Вода в объектах хлебопекарного производства

Вода в объектах хлебопекарного производства

В состав хлеба входят две группы веществ - неорганические (вода и минеральные или зольные элементы) и органические (белки, жиры, углеводы, целлюлоза). Последние разделяются на нерастворимые и растворимые в воде. К нерастворимым органи­ческим веществам относятся целлюлоза, гемицеллюлоза, крах­мал, жирорастворимые витамины, липиды и липидоподобные соединения, красящие вещества. Растворимые органические ве­щества включают сахара (глюкозу, фруктозу, сахарозу, мальтозу, лактозу и др.), многоатомные спирты (маннит, сорбит, инозит), водорастворимые пентозаны, органические кислоты (яблочную, лимонную, винную, молочную, уксусную и др.), азотистые веще­ства (водорастворимые белки, аминокислоты, амиды аминокис­лот, нитраты и др.), полифенолы и ароматические соединения, водорастворимые ферменты. Вода - это реакционно-способное соединение, отличающееся от других жидкостей составом и свойствами.

Вода и продукты ее ионизации - ионы Н⁺ и ОН⁻ оказывают большое влияние на свойства многих важных компонентов клет­ки, таких как ферменты, белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Например, каталитическая активность ферментов в значительной мере зависит от концентрации ионов Н⁺ и ОН⁻.

Гидратацию можно рассматривать как химическую реакцию, приводящую к образованию координационного соединения электроны кислорода внедряются в электронную сферу катиона, и возникает координационная связь.

Помимо ионных соединений в воде растворяется огромное число незаряженных молекул, содержащих полярные группы не­органических соединений (кислород, диоксид углерода) или ор­ганических (спирты, альдегиды, кетоны, сахара). Растворимость этих веществ в воде объясняется их способностью образовывать водородные мостики с функциональными полярными группами, такими как гидроксильные группы сахаров и спиртов, карбо­нильные группы альдегидов и кетонов.

Соединения, содержащие только неполярные гидрофобные группы, в воде практически нерастворимы. Существует ряд биохимически важных соединений, содержащих как гидрофобные (водоотталкивающие), так и гидрофильные группы.

В хлебе из муки различиях видов и сортов органические и не­органические вещества находятся в разном соотношении. Наи­большая доля приходится на углеводы и воду.

При тестоприготовлении вода играет важную роль, т.к. от ее количества, состояния, свойств и активности зависит интенсив­ность физико-химических микробиологических и биохимических процессов.

Структура и физико-химические свойства воды

Рекомендуемые материалы

Химическая формула вода Н₂0 применима только к водяным парам при высокой температуре, так как в жидком состоянии во­да - это полимер, состоящий из конгломератов молекул, соеди­ненных водородными связям между атомами водорода одной мо­лекулы и атомом кислорода другой. Прочность водородных свя­зей составляет 17-33 кДж/моль, т.е. в 15-20 раз слабее ковалентной и превосходит энергию вандерваальсовского взаимодействия (4 кДж/моль). Водородные связи могут возникать и между неод­нородными молекулами, обусловливая специфику водных рас­творов. Массовые доли водорода и кислорода в воде составляют соответственно 11,19 % и 88,81 %, относительная молекулярная масса 18,0153.

Растворенные в воде вещества стремятся разрушить водород­ные связи между молекулами воды. Присутствие в воде веществ ионной природы, таких как NaCI, приводит к заметному измене­нию структуры воды. Это обусловлено тем, что каждый ион (Na⁺ и С Г) окружен гидратной оболочкой, состоящей из дипольных молекул воды, причём геометрия таких гидратированных ионов несколько отличается от геометрии и свойств ассоциатов, обра­зуемых молекулами воды за счет водородных связей.

Водородные связи могут образовываться между водой и кар­боксильной, гидроксильной и другими полярными группами. Важнейшие полярные группы: гидроксильная (-ОН-), карбок­сильная (-СООН-), карбонильная (-СО-), амидная (-NH₂-), имидная (-NH-), сульфгидрильная (-SH-).

В молекуле имеется 10 электронов (5 пар): одна пара внутрен­них электронов находится вблизи ядра кислорода, а две пары внешних электронов расположены попарно между каждым из протонов и ядром кислорода; две остальные пары внешних элек­тронов направлены к противоположным от протонов вершинам тетраэдра. Таким образом, в молекуле воды существует четыре полюса зарядов, распределяемых по вершинам тетраэдра: два от­рицательных, обусловленных избытком электронной плотности в местах расположения неподелённых пар электронов, и два поло­жительных, созданных недостатком ее в местах нахождения про­тонов. Электрический момент диполя 6,2 ∙10^-30 Кл ∙ м, потенциал ионизации 12,56 В. Энергия диссоциации

Н₂О→Н+О+Н- 916,5

Н₂О→Н+ОН- 493,2

Теплота электролитической диссоциации при 20° С

Н₂О→Н⁺+ОН^- 57150

Вода относится к типу веществ с трехмерной решетчатой сис­темой водородных связей. Она имеет самое большое (кроме рту­ти) поверхностное натяжение, высокую степень смачивания по­верхностей многих тел, обладает большой удельной теплоемко­стью, которая более чем вдвое превышает удельную теплоем­кость любого химического соединения.

Центры положительных и отрицательных зарядов в молекуле поды сильно смещены один относительно другого. Этим объяс­няется ее высокая диэлектрическая проницаемость ( ε, ). Так, при 20°С она составляет 81,8. Благодаря ей вода является одним из универсальных и сильнейших растворителей.

Вода сама способна к диссоциации: при обычной температуре из каждого миллиарда молекул воды две из них диссоциируют по уравнению

2Н₂0↔ Н₃0⁺+ОН⁻

Ион гидроксония Н₃0⁺ называют ионом водорода, так как при отщеплении электрона от атома во­дорода в первую очередь образуется ион Н⁺ (протон). Однако об­разовавшийся протон всегда присоединяет молекулу воды:

 Н⁺+Н₂0 → Н₃0⁺. Эта особенность играет большую роль в биоло­гических объектах. В зерне и муке, тесте вода содержит раство­ренные компоненты той или иной концентрации и состава или связана различными силами с их структурными элементами. Во­дородные и гидроксильные ионы воды во многих химических реакциях, протекающих при созревании теста, выполняют роль катализаторов. Механизм этих реакций описывается теорией ки­слотно-основного катализа.

Вода имеет наименьшую летучесть, наибольшую плотность при 3,98° С, высокую теплоту плавления и удельную теплоем­кость. Вязкость уменьшается с повышением давления при 0-30° С, ее теплоемкость с повышением температура непоследователь­но изменяется. Эти свойства объясняются наличием водородных связей, которые возникают за счет стяжения водорода одной мо­лекулы воды с кислородом другой.

Виды связи воды со структурными элементами муки и теста

Влагу коллоидных капиллярно-пористых тел, к которым отно­сится мука, тесто и хлеб, в зависимости от величины энергии свя­зи можно разделить на четыре вида химически связанная, адсорбционно-связанная, капиллярно-связанном и осмотически удерживаемая.

Химически связанная вода обладает высокой энергией связи с материалом (8-10)-10³ Дж. Она представлена в виде гидроксильных групп, образующихся в результате химической реакции -гидратации.

Адсорбционное связывание влаги обусловлено полярным взаимодействием молекул воды с макрочастицами белков и крахмала теста.

Полярность воды проявляется несимметричным расположени­ем в ее молекуле кислорода и двух атомов водорода, каждый из которых сохраняет небольшой положительный заряд. Атом ки­слорода удерживает два слабых отрицательных заряда, с их по­мощью притягивает атомы водорода соседних молекул воды. Возникающие водородные связи образуют соединение воды с другими заряженными частицами теста, чаще всего с атомами азота или кислорода молекул белка и крахмала.

В результате коллоидные частицы покрываются полимолеку­лярным силовым полем по лиофильным группам у поверхности раздела частиц-мицелл с окружающей средой. Эта жидкость вхо­дит в общее количество влаги набухания и называется связанной влагой.

Поверхностные слои коллоидных частиц, обладая свободной потенциальной энергией, при контакте о водой адсорбируют ее, выделяя при этом тепло, образовавшееся в результате перехода потенциальной энергии в тепловую. Такой процесс поглощения влаги называется гидратацией, а выделяющаяся энергия - тепло­той гидратации.

Поверхность коллоидных тел может адсорбировать влагу в ви­де жидкости и пара. Водяной пар при адсорбционном поглоще­нии сжимается и превращается в жидкость, причем процесс ад­сорбционного поглощения происходит не только на внешних, но и на внутренних поверхностях.

Начальный этап сорбции веществом водяного пара заключает­ся в притяжения молекул водяного пара молекулами на поверх­ности тела. Образуется первый слой сорбированной влаги тол­щиной в одну молекулу - мономолекулярный слой. Молекула во­ды в мономолекулярном слое теряет свою подвижность и, будучи тинолем, притягивается к точке сорбции одним из своих концов, несущих заряд. Мономолекулярный слой, используя свободную поверхностную энергию вещества, на своей наружной стороне образует новое силовое поле. В результате свободная поверхностная энергия вещества смещается с поверхности тела на толщину мономолекулярного слоя воды. Мономолекулярный слой сорбирует второй слой молекул воды, который в свод очередь третий и т.д. По мере удаления от точки сорбции величина энергии связи уменьшается и нарушается построение диполей воды

Рис. 1. Адсорбционная связь влаги биополимером

Обязательным условием образования адсорбционных слоев является присоединение к полярным точкам вещества (рис) активного кислорода. Известно, что улучшители окислительного действия повышают водопоглотительную способность теста, прежде всего тем, что способствуют переносу активного кислорода к точкам сорбции и позволяют построению новых цепей диполей воды. Это объясняет то, что участие каждого окислителя в тесте специфично, так как связано как с числом полярных точек на биополимере, так и возможным количеством активного кислоро­да в препарате.

Гидратация есть процесс присоединения адсорбционной влаги, а гидратационная влага есть мера адсорбционной влажности. Влага в адсорбционном слое находится в уплотненном состоя­нии, она не является растворителем, имеет плотность больше единицы, ее диэлектрическая постоянная меньше, чем у свобод­ной влаги. Достигнув предела гидратационного поглощения вла­ги, коллоидные тела продолжают процесс присоединения влаги, но уже под влиянием не полярных сил, а сил осмотического дав­ления.

Осмотическое поглощение влаги вызывается наличием внутри коллоидной частицы водорастворимых веществ. Разность кон­центраций на границе дисперсных фаз создает разность осмоти­ческого давления, под воздействием которого влага проникает внутрь коллоидной частицы. Поглощение влаги таким путем на­зывается сорбцией, или набуханием. Сорбционная влага состоит из влаги осмотической и имобилизированной, т.е. захваченной структурой, образующей вместе с адсорбционной влагой сольватную оболочку вокруг частицы. Поглощение влаги набухания происходит без выделения тепла и концентрации (сжатия систе­мы), но вызывает увеличение объема и изменяет давление набу­хания.

Помимо адсорбционно и осмотически поглощенной влаги в коллоидных капиллярно-пористых материалах может находиться капиллярная влага, удерживаемая силами макро- и микрокапил­ляров. Вода, удерживаемая этими силами, обладает незначитель­ной энергией связи о материалом, обусловливаемой силами по­верхностного натяжения. Этот вид воды называется свободной влагой.

Большинство компонентов муки обладает свойствами полу­проницаемости. Внутри клеток находится растворимая фракция, которая не способна пройти через стенку ячейки. Когда концен­трация растворимой фракции внутри ячейки больше, чем за ее пределами, вода проникает внутрь ячейки, диффундируя через стенки.

Для клеточной мембраны характерна избирательная прони­цаемость - мембрана "сортирует" вещества: одни легко проника­ют другие с трудом или совсем не проникают. Предполагается, что в мембране содержатся ферменты, способные гидролизовать сложные вещества, подготавливая их к прохождению мембраны.

Механизм проникновения осмотической воды в элементы муки отличается от коллоидной системы. В биологическом организме проникновение воды идет не только по классическим законам физики, но и с учетом биологических особенностей клетки. Ос­мотическая вода, проникая в клетку, изменяет свою форму и свойства. Она становится составной частью цитоплазмы и клеточного сока, заполняющего вакуоли, затем вступает в различ­ные физические и химические взаимодействия с компонентами клетки. Все сложные превращения внутри клетки происходят с участием воды.

Для гидролитических процессов, протекающих в тесте в период замеса, брожения, расстойки и выпечки, а также при хранении хлеба, необходимо присутствие вода, способной вступать в хи­мические реакции, т.е. свободной.

В пшеничном тесте нормальной консистенции содержится около 0,29 г связанной воды на 1 г сухого вещества, что соответствует 35 % всей массы воды, находящейся в тесте. Свободная вода появляется при влажности водно-мучной смеси 24,0 %. По­вышение влажности теста до 59,5 % не приводит к увеличению сдержания связанной в нем воды.

Количество связанной воды в тесте зависит от силы муки, Энергия связывания воды уменьшается с ростом содержания белка и увеличивается с повышением числа механически повре­жденных зерен крахмала и растворимых пентозанов. Количество связанной воды (0,33 г на 1 г СВ) практически одинаково в тесте из сильной, хлебопекарной муки высоко стекловидных пшениц и слабой муки из низко стекловидных пшениц. Таким образом, способность белковых веществ и углеводов связывать не зависит от хлебопекарных свойств. В тесте на пшеничной муки около 65 % всей добавленной воды находится в свободном состоянии участвует в биохимических реакциях.

Ведущая роль в образовании пшеничного теста с присущими ему свойствами упругости, пластичности и вязкости принадле­жит белковым веществам муки. Вода способна связываться и по­глощаться белковым веществам теста в 2-2,5 раза больше их мас­сы. Из этого количества вода менее четверти связывается адсорбционно. Остальная вода впитывается осмотически, что приводит к набуханию и резкому увеличению объема белков в тесте.

В тесте имеется свободам вода, не связанная адсорбционно крахмалом, белками и частицами оболочек зерна.

Жидкая фаза имеет конкретное значение в технологическом процессе. Для разделения жидкой и плотной фаза теста на ряд резко разграниченных слоев используется метод ультрацентри­фугирования. Выход жидкой фазы колеблется от 8 до 37 % в за­висимости от качества муки, продолжительности замеса. При обычном замесе он составляет около 20 % массы теста, а про­должительный замес уменьшает это значение до 11 %.

Важное значение для технологий имеет высокая вязкость жид­кой фазы, равная около 40 Па∙с. При автолизе она быстро пони­жается вследствие гидролиза растворимых пентозанов при одно­временном повышении содержания восстанавливающих сахаров.

Для выявления роли жидкой фазы теста в задержке углекисло­го газа при брожении была изучена стабильность пены, обра­зующейся при пропускании пузырьков газа (азота) через ее слой. Эта величина характеризуется скоростью оседания пены, нахо­дящейся в цилиндре, и выражается временем оседания до 1/2 его высоты. Стабильность пены зависит от наличия липидной фрак­ции, присутствие которой понижает ее устойчивость. Высокая устойчивость пены соответствует большему объему и тонкой, равномерной пористости мякиша хлеба. Следовательно, жидкая фаза теста определенно влияет на формирование структуры гото­вого продукта.

Влияние воды на интенсивность технологических процессов. Активность воды

Чем больше воды в тесте, тем интенсивнее протекают процес­сы набухания и пептизации белков, тем больше в нём жидкой фазы, скорее происходит его разжижение. В пшеничном тесте для различных сортов хлеба и хлебобулоч­ных изделий может быть от 35-40 до 72-75 % воды к массе муки.  Это зависит от ряда факторов: сорта хлеба и хлебных изделий, выхода, влажности и силы муки, количества сахара и жира, вносимых в тесто по рецептуре, способов и режимов приготовления теста.

Содержание воды в тесте определяет действие ферментов и влияет на жизнедеятельность его бродильной микрофлоры, на интенсивность брожения и скорость размножения дрожжей и молочнокислых бактерий. В связи с этим влажность теста необхо­димо контролировать, так как она фактически предопределяет влажность мякиша хлеба, регламентируемую стандартом.

Информация в лекции "Методология и методика научного исследования" поможет Вам.

Активность воды выражается отношением давлений паров во­ды над данным продуктом и над "чистой" водой при одной тем­пературе. Активность воды характеризует ее состояние и способ­ность участия в физических, химических и биохимических реак­циях. Чем больше воды в связанном состоянии, тем ниже ее активность. Прочносвязанная вода не является растворителем, не вступает в реакции. Связанная вода может обладать активностью. Например, повышение ферментативных превращений обусловле­но активностью воды. Ниже молекулярного слоя ферментатив­ные реакции не протекают.

В последнее время эмпирически установлена возможность активации водных систем различными физическими воздействия­ми: магнитными, акустическими, электрическими, термическими, насыщения газами, в том числе кислородом и др. Одним из пер­спективных является электрохимическая активация воды. Вода - слабый электролит. В процессе электролиза около катода она приобретает явно щелочной характер, а у анода - кислый. Если не перемешивать порции электролита катодных и анодных зон, электрохимическая активация сохраняется длительное время при включенном источнике энергии. Избыток потенциальной энергии постоянно переходит в кинетическую, активность воды сни­жается до нуля, но вода в больших объемах может пребывать в активном состоянии от нескольких до десятков часов. Анолитная и католитная фракции ведут себя как сильная щелочь и кислота. В них растворяются органические и неорганические вещества, растворимые только в концентрированных растворах кислот и щелочей.

При униполярной электрохимической обработке, как обычной водопроводной воды, так и некоторых жидкостей изменяются электропроводность, поверхностное натяжение, плотность, окис­лительно-восстановительный потенциал, водородный показатель, диэлектрическая проницаемость.

Появление аномальных свойств активированной воды, очевид­но, связано с возникновением в воде свободных радикалов, кото­рые выполняют роль катализаторов химических превращений. В силу своей природы они несут в себе большой запас анергии, по­лученной ими при разрыве межмолекулярных связей, очень реакционноспособны, легко взаимодействуют с компонентами водной среды. Энергия активации реакций с ними очень мала, также хи­мические превращения идут с большими скоростями.

При использовании активированной воды в технологических процессах запас потенциальной энергии в ней способствует из­менению скорости и направления многих, химических и физио­логических реакций. Электрохимическая активация позволяет изменить технологический процесс без различных добавок, при­близив к оптимальному. Свойство активированной воды изме­нять поверхностное натяжение может быть использовано для создания стойких пен или их разрушения. Активация коррозионно-активной среды перед прокачкой ее по трубопроводу исклю­чает появление ржавчины в нем.

Жидкости, подвергнутые активации, оказывают мощное воз­действие на биологические объекты. Есть предположение, что активация вызывает повышенную проницаемость биомембран, содействует более интенсивному действию ферментов. Увеличе­ние восстановительного потенциала среды способствует росту микроорганизмов, ускоряет процессы регенерации органов, тка­ней, отдельных клеток. Активированная вода влияет на интен­сивность обмена веществ, обладает бактерицидными свойствами, сохраняющимися и при нагревании. Эти свойства можно широко использовать в хлебопечении.