Исследование процесса термообработки ржано-пшеничных полуфабрикатов в атмосфере нагретого пара

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Выпечка хлеба из пшеничной, ржаной и ржано-пшеничной муки

1.1.1 Традиционные способы выпечки хлебобулочных изделий

1.1.2 Роль хлебопекарных свойств пшеничной муки в получении хлеба высокого качества

1.1.3 Химические и технологические показатели рисовой муки

1.1.4 Перспектива развития новых видов выпечки хлебобулочных изделий

1.2 Строение крахмала зерновых культур

1.2.1Хлебопекарные свойства пшеничной муки

1.2.2 Хлебопекарные свойства ржаной муки

1.2.3Химический состав пшеничной муки

1.2.4 Химический состав ржаной муки

1.2.5 Аминокислотный состав зерна ржи

1.3 Технология производства ржаного и ржано-пшеничного хлеба

1.4 Методы оценки показателей качества полуфабрикатов

1.5 Использование нетрадиционного сырья в хлебопечении

1.5.1 Использование зерновых и крупяных продуктов в хлебопечении

1.5.2 Использование дополнительного сырья и пищевых добавок в технологии ржаного, пшеничного и ржано-пшеничного хлеба

1.6 Заключение по обзору литературы

2. Экспериментальная часть

2.1 Сырье и материалы, применявшиеся при проведении исследований

2.2 Методы исследования свойств сырья, полуфабрикатов и готовых изделий

2.2.1 Методы оценки свойств сырья

2.2.2 Приготовление полуфабрикатов и готовых изделий

2.2.3 Методы исследования свойств полуфабрикатов

2.2.4 Методы оценки качества хлеба

2.3 Характеристики сырья, применявшегося в работе

2.4 Оборудование для приготовления ржано-пшеничного хлеба в пароварке

2.5 Результаты исследований и их анализ

2.5.1 Определение рецептуры теста для паровых изделий из смеси ржаной и пшеничной муки

2.5.2 Определение продолжительности брожения теста для ржано-пшеничных полуфабрикатов

2.5.3 Определение продолжительности расстойки ТЗ для паровых хлебобулочных изделий из смеси ржаной и пшеничной муки

2.5.4 Определение параметров термообработки ТЗ для паровых хлебобулочных изделий из ржаной и пшеничной муки

2.6 Выводы по экспериментальной части

3. Технологическая часть

4. Экономическая частью

5. Охрана труда и окружающей среды

Вывод

Список использованной литературы

хлеб мука тесто полуфабрикат

Введение

Среди разнообразных видов хлеба и хлебобулочных изделий ржаные и ржано-пшеничные занимают особое место. Хлебобулочные изделия обладают не только ни с чем несравнимым вкусом и ароматом, но и благодаря особенностям химического состава ржаной муки, оказывает положительное влияние на здоровье человека.

Рожь - одна из важнейших злаковых культур. Норма потребления ржаной муки (в процентах от всех злаков) около 30%. Ржаная мука обладает многочисленными полезными свойствами. В ее состав входят необходимые нашему организму аминокислота - лизин, пищевые волокна - клетчатка, минеральные вещества - марганец, цинк. В составе ржаноймукина 30% больше железа, чем впшеничной, в 1,5-2 раза больше магния и калия. Употребление ржаного хлеба помогает снизить холестерин в крови, улучшает обмен веществ, работу сердца, выводит шлаки, помогает предотвратить несколько десятков заболеваний, в том числе и онкологических.

К сожалению, в последние годы и в России, 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, способно вернуть им былую популярность.

Одним из направлений развития в области технологии хлебопечения является использование нетрадиционного сырья в рецептуре изделий, в том числе, и ржаного хлеба. В настоящее время разработаны различные виды хлебобулочных изделий с добавлением пищевых волокон, соевой, рисовой, гречневой муки, а также муки из зерна тритикале.

В связи с этим целью исследований явилась разработка технологии применения овсяной муки при производстве хлебобулочных изделий из смеси ржаной и пшеничной муки. Для решения поставленной цели решали следующие задачи:

· обоснование применения при производстве хлебобулочных изделий из смеси ржаной и пшеничной муки;

· разработка технологических решений применения при производстве хлебобулочных изделий из смеси ржаной и пшеничной муки;

· изучение влияния различных технологических факторов на качество хлебобулочных изделий из смеси ржаной и пшеничной муки;

· исследование влияния овсяной муки на потребительские свойства хлебобулочных изделий из смеси ржаной и пшеничной муки;

1. Обзор литературы

В обзоре литературы представлены сведения о существующих способах выпечки хлебобулочных изделиях и перспективах их развития, данные по химическому составу, хлебопекарным свойствам ржаной муки, а также описаны существующих технологии производства ржано-пшеничного хлеба, перечислены характеристики и свойства микроорганизмов ржаных заквасок и теста, описаны процессы, протекающие при созревании ржаных полуфабрикатов и их отличия в свойствах и способах приготовления ржаного теста, приведены существующие методы оценки свойств полуфабрикатов при производстве ржано-пшеничного хлеба. Отдельная глава посвящена использованию нетрадиционных видов хлебопекарного сырья.

1.1 Выпечка хлеба из пшеничной, ржаной и ржано-пшеничной муки

Выпечка является одной из важнейших стадий приготовления хлеба, в значительной степени определяющей структуру и качество готовых изделий. При прогреве тестовых заготовок в них происходит ряд процессов, тесно связанных между собой и взаимно влияющих друг на друга. Основными компонентами муки и теста является крахмал и белок, которые, претерпевая ряд изменений в своей структуре, обеспечивают получение уникального продукта - хлеба. На характер и интенсивность протекания этих процессов значительное влияние оказывают технологические факторы, основными из которых являются свойства муки и тестовых заготовок, а также режим выпечки изделий.

В ряде исследований отмечается нестабильность свойств основного сырья хлебопекарной промышленности - муки. Одним из основных показателей ее качества является сила муки, которая определяется как свойствами клейковины, так и ее количеством. Изменение соотношения основных биополимеров в муке - крахмала и белка, влечет за собой изменения в качестве изделий, а следовательно и в процессах протекающих при выпечке хлеба и последующем его хранении.

Изучение процесса выпечки имеет большое значение при решении вопросов, связанных с повышением качества хлеба. Ниже изложены основные сведения научно-технической литературы.

1.1.1 Традиционные способы выпечки хлебобулочных изделий

При выпечке хлеба в тестовой заготовке происходят теплофизические, микробиологические, коллоидные, биохимические процессы и другие процессы. Эти процессы взаимно влияют друг на друга, а интенсивность их протекания зависит от режима прогрева, энергии связи влаги с материалом и свойств тестовой заготовки.

Технологическое назначение выпечки заключается в закреплении пористой структуры теста, достигнутой при его созревании, в результате чего образуется эластичный, сухой на ощупь мякиш, формируется характерная окраска и толщина корки, накапливаются вкусовые и ароматические вещества [2,1,18,12,13,30].

Разработкой теоретических основ выпечки занимались ряд отечественных и зарубежных исследователей [2,1,9,21,14,11-13,34,37].

Передача тепла ВТЗ осуществляется кондукцией от пода на котором выпекается хлеб, конвекцией от среды пекарной камеры и излучением от поверхностей нагрева и ограждений пекарной камеры. Роль передачи тепла тестовой заготовки каждым из перечисленных выше способов зависит от конструктивных особенностей и режима работы печи. Ведущая роль во всех случаях остается за передачей теплоты излучением [37].

Существенное значение в передаче теплоты в первый период выпечки тестовой заготовки может иметь теплота конденсации паров паровоздушной смеси пекарной камеры на поверхности и в поверхностном слое ВТЗ, посаженной в печь.

Ведущим фактором процессов, происходящих при выпечке, является прогрев массы ТЗ. Одним из первых в нашей стране изучением температурного поля ВТЗ занимался Л.Я. Ауэрман [1]. Работами Л.Я. Ауэрмана показано, что в процессе выпечки значительную роль играет термовлагопроводность, обусловленная сравнительно большой величиной теплового напряжения поверхности ВТЗ, поэтому в ней создается значительный температурный градиент. Это явление определяет специфический характер тепло- и массообмена при выпечке. При прогревании средняя влажность тестовой заготовки уменьшается из-за испарения влаги из поверхностных слоев, которые превращаются в корку. Испарение влаги при выпечке происходит при постепенном углублении зоны испарения, которая перемещается внутрь выпекаемого хлеба при утолщении корки. Результаты экспериментальных данных Л.Я. Ауэрмана [1], А.С. Гинзбурга [10] по изучению температурного поля ТЗ позволили выделить три основных зоны: I - поверхностного слоя, II - центральных слоев и III - слоев, расположенных на границе корки и мякиша. Наличие зоны испарения определяет характер температурных кривых.

Процесс выпечки тестовых заготовок протекает в условиях нестационарного прогрева и делится на периоды [1,4,13,23,30]. Каждый из них характеризуется определенными изменениями, происходящими в хлебе.

На основании затрат тепла и кинетики влагоотдачи в процессе выпечки, А.С. Гинзбург [21] выделяет два периода. В первом периоде тепло расходуется на прогрев массы ВТЗ (от поверхности внутрь), испарение влаги с поверхности ТЗ и на внутренние физико-химические процессы, имеющие эндотермический характер. Первый период характеризуется переменной (увеличивающейся) скоростью влагоотдачи, когда средняя (интегральная) влажность изделия уменьшается незначительно и образование корки в определенной мере происходит за счет перемещения влаги внутрь изделия.

Во втором периоде тепло затрачивается в основном на испарение влаги и на нагрев массы корки и в меньшей мере - на доведение всей массы мякиша до температуры 95°C - 97°C. Период характеризуется постоянной скоростью влагоотдачи, когда влажность уменьшается примерно с постоянной скоростью за счет испарения при углублении зоны испарения.

И.И. Маклюков и В.И. Маклюков [13] в своей работе выделяют три периода выпечки. По данным авторов, первый период начинается с момента поступления тестовой заготовки в пекарную камеру и протекает при высокой относительной влажности (до 80 %), сравнительно низкой температуре паровоздушной среды пекарной камеры (110...120 С) и длится 2...3 мин.

В первые минуты выпечки на поверхности тестовой заготовки и во внутренних ее слоях конденсируются водяные пары, что приводит к повышению влажности и массы теста (на 1,3%). Под действием создавшегося градиента влажности влага перемещается вглубь тестовой заготовки. В том же направлении происходит перемещение влаги под действием термовлагопроводности, так как температура поверхностного слоя куска теста в начале выпечки быстро повышается. Происходит интенсивный тепло и массообмен, в результате которого осуществляется прогрев тестовой заготовки.

В этом периоде происходит увеличение объема тестовых заготовок за счет длины и ширины. Степень увеличения объема зависит от состояния теста, режима выпечки и других факторов. Хорошее увлажнение способствует повышению объема тестовой заготовки.

После достижения поверхностью выпекаемой тестовой заготовки (ВТЗ) температуры точки росы, конденсация пара прекращается и заканчивается первый период [1,2,13,30].

Второй период идет при высокой температуре 270-290С, без увлажнения газовой среды. В начале второго периода прекращается конденсация пара и начинается испарение конденсата с поверхности тестовой заготовки. В этот момент происходит снижение массы тестовой заготовки [1,21,12,13]. Сначала происходит испарение влаги микро - и макрокапилляров из поверхностных слоев, а затем адсорбционно-связанной влаги, что приводит к замедлению испарения влаги [1,21,28,30].

После обезвоживания поверхностных слоев, по мере утолщения корки, зона испарения соответственно углубляется, оставаясь пограничной между коркой и мякишем. Температура в зоне испарения не превышает 100?C. Часть водяных паров из зоны испарения проходит через корку в атмосферу пекарной камеры, а часть паров переходит в центральные слои мякиша, где и конденсируется. Влажность центральной части мякиша горячего хлеба за счет теплового перемещения влаги повышается на 1,5 - 2,0% по сравнению с влажностью тестовой заготовки.

При выпечке хлеба процесс влагоотдачи характеризуется углублением поверхности испарения. Влага из ВТЗ удаляется исключительно за счет испарения ее из поверхностных слоев, а влажность остальной части ВТЗ увеличивается вследствие перемещения влаги от поверхности внутрь в силу термовлагопроводности.

В этом периоде увеличивается высота и уменьшается ширина изделия. Продолжительность этого периода может изменяться. Чем меньше продолжительность второго периода, тем быстрее образуется корка и заканчивается увеличение объема хлеба. Увеличение продолжительности второго периода приводит к получению хлеба большого объема [13]. Второй период является важным, так как от правильности его проведения зависят такие характеристики качества хлеба, как объем и форма.

Третий период - это завершающий этап выпечки. Он характеризуется менее интенсивным подводом теплоты (температура среды 180С), углублением зоны испарения, расположенной на границе подкоркового слоя и мякиша. В третьем периоде продолжается прогрев внутренних слоев ВТЗ и по достижению температуры 95-98С мякиш считается полностью пропеченным [1,2,12,13,23,30].

По данным И.И Маклюкова и В.И. Маклюкова [13], начало третьего периода наступает в момент достижения поверхностью ВТЗ температуры 105-115С и образования корки. В этот момент происходит изменение окраски верхнего, частично обезвоженного слоя ВТЗ, превратившегося в корку за счет образования меланоидинов. Внутренние слои превращаются в мякиш, стабилизируется объем ВТЗ.

Интенсивное испарение влаги снижается вследствие образования корки и скорость испарения в этом периоде становится постоянной.

В процессе выпечки существенно изменяется качество ВТЗ. Хорошо пропеченное изделие обладает глянцевой румяной коркой, сухим эластичным мякишем, хорошим вкусом и ароматом.

Изучению подъема ВТЗ в процессе выпечки посвящено большое количество работ [1,2,21,11,12]. Впервые кинетика роста ВТЗ была исследовании А.С. Гинзбургом [21]. Исследователем установлено, что в процессе формирования объема готового изделия можно выделить два периода: период переменного, возрастающего объема и период постоянного объема. В работах А.Т. Лисовенко [12], Л.Я. Ауэрмана [1], А.С. Гинзбурга [21] использовались специальные установки для замера подъема ВТЗ в печи в процессе выпечки. Полученные данные показали, что достижение максимальной высоты и диаметра хлеба происходит одновременно. Деление процесса выпечки на два периода увязывается с кинетикой влагоотдачи в ходе выпечки.

В.И. Маклюковым [13] был исследован процесс формообразования батонообразных изделий. Основываясь на полученных экспериментальных данных, он предложил разбить процесс формообразования на четыре этапа.

На первом этапе, в зоне увлажнения ВТЗ расплывается под влиянием, выпадающих на ее поверхность паров конденсата. Высота ВТЗ уменьшается, ширина и длина увеличиваются.

Интенсивное увеличение объема происходит на втором этапе формообразования, при этом увеличиваются размеры ВТЗ: высота, ширина и длина. Изменение геометрических параметров ВТЗ на втором этапе зависит от скорости и продолжительности ее прогрева. По мере прогрева ВТЗ образуется оболочка из мякиша, который по своим свойствам отличен от теста. Давление газов в порах вследствие их термического расширения обуславливает стремление ВТЗ к сферической или цилиндрической форме. Малое давление в порах приводит к расплыванию ВТЗ из-за преобладания гидростатического давления на оболочку мякиша. Интенсивный теплообмен в пекарной камере приводит к резкому увеличению давления в порах, что ведет к увеличению высоты и менее интенсивному увеличению ширины и длины ВТЗ. Слабый прогрев ВТЗ способствует медленному росту давления в порах. Гидростатическое давление теста на оболочку из мякиша возрастает в результате чего увеличивается длина и ширина ВТЗ.

На третьем этапе увеличивается высота ВТЗ, а ширина и длина - уменьшаются.

Четвертый этап формообразования начинается с момента образования корки. При этом форма ВТЗ стабилизируется, а в отдельных случаях наблюдается незначительное уменьшение размеров готового изделия по сравнению с ВТЗ в конце третьего периода.

Прогрев тестовой заготовки влечет за собой глубокие изменения в структуре теста и его компонентов. Вода является важным компонентом теста. Она выполняет три основных функции: она является растворителем для водорастворимых веществ, активизирует ферменты и способствует формированию новых связей между макромолекулами биополимеров муки.

Коллоидная природа ВТЗ обуславливает наличие в ней нескольких форм связи влаги. П.А. Ребендер [цит. по 21] предложил классификацию связи влаги материалами, разделив ее на три энергетических уровня: при Е выше 125 кДж/моль присутствует химически связанная влага, ниже этой величины связь физико-химическая, а при условии удаления влаги путем отжима - механическая связь.

Наиболее прочно удерживается химически связанная вода. Ее молекулы входят в состав основного вещества в точных количественных соотношениях и освобождаются лишь при химическом взаимодействии или при особой интенсивной тепловой обработке (прокаливание) [24,27].

Влага физико-механической связи. Влага, механически удерживаемая сложной внутренней структурой коллоидной системы, сохраняет свои исходные свойства. Ей соответствуют следующие формы связи: влага макрокапилляров - эта часть воды находится в узких капиллярах, она заполняет сквозные макро-капилляры только при непосредственном соприкосновении; влага микрокапилляров - эта жидкость заполняет любые микрокапилляры не только при непосредственном соприкосновении, но и путем сорбции из влажного продукта. Причиной этой формы связи является капиллярное давление.

Вода физико-механической связи перемещается в теле как в виде жидкости из центральных слоев тела до зоны испарения, так и в виде пара от зоны испарения через сухой слой наружу [цит. по 27].

Влага физико-химической связи. Влага, образующая физико-химические связи в различных, но строго определенных соотношениях. Ей соответствуют следующие формы связи: адсорбционно-связанная влага - это жидкость, удерживаемая молекулярным силовым полем по гидрофильным группам у поверхности раздела мицелл с окружающей средой.

Всякая поверхность обладает способностью адсорбировать воду, причем с увеличением этой поверхности, количество адсорбированной воды возрастает. Миграция адсорбционно-связанной влаги, как влаги наиболее прочно связанной с коллоидным телом, будет происходить в виде диффузии пара. Удаление прочно связанной с телом адсорбционной влаги связано с соответствующей затратой энергией. Для удаления адсорбционно-связанная влага должна быть превращена в пар, после чего начинается диффузия ее к наружной поверхности тела. На долю адсорбционной связанной влаги приходится примерно около 20 % от общего количества влаги, содержащейся в хлебе [2].

Осмотически поглощенная влага (влага набухания). К этим видам связи влаги относится влага, находящаяся в замкнутых ячейках. Эта влага является свободной в том смысле, что ей соответствует весьма малая энергия связи.

Влага набухания в основном мигрирует в виде жидкости под влиянием диффузионно-осмотических сил, т. е. миграция жидкости происходит по типу избирательной диффузии-осмоса, через стенку клеток. Осмотически связанная влага составляет главную массу всей связанной воды полуфабрикатов и готового продукта.

Г.А. Егоров [16] считает, что состояние воды в гидрофильных пищевых материалах определяется уровнем энергетического взаимодействия молекул воды с активными центрами макромолекул биополимеров. Исследователь утверждает, что "вступая в контакт с активными центрами биополимеров, вода изменяет свое физическое состояние. Вся поглощенная пищевыми гидрофильными материалами вода находится в связанном состоянии, при равновесии с параметрами окружающей среды в материалах не может присутствовать свободная вода, как это нередко утверждается в различных статьях и монографиях. Следует различать лишь уровень связи, в зависимости от энергетической емкости объекта (продукта), обусловленный его химическим составом и структурой: слабо связанную или же прочносвязанную воду".

Работами целого ряда исследователей [34,35,36,41] также подтверждается, что связанная вода представлена двумя ее фракциями с различной подвижностью, т.е. с различной интенсивностью теплового движения, энергией и типом межмолекулярных связей. Между этими фракциями происходит постоянный обмен, интенсивность которого возрастает с повышением влажности и температуры.

R. Ruan [42], используя метод ЯМР установил, что жидкая фаза или "подвижная вода" начали появляться, когда влагосодержание муки превысило 23% и повышалось стремительно, пока влагосодержание не достигло 35%. Изучение изотерм сорбции показало несколько уровней связи воды в процессе формирования теста в диапазоне влажностей от 0% до 40%. Образование монослоя молекул воды на поверхности частиц муки наблюдалось уже в диапазоне 0% - 5%, второй монослой достигался при 14%, относительно свободная вода появлялась лишь при влагосодержании 23% - 35%.

Однако некоторые исследователи (P.S.Belton, E.Esselink) подвергли сомнению использование термина "связанная вода". Другая точка зрения заключается в том, что взаимодействие воды с различными биополимерами муки характеризуется различными нормами ее молекулярной подвижности.

P.L. Chen [36] и S.B. Engelsen в своих работах, указывают на наличие в свежевыпеченном мякише хлеба не двух, а трех фракций воды, которые различаются степенью подвижности. Наименьшая подвижность воды была вызвана взаимодейкствием с клейковиной, чуть большая - с крахмалом и пентозанами, а самая большая подвижность связывалась с протонным обменом между клейковиной и крахмалом.

Существует и противоположная точка зрения на использование ЯМР-спектроскопии. P. Chinachoti и др. и B.P. Hills и др. предположили, что интерпретация измерений интегральной интенсивности воды в пищевом продукте данным методом, вовлекает в себя и химические обмены между протонами воды и протонами биополимеров. Они пришли к выводу, что выявленную закономерность, возможно применить для изучения морфологии биополимеров, используя протоны воды в качестве "усилителя" относительно немногочисленных протонов полимера.

Вода не равномерно распределена среди структурных компонентов теста. W. Bushuk [34] приводит данные о том, что 6% воды в тесте связано с крахмалом, 31% с белком и 23% влаги связано с пентозанами. По данным калориметрических исследований, температура замерзания воды в тесте существенно сдвинута, тогда как часть ее остается и вовсе "незамораживаемой".

Используя ЯМР-спектроскопию S. Li, L.C. Dickinson, P. Chinachoti исследовали протонную релаксацию для воскового кукурузного крахмала, клейковины пшеницы и их смеси. Они изучили влияние влагосодержания и тепловой обработки на подвижность протонов воды и выдвинули предположение, что у клейковины пшеницы наблюдается большая степень сродства с ними. Вода в клейковинной пасте оставалась относительно неподвижной, в то время, как вода в крахмальной пасте оставалась более мобильной.

S.L. Umbach, E.A. Davis, J. Gordon [38] исследовали коэффициент распределения воды в клейковинных и крахмальных пастах. Они установили, что более высокий коэффициент распространения наблюдается у крахмальных паст, нежели чем у клейковинных. На основании полученных экспериментальных данных они сделали вывод, что малое количество воды, прилитой к сухому крахмалу, связывается зернами достаточно прочно, однако дополнительное количество воды, внесенное в систему, с ними уже не взаимодействует, оставаясь достаточно свободной. Гидратация клейковины привела к большему взаимодействию между молекулами белка и воды, вследствие чего большая часть влаги оставалась неподвижной.

Исследование воды в тесте и готовом хлебе весьма сложный вопрос, в котором нужно учитывать не только распределение воды среди его компонентов, но и изменение ее свойств из-за взаимодействий между водой и биополимерами муки и теста.

ВТЗ представляет собой высокопористую систему. Стенки пор состоят из крахмальных зерен, отрубинистых частиц и белковых пленок, которые покрывают зерна крахмала. В процессе выпечки происходит перераспределение влаги между коллоидами теста.

Белки обладают способностью к набуханию и образованию студней и гелей [10,17,18]. Типичным белковым гелем является пшеничная клейковина. Клейковина теста по данным А.Г. Кульмана [11], имеет максимум набухаемости при 30С, дальнейшее повышение температуры ведет к снижению ее способности к набуханию.

Белково-протеиназный комплекс ВТЗ в процессе выпечки претерпевает существенные изменения. Белки подвергаются воздействию протеиназ и термической денатурации. Протеолиз протекает до определенной степени прогрева ВТЗ и зависит от влажности полуфабриката и длительности прогрева. Исследованиями И.А. Попадич показано, что температура оптимума и инактивации ферментов также зависят от влажности ВТЗ и скорости ее прогрева. Чем быстрее происходит прогрев, тем выше температура инактивации фермента.

Тепловая денатурация белков, как указывает Н.П. Козьмина [17], происходит непрерывно, начиная с температуры 50С и более интенсивно до 80С. При прогревании клейковины в водной среде до температуры свыше 70С вначале коагулирует глютенин, а затем глиадин. В процессе выпечки происходит полная коагуляция белков клейковины, сопровождающаяся выделением влаги, связанной ими в процессе набухания при образовании теста.

Ведущая роль клейковины, принадлежащая ей в процессе набухания муки при замесе теста при температуре около 30С, при постепенном повышении температуры во время выпечки хлеба переходит к крахмалу. Особенно интенсивно поглощение влаги и набухание крахмала происходит при 40-60С, примерно в этих же пределах температур начинается клейстеризация крахмала [1,11,20,30]. Крахмал набухает и клейстеризуется, а молекулы белка денатурируют, отдавая влагу захваченную ими в процессе тестоведения. Такое представление о механизме перераспределения влаги подтверждается большим количеством работ [18,11,40,38].

Повышение температуры до 60-70С приводит к повышению вязкости теста. Однако при прогреве до 60С, мякиш еще не вполне нормального качества: заминающийся и сыроватый на ощупь. Причиной этого является то, что клейстеризации крахмала в условиях недостаточной влаги, продолжается при более высокой температуре 100С. Для получения хлеба с сухим и эластичным мякишем, необходимо выдержать хлеб в печи до достижения температуры в центре мякиша 96-98С [1,2,18,30].

Одним из основных явлений, происходящих при выпечке хлеба, следует считать повышение растворимости крахмала. А.С. Гинзбург [21]указывает, что данное явление обусловлено, как деполимеризацией крахмала в результате воздействия б-амилазы, так и переходом в раствор амилозы из клейстеризованных зерен крахмала. Чем дольше продолжительность выпечки, тем глубже идет гидролиз углеводов [1,10,17,18]. Степень клейстеризации и гидролиза крахмала также определяет свойства мякиша выпеченного хлеба.

Н.П. Козьмина [18] отмечает, что степень клейстеризации крахмала зависит от условий выпечки (продолжительности и скорости прогрева ВТЗ), а также от наличия свободной влаги.

Y. Kim, P. Cornillon указывают, что на степень клейстеризации крахмала влияет и продолжительность замеса теста. Измерения диэлектрической константы теста с различной продолжительностью замеса показали, что начало клейстеризации крахмала было задержано для образцов ВТЗ увеличенным замесом. Сведений о влиянии продолжительности выпечки и скорости прогрева ВТЗ на состояние крахмала при выпечке в научно-технической литературе приводится недостаточно.

В процессе выпечке по мере прогревания ВТЗ происходит изменение жизнедеятельности микроорганизмов. Примерно до 40С жизнедеятельность дрожжей в ВТЗ еще очень интенсивна. При прогревании теста до температуры около 50С процессы, вызываемые дрожжами, резко снижаются [1,2,3,17,18,30].

При прогревании слоев ВТЗ до 60С жизнедеятельность в них дрожжей и нетермофильных кислотообразующих бактерий практически приостанавливается [1,3,18,30]. Как отмечалось выше, прогревание ВТЗ начинается от периферийных слоев к центру. Отсюда следует, что, и описанные изменения в жизнедеятельности бродильных микроорганизмов ВТЗ будут происходить постепенно, по мере ее прогревания, распространяясь от поверхностных слоев к центру.

Качество хлеба напрямую зависит от продолжительности выпечки ТЗ. Момент готовности изделий на хлебопекарных предприятиях до настоящего времени определяется органолептически. Такой способ ненадежен и субъективен. Отдельными исследователями были предложены методы определения готовности хлеба, но практического применения на предприятиях они не нашли.

Руководствуясь известными положениями теории подобия физических явлений, В.А. Брязун [8] пришел к выводу, что критерием окончания выпечки может служить безразмерный комплекс физических величин, называемый числом Фурье. Для подобных выпекаемых изделий идентичного состава, одинаковой формы и с пропорциональными сходными размерами это число будет иметь одну и ту же величину F_овып. Справедливость данного утверждения проверялась экспериментально при выпечке модельных хлебобулочных изделий из пшеничной муки первого сорта с различной массой на поду и в формах. Полученные результаты показали, что для модельных подовых изделий круглой формы число F_овып = 0,13 - 0,14, а для модельных формовых 0,24 - 0,25. Для реальных объектов выпечки им предложено определять продолжительность тепловой обработки ТЗ на основе тождества:

Ф_вып = F_овып I/а

где I - характерный размер реальных выпекаемых изделий;

а - коэффициент температуропроводностипоследних.

Такой подход позволяет найти оптимальное значение продолжительности выпечки, как для всех видов подовых изделий, так и для новых видов изделий.

Знание процессов протекающих при выпечке ТЗ необходимо для организации эффективного использования промышленных печей и повышения качества выпускаемой продукции. Показатели качества пшеничных хлебобулочных изделий в первую очередь определяются хлебопекарными свойствами муки.

1.1.2 Роль хлебопекарных свойств пшеничной муки в получении хлеба высокого качества

Мука является основным сырьем для хлебопекарной промышленности. Ее свойства в значительной степени определяют качество готовой продукции.

Хлебопекарные свойства муки зависят от многих факторов: сорт, агроклиматические условия произрастания, методы обработки зерна пшеницы. Однако основными факторами являются количество и качество клейковины муки - ее сила.

"Сила" муки - способность муки образовывать тесто, обладающее после замеса и в процессе брожения, разделки, расстойки определенными реологическими свойствами [1, 30].

Из научно-технической литературы [1, 6, 25, 30] известно, что "сила" муки определяет количество воды, необходимое для получения теста нормальной консистенции, а также изменения структурно-механических свойств теста при брожении, и в связи с этим поведение теста в процессе его механической разделки, расстойки и выпечки. Количество воды, поглощаемое при замесе теста, имеет важное значение для технологии, так как от этой величины зависит выход готовой продукции.

Мука по силе характеризуется как сильная, средняя и слабая.

Сильной считается мука, способная поглощать при замесе теста нормальной консистенции относительно большое количество воды. Тесто из сильной муки устойчиво сохраняет свойства в процессе замеса, брожения расстойки. Поэтому подовый хлеб из сильной муки с достаточной газообразующей способностью имеет больший объем, не расплывчатую форму, хорошо разрыхленный мякиш.

Слабой считают муку, которая при замесе теста нормальной консистенции поглощает относительно мало воды. В процессе замеса и брожения свойства теста быстро ухудшаются, оно становится к концу брожения жидким (слабым), мало эластичным, липком и мажущимся. Такое тесто трудно разделывается, тестовые заготовки расплываются, подовый хлеб получается расплывчатой формы и имеет пониженный объем.

Средняя по силе мука по описанным свойствам занимает промежуточное положение между сильно и слабой мукой [1, 30, 32].

"Сила" муки оказывает влияние на процесс выпечки хлеба. При переработке муки со "слабой" клейковиной выпечку проводят при обычном режиме, но если окраска корки бледная, то температуру повышают на 10-12?С и удлиняют продолжительность выпечки [14].

Клейковины - главный белок в пшеничном тесте, ответственный за его уникальные вязко-упругие свойства и газоудерживающую способность. Белки при взаимодействии с водой в процессе замеса образуют достаточно хрупкую пространственную структуру, которая является ловушкой для газа, выделяющегося в процессе брожения. Способность клейковины образовывать достаточное количество поперечных связей определяет вязко-упругие свойства теста и мякиша хлеба.

B.J. Dobraszczyk в своей работе отмечает, что реологические свойства теста определяются вторичной структурой белковой молекулы и числом образованных связей, а не химической структурой первичных единиц полимера, как считалось ранее.

Клейковинные белки представляют собой трехмерную систему полимеров [40]. Классическое разделение данной системы на глиадин и глютенин основано на их способности растворятся в спирте и щелочи [17]. Общепризнано, что белком клейковины, ответственным за изменения в качестве теста и хлеба является глютенин. Работoй F. MacRitchie, D. Lafiandra показано, что содержание глютенина связано с различиями муки по силе и качеством готовых изделий. Однако, точные молекулярные механизмы, ответственные за это изменение, все еще остаются в значительной степени не ясными, так как информация о молекулярном размере и структуре этой фракции полимера не доступна обычным методам исследования.

Количество клейковины немаловажный фактор, так же влияющий на качество теста и хлеба. Как отмечалось ранее, в процессе выпечки происходит влагообмен между основными составляющими теста и хлеба - крахмалом и белком. X. Wang и др. [39] были поставлены опыты по прогреву паст с различным соотношением в них крахмала и клейковины. Данные, полученные методом ЯМР-спектроскопии показали, что крахмал в присутствии клейковины адсорбирует на своей поверхности значительно меньшее количество воды. Исследователи объяснили этот факт тем, что при повышенном содержании клейковины в системе содержание воды доступной зернам крахмала снижается. Ученые так же отмечают, что содержание клейковины влияет на теплоемкость и температуру начала клейстеризации крахмала. Чем выше содержание сырой клейковины, тем большее количество теплоты необходимо сообщить системе.

В.Я. Черных, М.А. Ширшиков, А.С. Максимов [29] исследовали реологическое поведение моделей муки содержащих крахмал и клейковину в различных соотношениях. Исследователями было показано, что при содержании сухой клейковины более 80% на реологическое поведение водной суспензии модельной смеси намного сильнее влияли процессы связанные с набуханием и денатурацией клейковины, чем клейстеризациякрахмала. При содержании клейковины более 40% происходит расслоение системы и каждый компонент проявляет себя независимо от другого, как индивидуальное вещество (появляется два пика системы). До содержания клейковины 45% реологическое поведение геля определяется крахмалом, а после 50% доминирует клейковина. Органолептический и физико-химический анализ хлеба показал, что наилучшую оценку получила проба хлеба с содержанием сухой клейковины 20%, что соответствует содержанию клейковинных белков в пшеничной муке 15% - 16% и содержанию сырой клейковины 45% - 48%.

B.J. Dobraszczyk, изучая реологические характеристики теста из муки с различными хлебопекарными свойствами в ходе выпечки, измерил напряжения, возникающие при тепловом расширении газов в стенках пор. Им показано, что максимальное напряжение достигается в интервале температур от 25°C до 60°C. Тестовые заготовки из муки с пониженными хлебопекарными свойствами имели меньшее напряжение в стенках пор, а стабильность газовых ячеек достигалась уже при температуре 45°C - 50°C. Тогда, как для тестовых заготовок из муки нормального качества стабильность наступала лишь при 60°C. B.J. Dobraszczyk так же отмечает, что тесто из муки с хорошими хлебопекарными свойствами способно выдерживать напряжения при тепловом расширении газов в ходе выпечки и образовывать мякиш с тонкостенной, равномерной пористостью. Снижение хлебопекарного достоинства муки ведет к пониженным объемам готовых изделий, из-за частичного разрушения стенок пор под давлением газов.

В научно-технической литературе [1,15,30,33] приводятся сведения о том, что качество хлеба в значительной степени зависит от "силы" муки.

Л.Я. Ауэрман [1] отмечает, что тестовые заготовки из муки с чрезмерно крепкой клейковиной плохо разрыхлены из-за слабой газоудерживающей способности. Прогрев таких тестовых заготовок затруднен, поэтому длительность выпечки следует увеличивать.

Исследования, проведенные во ВНИИХП [43], показали, что из муки с деформацией клейковины 68-85 ед. Прибора ИДК-Iполучается хлеб удовлетворительного и хорошего качества. При использовании муки с пониженным и нормальным содержанием клейковины и деформацией сжатия 45-50 ед. ИДК получали хлеб неудовлетворительного качества: пониженного объема, с плотным мякишем, плохо развитой пористостью, неровной верхней коркой. От"силы" муки зависит формоудерживающая способность теста, а следовательно, расплываемость подового хлеба при расстойке и выпечке [6,30].

В работах [18,33], посвященных исследованию пористой структуры хлеба, была установлена ее зависимость от "силы" муки и влажности теста.

Пористость и общая деформация сжатия мякиша хлеба из муки "слабой" по силе, возрастала с увеличением влажности теста от 40 до 44%, а из муки средней по силе - с ростом ее от 40 до 46%. Дальнейшее повышение влажности теста до 49% приводило к снижению этих характеристик. Лучшую пористую структуру мякиша имели образцы хлеба, приготовленного из теста, влажностью 43-44,5% при использовании муки, "слабой" по силе, и влажностью 44-45% из муки, "средней" по силе [22, 31].

В ряде работ [1, 18, 25, 26] выявлено увеличение объема хлеба по мере возрастания "силы" муки, только в том случае, когда мука характеризовалась, как "очень сильная" - объем хлеба вновь уменьшался.

В.В. Колпаковой [19] показано, что внесение сухой пшеничной клейковины положительно влияет на показатели качества хлебобулочных изделий. Отмечается, что дозировки 2% - 4%, рекомендуемые другими авторами, не могут распространяться на муку любого качества и должны быть скорректированы с учетом более детального анализа особенностей клейковинного комплекса исходной муки и функциональных свойств сухой пшеничной клейковины, используемой для корректировки ее качества. Для пшеничной муки высшего сорта с удовлетворительной клейковиной наибольший эффект от влияния сухой пшеничной клейковины на все показатели качества теста и хлеба наблюдали при дозировке 2% и значении Н_деф= 52 и 65 ед. приб.

1.1.3 Химические и технологические показатели рисовой муки

Рис - однолетнее растение семейства злаковых. Ценная зерновая культура. Основной продукт питания для большей части населения нашей планеты и вторая по значению зерновая культура после пшеницы. По биологической ценности белка, содержанию крахмала, рисовая мука занимает ведущее место среди других видов злаковой муки. Это - источник широкого спектра природных микроэлементов, витаминов и минеральных веществ, что делает рисовую муку исключительно полезной для питания людей всех возрастов, и особенно детей. Отличительной особенностью рисовой муки является то, что она относится к крахмалосодержащему (около 80%) сырью, у которого отсутствует клейковина. Рисовая мука является источником растительного белка, полноценного по аминокислотному составу, содержит натрий, калий, магний, фосфор, витамины В1, В2 и РР. В ее состав входят биотин (витамин), амилопектин и цинк (микроэлемент), значительное количество крахмала, который легко усваивается организмом человека, немного клетчатки (до 1 %) и моно и дисахаридов (до 0,4 %).

Анализ химического состава показывает, что в рисовой муке содержится жира в 2 раза меньше, чем в пшеничной муке высшего сорта. Жиры, имеющиеся в небольшом количестве (0,6%), играют важную роль в определении питательной ценности и стойкости продукта при хранении и характеризуются высоким содержанием непредельных жирных кислот. Последние с одной стороны повышают биологическую ценность продукта, а с другой являются причиной их лёгкой окисляемости. Рисовая мука содержит значительное количество крахмала (81,6%), легко перевариваемого и усвояемого, и очень мало клетчатки (0,4-0,5%) и моно-и дисахаридов (0,4-0,5%).

Во фракционном составе белков рисовой муки отсутствует глютеновая фракция, что позволяет использовать данное сырье для создания безглютеновых продуктов[25].

Отсутствие в рисовой муке белков, способных образовывать массу, подобную клейковине пшеницы, накладывают определённые трудности на её использование при выработке хлебных изделий. Однако, вследствие того, что рисовый крахмал обладает большей податливостью амилолитическим ферментам в тестосистеме происходит быстрое расщепление на легкоусвояемые углеводы. Введение определённого количества рисовой муки в рецептуру теста из пшеничной муки приводит к интенсификации биохимических и микробиологических процессов, повышает качество продукции, снижает технологические затраты. Диетические свойства изделий при этом повышаются.

Применение рисовой муки в сочетании с пшеничной мукой является одним из наиболее простых способов её использования в хлебопекарной промышленности.

1.1.4 Перспектива развития новых видов выпечки хлебобулочных изделий

Развитие рынка хлебобулочных изделий сегодня происходит, в основном, за счет нетрадиционных видов, растет спрос на новые виды хлеба с более сложной рецептурой. Это влечет за собой внедрение новых технологий по производству хлебобулочных изделий. Выпечка хлебобулочных изделий "на пару" стала известна нам от народов Вьетнама. Во Вьетнаме большая часть хлебобулочных изделий из пшеничной муки употребляется в виде обработанных паром, а не выпеченных традиционным способом.

В настоящее время существует ряд новых видов выпечек хлебобулочных изделий. Применяются новые технологии, которые сокращают время и потери при выпечке. Например, тепловую обработку тестовой заготовки ведут ионизированным газообразным теплоносителем со знаком, противоположным знаку, которым заряжена форма, причем знаки электрических потенциалов газообразного теплоносителя и формы с тестовой заготовкой изменяют на противоположные через 90 - 120 с на протяжении всего процесса выпечки изделий. [44]

Выпечку тестовых заготовок производят под воздействием регулируемого электромагнитного излучения инфракрасного спектра с длиной волны от 3,5 до 52 мкм и плотностью потока от 5000 до 25000 Вт/м², создающего при этом 180 - 250^oС тепла, образованного специальными керамическими нагревателями, выполненными в форме трубочек 10 - 14 мм, размещенными в камерах шкафа для выпечки хлебобулочных изделий эквидистантно относительно тестовых заготовок, обеспечивая тем самым равномерное облучение их по всей поверхности при общей продолжительности выпечки от 5 до 20 мин. В зависимости от используемой рецептуры и вида продукции (хлеб, батон, булочка), такие характеристики как длина волны и плотность облучающего потока предлагаемого способа выпечки хлебобулочных изделий меняются, но не выходят при этом за рамки указанных выше величин. Использование в операции выпечки регулируемого электромагнитного излучения инфракрасного спектра позволяет в первоначальный момент времени выпечки сформировать на тестовых заготовках тонкую корочку, по своей консистенции более плотную, чем внутренняя часть тестовой заготовки, а при дальнейшем ее прогреве вода, находившаяся в мякише, превращается в пар и, увеличиваясь в объеме, делает мякиш более рыхлым, т.к. пар не может сразу испариться из-за образовавшейся ранее корочки, а испаряется с некоторой задержкой, проделав работу в мякише по его "разрыхлению". Предлагаемый способ на 30% сокращает процесс производства хлеба за счет исключения ряда операций, причем операция выпечки сокращается в 2,5 - 3,0 раза, что в свою очередь повышает качество хлеба за счет сохранения в нем большего количества витаминов и улучшения структурно-механических свойств мякиша. Создание же в процессе выпечки изделий тонкой однородной корочки, в результате чего усушка через нее изделий уменьшается на 15 - 18% по сравнению с прототипом, способствует продлению срока свежести выпекаемой продукции.[45]

Расстойку и выпечку тестовых заготовок осуществляют в вакууме с разрежением 40 кПа между двумя пластинчатыми электродами, включаемыми на время расстойки и выпечки в сеть переменного тока промышленной частоты. Расстойку тестовых заготовок проводят при напряжении, подаваемом на электроды, равном 36 В, а выпечку - при напряжении 220 В. Изобретение позволяет улучшить структуру теста-хлеба и сократить длительность процесса окончательной расстойки.[46]

Технический прогресс с большой скоростью шагает вперед, появляются новые изобретения, которые позволяют не только сократить множество потерь при производстве хлебобулочных изделий, но и улучшить их качество. Но несмотря на это, традиционный способ выпечки остается на данный момент более предпочтительным.

1.2 Строение крахмала зерновых культур

В хлебопечении используются различные зерновые культуры. С физико-химической точки зрения хлеб представляет собой сложную многофазную систему. Одним из главных компонентов, оказывающим влияние на качество и различные свойства хлеба, является крахмал, содержание которого в муке достигает 75%. В последнее время всё больше исследований посвящены разработке технологий производства хлеба не только из традиционных ингредиентов - пшеничной, ржаной муки, но и с использованием не столь распространенных как, например, овсяная мука.

Хорошо известно, что существует взаимосвязь между структурными и термодинамическими свойствами частично-кристаллических полимеров, к которым относится и крахмал. Это означает, что при соответствующем использовании тех или иных физико-химических приближений из ДСК-данных могут быть получены структурные параметры полимеров, была получена оценка термодинамических параметров плавления крахмалов, экстрагированных из различных источников, в частности, ржаной, овсяной и пшеничной муки[11].

Крахмал - сложное вещество, состоящее из двух полимеров: амилозы (рис.1) и амилопектина (рис.2). Химическая формула (C₆H₁₀O₅)n. Крахмал образуется в процессе фотосинтеза в виде гранул, располагаемых в клеточных органеллах (амилопластах). Форма и размер гранул зависят от ботанического источника крахмала [4].

Зерновые крахмалы (кукурузные, пшеничные) имеют небольшие многогранные по форме гранулы, картофельные - овальные гранулы, а крахмалльные гранулы бобовых, например, гороха - яйцевидную форму гранул. Размер гранул варьируется от <5 мкм (рисовый крахмал) до >80 мкм (картофельный крахмал) в диаметре. Амилоза построена из длинных, преимущественно неразветвленных цепей, звенья которой соединены б-(1,4) связями. Они скручены в спираль, на один виток которой приходится около шести остатков глюкозы (степень полимеризации макромолекулы - 500-6000 глюкозных остатков). Амилопектин - сильно разветвленная макромолекула со степенью полимеризации от 3•105 до 3•106 глюкозных остатков[7].

Рисунок 1.1 Строение Амилозы



Рисунок 1.2 Строение Амилопектина

Соотношение полисахаридов в крахмале различно и зависит от источника крахмала. В связи с этим различают восковидные крахмалы, содержание амилозы в которых меньше 15%, нормальные (20-25% амилозы) и высокоамилозные крахмалы (более 40% амилозы)[ ].

Представление о формировании двойных спиралей амилозных цепей и кластерных (гроздевых) амилопектиновых образований в крахмале развил D.French[ ].

Гранулы нативных крахмалов имеют кольца роста, которые представляют собой чередующиеся слои различной плотности, кристалличности и сопротивляемости химическим и ферментным воздействиям. Широкие слои образуются в результате альтернативного наполнения и отвода молекул в пластидах с последовательным отложением больших нерастворимых и малых растворимых молекул; при этом в плотных слоях превалируют высокомолекулярные фракции амилопектина.

Рисунок1.3 Схематическое представление структуры крахмальной гранулы:

а) чередующиеся аморфные и частично-кристаллические слои в грануле крахмала (кольца роста); б) увеличенное изображение частично-кристаллических колец роста, состоящих из чередующихся аморфных и кристаллических ламелей; в) кластерная структура амилопектина, сформированная двойными спиралями (в частично-кристаллической ламели) и В-цепями амилопектина (в аморфной ламели)[ ].

Степень кристалличности зерен крахмала находится в пределах 14- 42% и зависит от соотношения содержания амилозы и амилопектина. Короткие цепи в молекуле амилопектина образуют двойные спирали, которые формируют кристаллические ламели (кристаллиты). Свободные двойные спирали и кристаллиты создают так называемые полукристаллы[32].

Остальные молекулы амилозы и длинные цепи амилопектина формируют аморфную часть крахмальных зерен.

Для амилопектиновых и нормальных нативных крахмалов размер кластера, т.е. общая толщина одной кристаллической и одной аморфной ламели, составляет примерно 9-10 нм, при этом толщина кристаллической ламели равна 5-6 нм , а аморфной 3-4 нм[12].

Рисунок 4 Одинарная спираль, образованная глюкозными остатками амилозы, и амилозо-липидный комплекс (1-глюкозный остаток, 2-спираль, 3-липид )

При формировании и росте гранул крахмала в кристаллической их части линейные цепи амилозы образуют одиночные спирали по 6 глюкозных остатков в каждом витке (рис.4) и создают структуру Vh , боковые цепи амилопектина образуют двойные спирали с плотной (рис.5, структура А) и разреженной (рис.5, структура В) укладкой [16].

Рисунок 1.5 Трехмерная структура кристаллитов крахмала типа А, В и Vh

А-форма кристаллов крахмала образована двойными спиралями боковых ветвей амилопектина с плотной упаковкой; В-форма полиморфной части гранул свойственна картофельному крахмалу с более разреженной структурой упаковки ламелей и, следовательно, содержит большее количество связанных молекул воды; Vh -форма состоит из одинарных спиралей амилозы и, как правило, включает липиды[44].