Научные и практические основы технологии хлебобулочных изделий функционального назначения с использованием сбивных полуфабрикатов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

научные и практические основы технологии хлебобулочных изделий функционального назначения с использованием сбивных полуфабрикатов

Специальность: 05.18.01 - Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пономарева Елена Ивановна

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре «Технология хлебопекарного, макаронного и кондитерского производств» ГОУ ВПО «Воронежская государственная технологическая академия»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Магомедов Газибег Омарович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Черных Валерий Яковлевич

доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Шатнюк Людмила Николаевна

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор

Манжесов Владимир Иванович

Ведущая организация: ГОУВПО Московский государственный

университет технологий и управления

Защита состоится «____» _______________ 2009 года в ____ часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.148.03 при ГОУВПО «Московский государственный университет пищевых производств» по адресу: 125080, г. Москва, Волоколамское шоссе, д.11, в ауд.______.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МГУПП.

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь

Совета И.Г. Белявская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Состояние здоровья, качества и продолжительности жизни граждан нашего отечества является определяющим фактором достижения стратегических целей внутренней и внешней политики Российской Федерации. Согласно рекомендациям нутрициологии о здоровом и безопасном питании и нормам потребительской корзины, хлебобулочные изделия занимают ведущее место в рационе питания практически всех социально-демографических групп населения страны. Однако ассортимент продукции хлебопекарных предприятий не в достаточной степени удовлетворяет потребностям некоторых категорий населения при организации их профилактического питания или лечения.

В связи с этим необходимы мероприятия по производству хлебобулочных изделий, основанные одновременно на принципах обеспечения защитных сил организма и ресурсосбережения за счет модификации технологического процесса и проектирование рецептур хлеба с заданными свойствами.

Большой вклад в разработку научных основ производства хлебобулочных изделий функционального назначения внесли Л.И. Пучкова, Р.Д. Поландова, Н.В. Лабутина, Л.П. Пащенко, И.В. Матвеева, С.Я. Корячкина, Т.В. Санина, Т.Б. Цыганова, Г.Г. Дубцов, А.С. Джабоева и др.

При производстве хлебобулочных изделий функционального назначения с использованием большого количества рецептурных компонентов как растительного, так и животного происхождения возникают проблемы с обеспечением потребительских показателей качества изделий, начиная с окраски корки хлеба и заканчивая состоянием структуры мякиша и показателями его текстуры.

Достижение определенных функциональных свойств хлебобулочных изделий предопределяет зачастую получение высокорецептурной тестовой массы после замеса, включающей продукты переработки различных видов зерновых культур, плодов, овощей, молочных продуктов и т.д., существенным образом негативно влияющих на процесс биологического разрыхления теста при созревании и тестовых заготовок при окончательной расстойке, и в большинстве случаев, приводящих к получению хлеба с неразвитой структурой пористости и малым удельным объемом. В таких случаях для достижения разрыхленной структуры теста необходимо предусматривать увеличенное количество хлебопекарных дрожжей или применение химических улучшителей, что может стать причиной проявления негативных свойств изделия.

Одним из направлений в создании технологий хлебобулочных изделий функционального назначения может явиться новый способ приготовления высокорецептурной тестовой массы, который будет включать смешивание ингредиентов и после получения теста с определенными реологическими свойствами, его сбивание, т.е. разрыхление теста механическим способом при подаче под давлением атмосферного воздуха.

Проблема производства хлеба путем механического разрыхления рассматривалась зарубежными и отечественными исследователями еще в 19 веке. Однако в хлебопекарной отрасли недостаточно проработаны эти вопросы, не изучены структурно-механические свойства полуфабрикатов, разрыхленных под избыточным давлением воздуха, не достаточно данных по параметрам приготовления теста, нет убедительных сведений об эффективности влияния на организм человека. Таким образом, отсутствие научных основ процесса сбивания хлебопекарного теста не позволило внедрить на хлебопекарных предприятиях производство хлеба по такой технологии.

Применение небиологического и тем более химического разрыхления теста позволит решить проблему производства хлебобулочных изделий функционального назначения при использовании муки из цельносмолотого зерна различных видов зерновых культур сразу после измельчения без созревания, биоактивированного зерна пшеницы, различных видов продуктов переработки плодово-ягодного, овощного сырья и т.д. и существенным образом сократить процесс производства хлебобулочных изделий, исключить из рецептуры дрожжи, снизить затраты сухих веществ, повысить выход хлеба.

Таким образом, разработка технологий хлебобулочных изделий функционального назначения при создании научно-практических основ получения высокорецептурных сбивных полуфабрикатов хлебопекарного производства является актуальной задачей для хлебопекарной промышленности России.

Диссертационная работа является составной частью НИР кафедры «Технология хлебопекарного, макаронного и кондитерского производств» Воронежской государственной технологической академии «Создание и совершенствование ресурсосберегающих технологий при переработке сельскохозяйственного растительного сырья» (№ г. р. 01970008815, на 2006-2010 гг.) и выполнялась в рамках инициативного предложения правительству по проведению на территории Воронежской области федеральной пилотной программы «Обеспечение здоровья, качества и продолжительности жизни населения на территории Воронежской области» (2007-2008 гг.); научного отчета «Мониторинг здоровья населения в субъекте РФ и обеспечение качества жизни граждан нетрадиционными методами исследования, совершенствованием индивидуального питания и образа жизни человека» (2008 г.).

Цель и задачи исследования: Целью диссертационной работы является создание научно-практических основ формирования разрыхленной высокорецептурной тестовой массы при сбивании после смешивания входящих в ее состав рецептурных ингредиентов, обеспечивающих придание необходимых функциональных свойств хлебобулочным изделиям.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- теоретический анализ принципов биологического и механического разрыхления теста, выявление отличительных элементов, анализ образующихся конечных продуктов при гидролизе крахмала и белка в тесте;

- моделирование и оптимизация процесса сбивания (механического разрыхления) тестовой массы с учетом различных технологических факторов;

- выбор рецептурных ингредиентов, обеспечивающих полноценный цвет, вкус и аромат сбивного хлеба, повышение его пищевой ценности и функциональных свойств, необходимых при профилактическом питании или при лечении определенных групп населения;

- научное обоснование и разработка технологий определенного ассортимента сбивного хлеба функционального назначения из пшеничной муки первого сорта, смеси ржаной и пшеничной, муки из цельносмолотых видов зерновых культур, биоактивированного зерна пшеницы, замороженных полуфабрикатов из пшеничной муки;

- исследование микроструктуры полуфабрикатов, полученных различными способами разрыхления; разработка методик определения реологических свойств сбивного теста, учитывающих динамику их изменения;

- определение гликемического индекса и фактического химического состава хлебобулочных изделий, обеспечивающего их пищевую ценность или удовлетворяющего суточную потребность организма человека в необходимых нутриентах;

- разработка рекомендаций по методу определения кислотно-щелочного баланса организма человека, а также алгоритма расчета индивидуального рациона питания для различных категорий населения в зависимости от пола, возраста, вида деятельности, физической нагрузки, состояния здоровья;

- разработка технической документации на новые виды хлеба, проведение медико-клинических испытаний хлебобулочных изделий;

- апробация технологий сбивных хлебобулочных изделий в производственных условиях.

Научная концепция работы. Основой в решении проблемы создания функциональных хлебобулочных изделий является использование механического способа разрыхления полуфабрикатов, обеспечивающего положительное влияние на организм человека.

Научные положения, представляемые к защите

- новые принципы создания хлебобулочных изделий, развивающие целесообразность применения механического разрыхления рецептурных компонентов теста;

- результаты микроскопического анализа структурной характеристики теста, полученного биологическим и механическим разрыхлением; методика определения реологических показателей сбивных бездрожжевых полуфабрикатов;

- новые технологические решения, результаты тестирования «визуальных образов» аромата, цвета изделий, химический состав, показатели функциональности предлагаемых видов хлеба;

- рекомендации по методу оценки кислотно-щелочного баланса организма человека; алгоритм расчета индивидуального рациона питания для различных категорий населения в зависимости от пола, возраста, вида деятельности, физической нагрузки, состояния здоровья, реализованный в виде программы расчета на ЭВМ.

Научная новизна

разрыхление рецептурный тесто сбивной

В работе обоснована и сформулирована постановка новой научной проблемы, существо которой состоит в отсутствии теоретических основ, научных исследований, практических разработок для создания новых технологий и ассортимента хлебобулочных изделий функционального назначения, полученных путем механического разрыхления, дифференцированных для категорий населения с различными заболеваниями и их профилактики. В результате обобщения теоретических и экспериментальных данных:

- сформулированы физико-химические основы формирования структуры сбивной тестовой массы, предназначенной для производства хлебобулочных изделий;

- выявлен характер изменения структурно-механических свойств полуфабрикатов и изделий в зависимости от продолжительности перемешивания, сбивания теста, частоты вращения месильного органа, давления сжатого воздуха, влажности полуфабриката, гранулометрического состава сырья, фракционного состава белков, массовой доли рецептурных компонентов и обогатителей, процесса замораживания и осуществлено математическое описание полученных зависимостей, позволившее оптимизировать рецептурно-технологические факторы процесса производства хлебобулочных изделий;

- методом электронной сканирующей микроскопии установлена микроструктура теста, полученного с использованием биологического и механического разрыхления;

- получены «визуальные образы» аромата сбивного хлеба с применением мультисенсорной системы «электронный нос»;

- установлены показатели функциональных свойств и химический состав разработанных видов хлебобулочных изделий;

- разработан метод оценки кислотно-щелочного баланса организма человека и алгоритм расчета индивидуального рациона питания для различных категорий населения в зависимости от пола, возраста, вида деятельности, физической нагрузки, состояния здоровья, реализованный в виде программы расчета на ЭВМ;

- определен на основании клинических испытаний гликемический индекс сбивных бездрожжевых хлебобулочных изделий, отражающий скорость адсорбции углеводов в организме человека;

- доказана эффективность использования хлеба, полученного механическим способом разрыхления, в целях оптимизации лечения и профилактики заболеваний сердечнососудистой системы, желудочно-кишечного тракта и обмена веществ в организме путем клинических испытаний.

Практическая значимость

В результате решения научной проблемы разработаны 6 вариантов технологий, обеспечивающих выработку 18 новых видов изделий, на которые разработана и утверждена техническая документация.

Приоритет выполненной работы относительно созданных технологий производства хлебобулочных изделий функционального назначения подтвержден патентами и положительными решениями: патенты РФ - № 2181544; 2184454; 2195125; 2244429; 2266003; 2295860; 2320174; 2332010, 2331196; 2328120, 2344610; положительные решения-№ 2007101418; 1601952007).

Реализация механического способа разрыхления позволит перерабатывать хлебопекарную муку с низкими технологическими свойствами и цельносмолотое зерно различных зерновых культур сразу после измельчения.

Проведена промышленная апробация предлагаемых технологий в условиях ОАО «Хлебозавод № 7» (г. Воронеж), ОАО «АКМАЛЬКО-ПИЩЕМАШ» (г. Москва), подтвердившая положительные результаты исследований.

Материалы диссертации используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплине «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий», а также при выполнении курсового, дипломного проектирований и ДНИР студентов.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на международных научно-практических, научно-технических конференциях, симпозиумах и форумах: «Актуальные направления развития экологически безопасных технологий производства, хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» (Воронеж, 2003 г.); «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, 2003 г.); «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004 г.); «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства их реализации» (Москва, 2005, 2006 гг.); «Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания в России» (Москва, 2006 г.); «Математические методы в технике и технологиях» (Ярославль, 2007 г.); «Техника и технология пищевых производств» (Могилев, 2006, 2007 гг.); «Актульные проблемы современной науки» (Самара, 2007 г.); «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2008 г.); «Инновационные технологии переработки сельскохозяйственного сырья в обеспечении качества жизни: наука, образование и производство» (Воронеж, 2008 г.); «Управление реологическими свойствами пищевых продуктов» (Москва, 2008 г.); «Товароведение, экспертиза и технология продовольственных товаров» (Москва, 2009 г.);

- на всероссийских научно-практических конференциях, съездах: «Проблемы и перспективы обеспечения продовольственной безопасности регионов России» (Уфа, 2003 г.); «Актуальные проблемы инноваций с нетрадиционными природными ресурсами и создания функциональных продуктов» (Москва, 2005 г.); «Диетология: проблемы и горизонты» (Москва, 2006 г.) «Наука и молодежь, (Барнаул, 2007 г.); «Здоровое питание - основа жизнедеятельности человека» (Красноярск, 2008 г.);

- на межрегиональных научно-практических конференциях: «Использование пищевых добавок при производстве продуктов питания» (Пятигорск, 2004 г.); «Пищевые технологии» (Казань, 2004, 2005, 2006, 2007, 2009 гг.); «Современное хлебопекарное производство, перспективы его развития» (Екатеринбург, 2007, 2008 гг.); посвященной 15-летию технологического факультета ВГАУ имени К.Д. Глинки (Воронеж, 2008 г.);

- на отчетных научных конференциях за 1993-2008 гг.

Разработки экспонировались на 23-й, 24-й, 25-й межрегиональных выставках «Продторг» (г. Воронеж, 2006, 2007, 2008 гг.); 4-й Всероссийской выставке-ярмарке НИР и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых вузов РФ (г. Новочеркасск, 2007 г.); выставке «Натуральные продукты питания» (г. Воронеж, 2008 г.).

В номинации «Продукты питания» на выставке «Продторг» (2006, 2007 гг.) предлагаемые виды хлеба были отмечены золотыми медалями.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, обзор литературы, экспериментальную часть, основные результаты исследований, выводы, список цитированных источников (310 работы отечественных и 52 зарубежных авторов), приложения (материалы Роспатента, техническая документация, акты опытно-промышленных испытаний). Работа изложена на 300 страницах машинописного текста, содержит 56 таблиц, 70 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ведение. Обоснована актуальность и сформулирована сущность решаемой научной проблемы, определены цель и задачи, раскрывается научная новизна и практическая значимость работы.

1. Обзор литературы. Проведен анализ современного состояния и тенденций развития ассортимента хлебобулочных изделий функционального назначения в России.

Меняющиеся социально-экономические условия привели к существенному изменению алиментарного статуса различных групп населения. Именно не соблюдение основного критерия рационального питания - сбалансированности, населением является одной из важнейших причин широкого распространения сердечно-сосудистых, онкологических заболеваний, ожирения, сахарного диабета, аллергии и других заболеваний, определяющих демографические процессы и показатели здоровья населения.

Необходимо активизировать просветительскую работу среди населения в области здорового питания, поддержанию в норме кислотно-щелочного баланса организма, являющегося оптимальным индикатором жизнедеятельности человека. Отсутствие содержательных публикаций, позволяющих глубже разобраться с принципами разработки индивидуального питания для различных групп населения при разных заболеваниях, невысокое качество рекламного материала о функциональных продуктах питания, в том числе хлебобулочных изделиях, направленных на профилактику и лечение конкретных заболеваний, не приводят к решению, сложившейся ситуации.

Традиционно в нашей стране хлебобулочные изделия получают путем биологического разрыхления. Важным этапом приготовления теста таким способом является стадия брожения (предварительная - после замеса и окончательная - в процессе расстойки), основное назначение которой заключается в разрыхлении теста, превращении его в пористую массу, обусловливающую получение мякиша хлеба и обеспечивающего его высокую усвояемость. На этом этапе в тесте протекают физические, коллоидные, биохимические, микробиологические процессы, в результате которых образуются диоксид углерода, этанол, молочная кислота, полипептиды, пептиды, аминокислоты, ацетальдегиды и другие вещества, принимающие участие в разрыхлении теста и формировании цвета, вкуса и аромата хлеба.

При брожении, разделке теста и выпечке тестовых заготовок происходит улетучивание диоксида углерода с одновременным удалением этилового спирта. Следовательно, в ходе технологического процесса при биологическом способе разрыхления брожение неизбежно вызывает определенные затраты углеводов и потери сухого вещества муки, которые относятся к категории технологических затрат и являются неизбежными, а в масштабах страны достигают очень значительных величин.

При механическом способе разрыхления отсутствует стадия брожения. При этом целью является не только получение пористой структуры мякиша, обеспечивающей эффективную работу пищеварительного тракта, но и достижение полноценного вкуса и аромата изделия.

Для решения научной проблемы проведен теоретический анализ принципов биологического и механического разрыхления теста и образующихся конечных продуктов протекающих процессов, выявлены отличительные моменты, дано научное обоснование применения механического разрыхления полуфабриката. Приведены физико-химическая характеристика пенообразных масс, функциональные свойства основных компонентов муки и их роль в процессе пенообразования и устойчивости дисперсных систем, формирования реологических свойств теста.

Особое состояние тонких прослоек в дисперсной системе, согласно теории устойчивости лиофобных систем ДЛФО, учитывающей структурную составляющую расклинивающего давления, обусловлено изменением потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия в пленках и деформации диффузных электрических слоев.

Процессы структурообразования и стабилизации пены при механическом разрыхлении теста обеспечиваются за счет образования на границе раздела фаз двойного электрического слоя. В устойчивой системе при сближении частиц и перекрытии поверхностных слоев преобладают силы отталкивания электростатической природы, которые препятствуют сближению частиц на расстояния, где могут проявиться уже более сильные силы, обусловленные молекулярным притяжением.

Таким образом, разработка и реализация механического способа разрыхления теста позволит создать новые виды хлеба функционального назначения с использованием натурального традиционного и нетрадиционного сырья, обеспечивающего безопасность питания, новый технический и технологический уровень предприятия и внедрение которого внесет значительный вклад в развитие экономики страны.

2. Экспериментальная часть

2.1. Объекты и методы исследования

Исследования проводили согласно проблемно-концептуальной схеме (рис. 1) в соответствии с иерархическим многоуровневым динамическим процессом разработки технологий и ассортимента хлеба функционального назначения.

В работе охарактеризованы методы и объекты исследования: различные виды муки (использовали по 3 пробы): пшеничная хлебопекарная первого сорта (Общие технические условия ГОСТ Р-52189-2003); ржаная хлебопекарная обдирная (ГОСТ 7045-90); пшенная (ТУ 9197-402-23476484-01); гречневая (ТУ 9293-005-00932169-96); овсяная (ТУ 8-22-3-84); соевая (ГОСТ 3898-56); гороховая (ТУ 9293-414-2347684-2002); мука из цельносмолотых различных видов культур: пшеница (ГОСТ Р 52554-2006); рожь (ГОСТ 16990-88), тритикале (ОСТ 26763-85); амарант (ТУ 9293-006-18932477-2004); овес (ГОСТ 28673-90); нут (ГОСТ 8758-76); горох шлифованный (ГОСТ6201-68); чечевица (ГОСТ 7066-77); кукуруза (крупка) (ГОСТ 6002-69); пшено (ГОСТ 572-60); гречка (крупа) (ГОСТ 5550-74); зародышевые хлопья пшеницы (ТУ 9295-001-00932169-96); отруби пшеничные (ТУ 9295-002-00932169-96); пивная дробина (ОСТ 10-1-86); обогатитель «Фаркосан» (ТУ 9184-002-02068108-2002); пищевые волокна из сахарной свеклы (ТУ 9164-007-02068108-2001); сухая пшеничная клейковина (ТУ 10 РФ 10-64-92); пшеничный белок Гемтек (ГОСТ 10846-91); сухой яичный белок альбумин (ГОСТ 30363-96), сыворотка молочная натуральная подсырная (ТУ 9229-110-0461-0209-2002); молоко коровье цельное сухое (ГОСТ 4495-75); яблочный пектин (ГОСТ 29186); экстракт ячменно-солодовый (ТУ 9184-489-05031531-97); яблочное, абрикосовое, грушевое пюре (ГОСТ 22371-77); масло подсолнечное (ГОСТ Р 52465-2005); специализированные жиры, вырабатываемые компанией «ЭФКО Пищевые Ингредиенты» (ГОСТ 52100-04); кислота лимонная (ГОСТ 908-79); фермент GC-106; соль пищевая поваренная высшего сорта (ГОСТ Р 51574-2000); дрожжи хлебопекарные прессованные (ГОСТ 171-81); вода питьевая (СанПин 2.1.4.1078-01).

Тесто готовили на лабораторной установке, состоящей из сбивальной камеры, электродвигателя, пульта управления. После формования тестовые заготовки выпекали при температуре 230-260 оС.

В работе использовали органолептические, химические, микробиологические, биохимические методы анализа сырья, полуфабрикатов и изделий: гранулометрический состав муки из различных видов зерновых культур определяли на приборе «Гранулометр ГИУ-1», теплоту смачивания различных видов муки исследовали с использованием модуля УЛК «Термостат»; состояние углеводно-амилазного комплекса - на приборе «ПЧП-3». Структурно-механические свойства теста изучали на приборах «Валориграф», «Реотест -2», модернизированном приборе Николаева; теплофизические характеристики теста при замораживании и размораживании исследовали при помощи информационно-измерительного комплекса на базе дифференциального сканирующего микрокалориметра ДСМ-3А. Микроструктуру теста оценивали методом растровой электронной микроскопии на микроскопе Tesl 500 BS. «Визуальные образы» ароматобразующих веществ в изделиях получали с применением мультисенсорной системы «электронный нос». Соотношение различных форм влаги в мякише хлеба исследовали методом дифференциально-термического и термогравиметрического анализов на дериватографе системы «Паулик- Паулик-Эрдей».

Аминокислотный состав изделий определяли методом капиллярного электрофореза на приборе «Капель-105», микро и макроэлементы - на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Perkin Elmer», пищевые волокна - по ГОСТ 13496.2-91, витаминный состав в хлебе анализировали по ГОСТ 29138-91; 29139-91. Суммарную антиоксидантную активность хлебобулочных изделий исследовали на приборе ЦветЯуза-01-АА. Изучение биологической ценности хлеба проводили методами in vitro и in vivo. Гликемический индекс изделий определяли по скорости адсорбции углеводов хлеба в организме человека.

Показатели безопасности хлеба определяли по методам, предусмотренным СанПин 2.3.2.1078-01, микробиологические показатели - прямым подсчетом колоний с применением дифференциально-диагностических сред. Комплексную оценку качества изделий осуществляли с помощью квалириметрического метода. Статистическую обработку и оценку достоверности результатов исследований проводили методами регрессионного анализа. Технико-экономические показатели рассчитывали по методикам определения экономической эффективности в хлебопекарной промышленности.

Оценку кислотно-щелочного баланса в организме человека осуществляли с использованием прибора рН-тестер Checker.

Рис. 1 Проблемно-концептуальная схема исследований

3. Результаты исследования и их анализ

3.1 Научно-практические аспекты получения хлебобулочных изделий путем механического разрыхления

Предлагаемый механический способ разрыхления теста предусматривает на первом этапе интенсивное перемешивание рецептурных компонентов в течение 10-12 мин при частоте вращения месильного органа 5,0 с-1 и увеличенной влажности теста на 10-12 % по сравнению с традиционным замесом. Усиленное механическое воздействие и увеличенное содержание влаги способствует более глубокому изменению нутриентов теста и приобретению им оптимальных реологических свойств, необходимых для протекания дальнейшего процесса структурообразования.

Исследовали процесс сбивания теста из пшеничной муки влажностью 52 % (при такой массовой доли влаги полуфабрикат характеризовался минимальным значением объемной массы) под давлением сжатого воздуха 0,4 МПа и частоте вращения месильного органа 6,7 с-1, и без подачи сжатого воздуха, после интенсивного перемешивания полуфабрикатов в течение 10 мин. Через каждую минуту сбивания определяли объемную массу теста, затем осуществляли формование тестовых заготовок и выпечку. В изделиях исследовали удельный объем.

Установлено, что при интенсивном перемешивании рецептурных компонентов (рис. 2, а) значение удельной мощности возрастало в течение 5,5 мин до 0,13 Вт/г, затем уменьшалось до 0,04 Вт/г, а после 9 мин перемешивания стабилизировалось. После 5,5 мин происходило увеличение температуры массы теста до 35-38 оС, что обусловлено главным образом, выделением тепловой энергии. В результате интенсивного расщепления белков протеолитическими ферментами содержание альбуминовой и глобулиновой фракций возрастает, повышается атакуемость крахмальных зерен амилазами муки, увеличивается доля водорастворимых углеводов и восстанавливающих сахаров. Состояние тонких прослоек в дисперсной системе, потенциал энергии межмолекулярных взаимодействий в пленках и деформации диффузных слоев изменяется, что обеспечивает увеличение гидратационной способности клейковины и ее растяжимости.

При интенсивном перемешивании ионизирующие группы белковой молекулы способствуют ее раскрытию и образованию множества новых коагуляционных контактов между отдельными участками разветвленной белковой глобулы. При этом из разрозненных белковых мицелл образуются длинные нити и пленки, способствующие получению более или менее вязкой, но текучей системы, что обусловливает дальнейшее формирование пенообразной структуры теста при сбивании.

Рис 2. Зависимость удельной мощности перемешивания (а) и сбивания теста (б) от продолжительности процессов: 1- под давлением, 2-без давления

Результаты исследования значений удельной мощности при сбиР

Результаты исследования значений удельной мощности при сбивании теста свидетельствовали о трех характерных участках ее изменения для образца № 1 (рис. 2, б).

На первом этапе сбивания в течение 1 мин под избыточным давлением происходит насыщение системы воздухом, агрегирование набухших макромолекул клейковинных белков, их отталкивание, а также дальнейшие процессы растворения водорастворимых белков, пентозанов, дезагрегации крахмала. Вследствие этого увеличивается доля веществ, активно участвующих в процессе образования пены. Интенсивное сбивание способствует «сшиванию» макромолекул белка поперечными дисульфидными, водородными и другими связями, при этом прочность клейковинных белков возрастает. При сближении частиц двойные электрические слои под действием механического фактора перекрываются, возрастает осмотическое давление, а, следовательно, давление электростатического отталкивания, что снижает стремление к коагуляции. Однако при незначительном содержании воздуха в массе теста пузырьки пены отделенные друг от друга толстыми пленками жидкости, свободно перемещаются, поэтому на этом этапе образуется вязкая, но еще текучая система. При этом значение удельной мощности достигает максимума - 0,62 Вт/г.

На втором участке с увеличением продолжительности механического воздействия (до 7 мин) происходит дальнейшее разрушение и утончение гидратных прослоек у поверхности макромолекул, преодоление ими энергетического барьера, что сопровождается ослаблением структурного отталкивания и приводит к их коагуляции. Под действием протеолитических ферментов происходит частичная дезагрегация белков с образованием полипептидов, пептидов, аминокислот, которые также участвуют в процессе пенообразования и в дальнейшем на формирование вкуса и аромата хлеба. В результате интенсивного совместного диспергирования раствора альбуминовой, глобулиновой фракций и воздуха образуется пенообразная масса теста. При этом пленки гидратированного белка охватывают всю поверхность крахмальных зерен и других включений. В результате дальнейшего гидролиза крахмала образуются моно и дисахариды, доля связанных липидов в тесте резко возрастает, что также способствует пенообразованию.

По мере насыщения системы воздухом, пузырьки теряют свободу перемещения, превращаясь в полиэдрические ячейки, разделенными тонкими несколько изогнутыми пленками жидкости, т. е. дисперсная фаза преобладает над дисперсионной средой. На этом этапе устойчивость пены определяется механической прочностью остова, образованного из пленок дисперсионной среды. При этом на втором участке процесса сбивания значение удельной мощности резко снижалось до 0,02 Вт/г.

После 7 мин (третий участок) потребление энергии на привод сбивальной машины не изменялось, значение удельной мощности оставалось на уровне 0,019 Вт/г, так как за счет длительного интенсивного механического воздействия происходило разрушение клейковинного каркаса и соответственно пенообразной структуры теста.

Изучение удельной мощности теста при сбивании без подачи сжатого воздуха (образец № 2) выявило, что практически не происходит изменения исследуемого показателя и соответственно не наблюдалось насыщения теста воздухом.

Давление воздуха заставляет увеличиваться в размерах образующиеся пузырьки и одновременно происходит дробление их на более мелкие. За счет этого количество пузырьков увеличивается, при этом тесто приобретает более пористую структуру. По мере сбивания воздух направляется в уже имеющиеся пузырьки, проникая в них, увеличивает давление. Пузырьки расширяются до тех пор, пока давление внутри и снаружи его не выровняется. При этом происходит расширение в объеме, т. е. разрыхление теста.

Следовательно, насыщение воздухом тестовой массы в условиях вакуума (сбивании под давлением 0,4 МПа) и совместное влияние многочисленных физико-химических, механических, коллоидных и других процессов в тесте способствует увеличению объема массы и образованию густой, пышной пены с мелкой, тонкостенной и равномерной структурой.

Результаты исследований о характере изменения показателей качества полуфабриката и хлеба позволили сделать вывод о том, что при интенсивном перемешивании значения практически не изменялись (рис. 3а), при сбивании 6 мин образца № 1 наблюдались минимальные значения объемной массы теста (0,36 г/см3) и максимальный удельный объем изделия (214 см3/100 г) (рис. 3б). Вероятно, в этой точке создаются условия максимальной агрегативной устойчивости пены - поверхностная энергия системы, благодаря наличию на поверхности частиц дисперсной фазы двойного электрического слоя, минимальна. При дальнейшем сбивании (после 6 мин) объемная масса теста увеличивалась, удельный объем хлеба уменьшался, так как кинетические препятствия для коагуляции в виде электростатического отталкивания частиц дисперсной фазы, уменьшаются, что приводит к потере агрегативной устойчивости. Изучаемые показатели практически не изменялись в образце № 2, полученном при сбивании без подачи сжатого воздуха (рис. 3б).

Таким образом, полученные данные позволяют объяснить механизм структурообразования теста при разрыхлении под давлением сжатого воздуха и наметить пути управления этим процессом.

Рис 3. Зависимость объемной массы теста (1 и 1') и удельного объема хлеба (2 и 2') от продолжительности перемешивания (а) и сбивания (б) полуфабриката: 1, 2- под давлением, 1', 2' - без давления

Одним из таких путей является создание условий, способствующих полному протеканию ферментативного гидролиза основных компонентов муки - крахмала и белка. Это можно достичь путем механического интенсивного перемешивания компонентов при атмосферном давлении воздуха, оптимальной влажности, температуре полуфабриката и частоты вращения месильного органа с ведением в тесто микроингредиентов - ферментных препаратов, обусловливающих максимальную скорость гидролиза.

Наиболее эффективным способом увеличения количества активных молекул при гидролизе крахмала и белков в тесте, является применение ферментного препарата GC-106, в состав которого входит б-амилаза (активность 7,0 ед./см3) и протеаза (активность 600,0 ед./см3, а также обеспечение оптимальных параметров приготовления теста - влажность, температура полуфабриката и частота вращения месильного органа.

Эффект б-амилазы в сбивном бездрожжевом тесте состоит в гидролизе крахмала с результатирующим образованием, главным образом, декстринов и небольшого количества мальтозы, а также в высвобождении глюкозы в б-аномерной форме. При интенсивном механическом разрыхлении теста, крахмальные зерна увеличиваются в объеме, становятся более рыхлыми и легко поддаются действию амилолитических ферментов. Линейная фракция крахмала - амилоза, образующая внутреннюю часть крахмального зерна, гидролизуется быстрее, чем амилопектин, составляющий его наружную часть и имеющий разветвленную структуру.

Основной реакцией, катализируемой протеолитическими ферментами, является расщепление белков и полипептидов по пептидной связи -CO-NH-. В результате гидролиза белков теста под действием протеиназы образуются пептоны, полипептиды и свободные аминокислоты. Пептидазы осуществляют гидролитическое расщепление полипептидов и дипептидов (рис. 4).

Рис. 4. Физическая модель процесса деструкции крахмала и белка пшеничной муки в бездрожжевом тесте: Д -декстрины; М - мальтоза; А - аминокислоты; Пол - полипептиды; Дип - дипептиды

Исследование влияния способа разрыхления на активность амилолитических и протеолитических ферментов в тесте показало, что при механическом способе ферментативная активность снижалась на 6 и 8 % соответственно. Однако введение ферментного препарата GC-106 в дозировке 0,2 % к массе муки в бездрожжевое тесто и интенсивное перемешивание компонентов в течение 10 мин при частоте вращения месильного органа 5 с-1 позволило увеличить амилолитическую активность на 9 %, протеолитическую - на 5 % по сравнению с биологическим способом разрыхления (рис. 5).

Рис. 5 Влияние способа разрыхления на активность ферментов: 1 - биологический; 2 - механический; 3 - механический с внесением фермента

В молекулах белка содержатся реакционноспособные группы SH, которые способны окисляться под действием кислорода. При сбивании компонентов теста под давлением сжатого воздуха происходит интенсивное насыщение полуфабриката кислородом воздуха. При этом улучшается толерантность теста, его структурно-механические свойства, уменьшается его объемная масса. Это обусловлено снижением количества SH групп и образованием в структуре белка S-S связей, способствующих упрочнению структуры белка, а соответственно пленки пены.

Интенсивное перемешивание и сбивание теста с насыщением кислорода воздуха в присутствии ферментного препарата GC-106 ускоряют процессы гидролиза белков, при этом их растворимость повышается, что будет обеспечивать значительное увеличение пенообразования полуфабриката, снижение удельной мощности на замес, за счет чего уменьшатся энергозатраты, повысится эластичность пены, ее устойчивость.

На этой стадии под действием ферментов (б-амилазы и протеазы) формируется ряд продуктов ферментативного гидролиза белков и крахмала (низкомолекулярные азотистые вещества, полипептиды, пептиды, аминокислоты, карбонильные соединения), которые участвуют в формировании вкуса и аромата бездрожжевого изделия, а также вступающие в реакцию меланоидинообразования, протекающую при выпечке хлеба. В результате образуются меланоидины, придающие окраску корке, промежуточные и побочные продукты этой реакции, которые также участвуют в формировании вкуса и аромата изделий.

С целью определения влияния способа приготовления теста на протекание реакции меланоидинообразования по изменению цвета корки хлеба в процессе выпечки изучали формирование цветового спектра поверхности по цветовым моделям цифровых изображений.

Пробы теста готовили из муки пшеничной первого сорта, соли поваренной пищевой, кислоты лимонной, воды питьевой (образец № 1), внесения ферментного препарата GC-106 (образец № 2) путем механического разрыхления и биологическим способом разрыхления (образец № 3) - из муки пшеничной первого сорта, соли поваренной пищевой, дрожжей прессованных и воды питьевой. Сформованные тестовые заготовки помещали в печь при температуре 210-230 оС, в процессе выпечки через каждые 3 мин фотографировали поверхность выпекаемой тестовой заготовки с постоянными условиями освещения. Затем изучали цветовой спектр поверхности изделий.

Для решения поставленной задачи использовали представление изображения технологической поверхности в координатах Hue (цветовой тон) - Lightness (светлота) цветовой модели HSL, как наиболее информативных и удобных для анализа признаков.

Установили, что интенсивнее происходит изменение цвета в образце № 3, полученном биологическим способом, менее интенсивно - в образце № 1, и средней скоростью характеризуется образец № 2 (Рис. 6).

Рис. 6. Изменение цвета корки хлеба в процессе выпечки: 1 - образец № 1; 2 - образец № 2; 3 - образец № 3

Это связано с тем, что на стадиях брожения теста и окончательной расстойки тестовых заготовок в результате спиртового и молочно-кислого брожения образуются конечные, промежуточные и побочные продукты, участвующие в реакции меланоидинообразования (сахара, аминокислоты, пептиды и т.д.) в большем количестве по сравнению с образцами № 2 и № 3.

При механическом способе разрыхления отсутствует спиртовое и молочно-кислое брожение, продолжительность контакта муки с водой меньше, однако, степень механической обработки ингредиентов гораздо выше по сравнению с биологическим способом разрыхления. Следовательно, изменение цвета корки менее интенсивно. Так, значение цветового тона через 30 мин выпечки в образце № 1 больше на 18о по сравнению с образцом № 3, что в цветовой модели HSL выражается смещением точки моды ближе к 60о, т.е. к области желтого цвета.

Применение ферментного препарата позволило интенсифицировать скорость реакции меланоидинообразования, так как его присутствие способствовало активному накоплению продуктов гидролитического распада белков и крахмала, участвующих в образовании цвета при выпечке. Цветовой тон корки хлеба через 30 мин в образце № 2 был меньше на 14о по сравнению с образцом № 3, т. е. цвет корки приближался к области более темного красного цвета.

Однако результаты исследования характера изменения цветового тона свидетельствовали о том, что после 30 мин выпечки скорость изменения цветового тона резко увеличивалась в образцах № 1 и 2, в образце № 3, наоборот, снижалась. В изделиях разница в значениях изучаемого параметра составила 4-5о.

Следовательно, определение цветового спектра поверхности хлебобулочных изделий позволило в режиме реального времени получить достаточно информации о цвете, которая представляется в цветовой модели HSL. Полученные данные позволяют утверждать, что способ разрыхления теста практически не влияет на цвет изделий.

С помощью мультисенсорной системы «электронный нос» установили, что внесение ферментного препарата GC-106 в тесто при механическом разрыхлении способствовало формированию аромата хлеба, схожего с изделием, полученным биологическим способом. Площади их «визуальных образов» отличались на 5-6 услов. ед.

Применяя механическое разрыхление полуфабриката, возможно, создать такие условия приготовления, которые будут благоприятствовать интенсивному накоплению продуктов, необходимых для протекания реакции меланоидинообразования, обеспечивающей цвет корки, а также способствующей формированию вкуса и аромата хлеба. Таким образом, ферментативный гидролиз основных компонентов муки при механическом способе разрыхления и его форсирование позволит получить тесто и изделие с оптимальными структурно-механическими свойствами и полноценным вкусом и ароматом.

В целях изучения влияния биологического и механического разрыхления на состояние и изменение основных компонентов теста - крахмала и белка, исследовали структурные характеристики полуфабриката и хлеба методом электронной сканирующей микроскопии. Для сравнения изучали образцы теста из пшеничной муки первого сорта, полученные биологическим (образец № 1) и механическим (образец № 2) разрыхлением. Эксперимент выполняли на растровом микроскопе Tesl 500 BS при увеличении 100.

На микрофотографии структуры теста, полученного биологическим способом разрыхления (после 2х ч брожения), видно, что крахмальные зерна и белковые глобулы образуют неравномерно разрыхленную структуру с уплотненным межпоровым пространством (рис. 7).

Рис. 7. Микрофотографии структуры теста, полученного биологическим (а) и механическим разрыхлением (б):1 - крахмальные зерна, 2 - белковые глобулы, 3 - пузырьки воздуха

В образце № 2 можно четко различить пленку из мелких белковых глобул, которая обволакивает крупные зерна крахмала, имеющие круглую или эллиптическую форму, что способствует прочной связи между белковой матрицей и зернами крахмала и придает системе устойчивость. Такая микроструктура свидетельствует о возможном замедлении процесса ретроградации крахмала мякиша хлеба при хранении, т. е. о снижении его черствения. В исследуемых образцах микроструктура характеризовалась наличием воздушных пузырьков. Однако, в тесте, полученном механическим разрыхлением, они были в большем количестве и небольших размеров, что будет способствовать образованию равномерной мелкопористой структуры мякиша хлеба.

Таким образом, исследование основных компонентов теста крахмала и белка методом электронной микроскопии, дало возможность более полного понимания структурной характеристики теста, полученного разными методами разрыхления. При механическом и биологическом способах наблюдается связь белка с поверхностью крахмальных зерен, что свидетельствует о единой структурной природе теста. Однако можно утверждать, что механический способ разрыхления оказывает положительное влияние на формирование устойчивой микропористой структуры теста, что обеспечивается образованием белково-углеводной матрицы за счет равномерного обволакивания пленкой клейковины крахмальных зерен.

Для установления оптимальных параметров сбивания теста путем математического моделирования, в качестве основных факторов были выбраны: частота вращения месильного органа Х1 (3,3 - 10 с-1), давление сжатого воздуха Х2 (0,3 - 0,5 МПа) и продолжительность сбивания теста Х3 (6 - 12 мин). Критериями оценки оптимизации процесса сбивания определены - объемная масса полуфабриката (Y1) и пористость хлеба (Y2). Тесто из пшеничной муки первого сорта влажностью 52 % готовили на экспериментальной сбивальной лабораторной установке периодического действия. Применяя центральное композиционное рототабельное униформ-планирование, получили уравнения регрессии, адекватно описывающие процесс сбивания теста из пшеничной муки первого сорта, под влиянием изучаемых факторов:

У1 = 0,61 - 0,06Х2 + 0,053 - 0,06Х1Х3 - 0,06Х22+0,01Х32; (1)

У2 = 61,94 + 1,74Х1 - 1,08Х3 + 0,36Х1Х3 - 2,53Х12 - 2,15Х32 (2)

Воспроизводимость опытов, значимость регрессионных коэффициентов и адекватность уравнений подтверждена статистическими критериями Кохрена, Стьюдента, Фишера. Методом оптимизации Лагранжа определили оптимальные параметры сбивания рецептурных компонентов теста из муки пшеничной первого сорта: частота вращения месильного органа - 6,67 с-1, давление сжатого воздуха - 0,4 МПа, продолжительность сбивания - 9 мин.

Для прогнозирования и регулирования параметров приготовления сбивного теста получены аналитические зависимости эффективной вязкости теста от давления сбивания (p), частоты вращения месильного органа (н) и влажности полуфабриката (w), при различных скоростях сдвига. Изучали касательное напряжение сдвига и эффективную вязкость полуфабриката влажностью 50-56 % из муки пшеничной первого сорта на приборе «Реотест-2» при скорости сдвига 0,33-1,0 с-1 и температуре теста 30 оС.

Рис. 9. Зависимость ln з теста разной влажности от ln г

По полученным экспериметальным данным строили кривые течения (рис. 8), прологарифмировав и получив зависимость ln з от ln г (рис. 9), получили серию прямых, пересекающихся в одной точке для теста разной влажности, %: 1 - 50; 2 - 52; 3 - 54; 4 - 56.

Исходя из уравнения Оствальда - де - Виля, наиболее адекватно описывающего вязкое течение теста, и определив тангенс наклона прямых, рассчитали темп разрушения структуры (n-1), зависящий от давления сбивания (p), частоты вращения месильного органа (н) и влажности полуфабриката (w). Методом многофакторного регрессионного анализа получены следующие уравнения:

где з -эффективная вязкость теста, Па•с; г - скорость сдвига, с-1; зоw, зон, зоp - эффективная вязкость полуфабриката при г=1,0 с-1 и w, н, p =const, Па•с; го - единичная скорость сдвига, с-1.

Рецептурные компоненты при приготовлении теста влияют на процессы, происходящие в нем. При этом изменяются реологические свойства полуфабриката, кислотонакопление в нем, в результате все это отражается на форме, объеме и окраске выпеченных изделий. В литературе отсутствуют данные по исследованию влияния рецептурных компонентов на свойства полуфабриката, полученным путем механического разрыхления под давлением сжатого воздуха. В связи с этим изучали роль и отношение к массе муки соли поваренной пищевой, лимонной кислоты с целью расширения знаний о возможности прогнозирования и регулирования поведения теста при механическом разрыхлении, его пенообразующей способности.

На первом этапе приготовления сбивного теста осуществляется перемешивание рецептурных компонентов. В работе применяли муку пшеничную первого сорта, воду питьевую, соль поваренную пищевую (0,5-2,0 г на 100 г муки) и лимонную кислоту (0,1-0,4 % на 100 г муки). Тесто готовили с массовой долей влаги 52 % в камере сбивальной установки периодического действия. Смешивание рецептурных компонентов осуществляли в течение 10 мин при частоте вращения месильного органа 5 с-1. По завершении перемешивания определяли массовую долю сырой клейковины теста и ее гидратационную способность в зависимости от дозировки соли и кислоты.

Установили, что значения исследуемых показателей с увеличением дозировок соли поваренной пищевой и лимонной кислоты уменьшались. Следовательно, белковые фракции теста при перемешивании реагируют на присутствие рецептурных компонентов.

На втором этапе приготовления теста - сбивании выявили, что совместное введение изучаемых электролитов и увеличение их дозировок способствовали снижению значения удельной мощности и соответственно вязкости дисперсной системы благодаря уменьшению сил межчастичного трения в результате действия кулоновских сил взаимного отталкивания между частицами. Наименьшей объемной массой характеризовался полуфабрикат без соли и с 0,2 % лимонной кислоты - 0,32 г/см3, наибольшей - образец с 2 % NaCl и без кислоты - 0,7 г/см3. С увеличением концентрации соли и лимонной кислоты пенообразующая способность теста ухудшалась.

Таким образом, введение электролитов в систему при механическом способе разрыхления влияет на гидратную оболочку как растворимых так и нерастворимых в воде белковых фракций и тем самым на формирование двойного электрического слоя на поверхности частиц дисперсной фазы. Диффузный слой при этом сжимается, отталкивающая сила исчезает, что способствует стремлению системы к коагуляции.

Следовательно, добавлением лимонной кислоты и соли поваренной, влияющих на заряд или гидратационную оболочку белковой глобулы, можно изменить ее состояние, т. е. создать условия, благоприятные для пенообразования, при которой они обладают максимальной пенообразующей способностью.

3.2 Разработка технологий и рецептур хлеба функционального назначения на основе сбивных полуфабрикатов

Качество и ассортимент питания во многом определяют состояние здоровья человека. Лечение и профилактика ряда заболеваний требуют широкого использования продуктов, в том числе и хлебобулочных изделий, которые не несут негативных последствий, отвечают современным медицинским требованиям, характеризуются хорошими органолептическими и физико-химическими показателями и лечебно-профилактической направленностью.

При разработке хлебобулочных изделий, отвечающим этим требованиям, в работе применяли доступное, недорогое, экологически безопасное сырье - фруктовое пюре, отруби пшеничные, молочную сыворотку, специализированные жиры, способствующее обогащению биологически активными нутриентами хлеба из пшеничной муки первого сорта и обусловливающие его вкус и аромат.

Мультисенсорный анализ ароматобразующих веществ проводили в изделии, полученном биологическим способом разрыхления (хлеб белый из пшеничной муки первого сорта) (образец № 1), хлебе сбивном бездрожжевом (образец № 2), сбивном бездрожжевом изделии с яблочным пюре (образец № 3) (рис. 10).