Биоинновационные технологии для сохранения свежести хлеба

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В диссертации исследована возможность замедления процесса черствения хлеба из пшеничной муки путем применения комплексного хлебопекарного улучшителя.

На основании литературных и экспериментальных данных разработан состав комплексного улучшителя, который включает в себя смесь камедей, пшеничный глютен и ферментный препарат Veron М4 с активностью грибной б-амилазы. Оптимальный количественный состав улучшителя определен с реализацией симплекс-центроидных планов Шеффе.

Исследована эффективность применения улучшителя разработанного состава путем проведения пробных лабораторных выпечек с последующим анализом качественных показателей полученных образцов и изменения их свойств при хранении.

Содержание

• Введение
• 1. Аналитический обзор литературы
• 1.1 Механизм черствения хлебобулочных изделий
• 1.2 Использование гидроколлоидов для сохранения свежести хлеба
• 1.3 Использование амилолитических ферментных препаратов для замедления черствения хлеба
• 1.4 Роль сухой пшеничной клейковины в сохранении свежести изделий
• 2. Экспериментальная часть
• 1.5 Исследование свойств сырья и полуфабрикатов
• 1.6 Проведение пробной лабораторной выпечки хлеба из пшеничной муки
• 1.7 Анализ качества изделий
• 1.8 Определение свежести хлеба
• 1.9 Моделирование состава трехкомпонентной смеси и выбор оптимального соотношения компонентов
• 1.10 Выбор методов определения свежести хлеба
• 2 Результаты и их обсуждение
• Выводы
• Список использованных источников

Введение

Основной целью технологического процесса производства хлеба является получение высококачественной продукции. Однако в настоящее время ее достижение затрудняется возникновением ряда проблем, связанных с нестабильностью свойств сырья и общей тенденцией к снижению его качества [1]. Качество хлебопекарной и мукомольной продукции определяется качеством основного сырья - муки. Хлебопекарные предприятия перерабатывают значительные объемы (до 60 %) муки с пониженными хлебопекарными свойствами: низким содержанием клейковины, неудовлетворительным ее качеством - слабой или короткорвущейся клейковиной [2].

Для выработки хлебобулочных изделий с показателями, отвечающими нормам национальных стандартов, мукомолам и хлебопекам необходимо соответствующее сырье [3]. Но в современных условиях ощущается дефицит высококачественного зерна. Такой хлеб, хранившийся в течение суток, уже не удовлетворяет запросам покупателей относительно внешнего вида, вкуса и аромата, поэтому проблема замедления процесса черствения заслуживает пристального внимания.

Для замедления черствения хлеба применяют различные методы и приемы, сдерживающие изменения в крахмале и белковых веществах, а также ограничивающие миграцию влаги и ее перераспределение между ними. Приоритет биоинновационных технологий на современном этапе обусловил применение ферментных препаратов как обязательного элемента и незаменимого технологического средства для хлебопекарной промышленности. Использование таких препаратов позволяет значительно ускорять технологические процессы, корректировать исходные свойства сырья, увеличивать выход готовой продукции, повышать ее качество, экономить сырьевые и материальные ресурсы [4].

Целью данной работы является разработка комплексного улучшителя для корректировки свойств пшеничной муки и получения хлебобулочных изделий с удлиненными сроками хранения.

1. Аналитический обзор литературы

Свежесть хлеба является одним из основных показателей его качества. При хранении хлеба наблюдается снижение его качества, связанное с процессом черствения и усыхания [5]. Экономические потери вследствие этих процессов очень существенны, поэтому данной проблеме уделяется большое внимание [6].

Черствение изучается уже в течение полутора сотен лет, этой проблеме посвящено множество исследований. Но, несмотря на это, ни структура и свойства хлеба самого по себе, ни механизмы протекающих в нем процессов окончательно не выяснены и являются предметом многочисленных споров [7]. Изменения свойств мякиша обусловлены, с одной стороны, изменениями структурных компонентов хлеба при хранении, с другой - перераспределением влаги между ними и частичной ее потерей (усыханием) [8-9].

Усыхание, т.е. потеря массы хлеба, начинается сразу после его выхода из печи. Протекание его обусловливается тепло- и массообменными процессами внутри хлеба и на его поверхности. Усыхание хлеба происходит в результате испарения водяных паров и летучих веществ [10].

Наряду с этим происходит и перераспределение влаги в хлебе [11-13]. Корка в момент выхода хлеба из печи практически почти безводна, но она быстро остывает, и влага из мякиша в результате разности концентрации и температуры во внутренних и внешних слоях хлеба устремляется в корку, повышая ее влажность [14]. Корка, при этом, из хрупкой и твердой превращается в мягкую, эластичную, морщинистую, более влажную корку. Увеличение влажности корки сопровождается ухудшением ее вкуса. При очень длительном хранении корка вновь становится твердой. За счет высыхания слоев мякиша сжимаемость целого изделия снижается. Мякиш из мягкого, легко сжимаемого, слегка влажного на ощупь, не крошащегося, становится более сухим, крошащимся, твердым, менее сжимаемым. Изделие теряет свой приятный аромат и вкус, и по мере увеличения продолжительности хранения приобретает вкус черствого изделия.

На усыхание хлеба оказывают влияние многие факторы, в том числе: температура, относительная влажность и скорость движения воздуха в остывочном отделении, форма изделия и способ его выпечки (в формах или на поду), условия выпечки (увлажнение поверхности изделия в конце выпечки), качество изделия, способ его хранения (в лотках, ящиках и др.) [15].

Большинством исследователей главная роль в черствении хлеба отводится ретроградации крахмала как основного компонента хлеба, составляющего до 70 % сухих веществ готовых изделий [16-17]. При выпечке крахмальные зерна набухают и частично клейстеризуются с поглощением воды, выделяемой коагулирующими белками. При этом крахмал переходит из кристаллического состояния в аморфное [18-19]. Во время хранения происходит обратный переход его в кристаллическое состояние, который называется ретроградацией.

Первым исследователем, связавшим черствение хлеба с ретроградацией крахмала, был Л. Линде, в дальнейшем эта идея была развита и экспериментально подтверждена рядом исследователей (И. Катц, Р. Керр, С. Ким, Б. Д'Апполониа и др.) [20].

На скорость ретроградации крахмала хлеба влияет степень изменения водородных связей гидроксильных групп амилозной и амилопектиновой фракций крахмала, способность его к гидратации, а также температура хранения хлеба.

На изменение водородных связей гидроксильных групп в амилозной и амилопектиновой фракциях крахмала при его ретроградации в процессе черствения указывает Р.В. Керр [21]. Установлено, что две макромолекулы крахмала, имеющие по три полярные группы -ОН, образуют между собой водородные связи, в результате чего возникают ассоциаты. Продолжительность существования ассоциатов зависит от внешних условий [5].

Представления о ретроградации крахмала мякиша как основной причине процесса черствения были развиты и экспериментально подтверждены исследованиями И. Катца с применением рентгеноспектрографического метода [13, 15]. Крахмал зерна, муки и теста перед выпечкой дает рентгеноспектр А, типичный для кристаллического строения зерна крахмала. Мякиш выпеченного изделия дает рентгеноспектр, названный Катцем V-спектром клейстеризованного крахмала, сочетающий элементы аморфного состояния с элементами кристаллического состояния. Мякиш черствого изделия дает новый рентгеноспектр В, который сочетает в себе элементы рентгеноспектров А и V, причем, чем черствее хлеб, тем более спектр его крахмала приближается по характеру к спектру крахмала в кристаллическом состоянии [14, 19].

Многие исследователи считают, что основную роль в ретроградации крахмала мякиша хлеба играет его амилопектиновая фракция [14, 22]. Т. Шоч и Д. Френч предложили модель, описывающую обратимое при нагревании агрегирование амилопектина в качестве основной причины черствения хлеба [23]. Они предположили, что в процессе набухания зерен крахмала часть амилозы становится растворимой, переходит в водную среду и образует концентрированный раствор. При охлаждении молекулы амилозы при помощи водородных связей образуют ассоциаты и быстро ретроградируют, образуя прочный гель и влияя на структуру изделия. Считается, что этот гель остается неизменным в ходе дальнейшего хранения и не участвует в процессе черствения [24-25]. Увеличение твердости мякиша объясняется изменениями в ориентации молекул амилопектина внутри набухших крахмальных зерен. В свежем хлебе разветвленные цепи амилопектина «раскрыты» и распределены в объеме. Постепенно полимерные цепи агрегируются, перестраиваясь в пространстве за счет внутримолекулярных связей различных типов. Это приводит к повышению жесткости внутренней структуры крахмальных зерен, результатом чего является общее увеличение твердости мякиша [26-27].

Тем не менее, полностью исключать роль амилозы в процессе черствения хлеба нельзя. В ряде работ упоминается, что при хранении хлеба свойства амилозы изменяются. Заслуживает внимания теория С. Эрландера, которая исходит из постулата, что в процессе старения мякиша хлеба происходит агрегация амилозы и амилопектина [7, 28].

В подавляющем большинстве работ по исследованию черствения хлеба изменения реологических свойств мякиша хлеба связывают с изменениями в состоянии крахмала [14]. Белковым веществам мякиша отводится только роль вещества, воспринимающего влагу, выделяемую крахмалом при его ретроградации. Неоднократно отмечалась практическая невозможность уловить какие-либо изменения в белковой части мякиша хлеба при его черствении. Установлено лишь, что чем больше белковых веществ в хлебе, тем медленнее происходит его черствение. Но если вспомнить, что именно белковые коагулированные вещества составляют пространственно непрерывную фазу структурного остова мякиша хлеба, а зерна крахмала лишь вкраплены в этот остов, то трудно допустить, что изменение реологических свойств мякиша хлеба не связано с изменением состояния и хотя бы реологических свойств его белковых веществ [8, 13, 15, 29].

Е. Вилхофтом было высказано предположение, что при хранении продолжаются процессы изменения гидратированных белков клейковины, что приводит к снижению гидратационной способности и отдаче свободной воды. Эти изменения связывают с увеличением степени денатурации белка или изменением их конфигурации [5].

Л. Я. Ауэрман и Р. Г. Рахманкулова, изучавшие черствение пшеничного хлеба, обратили внимание на изменения в белковой части мякиша хлеба, обратные тем, которые происходят в процессе денатурации белков при выпечке хлеба. Это изменения, приводящие к уплотнению структуры белка, снижению гидратационной способности и способности связывать метиленовую синюю краску. Но эти изменения, по данным тех же авторов, протекают значительно медленнее ретроградации крахмала, да и белка в хлебе в 5…7 раз меньше, чем крахмала. Поэтому Л. Я. Ауэрман и Р. Г. Рахманкулова присоединились к мнению большинства исследователей о том, что основную роль в черствении хлеба играет все же изменения крахмала [14, 30].

Также существуют и другие объяснения процесса черствения хлеба. М.И. Княгиничев рассматривает процесс черствения хлеба как изменение форм воды (связанной и свободной) при выпечке и хранении хлеба. Это обусловливается образованием микро- и макрополостей при выпечке хлеба. Он считает, что при выпечке хлеба усиливается диффузия воды в межмолекулярные пространства крахмала и белка; отдельные звенья молекул (глюкозные и аминокислотные остатки) приходят в движение, молекулы становятся гибкими, при этом образуются микро- и макрополости. Под действием повышенной температуры в хлебопекарной печи происходит коагуляция белков, образующих каркас, закрепляющий пористую структуру хлеба.

Стенки пор, состоящие из крахмала и белков, представляют собой набухшую систему, в которой одна часть молекул воды термодинамически связана, другая распределена в межмолекулярном пространстве денатурированного белка и набухшего, частично клейстеризованного крахмала. Эта система рассматривается как набухший, бесструктурный эластичный студень. В процессе остывания и последующего хранения хлеба благодаря гибкости звеньев крахмала происходит сближение цепей и под действием межмолекулярных Ван-дер-ваальсовых сил образуется механически прочная сетка. Образование сетки повышает механическую прочность структуры, что связано с черствением хлеба.

Высказывается вероятность, что вода, в образовавшихся микронеплотностях, является не свободной, а упорядоченной благодаря высокой полярности ее молекул и электростатическим силам поверхности микронеплотностей, стенки которых образованы молекулами крахмала и белка. В результате образуется единая структурная система молекул воды, крахмала и белка. При освежении хлеба нагреванием структура воды в микронеплотностях мякиша разрушается, и цепи высокополимеров могут перейти в состояние, свойственное свежевыпеченному хлебу [5].

Таким образом, приведенные выше данные показывают, что существенную роль в черствении хлеба играет ретроградация крахмала и изменение белковых веществ. Также многочисленными исследованиями было установлено, что на черствение изделий существенное влияние оказывают свойства сырья, используемого для их приготовления, рецептура, способ приготовления, условия хранения после выпечки, а также применение отдельных добавок [15, 31].

На основе анализа данных о механизме черствения хлеба можно считать, что для замедления этого процесса при хранении хлеба необходимо применять методы и приемы, сдерживающие изменения в крахмале и белковых веществах и уменьшающие потерю воды.

Применение улучшителей является одним из эффективных способов повышения качества хлеба и удлинения срока сохранения его свежести. Их добавлением можно регулировать технологический процесс производства хлеба при переработке муки различного качества. Улучшители особенно эффективны в ускоренных способах производства хлеба. Интенсифицировать процессы тестоприготовления и продлить свежесть хлеба можно, используя различные ферментные препараты [32-35]. Поверхностно-активные вещества способствуют улучшению физико-механических свойств мякиша хлеба, образуя комплексы с амилозой и препятствуя ее ретроградации [36-40]. Существенного увеличения сроков сохранения свежести хлеба можно добиться использованием препаратов на основе гидроколлоидов [15].

Наряду с отдельными улучшителями, при изготовлении теста используют и комплексные, в состав которых входят два или несколько компонентов. Применение комплексных улучшителей всегда эффективнее, так как предусматривает воздействие на оба основных компонента муки - клейковину и крахмал, позволяет снизить дозировку каждого компонента и в определенных сочетаниях за счет синергизма получить значительно больший эффект [5].

1.2 Использование гидроколлоидов для сохранения свежести хлеба

При черствении изменения свойств мякиша обусловлены в первую очередь перераспределением влаги между структурными компонентами хлеба и частичной ее потерей. Для связывания свободной влаги в тесте и обеспечения его общей стабильности используются различные гидроколлоиды [15].

Гидроколлоиды - обширная группа пищевых ингредиентов, выделенная в 1978 г. В самостоятельную категорию на основании общности свойств, проявляемых ими в пищевых системах. В эту группу входят соединения, добавляемые в жидкие или твердые продукты питания в процессе их изготовления с целью придания желаемой вязкости или консистенции, а также с целью стабилизации пищевых дисперсных систем (эмульсий, суспензий и др.) Не все гидроколлоиды функционируют одинаково в растворах при различных значениях рН, приразных концентрациях электролитов, при термической обработке или имеют одинаковую устойчивость при хранении и т.д. Следовательно, задачей производителя пищевого продукта является выбор наиболее подходящего для конкретной цели гидроколлоида.

В зависимости от совокупности особенностей строения и свойств гидроколлоид может использоваться как загуститель, гелеобразователь или стабилизатор. Основные представители загустителей: гуаровая камедь, камедь рожкового дерева, карбоксиметилцеллюлоза, альгинат натрия, гуммиарабик, ксантановая камедь. Основные представители гелеобразователей: пектины, каррагинаны, альгинаты, агар, желатин [41].

В хлебопечении находят применение различные виды камедей (ксантановая, гуаровая, рожкового дерева), альгиновая кислота и ее соли, пектины, каррагинаны, карбоксиметилцеллюлоза и другие полисахариды. В последние годы в пищевой промышленности эти ингредиенты становятся все более популярными. Несмотря на то, что их концентрации составляют обычно не более 1 %, они оказывают сильное влияние на текстурные и органолептические свойства пищевых продуктов [42].

В данной работе для сохранения свежести хлеба будут рассмотрены такие загустители, как ксантановая и гуаровая камеди. Вследствие того что они растворимы при комнатной температуре, имеют достаточно широкий оптимальный диапазон рН и, в отличие от гелеобразователей и стабилизаторов, не требуют присутствия других соединений (солей, сахаров, белков и т. п.) для проявления стойкого сгущающего эффекта. В свою очередь, они позволяют уменьшить потерю влаги при термообработке и последующем хранении готового продукта, а также обладают высокой экономичностью по сравнению с другими гидроколлоидами.

Ксантановая камедь представляет собой быстро гидратируемый гидроколлоид, растворимый в воде при комнатой температуре, а также в растворах соли и сахара. Молекулы ксантана адсорбируют воду с образованием трехмерной сетки из двойных спиралей ксантана, по структуре близкой с гелем, но отличающейся меньшей вязкостью. В связи с этим, ксантан обычно используют как загуститель или стабилизатор, а не гелеобразователь.

Перед введением в тесто этот гидроколлоид сначала необходимо диспергировать и гидратировать. Для достижения оптимальных технологических свойств важно обеспечить до использования гидроколлоида необходимую степень его гидратации. К основным факторам, влияющим на гидратацию, относятся эффективность диспергирования, скорость перемешивания, размер частиц и состав растворителя. Для достижения максимальной вязкости раствора следует равномерно диспергировать камедь в минимальном количестве воды. Очень тонкий порошок трудно диспергируется, но после образования дисперсии он быстро гидратируется, и наоборот, грубый порошок легко диспергируется, но медленно гидратируется. Продолжительность гидратации ксантановой камеди зависит от эффективности диспергирования; размеров частиц камеди; типа растворителя; присутствия других ингредиентов.

Для эффективной гидратации отдельные частицы камеди должны быть хорошо диспергированы в растворителе. Недостаточное диспергирование приводит к набуханию и комкообразованию при перемешивании. Наличие комков ухудшает гидратацию камеди и ее технологические свойства [43]. При неравномерном распределении влаги внутри теста, объем готового изделия уменьшается, и текстура его мякиша может оказаться неоднородной и не эластичной. При введении ксантановой камеди вместе с другими сухими ингредиентами она быстро и равномерно гидратируется, предотвращая образование комков на начальной, решающей стадии замеса. Именно эта гидратация способствует равномерному распределению влаги в жидком тесте, что, в свою очередь, облегчает стабилизацию мелких пузырьков воздуха, которые образуются в процессе замеса.

В хлебопечении ксантановая камедь обеспечивает хлебу однородность консистенции, пористость и стабильность эффекта при изменении рецептурного состава. Такие продукты имеют повышенную влажность, объем, упругость мякиша, меньше крошатся, а, следовательно, лучше переносят условия транспортировки. Такая стабилизация улучшает объем и обеспечивает готовому изделию правильную форму. Ксантан может быть введен в тесто в количестве 0,05 % (от общей массы теста) без изменения рецептурного состава [42].

В работах З. Кохайдовой и И. Коровицевой было замечено, что при добавлении в тесто 1 % ксантановой камеди водопоглотительная способность теста увеличилась на 13,8 % по сравнению с контрольным образцом [44], но объем готового изделия и эластичность теста снизились на 17 % и 14 % соответственно. Возможно, это происходит из-за нестабильности образующегося коллоида [45]. С другой стороны, Россель доказал, что добавление ксантана может вызывать утолщение стенок мякиша, окружающего пузырьки воздуха в хлебе [46].

В исследованиях Гуарда и др. было доказано, что при добавлении в тесто 0,1 % и 0,5 % ксантановой камеди, наилучший эффект наблюдался в хлебе с 0,1 % добавки. Через 24 ч такой хлеб терял на 1 % меньше свободной влаги, тем не менее, образец с ксантановой камедью становился черствым быстрее остальных (с каппа-каррагинаном, КМЦ и альгинатом).

Возможно, это происходит из-за того, что ксантан представляет собой полиэлектролит анионного типа, который образует неустойчивые соединения с молекулами белков. Другая версия основана на том, что ксантан может увеличивать фактическую концентрацию клейковины в однородной фазе с белками и полисахаридами, что приводит к ускорению краткосрочной ретроградации крахмала. Подобное явление наблюдалось при взаимодействии ксантановой камеди с крахмалом. Было отмечено, что в присутствии ксантана увеличивается фактическая концентрация крахмальных компонентов [47-49].

Однако в работах Циарини и др., которые занимались безглютеновым хлебом, было отмечено, что ксантановая камедь проявляет обратные свойства. Например, удельный объем готового изделия с 0,5 % ксантана на 20 % выше контрольного образца. Такой хлеб имел более рыхлую структуру, а его корка выглядела ровной и гладкой. Твердость хлебного мякиша с добавкой была на 44 % ниже по сравнению с контролем, и хранился такой хлеб на 72 ч дольше [50]. Возможно, гидроколлоиды, как и декстрины [51] способны ингибировать взаимодействие между крахмалом и белками муки или замедлять образование макромолекулярных конструкций.

Бреннан и др. установили, что ксантан стабилизирует крахмальные гели и замедляет ретроградацию крахмала [52]. Давидоу и др., исследующие пшеничный хлеб, отмечают в своих работах, что степень твердости мякиша и скорость черствения в процессе хранения снижаются при добавлении гидроколлоидов; они предположили, что камеди изменяют структуру аморфной фазы мякиша, возможно за счет того, что сдерживают образование макромолекулярных конструкций из крахмала. Возможно, подобный процесс происходит и в безглютеновом хлебе.

Гуаровая камедь представляет собой смесь высокомолекулярных полисахаридов растительного происхождения. Высокая степень разветвления молекулы обеспечивает хорошую растворимость даже в холодной воде. Однопроцентный раствор гуаровой камеди обладает псевдопластичными и тиксотропными свойствами.

В пищевой промышленности гуаровая камедь используется в качестве загустителя и стабилизатора для различных продуктов [53]. В хлебобулочных изделиях камедь используется для улучшения вкусовых характеристик продукта, для изменения его реологических свойств [54] и для увеличения сроков хранения [55] за счет удержания влаги в изделии. Также было установлено, что гуаровая камедь может замедлять черствение хлеба, возможно, за счет замедления ретроградации амилопектина, поскольку гуаровая камедь взаимодействует преимущественно с крахмалом. Также гуаровая камедь может препятствовать связыванию молекул амилозы, возможно, за счет того, что гуар с помощью водородных связей образует с амилозой промежуточные соединения [56].

В работах З. Кохайдовой и И. Коровицевой [44] было замечено, что при добавлении в тесто 1 % гуаровой камеди водопоглотительная способность теста увеличилась на 4,3 % по сравнению с контрольным образцом, объем возрос на 20,2 %, а эластичность теста осталась неизменной.

Согласно Т. Фунами и др.[57], сравнивая влияние гуаровой камеди и камеди рожкового дерева на скорость ретроградации крахмала при охлаждении (14 дней при 4 єС), действие гуара на замедление черствения значительно выше. Это объясняется более крупным размером молекул и наиболее эластичной структурой гуаровой камеди [58].

В работах А. Антона и др. [59] сообщается, что гуаровая камедь не оказывает значительного влияния на водопоглощение теста при добавлении 0,5 % к массе муки, но стабильность такого теста увеличивается практически на 50 %, по сравнению с контрольным образцом. В этом исследовании наиболее выраженным положительным эффектом обладал гуар, он лучше других добавок замедлял скорость черствения и улучшал качество хлеба в целом. С учетом реологии и физических свойств теста с гуаровой камедью, наиболее выгодным для промышленного производства считается введение 0,5 % добавки.

В исследованиях Риботта и др. [60] замечено, что при добавлении 0,5 % гуара в тесто жесткость готового изделия на 3 день ниже на 16,35 % по сравнению с контрольным образцом.

При совместном использовании двух и более загустителей возможно проявление синергического эффекта: смеси загущают сильнее, чем можно было бы ожидать от суммарного действия компонентов. Это проявляется, например, при смешении ксантана с гуаровой камедью или с камедью рожкового дерева [61].

Ксантановая камедь вступает в синергическое межмолекулярное взаимодействие с гуаровой камедью и камедью рожкового дерева (КРД), а также с конжаковым маннаном. Результатом этого являются улучшенные показатели вязкости при взаимодействии с гуаровой камедью и низкими концентрациями КРД [62]. Взаимодействие с камедью рожкового дерева и конжаковым маннаном при более высоких концентрациях приводит к образованию мягких, эластичных и термообратимых гелей. Хлеб с добавлением смеси из гуаровой и ксантановой камедей имеет более высокую пористость и повышенную газоудерживающую способность [63].

Существует несколько гипотез, которые объясняют этот синергетический эффект.

Первая гипотеза заключается в том, что незамещенные области гуаровой камеди объединяются с основной цепью ксантановой камеди, которая закручена в спираль [64-66]. Межмолекулярное связывание ксантана и гуара облегчается дестабилизацией спирали ксантановой камеди [67-68]. В этом случае гуаровая камедь действует как денатурирующее средство, которое нарушает равновесное состояние спирально-закрученной структуры ксантана и сдвигает упорядоченные конформации ксантана для более эффективного взаимодействия с ним [69]. Результаты, полученные в исследовании Вонга и др. [70] показали, что между молекулами ксантана и гуара возникает межмолекулярное взаимодействие, при этом молекулы гуара сильно влияют на то, что жесткая упорядоченная спираль ксантана приобретает более упругую структуру. В своих выводах Вонг и др. говорят о том, что прочность спиральной структуры ксантановой камеди и упругость ее цепи играют решающую роль при взаимодействии с гуаром.

Другая гипотеза предполагает, что основная цепь гуаровой камеди, полностью замещенная остатками галактозы, которые расположены по одну сторону, связана с основной цепью ксантана. Данная гипотеза не опровергает ту, что приводилась выше, она объясняет взаимодействие ксантана с гуаровой камедью [71-73]. С другой стороны, Бресолин и др. [74] сообщили, что существует сильное взаимодействие между ксантаном (независимо от его конформаций) и полностью замещенной цепью гуара, предполагая различные механизмы, происходящие между двумя полисахаридами. В исследовании Шорша и др. было рассмотрено влияние следующих параметров: отношение ксантана и гуара, содержание галактозы, молекулярная масса гуаровой камеди и ионная сила среды из смеси ксантана и гуара. В результате полученных данных можно сделать вывод о том, что ксантановая камедь играет главную роль в проявлении реологических свойств системы из ксантана и гуара [75].

В различных исследованиях [63, 76-77] при добавлении в тесто смеси ксантановой и гуаровой камедей (в соотношении 1:1) в количестве от 0,5 % до 1 % замечено, что пористость такого хлеба в среднем выше на 14 % относительно контроля, на 18 % и 23 % относительно взятых в отдельности ксантановой и гуаровой камедей, соответственно. Удельный объем и жесткость мякиша готового изделия, изготовленного из смеси камедей, в среднем на 10 % выше, чем у хлеба, произведенного только с добавлением ксантана.

1.3 Использование амилолитических ферментных препаратов для замедления черствения хлеба

Большинство исследователей, как было упомянуто выше, главную роль в черствении хлеба отводят ретроградации крахмала как основного компонента хлеба. Замедлить ретроградацию крахмала можно внесением в тесто веществ, повышающих гидрофильные свойства мякиша - модифицированных крахмалов, декстринов, камедей и т.п. Поверхностно-активные вещества способствуют улучшению физико-механических свойств мякиша хлеба, образуя комплексы с амилозой и препятствуя ее ретроградации. Существенного увеличения сроков сохранения свежести хлеба можно добиться использованием амилолитических ферментных препаратов [78-79]. Ферментативное воздействие на крахмал способствует увеличению количества сахаров в тесте, что приводит к интенсификации процесса брожения, усилению газообразования на этапе окончательной расстойки и на ранних стадиях выпечки. В свою очередь, это приводит к увеличению объема изделий, улучшению пористости и текстуры мякиша.

Амилолитические ферменты относятся к классу гидролаз и катализируют реакции гидролиза крахмала - растительного полисахарида сложного строения, состоящего из 13…30 % амилозы и 70…85 % амилопектина. В зависимости от типа разрываемой связи и ее расположения в молекуле субстрата ферменты данного семейства делятся на несколько видов: б- и в-амилазы, глюкоамилаза (или амилоглюкозидаза), пуллуланаза, изоамилаза и некоторые другие. Механизм воздействия амилолитических ферментов на крахмал представлен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Схема гидролиза крахмала амилолитическими ферментами разных видов [81]

Наиболее часто для повышения качества хлеба и продления срока его хранения применяют препараты б-амилазы.

б-Амилаза (КФ 3.2.1.1) - фермент, вызывающий неупорядоченное гидролитическое расщепление б-1,4-гликозидных связей крахмала с образованием низкомолекулярных декстринов. Фермент б-амилаза имеет выраженное сродство к гликозидным связям, удаленным от конца молекулы, являясь типичным эндо-действующим ферментом с преобладающим декстринизирующим эффектом. В результате его действия в процессе брожения и выпечки происходит изменение структуры и свойств крахмала, а также накопление низкомолекулярных продуктов гидролиза, что сказывается как на реологических свойствах теста, так и на особенностях текстуры мякиша хлеба и их изменениях с течением времени.

Исследованию возможностей использования б-амилазы для сохранения свежести хлеба посвящено множество работ, и их эффективность была доказана экспериментально, однако теоретическое обоснование подобного действия фермента до сих пор остается спорным вопросом.

Замедление черствения хлеба большинством исследователей объясняется изменениями в структуре и свойствах крахмала под действием б-амилаз. Частичный гидролиз амилопектина с образованием соединений меньшей молекулярной массы позволяет снизить скорость его ретроградации и уменьшить размеры образующихся при этом кристаллов. Кроме того, под действием эндоферментов происходит разрыв крахмальных цепей, связывающих кристаллы крахмала между собой, что сопровождается ослаблением структуры мякиша в целом и как следствие - более высокими показателями сжимаемости при хранении. В свою очередь, гидролитическое расщепление цепей амилозы увеличивает их подвижность и ускоряет их ассоциирование. В результате образуется более прочная сеть, внутри которой дальнейшие перестроения молекул биополимеров и взаимодействия между ними затруднены и протекают с меньшей скоростью.

Вместе с тем, в ряде работ большое внимание уделяется продуктам гидролиза крахмала - низкомолекулярным декстринам со степенью полимеризации 19…24, способным замедлять ретроградацию амилопектина и затруднять взаимодействия между биополимерами мякиша хлеба, обуславливающие увеличение его жесткости.

Технологические свойства ферментов в отношении повышения качества продукции и сроков сохранения свежести во многом определяются их происхождением. В хлебопекарном производстве используются в основном грибные и бактериальные б-амилазы, для каждого вида характерны свои оптимальные условия действия. Для решения задач сохранения свежести хлеба большое значение имеет температура инактивации применяемого фермента, поскольку этот показатель определяет глубину гидролиза крахмала.

Известно, что грибная б-амилаза, обладая более низкой термостабильностью по сравнению с бактериальной, проявляет максимальную активность в температурном диапазоне 40…50 °С, т.е. до начала клейстеризации крахмала. Таким образом, к моменту, когда крахмал станет доступен для действия ферментов, активность грибной амилазы (и, соответственно, ее эффективность) будет невысока.

Напротив, термостабильная бактериальная амилаза может сохранять свою активность и при 80…110 °С (т.е. даже после выпечки), предотвращая таким образом ретроградацию крахмала и агрегацию его структурных компонентов, но за счет накопления растворимых декстринов может придать хлебу избыточную влажность и липкость, что недопустимо для некоторых видов изделий.

Установлено, что эффективность б-амилаз различного происхождения для замедления кристаллизации крахмала снижается в ряду: бактериальная >

> грибная > зерновая. В связи с этим в последние десятилетие велись активные поиски путей получения бактериальных ферментов с пониженной температурой инактивации. Получены б-амилазы бактериального происхождения «средней термостабильности» (Intermediate Thermostable Amylase), максимальная активность которых наблюдается при 65…70 °С. В процессе получения хлеба они достигают оптимальной активности при температуре клейстеризации крахмала (или немного ранее) и инактивируются на заключительных стадиях выпечки (рис. 1.4). Установлено, что добавление препарата б-амилазы, полученной продуцированием штамма Bacillus megaterium, увеличивает срок сохранения свежести изделий на 15…33 %. Возможно также снижение температуры инактивации путем получения композиций из препаратов разного происхождения.

1 - грибная б-амилаза; 2 - зерновая б-амилаза; 3 - бактериальная б-амилаза; 4 - бактериальная ITS б-амилаза, полученная продуцированием генетически модифицированных штаммов

Рисунок 1.4 - Влияние температуры на активность б-амилаз различного происхождения [81]

Особое место среди амилолитических ферментов занимает мальтогенная амилаза (КФ 3.2.1.133), являющаяся изоферментом б-амилазы. Бактериальная мальтогенная амилаза обладает в основном осахаривающей способностью. Она гидролизует крахмал до мальтозы и мальтоолигосахаридов, занимая промежуточную позицию между экзо- и эндо-действующими ферментами и сочетая их свойства (табл. 1.1). Однако в отличие от б-амилазы, она воздействует преимущественно на внешние ветви амилопектина, укорачивая их, но не нарушая целостность крахмальных зерен и не разрывая связи между ними.

Таблица 1.1 - Эффективность амилаз различного происхождения для сохранения свежести хлеба [81]

Таким образом, достигается замедление ретроградации амилопектина при минимальном негативном воздействии на реологические свойства теста, характерном для б-амилаз.

Высокая эффективность мальтогенной амилазы в отношении сохранения свежести хлеба объясняется также ее способностью гидролизовать крахмал с получением специфических продуктов - мальтоолигосахаридов со степенью полимеризации 3…9, которые обладают способностью замедлять кристаллизацию крахмала. Предполагается, что именно эти олигомеры имеют наиболее подходящие размеры, чтобы удерживать молекулы воды вокруг молекул крахмала и тем самым служить помехой при взаимодействиях крахмала с белками клейковины. Мальтоза оказалась менее эффективной в этом отношении по причине ее относительно небольших размеров и как следствие - высокой подвижности молекул и меньшей влагоудерживающей способности.

Важным свойством бактериальной мальтогенной амилазы является ее пониженная термостабильность. Фермент проявляет максимальную активность при температуре 60…70 °C и инактивируется на заключительных стадиях выпечки, обеспечивая интенсивный гидролиз крахмала без риска передозировки препарата и получения изделий с влажным липким мякишем.

Проводится большое количество исследований по изучению влияния ферментных препаратов различных марок на сохранение свежести хлеба. Амилолитическими препаратами отечественного производства являются Амилоризин П10Х грибного происхождения (Aspergillus oryzae) и Амилосубтилин Г10Х бактериального происхождения (Bacillus subtilis). Их добавление в тесто позволяет замедлить процесс черствения хлеба до 48 ч. Но в настоящее время эти препараты не находят широкого применения в хлебопекарной промышленности - предпочтение отдается препаратам зарубежного производства. К ним относится ферментный препарат Новамил датской фирмы Novozymes, разработанный специально для сохранения свежести хлеба. Это очищенная мальтогенная амилаза, которая продуцируется штаммом Bacillus stearothermophilus, полученным генно-инженерным методом, и выпускается в двух формах. Препараты Новамил 1500MG и Новамил 10000BG представляют собой порошкообразный микрогранулят, Новамил Л имеет жидкую консистенцию. При использовании препаратов в производстве хлебобулочных изделий из пшеничной муки свежесть изделий можно сохранить до 72 ч (при хранении в упаковке), что было подтверждено анализом сжимаемости и крошковатости мякиша.

Сравнительные исследования ферментных препаратов различной направленности были проведены учеными Швейцарской высшей технической школы (г. Цюрих). Изучив действие мальтогенной амилазы препарата Новамил 1500MG и б-амилазы препарата BAN, они обнаружили, что во всех системах (как в модельных системах, так и в образцах мякиша) мальтогенная амилаза увеличивала начальную мягкость хлеба и уменьшала скорость черствения, тогда как использование б-амилазы препарата BAN способствовало лишь снижению скорости черствения [80].

Фирмой AB Enzymes выпускается несколько марок ферментных препаратов с преобладающей амилолитической активностью. Это препараты Veron M4, Veron SX, Veron 2000, Veron Amylofresh. При этом они отличаются друг от друга происхождением фермента (бактериальные, грибные), а также дополнительной активностью. Величина амилолитической активности, происхождение препарата, а также наличие и вид дополнительной активности являются важными критериями при выборе препарата. В рамках данного исследования наиболее целесообразным представляется использование препарата Veron М4, характеризующегося активностью грибной амилазы и высокой величиной амилолитической активности.

1.4 Роль сухой пшеничной клейковины в сохранении свежести изделий

Белковые вещества муки определяют ее технологические свойства и оказывают существенное влияние на качество хлеба и сохранение его в свежем виде. Белки образуют единый структурный каркас, основу которого составляет взаимодействие, главным образом, двух групп белков - глиадина и глютенина. Технологические свойства муки, ее способность давать высококачественный хлеб и способность продлевать свежесть хлеба определяет не весь белок в целом, а только те белковые вещества, которые не растворяются в воде и солевых растворах и образуют вещество, называемое клейковиной. Только при определенном уровне содержания и качества клейковины можно получить хлеб хорошего качества [5].

Исследованиями, проведенными в МГУППе, было установлено, что в процессе черствения пшеничного хлеба в белковой части мякиша хлеба закономерно происходят изменения, приводящие к уплотнению структуры, снижению гидратационной способности. По своему характеру эти изменения обратны тем, которые происходили в процессе денатурации белка выпекаемой тестовой заготовки. Эти изменения в белковой части мякиша хлеба происходят, однако, в 4…6 раз медленнее по сравнению со скоростью ретроградации крахмала. Если учесть еще и то, что крахмала в хлебе в 5…7 раз больше, чем белка, то естественно, что основную роль в черствении хлеба играют все же изменения крахмала [14, 30].

Существуют также версии, учитывающие не только изменения биополимеров мякиша, но и взаимодействия между ними. Р. Мартин, К. Железняк и С. Хосни [80] высказали свою точку зрения на черствение мякиша хлеба. По их мнению, поверхность набухших зерен крахмала становится пористой, цепочки амилозы образуют ответвления. Гидроксильные группы (-ОН) и цепочки амилозы взаимодействуют с аминогруппами (-NH2) посредством водородных связей с образованием дополнительных поперечных связей между белковой глобулой, расщепленными гранулами крахмала и разветвленными молекулами амилозы. Образовавшиеся водородные связи, увеличивают энергию взаимодействия структурных компонентов мякиша изделия при хранении и это приводит к изменению реологических свойств мякиша изделия: увеличивается его твердость и снижается эластичность [15, 82].

Таким образом, изменением количества и качества клейковины можно добиться более длительного сохранения свежести изделий не только за счет возможного увеличения их удельного объема, но и за счет снижения скорости черствения [7, 83-85].

Наиболее простой и прямой способ улучшение хлебопекарные свойств муки - внесение в нее сухой пшеничной клейковины (СПК). Добавление сухой клейковины повышает ее содержание в муке до стандартного, корректирует качество клейковины муки - все это позволяет мукомольным и хлебопекарным предприятиям вырабатывать продукцию стандартного качества [85-86].

СПК значительно повышает качественные показатели хлебобулочных изделий при всех способах тестоведения. Свойство клейковины в создании эластичной массы полезно используется при выпечке, когда газ, зародившийся от брожения дрожжей, сохраняется внутри эластичной структуры, образованной клейковиной. За счет улучшенной способности связывания воды повышается выход теста и срок сохранности выпекаемой продукции [87]. Применение СПК очень удобно, так как не вызывает необходимости использования каких-либо специальных приемов и режимов, и поэтому целесообразно при всех способах тестоприготовления: опарном, безопарном и ускоренном [88-89].

Применение СПК в технологии хлебобулочных изделий позволяет: повысить водопоглотительную способность теста, укрепить физические свойства теста, улучшить физико-химические и органолептические показатели качества хлеба, увеличить срок хранения свежести готовых изделий, снизить крошковатость мякиша, увеличить выход готовых изделий на 2…7 % [87].

В ряде работ [85, 90] выявлено, что ввод СПК в сортовую пшеничную муку позволяет не только повышать содержание клейковины, но и корректировать качество клейковины муки. Исследования изменения физических свойств теста из муки разных сортов и различного качества при вводе СПК показало, что пшеничная клейковина оказывала наиболее существенное влияние на повышение хлебопекарных свойств более слабой по качеству муки, повышая ее силу до уровня более сильной муки [85, 90]. Для муки высшего сорта с содержанием клейковины 25…26 % наибольшее увеличение объемного выхода хлеба отмечено при вводе 1…2 % СПК. При дальнейшем увеличении дозы (до 3 %) объемный выход хлеба практически не изменялся. Это объясняется низкой газо- и сахаробразующей способностью муки, что подтверждается недостаточной амилолитической активностью муки. Вследствие этого для удержания выделяющихся при брожении относительно небольших количеств диоксида углерода не требовался дополнительный ввод клейковины.

Сухая клейковина - натуральное вещество, и ее количество при использовании в качестве добавки может не ограничиваться. СПК способствует увеличению водопоглотительной способности теста, улучшению его физических свойств, повышению показателей качества хлеба, в том числе структурно-механических свойств мякиша, выхода и срока хранения хлебобулочных изделий [86].

Таким образом, применение улучшителей в хлебопекарном производстве позволит гарантировать стабильное качество хлебобулочных изделий из муки с низкими хлебопекарными свойствами и дольше сохранить свежесть готовых изделий.

2. Экспериментальная часть

2.1.3 Определение амилолитической активности ферментных препаратов

Амилолитическая активность характеризует способность амилолитических ферментов катализировать гидролиз крахмала до декстринов различной молекулярной массы и выражается числом единиц указанных ферментов в 1 г препарата.

За единицу амилолитической активности (АС) принята способность фермента при определенных значениях температуры, рН и времени действия катализировать до декстринов различной молекулярной массы 1 г крахмала, что составляет 30 % крахмала, введенного в реакцию.

Определение амилолитической активности ферментных препаратов проводят колориметрическим методом по ГОСТ 20264.4-89 с использованием прибора КФК-2. Метод основан на гидролизе крахмала ферментами амилолитического комплекса до декстринов различной молекулярной массы.

2.1.4 Определение автолитической активности муки по автолитической пробе [91]

Автолитическая активность («авто» - само, «лизис» - растворение) - это способность муки образовывать при прогреве водно-мучной суспензии определенное количество водорастворимых веществ. Это суммарный показатель, отражающий состояние углеводного комплекса и активности амилолитических ферментов, главным образом, ?-амилазы.

Во взвешенный на технических весах фарфоровый стаканчик вместимостью 50 см3 вместе со стеклянной палочкой, которая остается в нем в течение всего определения, отвешивают 1 г муки с точностью до 0,05 г, добавляют мерной пипеткой 10 см3 дистиллированной воды и тщательно перемешивают палочкой. Стаканчик с пробой погружают в кипящую водяную баню так, чтобы уровень жидкости в стаканчиках был на 0,75...1,0 см ниже уровня воды в бане. В свободные гнезда вставляют стаканчики, заполненные дистиллированной водой по 10 см3 в каждый. Первые 2...3 минуты содержимое стаканчиков перемешивают палочкой 3...4 раза для равномерной клейстеризации крахмала муки.

По окончании клейстеризации для предохранения от испарения воды стаканчики накрывают стеклянными воронками. После 15-минутного прогрева от момента погружения стаканчик вместе с крышкой вынимают из бани и в каждый из них немедленно вливают до 20 см3 дистиллированной воды, энергично перемешивают и охлаждают до комнатной температуры. Затем общую массу охлажденного автолизата доводят на весах дистиллированной водой до 30 г с точностью до 0,05 г, для чего обычно требуется прилить около 0,2…0,5 г воды.

После тщательного перемешивания до появления пены содержимое стаканчика некоторое время отстаивают, а затем фильтруют через складчатый фильтр. Так как масса получается трудно фильтруемая, то на фильтр не рекомендуется переносить осадок. Первые 2 капли фильтрата отбрасывают, а последующие 2...3 капли стеклянной палочкой наносят на призму рефрактометра, проводят измерения, а затем рассчитывают содержание сухих веществ в пересчете на сухое вещество муки как указано выше.

2.1.5 Определение автолитической активности муки по экспресс-выпечке [91]

Для определения автолитической активности пшеничной муки высшего или 1 сорта берут 20 г муки, взвешенной с точностью до 0,01 г, замешивают с 12 см3 воды, имеющей комнатную температуру (17...20 оС), в тесто однородной консистенции. Сразу после замеса из теста формуют шарик, который помещают для выпечки в лабораторную хлебопекарную печь и выпекают при температуре 225 оС в течение 12 мин. Выпеченный шарик охлаждают и подвергают органолептической оценке. Если нижняя корочка более плоская, верхняя корочка несколько зарумянена, мякиш липкий и темный, то мука имеет повышенную автолитическую активность.

2.2 Проведение пробной лабораторной выпечки хлеба из пшеничной муки [91]

Безопарное тесто готовят по рецептуре, приведенной в таблице 2.1. В лабораторных условиях на одну выпечку берут 460 г муки. Количество остального сырья рассчитывают исходя из рецептуры с учетом вариантов задания.