Разработка регламента выпечки пшеничного хлеба с учетом содержания биополимеров теста
На правах рукописи
Метелкина Юлия Сергеевна
РАЗРАБОТКА РЕГЛАМЕНТА ВЫПЕЧКИ ПШЕНИЧНОГО ХЛЕБА С УЧЕТОМ СОДЕРЖАНИЯ БИОПОЛИМЕРОВ ТЕСТА
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 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет пищевых производств»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Пучкова Любовь Ивановна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Цыганова Татьяна Борисовна
Московский Государственный Университет
технологий и управления
кандидат технических наук
Стребыкина Анна Игоревна
ГосНИИ хлебопекарной промышленности
Ведущая организация: НОУ ДПО Международная промышленная академия (МПА)
Защита состоится «25» июня 2009 г. в часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.03 при ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств», 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, д.11, ауд. 229
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств».
Автореферат разослан « » мая 2009 г.
Ученый секретарь Совета к.т.н., доц. Белявская И.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В России хлеб является не только продуктом национальной гордости, но и одним из основных элементов питания населения, поэтому его качеству уделяется особое внимание. Качество хлеба зависит от многих факторов: хлебопекарных свойств муки, рецептуры и способа приготовления теста, ведения технологического процесса и наличия или отсутствия добавок-улучшителей.
Одним из основных рецептурных компонентов теста является мука, хлебопекарные свойства которой определяются многими факторами. Пшеничная мука с хорошими хлебопекарными свойствами позволяет получить изделия большего объема, правильной формы с золотистой коркой и эластичным мякишем, со вкусом и запахом свойственными хорошо пропеченному хлебу. В последние годы наблюдается устойчивая тенденция к ухудшению качества муки. Прежде всего, это выражается в снижении содержания в ней сырой клейковины, что отражается, как на реологических свойствах тестовых заготовок (ТЗ), ходе технологического процесса, так и на качестве готового продукта.
Важной конечной стадией технологического процесса производства хлебобулочных изделий является процесс выпечки. Выпечка – это процесс прогрева расстоявшихся тестовых заготовок, при котором происходит их переход из состояния теста в состояние хлеба. Изучением процессов, происходящих при выпечке занимался ряд отечественных и зарубежных исследователей: А. В. Лыков, Л. Я. Ауэрман, А. С. Гинзбург, А. А. Михелев, А. Т. Лисовенко, И. И. Маклюков, В. И. Маклюков, C.E. Walker, B.J. Dobraszczyk и др. Проведенные исследования показали, что при выпечке хлебобулочных изделий протекает комплекс сложных процессов, обусловливающих их качество: теплофизических, биохимических, микробиологических и коллоидных. Благодаря этим исследованиям были сформулированы теоретические основы процесса выпечки и ее основные закономерности.
Условия выпечки оказывают большое влияние на процессы, происходящие в тестовой заготовке и показатели качества хлеба. Сокращение продолжительности выпечки снижает качество хлеба, особенно по показателям вкуса, аромата, степени пропеченности мякиша и способности хлеба сохранять свежесть в процессе хранения. Увеличение продолжительности выпечки улучшает органолептические показатели качества хлеба, но приводит к снижению его выхода и повышению энергозатрат на его производство.
В настоящее время данных, позволяющих определить оптимальный режим выпечки хлеба с учетом хлебопекарных свойств перерабатываемой муки и рецептуры вырабатываемых хлебобулочных изделий не достаточно. Информация о влиянии продолжительности выпечки на процессы, протекающие при хранении хлебобулочных изделий, из муки с различными хлебопекарными достоинствами также разрознена и весьма противоречива.
В последние годы в результате технического прогресса появилась возможность, проведения более полного исследования процесса выпечки и явлений, происходящих как внутри, так и на поверхности выпекаемых заготовок.
В связи с этим исследование влияния хлебопекарных свойств пшеничной муки на процессы, протекающие при выпечке и последующем хранении хлеба является актуальным.
Цель и задачи исследования. Целью настоящих исследований явилось теоретическое обоснование и разработка регламента (режимов) выпечки подового хлеба из пшеничной муки с учетом содержания биополимеров теста.
В соответствии с поставленной целью были определены основные задачи исследования:
- определение влияния хлебопекарных свойств муки на качество подового хлеба в процессе выпечки и хранения;
- определение влияния биополимеров муки (клейковины и крахмала) на теплофизические процессы, протекающие при выпечке пшеничного подового хлеба;
- определение изменения фракционного состава белков ТЗ и мякиша хлеба в процессе выпечки, микроструктуры мякиша, его гидрофильных свойств и соотношения свободной и связанной влаги в процессе выпечки и хранения;
- определение соотношения форм связи влаги в мякише хлеба с различной продолжительностью выпечки и хранения методом ЯМР-спектроскопии;
- разработка регламента выпечки подового хлеба из муки с различными хлебопекарными свойствами;
- апробация результатов исследования в производственных условиях.
Структурная схема исследования приведена на рис.1.
Рис. 1. Схема проведения исследования
Научная новизна. На основе системного подхода проведены комплексные исследования процесса выпечки тестовых заготовок из пшеничной муки с различными хлебопекарными свойствами.
Установлена взаимосвязь между содержанием биополимеров в тесте и скоростью прогрева, а также количеством сконденсировавшейся и испарившейся влаги. При увеличении содержания клейковины в муке возрастает скорость прогрева выпекаемых тестовых заготовок (ВТЗ) и повышается упек хлеба. На основании полученных данных обобщен критерий Фурье и массообменное число подобия, которые позволяют определить продолжительность выпечки и величину упека в зависимости от содержания биополимеров в муке.
Показано, что изменение фракционного состава белков ВТЗ из муки с различными хлебопекарными свойствами при варьируемой продолжительности выпечки определяется скоростью прогрева заготовки. Установлено, что солерастворимая фракция белков является лабильной к нагреванию. Наиболее устойчивы к тепловому воздействию щелочерастворимые белки.
Выявлено, что изменение микроструктуры мякиша хлеба обусловлено доминирующим влиянием содержания биополимеров муки и продолжительности выпечки. Увеличение содержания клейковины в муке и продолжительности выпечки ведет к образованию единой белково-углеводной структуры, которая в меньшей степени подвергается изменениям в процессе хранения.
На основании изучения механизма перераспределения влаги в мякише хлеба с различной продолжительностью выпечки и хранения показано, что интенсивность протекания процесса черствения хлеба зависит от соотношения биополимеров в муке. Повышение содержания клейковины в муке и продолжительности выпечки приводит к снижению содержания свободной влаги в мякише хлеба и меньшему ее перераспределению в процессе хранения.
Практическая значимость. Разработан регламент выпечки пшеничного хлеба с учетом содержания клейковины в муке, который предусматривает определение рациональной продолжительности выпечки и упека в зависимости от критерия Фурье и массообменного числа подобия.
Разработаны математические модели для вычисления критерия Фурье и массообменного числа, которые могут быть рекомендованы хлебопекарным предприятиям для разработки регламента выпечки пшеничного подового хлеба с учетом содержания клейковины в муке.
Произведена производственная проверка регламента выпечки паляницы украинской, которая показала возможность применения критерия Фурье и массообменного числа для определения рациональной продолжительности выпечки и ожидаемой величины упека с учетом содержания клейковины в муке.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на IV Международной конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2006 г.); на V Международной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения (Москва, 2006 г.); на International Symposium and Summer School in Saint Petersburg Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter, 4th meeting: “NMR in Life Sciences” (Санкт Петербург, 2007г.); на V Международной школе-конференции «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2007г.); на I межведомственной научно-практической конференции «Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров» (Москва, 2008 г.); на IX Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2008 г.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 148 страницах основного текста, включает 44 рисунка и 8 таблиц. Список литературы состоит из 81 источника российских и зарубежных авторов.
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
В обзоре рассмотрены и систематизированы сведения научно-технической литературы, о процессах протекающих при выпечке хлеба. Обобщены данные по влиянию содержания биополимеров в муке на качество хлеба. Отмечена роль содержания сырой клейковины в муке и ее влияние на качество хлеба, как при выпечке, так и при хранении. Представлен критический анализ научно-технических сведений об изменении биополимеров хлеба и его качества в процессе хранения. Проведен анализ данных научно-технической литературы об изменениях форм связи влаги в мякише хлеба в процессе выпечки и хранения. Представлены современные методы определения соотношения форм связи влаги в мякише хлеба. В ходе анализа научно-технической литературы в данной области выявлена целесообразность и необходимость разработки технологического регламента выпечки хлеба с учетом хлебопекарных свойств муки.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследования проводили в лабораториях кафедр «Технология хлебопекарного и макаронного производств», «Энергетика и теплотехнологии», «Органическая и пищевая химия», «Товароведение и основы пищевых производств» в ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств», на филиале кафедры «Технология хлебопекарного и макаронного производств», расположенном на БКК «Серебряный бор» (г. Москва), в Институте Общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН (г. Москва), НИИ Океанологии (г. Москва). Производственные испытания проводили в условиях ЗАО «ПЕКО» (Хлебозавод № 26, г. Москва).
2.1. Объекты и методы исследования
В работе использовали общепринятые и специальные методы оценки свойств сырья, выпекаемых ТЗ и качества готовых изделий. При проведении исследований использовали две пробы пшеничной муки высшего сорта, характеристики которой приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Характеристика проб пшеничной муки высшего сорта
| Показатели | Пшеничная мука высшего сорта | |
| Проба 1 | Проба 2 | |
| Влажность, % | 13 | 13 |
| Содержание сырой клейковины, % | 25 | 30 |
| ИДК, ед. прибора | 65 | 70 |
| Кислотность, град | 3 | 3 |
| Газообразующая способность, мл | 1497 | 1520 |
В соответствии с задачами исследований моделировали варианты муки с разным содержанием клейковины. Основой для моделирования служила товарная пшеничная мука высшего сорта. Для получения «модельных» вариантов муки использовали сухую клейковину и сухой пшеничный крахмал. С целью изменения содержания сырой клейковины к товарной муке добавляли сухую клейковину или сухой пшеничный крахмал в соответствии с таблицей 2. На основании моделирования получены пробы муки с содержанием сырой клейковины: вариант I – 20%; вариант II – 25%; вариант III – 30%; вариант IV – 35%.
Таблица 2.
Моделирование вариантов муки
| Сырье | Количество сырья по вариантам, % | |||||||
| Проба 1 | Проба 2 | |||||||
| Варианты | ||||||||
| I | II | III | IV | I | II | III | IV | |
| Мука | 72,0 | 100,0 | 98,1 | 97,8 | 66,7 | 80,0 | 100,0 | 98,2 |
| Крахмал | 28,0 | - | - | - | 33,3 | 20,0 | - | - |
| Клейковина | - | - | 1,9 | 2,2 | - | - | - | 1,8 |
Реологические свойства сырой клейковины определяли по ее способности оказывать сопротивление деформирующей нагрузке сжатия на приборе ИДК-1М. Показатель ИДК для всех все проб и вариантов муки составлял 63 – 70 ед. прибора.
При проведении исследований, тесто из «модельной» муки готовили безопарным способом из муки, воды, дрожжей и соли. Выброженное тесто делили вручную на куски массой 220 г. По окончании процесса расстойки, тестовые заготовки перекладывали на лист и помещали в печь. Выпечка тестовых заготовок проводилась с помощью информационно-измерительной системы (ИИС) «Выпечка» при температуре пекарной камеры 220°C в течение 10-30 мин (в зависимости от поставленных задач). В процессе выпечки с помощью технических весов контролировали изменение массы ВТЗ. На основании полученных данных графическим методом определяли массу сконденсировавшейся влаги и упек. Температура центральной области тестовой заготовки измерялась индивидуально изготовленной термопарой, которая крепилась к поду. Изменение диаметра и высоты ТЗ в процессе выпечки осуществляли с помощью цифровой видеокамеры с последующей раскадровкой и обработкой в Adobe Photoshop CS 5.0. Анализ готового хлеба по физико-химическим и органолептическим показателям осуществляли через 4, 24 и 48ч (в зависимости от поставленных задач).
Глянец верхней корки образцов хлеба измеряли при помощи блескомера, разработанного на кафедре “Энергетика теплотехнологии” МГУПП. Микроструктуру хлебного мякиша и корки исследовали с помощью растрового электронного микроскопа S – 2500 (фирма «Хитачи», Япония).
Реологические свойства мякиша хлеба определяли на приборе «Пенетрометр» АП-4/2. О гидрофильных свойствах мякиша судили по набухаемости мякиша хлеба в воде, по уточненной методике Катца. Соотношение свободной и связанной воды в хлебном мякише определяли с использованием гипертонического раствора сахарозы и ЯМР – спектроскопии на приборе Вruker АС-200 с частотой резонанса 1H - 200,13 МГц. Соотношение форм связи влаги при прогреве теста, крахмальной и клейковинной паст определяли ЯМР – спектроскопией.
Для определения общего содержания белка в исследуемых образцах теста и хлеба применяли метод Кьельдаля. Определение фракционного состава белков теста и мякиша хлеба из пшеничной муки с различным содержанием клейковины и продолжительностью выпечки проводили биуретовым методом. Фракционирование белков теста и мякиша хлеба вели с использованием следующих растворителей 0,05Н NaCl, 70%-го спирта, 0,05Н NaOH.
2.2. Результаты исследования и их анализ
Ниже приведены результаты исследования и их анализ.
2.2.1. Влияние содержания сырой клейковины в муке на качество хлеба
Органолептическая и физико-химическая оценка качества хлеба, внешний вид которого представлен на рис. 2, показала, что содержание клейковины в муке наибольшее влияние оказывало на удельный объем, пористость мякиша, формоустойчивость изделий, вкус и аромат хлеба. Балльная оценка образцов подового хлеба приведена на рис.3.
Вариант I Вариант II Вариант III Вариант IV
(20% клейковины) (25% клейковины) (30% клейковины) (35% клейковины)
Рис.2. Внешний вид образцов хлеба из муки с различным содержанием клейковины
Рис. 3. Влияние содержания сырой клейковины в муке на балльную оценку качества образцов хлеба
Сравнительное исследование микроструктуры мякиша хлеба из муки с различным содержанием клейковины (рис.4.) показало, что все образцы мякиша имели пористую структуру, но количество, размер и толщина стенки пор существенно различались. Образцы мякиша хлеба из муки с повышенным содержанием клейковины (Вариант III-IV) имели большее количество тонкостенных пор различного размера, тогда как образцы мякиша хлеба из муки с пониженным содержанием клейковины (Вариант I-II) имели достаточно крупные толстостенные поры. Поверхность стенок пор по мере увеличения содержания клейковины в муке от 20% - 35% становилась более гладкой и ровной. Для образцов мякиша хлеба из муки с пониженным содержанием клейковины характерно наличие разрывов по периметру пор и большого количества частиц, которые по своим формам и размерам близки к зернам нативного крахмала. Повышение содержания клейковины от 20% до 30 - 35% способствовало образованию более однородной структуры пор и сокращению количества разрывов по их периметру.
Вариант I Вариант II Вариант III Вариант IV
(20% клейковины) (25% клейковины) (30% клейковины) (35% клейковины)
Рис.4. Влияние содержания клейковины в муке на микроструктуру мякиша хлеба
2.2.2. Теплофизические процессы, протекающие при выпечке хлеба из муки с различным содержанием клейковины
С целью изучения особенностей теплофизических процессов при выпечке ТЗ из муки с различным содержанием клейковины определяли характер изменения ее массы (включая количество сконденсированной влаги и упек), температуры центральной области ВТЗ, высоты, диаметра и объема, выпекаемых изделий.
При увеличении содержания сырой клейковины в муке, изменялось количество сконденсировавшейся влаги на этапе увлажнения и глянец хлеба (табл.6).
Таблица 6.
Влияние содержания сырой клейковины в муке на количество сконденсировавшейся влаги, величину упека и глянец
| Вариант (содержание клейковины, %) | Количество сконденсировавшейся влаги, г | Глянец | Упек, % |
| I (20 ) | 4,4 | 0,84 | 5,2 |
| II (25) | 3,9 | 0,78 | 5,9 |
| III (30) | 3,1 | 0,71 | 6,6 |
| IV (35) | 2,0 | 0,69 | 9,3 |
При исследовании периода увлажнения было установлено, что ВТЗ из муки с пониженным содержанием клейковины 20% и 25% (Вариант I-II) конденсируют на своей поверхности большее количество влаги, чем аналогичные ВТЗ из муки с содержанием клейковины 30% и 35%. Выявленные изменения массы ТЗ в период увлажнения, на наш взгляд, связаны с различиями в структуре их поверхности, что подтверждается микроскопическими исследованиями корки (рис.5). Отмечено, что поверхность корки образцов хлеба из муки с содержанием клейковины 20% и 25% имеет более сглаженный характер и больший глянец, чем корка образцов хлеба из муки с содержанием клейковины 35%.
Вариант I Вариант II Вариант III Вариант IV
Рис.5. Микроскопическое исследование поверхности корки образцов хлеба из муки с различным содержанием клейковины
Установлено, что у образцов хлеба из муки с повышенным содержанием клейковины в процессе выпечки происходило более интенсивное испарение влаги вследствие этого, масса их снижалась в большей степени чем у образцов из муки с пониженным содержанием клейковины. По-нашему мнению, в ВТЗ с пониженным содержанием клейковины крахмал на поверхности связывает большее количество влаги, клейстеризуется и образует на поверхности пленку, которая препятствует испарению влаги, что приводит к снижению упека.
Скорость изменения температуры центральной области ВТЗ (рис.6) зависела от содержания клейковины в муке, что выражалось в перемещении точки перегиба кривых во времени, а также момента стабилизации температуры. Чем больше было содержание клейковины в муке, тем быстрее происходил прогрев тестовой заготовки. Момент стабилизации температуры для образцов хлеба из муки с содержанием клейковины 30% и 35% наступал через 18 и 20 мин соответственно после начала выпечки в то время, как у образцов с пониженным содержанием клейковины 20% и 25% момент стабилизации температуры не достигается даже при выпечке в течение 20 мин.
Рис.6. Изменение температуры центра ТЗ при выпечке
А Б В
Рис.7. Влияние содержания клейковины в муке на изменение высоты (А), диаметра (Б) и объема (В) в процессе выпечки ТЗ
Анализ геометрических характеристик показал, что увеличение высоты ВТЗ (рис.7-А) наблюдалось в течение, как первого, так и второго периода выпечки с последующей стабилизацией в третьем периоде.
Увеличение диаметра ВТЗ (рис. 7-Б) наблюдалось лишь в первом периоде выпечки. В этом же периоде происходила первичная стабилизация диаметра. Второй период выпечки связан с уменьшением диаметра, после чего происходит его повторная стабилизация в третьем периоде выпечки.
Изменение размеров ВТЗ при конденсатном увлажнении в первом периоде выпечки объясняется повышением давления внутри пор прогреваемого теста и расплыванием теста вследствие уменьшения сил поверхностного натяжения. Увеличение высоты ВТЗ при уменьшении диаметра во втором периоде выпечки объясняется продолжением повышения внутреннего давления, которое вызвано тепловым расширением воздуха, C2 и паров спирта. По мере пропекания тестовой заготовки происходит переход эластичного теста в мякиш с образованием твердых корок, которые препятствуют изменению размеров ВТЗ.
Объем ВТЗ (рис.7-В) также изменялся многоэтапно. На первом этапе происходило его наиболее существенное увеличение, связанное с протеканием периода увлажнения, после чего происходила стабилизация объема во втором периоде. В третьем периоде отмечалось незначительное снижение объема ВТЗ в результате усадки. Установлено, что стабилизация геометрических размеров и объема наступает тем раньше, чем больше содержание клейковины в муке.
Результаты исследования температуры центральной области ВТЗ показали, что понижение содержания клейковины в муке приводит к снижению скорости прогрева и интенсивности протекания всех процессов. Поэтому на следующем этапе работы мы изменяли режимы выпечки (продолжительность) с целью получения наилучшего качества хлеба из муки с различным содержанием клейковины. Продолжительность выпечки в наибольшей степени оказывала влияние на цвет корки, вкус, аромат хлеба его удельный объем и реологические свойства мякиша. Эти изменения, по-нашему мнению, связаны с различиями в коллоидной структуре ВТЗ. Поэтому изучение микроструктуры мякиша хлеба явилось следующим этапом нашей работы.
2.2.3. Влияние продолжительности выпечки на изменение структуры компонентов ВТЗ и мякиша хлеба
Исследование микроструктуры (рис.8) показало, что независимо от содержания сырой клейковины в муке при выпечке хлеба в течение первых 10 мин клейстеризация крахмальных зерен только начинается и она незначительна. Поэтому внутренняя стенка микропор образцов представляет собой шероховатую поверхность с явно выступающими частично клейстеризованными крахмальными зернами, заметны разрывы по периметру пор. При увеличении продолжительности выпечки хлеба внутренние стенки пор мякиша приобретали сглаженный характер. На микрофотографиях при увеличении в 2000 раз видно, что более глубокая степень клейстеризации крахмальных зерен приводила к тому, что они теряли свою правильную овальную форму, переходя в частично клейстеризованные крахмальные конгломераты.
| Вариант I | Увеличение в 600 раз |
| Вариант IV | |
| Вариант I | Увеличение в 2000 раз |
| Вариант IV |
10 мин выпечки 20 мин выпечки 30 мин выпечки
Рис. 8. Микроструктура мякиша хлеба с различной продолжительностью выпечки
Содержание сырой клейковины в муке оказывало влияние на микроструктуру мякиша хлеба. В образцах с пониженным содержанием клейковины (20% - Вариант I) степень клейстеризации крахмала была меньше, чем у аналогичных образцов из муки с содержанием клейковины 35% (Вариант IV). На рис. 8 (увеличение в 2000 раз) показано, что образцы мякиша из муки Варианта I содержат большее количество зерен крахмала, которые слабо связаны с клейковинными белками и представляют собой отдельные фрагменты частично клейстеризованного крахмала и коагулированного белка. Повышение содержания клейковины в муке способствовало образованию единой белково-углеводной структуры.
Процесс образования мякиша хлеба связан с термической денатурацией белков ВТЗ при выпечке. Продолжительность выпечки оказывает существенное влияние на степень денатурации белков, а следовательно и на качество готового хлеба. Под действием высокой температуры происходит изменение структуры белковой молекулы и снижение ее способности к растворимости. С этой целью изучали изменение фракционного состава белка в процессе выпечки.
Показано, что общее содержание белка (табл.3) в пересчете на сухое вещество существенно изменялось в зависимости от содержания сырой клейковины в муке. Продолжительность выпечки не влияла на общее содержание белка.
Таблица 3.
Влияние продолжительности выпечки на общее содержание белков в тесте и ВТЗ
| Мука, вариант | Общее содержание белков, % на сухое вещество | |||||
| Тесто | ВТЗ с продолжительностью выпечки, мин | |||||
| 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | ||
| I | 9,77 | 9,78 | 9,77 | 9,78 | 9,80 | 9,80 |
| II | 11,63 | 11,81 | 12,08 | 12,26 | 11,97 | 11,93 |
| III | 13,10 | 12,97 | 12,98 | 12,98 | 12,90 | 12,80 |
| IV | 14,97 | 15,01 | 14,79 | 14,96 | 14,92 | 14,88 |
В то же время соотношение соле-, спирто-, щелочерстворимых белков и нерастворимой фракции изменялось весьма существенно. Наиболее заметные изменения фракционного состава наблюдали в первые 10 мин выпечки.
Изменение содержания солерастворимой фракции происходит в течение первых 10-15 мин выпечки и в дальнейшем изменяется незначительно (рис.9-А). Что свидетельствует об их высокой лабильности к нагреванию. Существенные изменения содержания спирторастворимых белков ВТЗ (рис.9-Б) происходят в течение первых 15-20 мин выпечки, то есть для денатурации этих белков необходима более высокая температура.
Наиболее устойчивыми к тепловому воздействию являются щелочерастворимые белки (рис.9-В). Их денатурация продолжается в течение 25-30 мин выпечки. Наиболее
А
А Б
В Г
Рис.9. Влияние продолжительности выпечки на изменение
содержания фракций белков ВТЗ из муки Варианта I-IV: солерастворимой - А,
спирторастворимой – Б, щелочерастворимой - В и нерастворимого остатка - Г.
заметны эти изменения содержания щелочерастворимых фракций белков ВТЗ из муки с более высоким содержанием клейковины. Следует отметить, что изменение фракционного состава белка в ВТЗ из муки с содержанием клейковины 20% заметно отличалось от остальных вариантов. В этих пробах соле-, спирто-, щелочерастворимые белки в ВТЗ с продолжительностью выпечки 20-30 мин присутствовали в большем количестве, в то время, как содержание нерастворимой фракции белков (рис.9-Г) была существенно ниже, чем у других вариантов. По нашему мнению, такое явление можно объяснить снижением скорости прогрева при выпечке.
А
Б
В
Рис. 10. Изменение химического сдвига свободной и связанной влаги при прогреве клейковинного геля - А и крахмальной - Б пасты и теста - В
Вода является неотъемлемым компонентом теста и хлеба, который влияет на структуру белка и крахмала.
С целью определения соотношений свободной и связанной влаги, нами был осуществлен прогрев крахмальной пасты, клейковинного геля и образца теста, с влажностью 41% в стандартных калиброванных ампулах спектрометра до конечных температур 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100°C. О форме связи влаги судили по величине химического сдвига, которая является характеристикой подвижности протонов (Н+). Значение химического сдвига для свободной влаги превышает химический сдвиг для связанной.
Анализ данных (рис. 10-Б) показал, что для клейковинного геля характерно наличие двух форм связи влаги, для которых наблюдается крегерная точка в интервале температур 50°C-70°C, что связано с термической денатурацией белков.
Полученные ЯМР-спектры по прогреву крахмальной пасты (рис.10-В) показали, что вся влага в системе связана с зернами крахмала, однако степень и прочность
связи изменяется в зависимости от температуры. В интервале температур от 50° до 60°C наблюдается точка перегиба, которая соответствует температуре начала клейстеризации крахмала. Повышение температуры от 60°C до 100°C приводит к снижению химического сдвига, а следовательно к увеличению прочности связи влаги с крахмалом.
Отмечено, что при прогреве крахмальной пасты и клейковинного геля крегерная точка наблюдается в интервале температур 50°C-60°C, тогда как в тесте (рис.10-А) она достигается лишь при температуре 60°C-70°C, что связано с взаимным влиянием крахмала и клейковины друг на друга в процессе выпечки.
Продолжительность выпечки оказывает влияние на способность хлеба дольше сохранять свою свежесть. Поэтому на следующем этапе нашей работы мы изучали влияние продолжительности хранения на качество хлеба, микроструктуру и соотношение свободной и связанной влаги мякиша.
2.2.4. Исследование влияния продолжительности выпечки на изменение структуры биополимеров мякиша хлеба из муки с различным содержанием клейковины при хранении
Черствение хлеба при его хранении связано с изменениями, протекающими в углеводном комплексе мякиша - процессом ретроградации крахмала. Продолжительность хранения оказывала влияние на микроструктуру мякиша хлеба. Наибольшие изменения микроструктуры наблюдались в процессе хранения мякиша хлеба из муки с пониженным содержанием клейковины и продолжительностью выпечки 10 и 20 мин (рис.11-А). По мере увеличения продолжительности хранения от 4 до 48 ч микроструктура мякиша становилась менее однородной и характеризовалась увеличением числа микротрещин по периметру микропор образцов. Внутренняя поверхность микропор теряла свой сглаженный характер и переходила в шероховатую. Продолжительность выпечки так же оказывала влияние на изменение микроструктуры мякиша в процессе хранения. Увеличение продолжительности выпечки от 20 до 30 мин способствовало более полной клейстеризации крахмала и денатурации белка, вследствие чего образовывалась единая аморфная масса, которая подвергалась значительно меньшим изменениям в процессе хранения. Увеличение в 2000 (рис.12-А) раз показало, что при продолжительности хранения 48 ч микроструктура теряла свою однородность, отчетливо видны частично клейстеризованные зерна крахмала, которые уже в меньшей степени связаны с денатурированными белками клейковины. При увеличении содержания клейковины до 30%-35% изменение в микроструктуре мякиша хлеба были менее значительными (рис.12-Б).
.
| 10 мин выпечки | 20 мин выпечки | 30 мин выпечки | 10 мин выпечки | 20 мин выпечки | 30 мин выпечки | |||||
| 4 ч хранения | ||||||||||
| 4 8 ч хранения | ||||||||||
А Б
Рис.11. Влияние продолжительности выпечки на микроструктуру мякиша хлеба из муки с различным содержанием клейковины Вариант I – А и Вариант IV – Б при продолжительности хранения 4 и 48 ч (увеличение в 600 раз)
10 мин выпечки 20 мин выпечки 30 мин выпечки 10 мин выпечки 20 мин выпечки 30 мин выпечки
А Б
Рис.12. Влияние продолжительности выпечки на микроструктуру мякиша хлеба из муки с различным содержанием клейковины Вариант I – А и Вариант IV – Б при продолжительности хранения 48 ч (увеличение в 2000 раз)
Рис.13. Влияние продолжительности хранения на содержание свободной влаги хлебного мякиша из муки с различным содержанием клейковины (продолжительность выпечки 25 мин)
А
Б
Рис.14. Влияние продолжительности хранения на содержание свободной влаги мякиша хлеба из пшеничной муки Варианта I - А и Варианта IV - Б с различной продолжительностью выпечки
Процесс хранения связан с перераспределением влаги между биополимерами мякиша хлеба. Содержание свободной влаги в мякише изменялось в зависимости от продолжительности его хранения.
При хранении от 4 до 24ч (рис.13) происходит снижение содержания свободной влаги, что связано с ретроградацией крахмала. Выделенная крахмалом влага связывается белком, который ренатурирует и достигает максимума своей гидрационной способности. Во втором периоде содержание свободной влаги либо увеличивается, либо не меняется вследствие насыщения связей белка по которым могут присоединяться молекулы воды. В наибольшей степени это проявляется в мякише хлеба, приготовленного из муки с пониженным содержанием клейковины. В этих образцах хлеба насыщение свободных связей белков происходит с большей скоростью.
Из диаграммы (рис.14) видно, что наибольшие изменения в зависимости от продолжительности выпечки и хранения наблюдали в образцах хлеба из муки с пониженным содержанием клейковины. Независимо от продолжительности выпечки и хранения повышение содержания клейковины в муке от 20% до 35% приводило к незначительному изменению содержания свободной влаги в мякише хлеба. Изменение содержания свободной влаги в мякише хлеба связано с недостаточной продолжительностью выпечки при низком содержании
клейковины. Повышение содержания клейковины в муке и продолжительности выпечки способствует более прочному связыванию влаги в мякише хлеба и меньшему ее перераспределению в процессе хранения.
2.2.5. Разработка регламента выпечки подового хлеба из муки с различным содержанием клейковины
Руководствуясь положениями теории подобия физических явлений и предложениями проф. В.А. Брязуна, разработали обобщенный подход к регламенту выпечки хлеба из пшеничной муки с различным содержанием клейковины.
При разработке такого подхода исходили из того, что выпечку подобных видов изделий (одинаковой формы, с пропорциональными сходными размерами и выпекаемых из идентичного сырья при идентичных условиях) можно охарактеризовать безразмерным числом подобия Фурье (Fовып) и массообменным числом (вып):
Fовып= aоп вып / l2оп = aоп вып /(3Vиз/Fиз)2 ; (1)
вып = jисп lоп /с = mисп lоп/ Fиз вып с. (2)
где вып – продолжительность выпечки, с;
lоп – определяющий размер выпекаемых изделий, равный отношению их трехкратного объема Vиз к площади поверхности Fиз, м;
aоп – коэффициент температуропроводности теста-мякиша при определяющей температуре, м2/с;
jисп – средняя плотность потока испаряющейся влаги при массе mисп, кг/(м2·с)
с – коэффициент динамической вязкости среды пекарной камеры, Па·с;
В этих соотношениях объем и площадь изделий вычисляются в зависимости от их высоты h и диаметра d:
Vиз = 0,62 d2 h – 0,08 d h2 ; (3)
Fиз = 1,87 d1,33 h0,67 + 0,86 d h + 0,79d2 – 0,15h2. (4)
Чтобы установить значения чисел Fовып и вып, проводили выпечки образцов хлеба массой 200г из «модельной» муки Варианта I-IV и при температуре пекарной камеры 220 °C.
В разделе 2.2.2. отмечалось что проведение выпечки сопровождалось измерением температуры в центральной области ВТЗ – tцен (рис.6), а так же определением абсолютной величины упека, как массы испарившейся влаги mисп. По измеренной температуре устанавливали рациональную продолжительность процесса выпечки. Она соответствовала моменту времени, при котором в центральной области ВТЗ достигалась предельная температура 
близкая к 97° С.
Полученные зависимости (рис.6) представляли в виде функции безразмерной температуры цен от переменного значения числа Фурье (Fо).
Первый параметр вычисляли по формуле:
цен = ( tцен - tо )/( 
- tо ), (5)
а второе – из тождества (1) путем замены продолжительности выпечки вып на текущее время :
Fо = aоп / l2оп. (6)
В соотношении (5) tо обозначает начальную температуру ВТЗ.
При нахождении числа Fо определяющий размер lоп принимался равным 48-52 мм. При этом коэффициент температуропроводности aоп, принимался равным 2,810-7 м2/с.
В качестве примера для «модельной» муки Варианта I на рис. 15 отражен характер зависимости безразмерной температуры цен от переменного значения числа Фурье Fо.
Рис.15. Изменение безразмерной температуры центральной области ВТЗ из муки с содержанием клейковины 20% (Вариант I)
Располагая ими, по безразмерной температуре, равной единице, определили рациональное значение числа Фурье, как критерия окончания выпечки - Fовып.
Для подобных изделий, при равном содержании клейковины, он будет одинаковым. Поэтому регламент рациональной продолжительности выпечки можно составлять на основе формулы:
вып = Fовып(3 Vиз / Fиз)2 1/aиз (7)
Число Фурье для проб муки с различным содержанием клейковины (К) определяется на основе уравнения:
Fовып = 0,0846 + 0,00636К – 0,00016К2. (8)
Таким образом, зная содержание сырой клейковины (К) в муке, по уравнению (8) в начале рассчитывается число Фурье, а затем по формуле (7) вычисляется необходимая продолжительность выпечки для конкретного изделия с известными размерами h и d.
Аналогичную работу проводили в отношении массообменного числа Пвып. Для него справедливо уравнение:
Пвып = 0,9133 – 0,03352К + 0,00084К2. (9)
Вычисляя по этому уравнению соответствующее значение числа Пвып, получается, что прогнозируемая величина упека определяется формулой:
mисп = Пвып вып с Fиз 2 / 3Vиз. (10)
Для установления оптимальной продолжительности выпечки и величины упека круглого подового хлеба из пшеничной муки достаточно иметь информацию о содержании клейковины в муке и размерах изделия.
2.2.6. Промышленная апробация
Проведенная производственная проверка регламента выпечки паляницы украинской в условиях ЗАО «Хлебокомбинат «ПЕКО» (Хлебозавод № 26, г. Москва), которая показала возможность применения критерия Фурье и массообменного числа для определения рациональной продолжительности выпечки и ожидаемой величины упека с учетом содержания клейковины в муке.
Математические модели для вычисления критерия Фурье и массообменного числа могут быть рекомендованы хлебопекарным предприятиям для разработки технологического регламента выпечки пшеничного подового хлеба с учетом содержания клейковины в муке.
ВЫВОДЫ
Разработан регламент выпечки пшеничного хлеба с учетом содержания биополимеров теста.
В результате проведенных исследований получены новые научные данные о влиянии содержания биополимеров в муке на теплофизические процессы, протекающие при выпечке, геометрические размеры выпекаемых ТЗ, микроструктуру мякиша, соотношение форм связи влаги, гидрофильные свойства мякиша в процессе выпечки и хранения.
На основании проведенных исследований сделаны нижеследующие выводы:
- Содержание биополимеров в муке, продолжительность выпечки и хранения изделия оказывают существенное влияние на качество хлеба. Увеличение содержания клейковины в муке от 20% до 35% и продолжительности выпечки от 10 до 30 мин приводит к улучшению органолептических и физико-химических показателей качества хлеба. Общая балльная оценка возрастает на 41%.
2. Интенсивность протекания теплофизических процессов и кинетика подъема ВТЗ зависят от содержания биополимеров в тесте. Снижение содержания клейковины в муке способствует увеличению количества сконденсировавшейся влаги на поверхности ВТЗ в период увлажнения, улучшению глянца изделий, снижению упека, скорости прогрева и изменения массы в процессе выпечки. Отмечено, что момент стабилизации геометрических характеристик ВТЗ наступает тем раньше, чем выше содержание клейковины в муке.
3. С помощью электронной сканирующей микроскопии показано влияние продолжительности выпечки на изменение микроструктуры мякиша подового хлеба из муки с различным содержанием клейковины при хранении. Повышение содержания клейковины в муке от 20% до 35% способствует образованию единой белково-углеводной структуры, которая в меньшей степени подвергается изменениям в процессе хранения.
4. Содержание биополимеров в муке и продолжительность выпечки оказывают существенное влияние на фракционный состав белков в тесте и мякише хлеба. Продолжительность выпечки ТЗ не влияет на общее содержание белка в ней и зависит от количества клейковины в муке. Увеличение количества клейковины в муке приводит к снижению содержания соле- и спирторастворимой фракций и повышению содержания щелочерастворимой фракции и нерастворимого остатка. Прогрев ТЗ приводит к снижению содержания соле-, спирто- и щелочерастворимых фракций и к увеличению нерастворимого остатка независимо от содержания клейковины в муке. Наиболее лабильной фракцией белков ВТЗ является солерастворимая. Изменение содержания этой фракции происходит после 10-15 мин выпечки. Только часть спирторастворимых белков денатурирует к 15-20 мин выпечки. Денатурация щелочерастворимых белков происходит в течение 30 мин.
5. Содержание биополимеров в муке, продолжительность выпечки и хранения влияют на соотношение форм связи влаги в мякише подового хлеба. Увеличение содержания клейковины в муке от 20 до 35% и продолжительности выпечки до 30 мин снижает долю свободной влаги на 10-24%. При хранении хлеба в течение 4 - 24 ч после выпечки содержание свободной влаги в мякише хлеба из муки с содержанием клейковины 20 - 35% снижается на 1-9% независимо от продолжительности выпечки. Увеличение продолжительности хранения до 48 ч приводит к увеличению содержания свободной влаги на 2-9% для образцов из муки с содержанием клейковины 20 - 35%.
6. Содержание клейковины в муке, продолжительность выпечки и хранения оказывает влияние на гидрофильные свойства мякиша. Увеличение содержания сырой клейковины в муке и продолжительности выпечки приводит к увеличению гидрофильных свойств на 13 - 29%. Продолжительность хранения от 4 до 48ч снижает гидрофильные свойства мякиша хлеба на 6 – 17% для образцов из муки с содержанием клейковины 20 - 35% соответственно.
7. На основании теории подобия физических явлений, разработан обобщенный подход к регламенту выпечки подового хлеба из пшеничной муки с различным содержанием клейковины. Аппроксимацией экспериментальных данных методом наименьших квадратов получены математические зависимости числа Фурье и массообменного числа для проб муки с различным содержанием клейковины. Разработан регламент выпечки подового хлеба из пшеничной муки высшего сорта с учетом содержания в ней клейковины. Разработанный регламент апробирован в производственных условиях на хлебозаводе № 26 (ЗАО Хлебокомбинат «ПЕКО», г. Москва) на технологической линии по производству паляницы украинской массой 0,75 кг из муки высшего сорта.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Метелкина, Ю.С. Влияние продолжительности выпечки на микроструктуру мякиша хлеба из пшеничной муки высшего сорта [Текст]/ Ю.С. Метелкина, О.М. Аношина // Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации: сб. докладов IV Международной конференции-выставки, Часть III. - М.:МГУПП, 2006. - С.33-36.
2. Аношина, О.М. Исследование микроструктуры мякиша хлеба из пшеничной муки высшего сорта в процессе выпечки [Текст]/ О.М. Аношина, Ю.С. Метелкина // Живые системы и биологическая безопасность населения: материалы V Международной конференции студентов и молодых ученых. - М.:ИК МГУПБ, 2006. - С. 126-129.
3. Anoshina, O. M. The Study of the Bakery Process Duration Influence Moisture Characteristices in Bread Crumb by NMR analysis [Text] / O. M. Anoshina, Y.S. Metelkina // International Symposium and Summer School in Saint Petersburg Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter: 4th meeting: “NMR in Life Sciences” Saint Petersburg. – 2007. - p.52-53.
4. Аношина, О.М. Изучение влияния продолжительности выпечки на состояние влаги в мякише хлеба с помощью ЯМР-анализа [Текст]/ О.М. Аношина, Ю.С. Метелкина // Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации: сб. докладов V Международной школы-конференции. - М.:ИК МГУПБ, 2007г.
5. Аношина, О.М., Влияние силы муки и продолжительности выпечки на качество хлеба [Текст]/ О.М. Аношина, Л.И. Пучкова, Ю.С. Метелкина // Хлебопродукты. - 2008. - № 2. - С. 58-59.
6. Аношина, О.М. Фракционный состав белков в тесте и в мякише хлеба из пшеничной муки различной по силе [Текст]/ О.М. Аношина, Ю.С. Метелкина, В.В. Колпакова // Хлебопродукты. - 2008. - № 9. - С. 65-66.
7. Пучкова, Л.И. Изменение фракционного состава белков пшеничного теста и мякиша хлеба из муки, различной по силе [Текст]/ Л.И. Пучкова, О.М. Аношина, Ю.С. Метелкина // Науковi Працi Нухт. – 2008. - №25. – С.32-33.
8. Аношина, О.М. Изменение качества хлеба и гидрофильных свойств мякиша в процессе хранения [Текст]/ О.М. Аношина, Ю.С. Метелкина // Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров: сб. докладов I межведомственной научно-практической конференции. - М.: ИК МГУПП. – 2008. – С.60-66.
9. Метелкина, Ю.С. Изменение гидрофильных свойств мякиша хлеба в процессе выпечки [Текст]/ Ю.С. Метелкина, О.М. Аношина // Пищевые технологии и биотехнологии: сб. тезисов докладов IX Международной конференция молодых ученых. – Казань: Издательство «Отечество». - 2008. – С. 72.
10. Аношина, О.М. Влияние силы муки и продолжительности выпечки на изменение микроструктуры мякиша хлеба в процессе хранения [Текст]/ О.М. Аношина, Ю.С. Метелкина // Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров: сб. докладов II межведомственной научно-практической конференции. - М.: ИК МГУПП. – 2009. – С.143.
Автор диссертации выражает благодарность к.т.н., доц. Аношиной О.М., д.т.н., проф. Брязуну В.А., к.т.н., доц. Аднодворцеву М.Ф., д.т.н., проф. Колпаковой В.В. за помощь, оказанную при проведении специальных исследований.
