 3 пробы ржаной обдирной муки и 2 пробы пшеничной муки 1с, показатели качества которой представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Показатели качества ржаной обдирной муки и пшеничной муки 1 с

Наименование показателей	Значения показателей качества проб муки
	Ржаная обдирная мука			Пшеничная мука 1с
	№1	№2	№3	№1	№2
Влажность, %	14,0	11,8	12,5	14,0	12,2
Кислотность, град	7,2	4,0	4,6	3,4	4,2
Число падения, с	235	185	208	409	230
Газообразующая способность муки, мл	1350	1428	1411	1521	1615
Белизна, ед. пр. Р3-БПЛ	13	16	16	46	49
ВПС муки, %	-	-	-	53,1	55,2
Количество клейковины, %	-	-	-	30	31
Качество клейковины (h общ), ед.пр. ИДК	-	-	-	66	73

Определение автолитической активности муки, а также параметров амилограммы осуществляли на приборе “Амилотест АТ-97 (ЧП-ТА)” (фирма “НПФ Радиус” - Россия).

Скорость изменения давления образующегося диоксида углерода при брожении теста контролировали с помощью прибора “Rheofermentometre F3” (фирма “Chopin” – Франция).

Определение реологических свойств теста на стадии его замеса производили на приборах: “Mixolab” (фирма “Chopin” - Франция), “Farinograph” и “Do-corder C3” (фирма “Brabender” - Германия).

Оценку реологических свойств теста после его замеса осуществляли на ротационном вискозиметре “Rheotest 2.1” (фирма “Rheotest Messgeraete Medingen” - Германия) и приборе “Структурометр СТ-1М” (фирма “НПФ Радиус” - Россия).

Потенциометрические характеристики полуфабрикатов в процессе брожения (pH и rH2) определяли с помощью pH-метра-ионометра “OP-271/1” (фирма “Radelkis” - Венгрия).

Тесто готовили из ржаной муки, а также ее смеси с пшеничной на густых ржаных заквасках или с использованием 40% молочной кислоты. Продолжительность созревания теста определяли по кривой скорости изменения давления образующегося диоксида углерода.

Окончательную расстойку тестовых заготовок проводили в шкафу для окончательной расстойки “The Bailey 505 – SS Fermentation Cabinet” (фирма “National MFG Company” – США).

Хлебобулочные изделия выпекали в лабораторных хлебопекарных печах:

- “Rotary Hearth Test Baking” (фирма “National MFG Company” – США);

- “Miwe – condo” (фирма “Miwe” – Германия).

Оценку качества готовых хлебобулочных изделий осуществляли по органолептическим и физико-химическим показателям, в том числе по реологическим характеристикам их мякиша.

Результаты исследования и их анализ.

Структурная схема исследований представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема проведения исследований

Раздел 2.4.1. посвящен оптимизации состояния углеводно-амилазного комплекса ржаной обдирной муки и ее смеси с пшеничной мукой 1 с.

Так как состояние углеводно-амилазного комплекса ржаной муки в наибольшей степени влияет на ее хлебопекарное достоинство, а соответственно и на качество готовых изделий, то и исследование было начато с его оптимизации.

К числу важнейших полисахаридов, обуславливающих состояние углеводно-амилазного комплекса ржаной муки, относятся пентозаны.

Для оценки влияния пентозанов на параметры состояния углеводно-амилазного комплекса ржаной муки были проведены исследования влияния цитолитического ферментного препарата Pentopan mono BG на “число падения” ржаной обдирной муки, как на важнейший и наиболее распространенный показатель ее хлебопекарных свойств (см. рисунок 2).

Рисунок 2 - Влияние дозировки цито-литического ферментного препарата Pentopan mono BG (G ф. п.) на “число падения” (ЧП) ржаной обдирной муки

Как видно из рисунка 2, при внесении ферментного препарата Pentopan mono BG уменьшение значения “числа падения” ржаной муки происходит только до определенной концентрации ферментного препарата, после достижения которой дальнейшее уменьшение “числа падения” не наблюдается. Или другими словами, цитолитический ферментный препарат, разрушая арабиноксилановую фракцию муки и улучшая таким образом “атакуемость” крахмала амилазами, увеличивает глубину ферментативного гидролиза крахмала только до определенного уровня. После полной деструкции арабиноксилановой фракции дальнейшее увеличение дозировки этого ферментного препарата к увеличению глубины гидролиза крахмала уже не приводит.

Пробные лабораторные выпечки, проведенные с использованием цитолитических ферментных препаратов в разных концентрациях, показали, что наилучшее качество ржаного хлеба соответствует концентрации ферментного препарата, начиная с которой глубина гидролиза крахмала не изменяется. Для ферментного препарата Pentopan mono BG эта концентрация составляет 0,1 % и соответственно ее можно считать оптимальной. Примечательно, что чрезмерное количество ферментного препарата негативно сказывается на качестве хлеба.

Таким образом, можно сделать вывод о технологической эффективности деструкции пентозанов, например, с помощью внесения цитолитических ферментных препаратов в оптимальных дозировках.

На рисунке 3 показано влияние на показатель “число падения” ржаной обдирной муки ржаного неферментированного солода. Как видно, солод за счет содержащихся в нем собственных амилаз позволяет получить муку с “числом падения” в значительно большем диапазоне, чем цитолитический ферментный препарат.

Рисунок 3 - Влияние дозировки ржаного неферментированного солода (G солода) на “число падения” (ЧП) ржаной обдирной муки

Но при этом преимущество цитолитических ферментных препаратов заключается в том, что они также оказывают влияние и на параметры состояния белково-протеиназного комплекса муки. Продемонстрировать степень этого влияния представляется возможным для пшеничной муки 1 с и ее смеси с ржаной обдирной мукой. Нами было установлено влияние цитолитического ферментного препарата Pentopan mono BG на количество отмываемой клейковины из пшеничной муки 1 с и ее смеси с ржаной обдирной мукой (таблица 2).

Как видно из таблицы 2, внесение ферментного препарата Pentopan mono BG до соотношения ржаная/пшеничная мука 40/60 увеличивает количество отмываемой сырой клейковины на 3-160%. Таким образом, данный ферментный препарат снимает “защитный экран” слизей с белковых веществ муки, что приводит к образованию большего количества клейковины. При этом наибольший эффект достигается при соотношении ржаной муки с пшеничной 30 на 70.

Таблица 2 - Влияние ферментного препарата Pentopan mono BG на количество сырой клейковины из пшеничной муки 1 с и ее смеси с ржаной обдирной мукой.

Соотношение муки (ржаная/пшеничная)	Количество клейковины без внесения ферментного препарата, %	Количество клейковины с добавлением Pentopan mono BG, %
0:100	31	32
10:90	27	29
20:80	20	24
30:70	7	18
40:60	5	8
50:50	-	-

Снятие “защитного экрана” слизей с крахмальных гранул и белковых веществ муки способствует стабилизации реологических свойств теста и, как показали пробные лабораторные выпечки, улучшению качества даже чисто ржаного хлеба. Поэтому изначально коррекция “числа падения” ржаной муки должна осуществляться за счет внесения цитолитических ферментных препаратов, и только в случае, если их действие недостаточно, должна применяться их смесь с солодом или амилолитическими ферментными препаратами. В любом случае должна обеспечиваться оптимальная амилолитическая активность муки.

Ранее на кафедре “Технологии хлебопекарного и макаронного производств” МГУПП были установлены оптимальные значения автолитической активности для ржаной и пшеничной муки по методу “числа падения”, которые составляют 175 с +/- 5 с и 235 с +/- 15 с соответственно.

Для установления оптимального значения “числа падения” смеси ржаной муки c пшеничной нами были выбраны пробы ржаной обдирной муки и пшеничной муки 1 с с заведомо пониженной автолитической активностью (их “число падения” составляло 235 и 409 с соответственно), что позволило с помощью ячменного солода получать пробы смесей муки с разным значением этого показателя в достаточно широком диапазоне. Для смесей ржаной муки с пшеничной в соотношениях 60 на 40, 70 на 30 и 80 на 20 с разными значениями “числа падения” были определены: количество образующегося диоксида углерода в процессе брожения теста и физико-химические и органолептические показатели качества хлеба. Во всех случаях оказалось, что наибольшее количество образующегося диоксида углерода, равно как и наилучшее качество хлеба соответствовало смесям муки с дозировкой солода, обеспечивавшей их “число падения” 200 с +/- 10 с. На рисунках 4 и 5 представлено влияние дозировки солода на газообразующую способность смеси ржаной и пшеничной муки в соотношении 60 на 40, а также пористость ржано-пшеничного хлеба соответственно (дозировка солода 3,8 % к массе муки соответствует “числу падения” 200 с +/- 10 с).

Таким образом, нами было установлено, что оптимальное значение “числа падения” смеси ржаной обдирной муки и пшеничной муки 1с составляет 200 с +/- 10 с.

Рисунок 4 - Влияние дозировки солода (G солода) на газообразующую способность (VCO2) смеси, состоящей на 60% из ржаной обдирной муки и на 40% из пшеничной муки 1 с

Рисунок 5 - Влияние дозировки солода (G солода) на пористость (П) мякиша хлеба из смеси, состоящей на 60% из ржаной обдирной муки и на 40% из пшеничной муки 1 с

Как известно, ржаные полуфабрикаты по сравнению с пшеничными имеют значительно более высокий уровень кислотности. Это обусловлено некоторыми особенностями технологических свойств ржаной муки. Известно, что кислотность субстрата оказывает влияние на параметры состояния углеводно-амилазного комплекса муки, в частности, прежде всего на ее автолитическую активность. Нами был установлен механизм влияния кислотности на изменение “числа падения” ржаной и пшеничной муки, а также их смесей в разных соотношениях. При этом эксперименты с пшеничной мукой по причине низких значений кислотности пшеничных полуфабрикатов практического значения не имели, и были проведены только для сопоставления их результатов с результатами экспериментов с ржаной мукой, а также их смесей. Для моделирования кислотности использовалась молочная кислота.

График динамики изменения “числа падения” ржаной обдирной муки в зависимости от титруемой кислотности водно-мучной суспензии (рисунок 6) имеет три крегерные точки. Экстремум минимум “А”, экстремум максимум “В” и точку перегиба между ними “Б”. Точка минимума “числа падения” “А” соответствует титруемой кислотности 2,0 град и активной кислотности 4,70, что свидетельствует об оптимальной концентрации ионов водорода, катализирующих ферментативную активность собственных амилаз ржаной муки. Поэтому в этой точке “число падения” имеет наименьшее значение. Увеличение титруемой (или уменьшение активной) кислотности приводит к уменьшению активности амилолитических ферментов муки и как следствие к увеличению “числа падения”. Точка “Б” является равновесной точкой ферментативного и кислотного гидролиза крахмала. Дальнейшее увеличение кислотности приводит к дальнейшему увеличению “числа падения”, что говорит об еще большем уменьшении ферментативного гидролиза крахмала и точка “В” отражает полную инактивацию амилаз муки. Последующее уменьшение “числа падения” обусловлено только кислотным гидролизом.

Рисунок 6 - Зависимость “числа падения” (ЧП) ржаной обдирной муки от титруемой кислотности (к) водно-мучной суспензии

Для того, чтобы подтвердить правильность объяснения механизма влияния кислотности на “число падения” ржаной муки были проведены эксперименты с ржаным крахмалом, а точнее было определено влияние кислотности на вязкость его суспензий (рисунки 7 и 8).

Как видно из рисунка 7, увеличение кислотности приводит к постепенному снижению вязкости водно-крахмальной суспензии на всем протяжении кривой. Увеличение “числа падения” на участке титруемой кислотности от 2,0 до 5,6 град., которое было ранее отмечено при работе с водно-мучной суспензией, не наблюдается.

Причиной этому является отсутствие в чистом крахмале -амилазы. Соответственно увеличение вязкости водно-мучной суспензии в диапазоне титруемой кислотности от 2,0 до 5,6 град было связано только с постепенной инактивацией -амилазы.

Рисунок 7 - Изменение “числа падения” (ЧП) водно-крахмальной суспензии в зависимости от ее титруемой кислотности (к)

Рисунок 8 - Изменение “числа падения” (ЧП) водно-крахмальной суспензии в присутствии Глюкаваморин-А в зависимости от ее титруемой кислотности (к)

При внесении амилолитического ферментного препарата Глюкаваморин-А без добавления молочной кислоты “число падения” водно-крахмальной суспензии уменьшилось на 59 с (с 244 до 185 с (см. точки с нулевой титруемой кислотностью у рисунков 7 и 8)). Это снижение вязкости крахмального геля легко объясняется увеличением глубины его ферментативного гидролиза за счет внесения -амилазы извне. Добавление молочной кислоты даже в минимальном количестве до достижения титруемой кислотности суспензии 1,2 град вызывает резкое падение pH c 5,05 до 3,15, сопровождающееся таким же резким увеличением значения “числа падения” (на 81 с (см. рисунок 8)), или вязкости клейстера. Это увеличение вязкости со всей уверенностью можно объяснить инактивацией внесенной с ферментным препаратом -амилазы молочной кислотой, соответственно механизм влияния кислотности на “число падения” ржаной обдирной муки был объяснен верно.

При этом необходимо отметить, что кислотный гидролиз крахмала с той или иной интенсивностью протекает начиная с минимальных значений кислотности, однако в водно-мучной суспензии из ржаной муки в диапазоне титруемой кислотности от 2,0 до 5,6 град его действие “зашумляется” ферментативным гидролизом крахмала.

Как видно из рисунков 9 и 10, “число падения” пшеничной муки, а также смеси ржаной муки с пшеничной под влиянием кислотности изменяется по тому же закону, что и ржаной, и механизм этого влияния можно объяснить точно так же. Здесь необходимо сказать следующее: для всех экспериментов были использованы ржаная, пшеничная мука, а также их смесь с оптимальным нативным значением “числа падения”. При этом кислотность пшеничного теста составляет около 2,5-3 град, что значительно меньше кислотности ржаного или ржано-пшеничного теста (8-9 град). Сравнивая значения “числа падения” для пшеничной муки при 2,5-3 град (275-280 с) и для ржаной муки и ее смеси с пшеничной при 8-9 град (275-285 с), отмечаем практическое их совпадение, что позволяет говорить об одинаковом вкладе клейстеризованного крахмала при формировании структуры мякиша хлеба в процессе его выпечки независимо от вида и сорта используемой муки. Этим и можно объяснить причину разной оптимальной автолитической активности для ржаной, пшеничной муки, а также их смеси.

Рисунок 9 - Изменение “числа падения” (ЧП) пшеничной муки 1 с в зависимости от титруемой кислотности (к) водно-мучной сус-пензии

Рисунок 10 - Изменение “числа падения” (ЧП) смеси ржаной обдирной муки и пшеничной муки 1 с в зависимости от титруемой кислот-ности (к) водно-мучной суспензии

Как известно, крахмал является композитом двух биополимеров: амилозы и амилопектина, изменение структуры которых и обуславливает общее изменение реологических свойств клейстеризованной водно-мучной суспензии. Далее нами был установлен дифференцированный вклад амилозы и амилопектина в общее реологическое поведение клейстеризованной водно-мучной суспензии из ржаной обдирной муки при различных уровнях титруемой кислотности. Для этого мы с помощью прибора “Амилотест АТ-97(ЧП-ТА)” получали амилограммы, которые впоследствии обрабатывали с помощью программного обеспечения “Амилотест”.

На рисунках 11 и 12 представлены графики, показывающие влияние титруемой кислотности водно-мучной суспензии на изменение максимальной вязкости амилозы и амилопектина в процессе клейстеризации крахмала. Изменение температуры максимальной вязкости амилозы и амилопектина, равно как и количества энергии, затрачиваемой на их деструкцию, в зависимости от титруемой кислотности клейстеризованной водно-мучной суспензии имеют похожий характер.

Рисунок 11 - Влияние титруемой кислотности (к) водно-мучной суспензии на изменение максимальной вязкости (f) амилозы в процессе клейстеризации крахмала

Рисунок 12 - Влияние титруемой кислотности (к) водно-мучной суспензии на изменение максимальной вязкости (f) амилопектина в процессе клейстеризации крахмала

Как видно, характер изменения максимальной вязкости амилозы и амилопектина в процессе гидролиза крахмала, обусловленного кислотностью субстрата, совпадает с характером изменения “числа падения” водно-мучной суспензии под влиянием кислотности (см. рисунок 6). Другими словами, изменение вязкости крахмального геля на макро уровне (“число падения”) в зависимости от кислотности полуфабриката обусловлено изменением вязкости геля, формируемого из амилозы и амилопектина, на микро уровне. При этом нами были получены численные значения вклада амилозы и амилопектина в общее реологическое поведение клейстеризованной водно-мучной суспензии при различных уровнях кислотности (например, при кислотности 5 град, вязкость амилопектина более чем в два с половиной раза превышает вязкость амилозы (6,7 Н против 2,3 Н)).

Было установлено влияние кислотности теста на качество ржаного и ржано-пшеничного хлеба. При проведении исследований кислотность теста моделировалась как за счет внесения молочной кислоты, так и густой ржаной закваски. Полученные данные свидетельствуют о том, что по показателям пористости, удельного объема, реологическим свойствам мякиша, а также органолептическим показателям качество ржаного и ржано-пшеничного хлеба, приготовленного из теста, имевшего на стадии замеса кислотность 6-7 град, было наилучшим.

Раздел 2.4.2. посвящен оптимизации реологических свойств теста из ржаной обдирной муки.

Установлено влияние кислотности ржаного теста на изменение его эффективной вязкости после замеса (рисунок 13) и максимальной вязкости при моделировании процесса выпечки хлеба с помощью прибора “Mixolab”. Максимальную вязкость теста, обусловленную клейстеризацией крахмала, контролировали по точке С3 миксолабограммы (рисунок 14).

Рисунок 13 - Влияние титруемой кислотности (к) ржаного теста на изменение его эффективной вязкости ()

Рисунок 14 - Влияние титруемой кислотности (к) ржаного теста на величину крутящего момента (Мкр) в точке С3 миксолабогораммы

Как видно из рисунков 13 и 14, минимальная вязкость ржаного теста после замеса (4920 Па*с +/- 110 Па*с) и в процессе прогрева, обуславливающего клейстеризацию крахмала (крутящий момент в точке С3 миксолабограммы 1,53 Н*м +/- 0,05 Н*м), была зафиксирована при титруемой кислотности 5-6 град.

При этом необходимо отметить, что в экспериментах с водно-мучной суспензией из ржаной муки при кислотности 5-6 град было установлено максимальное значение вязкости крахмального клейстера. Это несоответствие легко объясняется тем, что ввиду разной влажности водно-мучной суспензии и теста, их одинаковой титруемой кислотности соответствует разная активная кислотность, которая как раз и предопределяет активность амилаз, влияющую на вязкость полуфабриката. Титруемой кислотности теста 5-6 град соответствует активная кислотность 4,7-4,5, то есть то значение pH, при котором в эксперименте с водно-мучными суспензиями было отмечено как раз минимальное значение “числа падения”.

Таким образом, минимальное значение вязкости теста и клейстеризованной водно-мучной суспензии из ржаной муки было зафиксировано при одинаковом уровне активной кислотности, обеспечившим получение хлеба с наилучшими показателями качества.

Далее было установлено влияние влажности ржаного теста на его консистенцию и показана их взаимосвязь с качеством хлеба. Увеличению влажности теста с 46 до 51% соответствует уменьшение его консистенции с 260 до 140 е. Ф., то есть почти в два раза. Пробные лабораторные выпечки показали, что наилучшее качество ржаного хлеба было получено из теста с консистенцией 170 е. Ф, которой в нашем эксперименте соответствовала влажность 49%. Консистенция ржаного теста является основополагающей реологической характеристикой, позволяющей устанавливать водопоглотительную способность ржаной муки и определять оптимальную дозировку воды при замесе теста. Консистенция ржаного теста была определена при стандартной частоте вращения месильных органов прибора “Farinograph” - 63 мин-1.

На формирование структуры хлебопекарного теста существенное влияние оказывает режим его замеса. В рамках определения оптимального режима замеса ржаного теста было установлено влияние продолжительности его замеса на удельную интенсивность замеса в зависимости от частоты вращения месильных органов (рисунок 15). Как видно, с увеличением частоты вращения месильных органов удельная интенсивность замеса увеличивается, а момент времени, когда регистрируется ее максимальное значение, снижается.

На основании полученного экспериментального материала для каждой частоты были рассчитаны число циклов деформации теста и количество механической энергии, затрачиваемой на замес теста, до момента его готовности. Динамика изменения этих параметров в зависимости от частоты вращения месильных органов имеет похожий характер, поэтому на рисунке 16 приведено изменение только числа циклов деформации теста. При этом готовность ржаного теста при замесе по аналогии с пшеничным тестом определяли по моменту времени, соответствовавшему его максимальной вязкости.

Как видно из рисунка 16, частота вращения месильных органов существенно влияет на число циклов деформации ржаного теста, но при этом,

Рисунок 15 - Влияние продолжи-тельности () замеса ржаного теста на удельную интенсивность замеса (Iуд) при разных частотах вращения месильных органов

Рисунок 16 - Влияние частоты вращения (n) месильных органов на изменение числа циклов () деформации ржаного теста

как показали пробные лабораторные выпечки, частота практически не влияет на качество ржаного хлеба. Учитывая то, что графики изменения числа циклов деформации теста и количества механической энергии, затрачиваемой на замес, в зависимости от частоты вращения месильных органов имеют точку перегиба при частоте 1,5-2 с-1, то ее можно считать оптимальной. Предположительно, частота вращения месильных органов при замесе ржаного теста не оказывает существенного влияния на качество хлеба по той причине, что ржаное тесто имеет коагуляционную структуру, проявляющую вязкопластические свойства, и соответственно оно менее чувствительно к интенсивности деформационного воздействия по сравнению с пшеничным тестом, которое имеет кристаллизационно-коагуляционную структуру, проявляющую упруго-пластические свойства. Принимая во внимание это различие было сделано предположение, что и момент готовности ржаного теста должен определяться иначе, чем пшеничного.

Для установления оптимальной продолжительности замеса ржаного теста было произведено определение изменения его консистенции в процессе замеса в течение заведомо чрезмерного количества времени 40 мин при частоте вращения месильных органов 2 с-1 (см. рисунок 17).

На графике (рисунок 17) были отмечены четыре наиболее характерные стадии и столько же контрольных точек. Для установленных контрольных точек с учетом оптимальной продолжительности брожения теста, которая определялась по моменту регистрации максимальной скорости изменения

Рисунок 17 - Влияние продолжительности () замеса ржаного теста на изменение его консистенции (Мкр) при частоте вращения месильных органов 2 с-1

Рисунок 18 - Влияние про-должительности брожения () ржаного теста на скорость изменения давления диоксида углерода (P/T) при разной продолжительности замеса

давления диоксида углерода, образующегося при его брожении (рисунок 18), были проведены пробные лабораторные выпечки ржаного хлеба. Они показали, что продолжительность замеса ржаного теста (в отличие от частоты вращения месильных органов) в значительной степени предопределяет качество хлеба.

Качество ржаного хлеба, приготовленного из теста, замешенного в течение 1200 и 2100 с, оказалось близким друг к другу и наилучшим. При этом, без сомнения, на производстве предпочтение будет отдано наименьшей продолжительности замеса теста 1200 с. Ее и можно считать оптимальной. Соответственно моментом готовности ржаного теста является момент времени, в котором его консистенция перестает снижаться и выходит на постоянное значение – плато-фазу (точка “В”, рисунок 17).

Таким образом, нами был разработан способ определения оптимального режима замеса ржаного теста, заключающийся в установлении частоты вращения месильных органов по точке перегиба числа циклов деформации теста и продолжительности замеса по моменту времени, к которому его консистенция приобретает постоянное значение.

Раздел 2.4.3. посвящен оптимизации биотехнологических свойств полуфабрикатов из ржаной обдирной муки и ее смеси с пшеничной мукой 1 с.

На качество ржаного и ржано-пшеничного хлеба влияют продукты жизнедеятельности дрожжей и молочнокислых бактерий, в частности они предопределяют его специфические вкус и аромат. Соответственно для обеспечения стабильно высокого качества ржаного и ржано-пшеничного хлеба необходимо контролировать процесс брожения его основных полуфабрикатов (закваски и теста).

Нами была усовершенствована методика контроля процесса брожения, включающая параллельное измерение рН и rH2 и разработан безразмерный биотехнологический критерий бр для оценки свойств бродящего полуфабриката, представляющий собой отношение скорости относительного изменения rH2 к скорости относительного изменения pH:

Процесс спиртового и молочнокислого брожения представляет собой результирующую двух параллельных, идущих навстречу друг другу процессов, а именно процесса потребления микроорганизмами питательных веществ из окружающей среды и процесса выделения микроорганизмами в окружающую среду продуктов своей жизнедеятельности.

Первый из них контролируется с помощью кинетики изменения rH2, а второй - с помощью кинетики изменения pH.

Таким образом, бр, включая в себя кинетику изменения этих величин, может быть расценен как универсальный безразмерный критерий для контроля уровня бродильной активности любого ржаного или ржано-пшеничного полуфабриката: закваски или теста.

pH-метр-ионометр, прибор, используемый для определения rH2 и pH, является малогабаритным средством измерения, которое без труда может быть перенесено на производство, следовательно, учитывая то, что для определения потенциометрических характеристик не требуется отбора проб, контролировать критерий бр возможно в производственных условиях, что повышает его привлекательность при приготовлении полуфабрикатов.

Ниже приведены уравнения для расчетов скорости относительного изменения rH2 и pH с учетом кинетики их изменения.

где - это скорость изменения pH, а где 1 - это скорость изменения rH2, а

константы a и b указаны на рисунке 19. константы и указаны на рисунке 20.

Рисунок 19 - Кинетика изменения pH ржаного теста в процессе брожения

Рисунок 20 - Кинетика изменения rH2 ржаного теста в процессе брожения

С помощью критерия бр представляется возможным сравнивать бродильную активность разных штаммов молочнокислых бактерий. Установлено, что среди гомоферментативных молочнокислых бактерий, которыми располагает музей чистых культур микроорганизмов на кафедре “Технологии хлебопекарного и макаронного производств” МГУПП, наибольшей бродильной активностью отмечен штамм L. plantarum-30, а среди гетероферментативных – штамм L. brevis-13.

Раздел 2.4.4. посвящен производственной апробации критерия бр в условиях ОАО “Хлебозавод №9” г. Москвы. Установлено, что максимальное значение критерия бр коррелирует с оптимальной автолитической активностью смеси ржаной муки с пшеничной, а также с наилучшими показателями качества хлеба украинского нового, что доказывает его работоспособность.

3. ВЫВОДЫ

На основании проведенных комплексных исследований биотехнологических свойств полуфабрикатов из ржаной муки и её смеси с пшеничной сделаны следующие выводы:

1. Определены критические точки физико-химических параметров ржаной муки и ее смеси с пшеничной мукой и полуфабрикатов, обуславливающие получение готовых изделий наилучшего качества. Критические точки определены для “числа падения” смеси ржаной муки с пшеничной, кислотности и консистенции ржаного теста, режима его замеса, а также уровня бродильной активности ржаных и ржано-пшеничных полуфабрикатов.
2. Установлено оптимальное значение “числа падения” смеси ржаной муки с пшеничной в соотношениях 60 на 40, 70 на 30 и 80 на 20, составляющее 200 с +/- 10 с. При переработке ржаной муки или ее смеси с пшеничной с пониженной автолитической активностью рекомендовано последовательное внесение цитолитических и амилолитических ферментных препаратов в дозировках, обеспечивающих оптимальное “число падения” ржаной муки или ее смеси с пшеничной.
3. Определена динамика изменения “числа падения” ржаной обдирной муки, пшеничной муки 1 с и их смеси в зависимости от кислотности водно-мучной суспензии. Показано, что различие в оптимальных значениях автолитической активности ржаной, пшеничной муки и их смеси, оцениваемых по показателю “числа падения”, объясняется разной кислотностью ржаного, ржано-пшеничного и пшеничного теста.
4. Установлен численный вклад амилозы и амилопектина в формирование и деструкцию крахмального клейстера в зависимости от кислотности водно-мучной суспензии.
5. Определена оптимальная кислотность ржаного и ржано-пшеничного теста после замеса, составляющая 6-7 град.
6. Показано, что наилучшее качество ржаного и ржано-пшеничного хлеба получается из теста с минимальной эффективной вязкостью 4920 Па*с +/- 110 Па*с после замеса.
7. Установлена оптимальная консистенция ржаного теста, составляющая 170 е. Ф. и позволяющая определять оптимальную дозировку воды при замесе теста.
8. Разработан способ определения оптимального режима замеса ржаного теста, заключающийся в установлении частоты вращения месильных органов по точке перегиба числа циклов деформации теста и продолжительности замеса по моменту времени, к которому его консистенция приобретает постоянное значение.
9. Разработан объективный безразмерный критерий бр для оценки биотехнологических свойств ржаных и ржано-пшеничных полуфабрикатов. Установлена взаимосвязь между наибольшим значением критерия бр, оптимальным значением “числа падения” ржаной муки и наилучшим качеством ржаного хлеба. Показана возможность определения бродильной активности разных штаммов молочнокислых бактерий с помощью критерия бр.

10. Произведена производственная апробация критерия бр в условиях ОАО “Хлебозавод № 9” (г. Москва), показавшая эффективность его применения для контроля процесса брожения ржано-пшеничного теста при производстве хлеба украинского нового.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Черных, И. В. Влияние кислотности водно-мучной суспензии на активность амилолитических ферментов [Текст]/ И. В. Черных// Материалы третьей международной конференции “Качество зерна, муки, хлебобулочных и макаронных изделий”: Международная промышленная академия. – Москва, 5-7 декабря 2006 г. - 168-171 с.
2. Черных, И. В. Определение оптимальной кислотности ржаного теста при производстве хлебобулочных изделий [Текст]/ И. В. Черных// Хранение и переработка сельхозсырья. – 2008. - № 3 – с. 29-32.
3. Черных, И. В. Оценка биотехнологических свойств ржаного теста [Текст]/ И. В. Черных// Материалы международной научно-практической конференции “Биотехнология. Вода и пищевые продукты”: Здание Правительства Москвы. – Москва, 11-13 марта 2008 г. - 61-62 с.
4. Черных, И. В. Современный метод контроля уровня бродильной активности полуфабрикатов при производстве ржаного хлеба [Текст]/ И. В. Черных// Хлебопродукты. – 2008. - № 6 – с. 48-50.
5. Черных, И. В. Влияние кислотности субстрата на деструкцию крахмала ржаной и пшеничной муки [Текст]/ И. В. Черных, Т. Г. Богатырева// Хранение и переработка сельхозсырья. – 2008. - № 8 – с. 50 – 52.
6. Черных, И. В. Комплексный подход в регулировании состояния углеводно-амилазного комплекса смеси ржаной муки с пшеничной с помощью условной реологической характеристики “числа падения” [Текст]/ И. В. Черных// Материалы первой научно-практической конференции “Управление реологическими свойствами пищевых продуктов”: МГУПП. – Москва, 25-26 сентября 2008 г. – 27-34 с.
7. Черных, И. В. Определение оптимальной амилолитической активности смеси ржаной и пшеничной муки при производстве хлеба [Текст]/ И. В. Черных// Хлебопродукты. – 2008. - № 10 – с. 65-66.

Summary

Critical points of physical-chemical parameters of rye flour and its mixture with wheat flour and semi-manufactured goods, which predetermine the best quality of complete products, are determined. Critical points are defined for falling number value of mixture of rye and wheat flour, acidity and consistence of rye dough, its mixing conditions and level of fermentation activity of rye and rye-wheat semi-manufactured goods.