Физико-химические процессы, протекающие при выпечке

Физико-химические процессы, протекающие при выпечке

Выпечка — заключительная стадия технологического цикла при выработке хлебобулочных изделий. Ее рассматривают как нестаци­онарный процесс теплообмена между выпекаемой тестовой заго­товкой и носителями теплоты, передающими ее излучением, кон­векцией и в результате прямой теплопроводности (кондукции), при этом основная роль остается за передачей теплоты излучением. Это обусловлено возникновением волн электромагнитных колебаний длиной 5,0 — 4,3 мкм, излучаемых теплоотдающими поверхностями при температуре 300 — 400 "С (абсолютно черное тело), соответству­ющей максимуму энергии излучения, охватывающей колебания с длиной волн от 0,77 до 340 мкм (Л.Я. Ауэрман, 2002).

Практически несущественной для процесса выпечки являет­ся теплота, передаваемая путем конвективного теплообмена с га­зовой средой пекарной камеры.

Определенная роль в интенсификации передачи теплоты принадлежит теплоте конденсации паров на тестовой заготовке при увлажнении пекарной камеры печи в начале выпечки.

Процесс выпечки тестовой заготовки сопровождается изме­нением ее агрегатного состояния, связанным с перемещением и испарением влаги, с протеканием физических, биохимических, микробиологических и коллоидных процессов, происходящими одновременно.

7.1. ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ДРОЖЖЕВЫХ

КЛЕТОК И БАКТЕРИЙ В ВЫПЕКАЕМОЙ

ТЕСТОВОЙ ЗАГОТОВКЕ

В первые минуты выпечки при постепенном прогреве тесто­вой заготовки до 35 — 38 °С в результате повышения активности дрожжевых клеток интенсифицируется процесс спиртового бро­жения с образованием этанола и диоксида углерода. При прогре­ве теста свыше 45 °С процесс резко замедляется и при температу­ре 50 "С дрожжевые клетки гибнут.

Рекомендуемые материалы

Жизнедеятельность гомо- и гетероферментативных молочно­кислых бактерий в первый период выпечки тестовой заготовки за­висит от их температурного оптимума (34 — 35 °С для нетермофиль­ных бактерий и 48 — 54 "С для термофильных). По мере прогревания тестовой заготовки кислотообразование форсируется. При дости­жении температуры выше указанной жизнедеятельность молочно­кислых бактерий замедляется, а затем при 60 °С прекращается.

7.2. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ВЫПЕЧКЕ

Амилолитические ферменты муки, находящиеся в активном состоянии, гидролизуют крахмал, при этом с увеличением темпе­ратуры активность их резко возрастает. В результате клейстериза-ции крахмал во много раз легче гидролизуется как а-, так и (3-ами-лазами, поэтому массовая доля крахмала в тестовой заготовке при выпечке снижается.

(З-Амилаза в пшеничном тесте наиболее активно действует при температуре 62 - 64 °С, а при 82 - 84 °С практически полностью инак-тивируется. а-Амилаза имеет зону оптимума в пределах 70 - 74 °С и способна сохранять известную активность при 97 — 98 °С. Следова­тельно, при выпечке хлеба имеет место температурный интервал, в пределах которого Р-амилаза уже инактивирована, а ос-амилаза, если она присутствует в активном состоянии, еще действует. Это имеет существенное и неблагоприятное значение при переработке муки из проросшего зерна, когда декстрины, накапливающиеся в этом температурном интервале в результате деятельности а-амила-зы, придают липкость и сыроватость (на ощупь) мякишу хлеба. При повышении кислотности теста снижается температурный оптимум а-амилазы, и температурный интервал, опасный для качества хлеба из такой муки, становится более узким.

Протеолитические ферменты при повышении температуры также в несколько раз увеличивают свою активность, но при тем­пературе 80 — 85 "С полностью инактивируются.

При температуре 110 — 120 °С начинается термическая декст-ринизация крахмала, температура 120 — 140 "С приводит к обра­зованию все более темно окрашенных декстринов, а при 140 - 150 °С начинается карамелизация Сахаров, имеющихся в нагретых до этой температуры слоях корки.

Скорость прогрева корки хлеба столь велика, что биохими­ческих изменений ферментативного характера в ней почти не происходит, поскольку ферменты этого слоя практически инак-тивируются в первые же минуты нахождения хлеба в печи.

7.3. КОЛЛОИДНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ВЫПЕЧКЕ

На структурообразование мякиша в процессе выпечки влияют: теплофизические параметры пекарной камеры — температура тепло-отдающих поверхностей; параметры паровоздушной среды - темпе­ратура, относительная влажность и скорость ее перемещения; пара­метры тестовой заготовки — масса, форма, влажность, объем и сте­пень ее разрыхленное™, рецептурный состав, способ выпечки и др.

Основную роль в образовании мякиша играют коллоидные процессы, протекающие при прогревании тестовой заготовки и связанные, главным образом, с изменением состояния крахмала и белковых веществ.

Тесто представляет собой такого рода систему, в которой вла­га имеет различные формы связи. Классификация форм связи влаги коллоидными капиллярно-пористыми материалами, пред­ложенная П.А. Ребиндером, учитывает и природу образования различных форм, и энергию связи их с материалом.

Все формы связи влаги делятся на три большие группы: 1) химическая связь, 2) физико-химическая связь, 3) физико-ме­ханическая связь.

1.  Химическая связь в точных количественных соотношениях. Хи­мически связанная вода исключительно прочно связана с материа­лом и может быть удалена из него только при химическом взаимодей­ствии или особо интенсивной тепловой обработкой (прокаливание).

2.Физико-химическая связь в различных, не строго опреде­ленных соотношениях. Этой связи соответствуют следующие формы связи влаги.

а) Адсорбционно связанная влага. Такая влага представляет со­бой жидкость, удерживаемую силовым полем на внешней и внут­ренней поверхности мицелл коллоидного тела. При поглощении
воды коллоидным телом выделяется теплота набухания (гидрата­ция) и происходит сжатие системы «коллоидное тело — вода». Наибольшее количество тепла выделяется при соединении перво­го мономолекулярного слоя, который связан наиболее прочно и находится под огромным давлением (в связи с этим увеличивается плотность воды и происходит сжатие системы). Удаление прочно связанной с телом адсорбционной влаги требует соответствующей затраты энергии: она должна быть превращена в пар, после чего начинается диффузия ее к наружной поверхности тела.

б) Осмотически поглощенная влага (влага набухания) и струк­турная влага. К этим видам связи влаги относится влага, находя­щаяся в замкнутых ячейках, как поглощенная осмотически слож­но построенной мицеллой, так и иммобилизованная влага (структурная), захваченная при формировании геля (застуднева­нии). Эта влага является свободной в том смысле, что ей соответствует весьма малая энергия связи.

Осмотически поглощенная влага диффундирует внутри тела в виде жидкости через стенки клеток благодаря разности концен­трации внутри и вне клеток.

Осмотическое поглощение воды имеет очень большое значе­ние в процессах образования теста и выпечки хлеба, а осмотичес­ки поглощенная влага составляет главную массу воды, находя­щейся в тесте-хлебе. На долю адсорбционно связанной влаги, по данным А.В. Лыкова и Л. Я. Ауэрмана, приходится примерно около 20 % от общего количества влаги, содержащейся в хлебе.

3. Механическая связь — удержание воды в неопределенных количествах. Ей соответствуют следующие формы связи.

а) Влага макрокапилляров. Эта часть воды находится в узких капиллярах (порах), средний радиус которых имеет величинубольше 10~⁵ см. Вода заполняет сквозные макрокапилляры толь­ко при непосредственном соприкосновении.

б) Влага микрокапилляров. Эта влага заполняет узкие поры, сред­ний радиус которых имеет величину меньше 10~⁵ см. Жидкость за­полняет любые микрокапилляры не только при непосредтвенном соприкосновении, но и путем сорбции из влажного воздуха.

Капиллярная влага представляет собой свободную влагу и может перемещаться в теле как в виде пара (диффузия), так и в виде жидкости (за счет капиллярных сил).

Коллоидная природа теста — хлеба обусловливает наличие в нем осмотически поглощенной, структурной и адсорбционно связанной влаги, а капиллярно-пористая структура — содержа­ние капиллярной влаги.

Изменение температуры теста резко влияет на ход коллоид­ных процессов.

Основная масса крахмальных зерен при температуре 62 "С клейстеризуется. В период клейстеризации они значительно уве­личиваются в объеме из-за образования трещин, в которые прони­кает влага, при этом крахмал поглощает как свободную влагу теста, так и влагу, выделенную белками при их денатурации. Наряду с осмотическим поглощением влага связывается с крахмалом наи­более прочно - в виде адсорбционно связанной воды (на внешней и внутренней поверхности мицелл). Клейстеризация крахмала из-за дефицита влаги и присутствия других веществ идет медленно и заканчивается при прогреве образующегося мякиша до температу­ры 95 - 98 "С. Температура мякиша не превышает 100 "С.

Из-за недостатка воды в тесте при выпечке происходит не­полная клейстеризация крахмала, поэтому выпеченный хлеб ха­рактеризуется «сухим» эластичным мякишем, в противополож­ность липкому крахмальному клейстеру, образуемому при пол­ной клейстеризации крахмала.

Крахмал хлеба, клейстеризованный в условиях наличия огра­ниченного количества воды, частично сохраняет свою кристал­лическую структуру и дает рентгеноспектр, типичный для крис­таллического состояния вещества, хотя и отличный несколько от рентгеноспектра кристаллического состояния крахмала муки.

При выпечке тестовой заготовки из ржаной муки клейстери­зация крахмала начинается при более низкой температуре -55 "С. Однако из-за более активного ферментативного и кислот­ного гидролиза определенной доли крахмала содержание декст­ринов и восстанавливающих Сахаров в ней увеличивается. Поэто­му мякиш ржаного хлеба, особенно из ржаной хлебопекарной обойной муки, липкий на ощупь и заминается.

Изменение состояния белковых веществ, в том числе и их де­натурация, в тестовой заготовке из ржаной муки начинается при ее прогреве до температуры 50 - 55 °С и заканчивается при темпе­ратуре 90 °С. При денатурации белковые вещества изменяют свои физические и химические свойства, они уплотняются и выделя­ют влагу, поглощенную ими при образовании теста.

При денатурации полипептидная цепь белка разворачивает­ся и превращается в беспорядочный, хаотический клубок, пере­ходя из гидрофильного состояния в гидрофобное. В результате его молекулы остаются в растворе только при наличии стабили­зирующего фактора, например, электрического заряда. Изменя­ется оптическая активность белков, увеличивается реактивность химических групп, ранее экранированных внутри глобулы; дена­турированные белки дают более интенсивные цветные реакции; изоэлектрическая точка денатурированного белка сдвигается в сторону более высоких значений рН.

Таким образом, образование стандартного мякиша хлеба происходит при сравнительно глубокой денатурации белков и прочном адсорбционном связывании воды клейстеризую-щимся крахмалом. Эти процессы завершаются при темпера­туре 97 - 99 °С.

При дальнейшем прогреве до более высокой температуры ад­сорбционно связанная вода превращается в пар и начинается ее удаление из хлеба. Этот процесс происходит в поверхностных слоях образца, которые последовательно проходят все стадии процесса выпечки: тесто — мякиш — корка.

При выпечке подкорковая масса заготовки превращается в эластичный, структурный и сухой на ощупь мякиш, при этом та­кие изменения не происходят мгновенно во всей массе, а начина­ются с поверхностных слоев его и, по мере прогревания, углубля­ются по направлению к центру хлеба.

Границей между мякишем и тестом будет изотермическая поверхность, соответствующая для пшеничного хлеба темпера­туре, примерно равной 69 °С. Однако, прогрев теста до этой тем­пературы не обеспечивает образование мякиша вполне нор­мального качества: он недостаточно упруг, сминается при лег­ком надавливании и сыроват на ощупь. Причина недостатков заключается в том, что клейстеризация крахмала (первая его стадия) в условиях недостаточного увлажнения, которое имеет место в тесте - хлебе, завершается при более высокой темпера­туре (до 100 ° С).

Коллоидные процессы протекают более интенсивно в пери­ферийной зоне теста — хлеба, которая прогревается более быстро. Поэтому показателями окончания процесса выпечки должны служить состояние и свойства центральной зоны хлеба.

7.4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ,

СПОСОБСТВУЮЩИЕ УВЕЛИЧЕНИЮ ОБЪЕМА

ВЫПЕКАЕМОЙ ТЕСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ

Помещенный в печь кусок теста из пшеничной муки сразу начинает быстро увеличиваться в объеме. Постепенно прирост объема выпекаемого теста замедляется и затем совсем прекраща­ется. Достигнутые к этому моменту объем и форма хлеба сохраня­ются неизменными до конца процесса выпечки.

Быстрый рост объема выпекаемого куска теста, последующее замедление его и, наконец, полное прекращение изменения объема вызываются и обусловливаются физическими, микроби­ологическими, биохимическими и коллоидными процессами, протекающими в ходе выпечки.

Процесс выпечки можно разделить на два периода: первый -период переменного объема, и второй - период постоянного объема.

Кинетика изменения объема куска теста (V) в процессе его выпечки (т) показана на графике (рис. 7.1).

Как видно из этого графика, объем тестовой заготовки сперва возрастает, затем рост замедляется и, наконец, с момента т_н, оста­ется неизменным.

Значительное увеличение объема теста в первый период его на­хождения в пекарной камере печи объясняется интенсификацией процесса спиртового брожения с образованием этанола и диоксида углерода вследствие повышения активности бродильной микро­флоры теста. Образующийся спирт переходит в парообразное со­стояние при 79 "С, происходит тепловое расширение паров спирта и газообразной фазы выпекаемой тестовой заготовки. Все это оказы­вает физическое воздействие на клейковинный каркас: он растяги­вается и объем заготовки увеличивается. Увеличению объема спо­собствует тепловое расширение пузырьков воздуха и диоксида угле­рода, бывших уже в тесте в момент его посадки в печь.

Все вышеперечисленные процессы способствуют увеличе­нию давления газообразных продуктов внутри выпекаемого хле­ба. Часть газообразных продуктов, проходя через тонкий обезво­женный поверхностный слой-пленку, а затем через корку, теря­ется в атмосферу пекарной камеры. Основная их часть остается внутри выпекаемого теста и вследствие увеличивающегося давле­ния стремится расширить его объем.

Замедление, а в момент т_н — прекращение прироста объема выпекаемой тестовой заготовки обусловлено, в первую очередь, образованием корки, а под коркой — все утолщающегося слоя мякиша.

Корка быстро начинает терять способность к растяжению, уменьшая при этом свою газопроницаемость. Поэтому дальнейше­го увеличения объема выпекаемого теста не происходит.

Слой мякиша, в результате клейстеризации крахмала и дена­турации белковых компонентов теста, также не способен к изме­нению своего объема.

Некоторое уменьшение объема тестовой заготовки, возмож­ное во втором периоде выпечки, объясняется релаксацией внут-рипорового давления вследствие ухудшения газоудерживающей способности упругих стенок по мере их прогрева до температуры 95 — 98 °С. При этой температуре заканчивается денатурация бел­ковых веществ — раэупорядочение конформации полипептидной цепи без изменения первичной структуры. Тепловая денатурация белков — один из основных физико-химических процессов, ле­жащих в основе выпечки хлебобулочных изделий. Денатуриро­ванные белки являются каркасом, в который вкраплены зерна набухшего крахмала. Благодаря этому каркасу закрепляются по­ристая структура мякиша и форма хлеба.

Об изменении объема (размеров) тестовой заготовки можно судить по изменению его высоты, так как этот фактор легче всего поддается изменению в процессе выпечки (рис. 7.2).

Анализируя кривые подъема тестовой заготовки в совокупно­сти с изменением температуры мякиша (рис. 7.2) и данные табл. 7.1, можно прийти к выводу, что продолжительность измене­ния объема теста в печи т_н, т.е. максимальная продолжительность увеличения высоты, для определенного сорта хлеба при опреде­ленных параметрах среды пекарной камеры является характерной величиной, которая обусловливает деление процесса выпечки на два периода: начальный период — период переменного объема и второй — период постоянного объема тестовой заготовки. Абсо­лютное значение х_н в приведенном опыте составляет 9-10 мин.

Однако деление процесса выпечки на два периода определяется не только внешним фактором - изменением формы (высоты) тестовой заготовки, но и внутренними физико-химическими процессами, обус­ловливающими основные показатели качества выпеченного хлеба.

Получение качественного хлеба возможно в условиях, обес­печивающих оптимальную величину критического времени подъема тестовой заготовки в печи т_н.

Следует создать такой режим выпечки, чтобы вначале на по­верхности выпекаемой тестовой заготовки образовалась тонкая эластичная пленка, способная задержать или сократить выход га­зов из нее. Прогрев будущего мякиша следует вести с такой ско­ростью, чтобы т_н соответствовало структурно-механическим свойствам теста, изменяющимся в процессе выпечки.

Степень увеличения объема зависит от вида и сорта муки, от рецептуры и состояния теста, формы и плотности посадки тесто­вых заготовок на под печи, режимов пароувлажнения и выпечки. При подаче пара в первую зону пекарной камеры, обеспечиваю­щего влажность среды до 80 %, из-за его конденсации на поверх­ности заготовок обезвоживание верхнего слоя и образование кор­ки задерживается. Конденсация пара ускоряет прогрев тестовой заготовки, способствует увеличению ее объема, улучшает вкус, аромат и состояние поверхности готового хлеба, снижает упек. Процесс прогревания ускоряется в связи с тем, что при конденса­ции пара выделяется скрытая теплота парообразования.

Слишком скорое прекращение роста объема тестовой заго­товки при выпечке может привести либо к недостаточному объе­му, либо к разрывам и трещинам на поверхности хлеба. Слишком затянувшийся период переменного объема хлеба может привести к тому, что резко ухудшающиеся в результате прогрева при вы­печке физические свойства теста вызовут расплывание тестовой заготовки на поду или уменьшение ее объема в форме под дей­ствием собственной массы.

7.5. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ КОРКИ

Образование твердой корки хлеба происходит в результате обезвоживания наружных слоев тестовой заготовки. Твердая корка прекращает прирост ее объема.

При прогреве заготовки до 100 "С ее верхний слой быстро те­ряет влагу в окружающую среду и при температуре 110 — 112 °С превращается в тонкую корку, которая затем утолщается. Потеря влаги продолжается до достижения коркой равновесной влажно­сти, которая зависит от температуры среды пекарной камеры. После этого корка начинает быстро прогреваться выше темпера­туры 100 "С. Однако из-за низкой термовлагопроводности теста скорость передвижения влаги к корке значительно ниже скорос­ти ее обезвоживания. В результате между коркой и мякишем об­разуется паровоздушная прослойка, препятствующая дальней­шему испарению влаги. Поэтому влага устремляется в центр мя­киша, т.е. переходит от более нагретых участков (корки) к менее нагретым (мякишу). Часть влаги в виде паров, образующихся в зоне испарения, проходит через поры обезвоженной корочки во внешнюю среду при 100 "С в зоне испарения. Влажность мякиша за счет перемещения влаги повышается на 1,5 - 2,5 %, а влаж­ность корки к концу выпечки составляет 5 - 7 %. Температура корки достигает 160 — 180 "С.

При образовании корки и мякиша в результате прогрева тес­товой заготовки происходят изменения крахмала и белка. Чем толще корка и чем выше температура пекарной камеры, тем выше температура ее поверхности, но не более 200 °С, т.е. не дос­тигает величины этого параметра пекарной камеры из-за расхода теплоты на перегревание паров воды, проходящих из зоны испа­рения через поры корки в пекарную камеру.

Среднюю температуру корки (t _{K ср}, °С) для технических рас­четов можно определить по уравнению (Л.Я. Ауэрман, 2002):

7.6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ,

ВЫЗЫВАЮЩИЕ ИЗМЕНЕНИЕ МАССЫ

ТЕСТОВОЙ ЗАГОТОВКИ

В начале процесса выпечки в результате влагообмена между тестовой заготовкой, температура которой значительно ниже температуры пекарной камеры, и увлажненной средой пекарной камеры происходит поглощение влаги тестовой заготовкой в ре­зультате конденсации паров воды на ее поверхности и их сорбции в верхних слоях, предшествующих корке (рис. 7.3).

Изменение массы выпекаемой тестовой заготовки за счет ис­парения влаги характеризуется двумя периодами: первым, в ко­тором ее масса уменьшается с возрастающей скоростью, и вто­рым, в течение которого уменьшение этой массы происходит с наибольшей скоростью. Скорость уменьшения массы выражает­ся плотностью потока испаряющейся влаги j_Hcn:

С увеличением интенсивности теплоподвода к выпекаемой тестовой заготовке первый период изменения их массы сокраща­ется, а второй, наоборот, увеличивается. В конце первого периода изменения массы на поверхности тестовой заготовки образуется корка. Этот вывод обосновывается уравнением:

Температуру наружной поверхности выпекаемой тестовой заготовки t_Hap определяют по формуле:

Из соотношения (7.3) следует, что при постоянной скорости изменения массы толщина корки составляет 1,5 - 2,0 нм.

Максимальный прирост массы имеет место в интервале меж­ду 3 и 5 мин выпечки и достигает 1,3 % от начальной массы куска теста. Интенсивность и длительность поглощения (сорбции) влаги, конденсируемой на поверхности и в прилегающих к ней слоях теста, будет тем больше, чем выше влагосодержание газо­вой среды, чем ниже температура этой среды и чем ниже темпера­тура теста при поступлении в камеру.

При превышении температуры точки росы конденсация вла­ги на поверхности заготовки и ее сорбция прекращаются, и сразу начинается ее испарение с поверхности, а затем из прикоркового слоя. Достижение поверхностным слоем равновесной влажности, т.е. при преобразовании его в практически обезвоженную корку, сопровождается удалением влаги из зоны испарения.

При выпечке уменьшение массы тестовой заготовки проис­ходит за счет испарения части влаги при образовании корки и ле­тучих продуктов брожения — спирта, диоксида углерода, органи­ческих летучих кислот и других летучих веществ.

Лекция "5 Устойчивость и коагуляция коллоидных систем" также может быть Вам полезна.

Уменьшение массы при выпечке составляет 6 — 14 % и зависит от формы и массы тестовой заготовки, способа выпечки, сорта муки, рецептуры, продолжительности окончательной расстойки, формы, режима выпечки, конструкции печи, наличия увлажнения в начале выпечки и опрыскивания перед выходом их из печи и др.

7.7. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЫПЕЧКИ

Выпечка хлеба является физико-химическим гидротермичес­ким процессом, основным фактором которого является прогрев влажного коллоидного капиллярно-пористого материала — теста.

Механизм выпечки, как гигротермического процесса, обуслов­лен характером переноса тепла и влаги в выпекаемом тесте. Эти процессы взаимно влияют один на другой, а их соотношение зави­сит от режима прогрева теста и связи влаги в нем.

Прогрев тестовой заготовки зависит от интенсивности теплоподвода, характеризующейся плотностью теплового потока на ее наружной поверхности. Значения этой плотности, Вт/м² опре­деляют по формуле