Использование ферментных препаратов для сохранения свежести хлебобулочных изделий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Кучеренко П.Н. Использование ферментных препаратов для сохранения свежести хлебобулочных изделий. Магистерская диссертация. Иваново: ИГХТУ, 2011. - 71 с.

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

Рассмотрены современные представления о механизме процесса черствения, названы основные методы замедления этого процесса. В качестве основного направления для работы выбрано воздействие на белково-протеиназный комплекс муки посредством внесения комплексного улучшителя. В состав улучшителя вошли ферментный препарат с ксиланазной активностью, пшеничный глютен, аскорбиновая кислота и введенный дополнительно препарат с амилолитической активностью.

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

хлеб черствение ферментный

Введение

Основной целью технологического процесса производства хлеба является получение высококачественной продукции. Однако в настоящее время ее достижение затрудняется возникновением ряда проблем, связанных с нестабильностью свойств сырья и общей тенденцией к снижению его качества. В этих условиях особенно нежелательны дополнительные экономические потери. Статистическими исследованиями установлено, что в странах с высоким уровнем потребления хлеба потери, вызванные непродолжительными сроками сохранения свежести изделий, достигают 10…15 % от всей произведенной продукции [1, 2]. Хлеб, хранившийся в течение суток, уже не удовлетворяет запросам покупателей относительно внешнего вида, вкуса и аромата, поэтому проблема замедления процесса черствения заслуживает пристального внимания. Многочисленные исследования показывают, что свежесть хлеба может быть сохранена в течение достаточно длительного срока путем применения ряда мероприятий.

Для замедления черствения хлеба применяют различные методы и приемы, сдерживающие изменения в крахмале и белковых веществах, а также ограничивающие миграцию влаги и ее перераспределение между ними. Этого можно достичь применением сырья и способов приготовления теста, способствующих улучшению качества хлеба; регулированием качества хлеба путем применения улучшителей; подбором оптимального режима выпечки; выбором рационального режима хранения готовых изделий. Одним из эффективных средств продления сроков свежести хлебобулочных изделий является использование ферментных препаратов.

Целью работы является разработка комплексного улучшителя с использованием ферментных препаратов, оптимизация его состава и исследование эффективности применения разработанного улучшителя для замедления процесса черствения хлебобулочных изделий.

1. Аналитический обзор литературы

1.1 Обзор современных теорий черствения хлеба

Первые признаки черствения хлеба наблюдаются уже через 8…10 ч хранения при комнатной температуре (18…20 °С): происходит общее ухудшение его качества, которое достигает максимума через 48…72 ч после выпечки, и такой хлеб считается черствым [3]. Внешними признаками протекания процессов черствения являются изменения в состоянии корки и мякиша изделий:

· мягкий, легко сжимаемый мякиш теряет эластичность и становится более твердым, крошащимся;

· гладкая, твердая, хрупкая корка становится мягкой, эластичной и в некоторых случаях даже морщинистой;

· сильно выраженный приятный аромат и вкус свежего хлеба утрачивается; при более длительном хранении изделия приобретают вкус и запах лежалого хлеба [4-6].

Подавляющее большинство исследований посвящено изменениям в состоянии мякиша хлеба [7]. Изменение реологических свойств корки изделий обусловлено исключительно изменением ее влажности. И. Катц экспериментально показал, что корка, отделенная от изделия после выпечки при хранении в условиях, исключающих изменение ее влажности (в запаянной стеклянной ампуле), полностью сохраняла свои реологические свойства [8]. Процессы же, происходящие в мякише изделий, протекают и в условиях, полностью исключающих изменение его влажности. Поэтому старение мякиша представляет гораздо больший интерес для исследователей [7, 9].

Черствение изучается уже в течение полутора сотен лет, этой проблеме посвящено множество исследований. Но, несмотря на это, ни структура и свойства хлеба самого по себе, ни механизмы протекающих в нем процессов окончательно не выяснены и являются предметом многочисленных споров [7]. Изменения свойств мякиша обусловлены, с одной стороны, изменениями структурных компонентов хлеба при хранении, другой - перераспределением влаги между ними и частичной ее потерей (усыханием) [3, 10, 11].

Хлебный мякиш содержит около 50 % крахмала, 40 % воды, 7 % белков, а также некрахмальных полисахаридов, липидов и ряда минорных веществ [12, 13]. Многие исследователи склонны считать, что среди процессов, происходящих при черствении хлеба, существенную роль играют изменения в состоянии крахмала как основного компонента муки, составляющего до 70 % сухих веществ готовых изделий [3, 14]. При выпечке крахмальные зерна набухают и частично клейстеризуются с поглощением воды, выделяемой коагулирующими белками. При этом крахмал переходит из кристаллического состояния в аморфное. Во время хранения происходит обратный переход его в кристаллическое состояние, который называется ретроградацией. По сведениям Х. Зобеля, подобным изменениям подвергаются приблизительно 15…30 % от суммарного количества амилопектина и амилозы клейстеризованного крахмала, остальная часть сохраняет прежнее состояние [6, 12].

Понятие о ретроградации было впервые введено Л. Линде, показавшим, что при хранении хлеба происходит уменьшение растворимости крахмала его мякиша [15].

Представления о рекристаллизации крахмала мякиша как основной причине процесса черствения были развиты и экспериментально подтверждены исследованиями И. Катца с применением рентгеноспектрографического метода [3, 9]. Крахмал зерна, муки и теста перед выпечкой дает рентгеноспектр А, типичный для кристаллического строения зерна крахмала. Мякиш выпеченного изделия дает рентгеноспектр, названный Катцем V-спектром клейстеризованного крахмала, сочетающий элементы аморфного состояния с элементами кристаллического состояния. Мякиш черствого изделия дает новый рентгеноспектр В, который сочетает в себе элементы рентгеноспектров А и V, причем чем черствее хлеб, тем более спектр его крахмала приближается по характеру к спектру крахмала в кристаллическом состоянии [8, 16].

В свете результатов более поздних работ ретроградацию частично клейстеризованного крахмала мякиша хлеба при черствении можно рассматривать как процесс агрегации его структурных элементов.

Многие исследователи считают, что основную роль в ретроградации крахмала мякиша хлеба играет его амилопектиновая фракция. Так, Т. Шоч и Д. Френч предложили модель, описывающую обратимое при нагревании агрегирование амилопектина в качестве основной причины черствения хлеба [12]. Они предположили, что процессе набухания зерен крахмала часть амилозы становится растворимой, переходит в водную среду и образует концентрированный раствор. При охлаждении молекулы амилозы при помощи водородных связей образуют ассоциаты и быстро ретроградируют, образуя прочный гель и влияя на структуру изделия. Считается, что этот гель остается неизменным в ходе дальнейшего хранения и не участвует в процессе черствения. Увеличение твердости мякиша объясняется изменениями в ориентации молекул амилопектина внутри набухших крахмальных зерен. В свежем хлебе разветвленные цепи амилопектина «раскрыты» и распределены в объеме. Постепенно полимерные цепи агрегируются, перестраиваясь в пространстве за счет внутримолекулярных связей различных типов. Это приводит к повышению жесткости внутренней структуры крахмальных зерен, результатом чего является общее увеличение твердости мякиша [6, 17].

Однако полностью исключать роль амилозы в процессе черствения хлеба нельзя. В ряде работ упоминается, что при хранении хлеба свойства амилозы изменяются. Заслуживает внимания теория С. Эрландера, которая исходит из постулата, что в процессе старения мякиша хлеба происходит агрегация амилозы и амилопектина [7, 18].

Обобщая результаты большого числа исследований, связанных с черствением хлеба, бесспорным является вывод о связи изменения реологических свойств мякиша изделий с изменениями в состоянии крахмала. Но реологические свойства мякиша изделий зависят не только от состояния крахмала, но и от других структурных компонентов. Известно, что белковые вещества составляют непрерывную фазу структурного остова мякиша хлебобулочных изделий, в который вкраплены зерна крахмала. Поэтому, свойства белковых компонентов мякиша изделий также оказывают влияние на изменение его реологических свойств [3, 9, 10, 19].

Исследованиями, проведенными в МТИППе (ныне МГУПП), было установлено, что в процессе черствения пшеничного хлеба в белковой части мякиша хлеба закономерно происходят изменения, приводящие к уплотнению структуры, снижению гидратационной способности и способности связывать метиленовую синюю краску. По своему характеру эти изменения обратны тем, которые происходили в процессе денатурации белка при выпечке тестовых заготовок. Эти изменения в белковой части мякиша хлеба происходят, однако, в 4…6 раз медленнее по сравнению со скоростью ретроградации крахмала, содержание которого в муке в 5…7 раз больше, поэтому значение белковых веществ в процессе черствения до сих пор остается вопросом дискуссионным [4, 8].

Существуют также версии, учитывающие не только изменения биополимеров мякиша, но и взаимодействия между ними. Р. Мартин, К. Железняк и С. Хосни высказали свою точку зрения на черствение мякиша хлеба. По их мнению, поверхность набухших зерен крахмала становится пористой, цепочки амилозы образуют ответвления. Гидроксильные группы (-ОН) и цепочки амилозы взаимодействуют с аминогруппами (-NH₂) посредством водородных связей с образованием дополнительных поперечных связей между белковой глобулой, расщепленными гранулами крахмала и разветвленными молекулами амилозы. Образовавшиеся водородные связи увеличивают энергию взаимодействия структурных компонентов мякиша изделия при хранении и это приводит к изменению реологических свойств мякиша изделия: увеличивается его твердость и снижается эластичность [6, 20].

В ряде работ (У. Померанц, Л. Пучкова, Н. Козьмина) рассматривается влияние на черствение хлеба не только изменений крахмала и белков, но также липидов и пентозанов, содержащихся в муке [7, 21, 22]. Показано, что липиды образуют комплексные соединения с белками и крахмалом, оказывающие влияние на скорость ретроградации крахмала. У. Померанц отмечает особую роль пентозанов, полагая, что водорастворимые пентозаны снижают скорость ретроградации крахмала, влияя на его амилопектиновую фракцию. По его мнению, водонерастворимые пентозаны оказывают аналогичное влияние, как на амилозу, так и на амилопектин крахмала мякиша хлеба. Это достигается путем «обволакивания» амилозы и амилопектина, что тормозит их кристаллизацию на первом этапе хранения хлеба [3, 23].

Таким образом, черствение хлеба является достаточно сложным процессом, который необходимо рассматривать с разных позиций с учетом множества факторов. Изменениям при хранении изделий подвержены все структурные компоненты хлеба, среди которых наибольшую роль играет изменение свойств крахмала, белковых веществ и пентозанов.

1.2 Способы сохранения свежести хлеба

Замедления процесса черствения можно добиться проведением ряда мероприятий, например, введением некоторых видов дополнительного сырья [24, 25], усовершенствованием способов приготовления теста [26], подбором оптимального режима выпечки [27], выбором рационального режима хранения готовых изделий [4, 29-31]. Однако проведение таких мероприятий не всегда осуществимо в условиях производства и не всегда целесообразно ввиду невысокой их эффективности.

Более эффективной мерой по замедлению черствения хлеба является применение микроингредиентов различного принципа действия - хлебопекарных улучшителей. Даже при небольшой дозировке они позволяют существенно изменить свойства сырья и готовой продукции, тем самым препятствуя протеканию нежелательных процессов при хранении [3, 32]. В частности, можно замедлить ретроградацию крахмала внесением в тесто веществ, повышающих гидрофильные свойства мякиша - модифицированных крахмалов, декстринов, камедей и т.п. [21, 33-36] Поверхностно-активные вещества способствуют улучшению физико-механических свойств мякиша хлеба, образуя комплексы с амилозой и препятствуя ее ретроградации [37-41].

Существенного увеличения сроков сохранения свежести хлеба можно добиться использованием ферментных препаратов по отдельности или в составе комплексных улучшителей. Главным действующим компонентом таких добавок являются ферменты - биологические катализаторы белковой природы, способные ускорять химические реакции, которые при их отсутствии протекают очень медленно [3].

В настоящее время известно более 2000 ферментов, которые в соответствии с принятой международной номенклатурой делятся на классы в зависимости от вида катализируемой реакции [42]. Для хлебопекарной промышленности наибольшее значение имеют гидролазы - класс ферментов, ускоряющих реакции гидролиза; применяются также оксидо-редуктазы (ускоряют окислительно-восстановительные процессы) и трансферазы (способствуют протеканию реакций переноса различных группировок в молекулах).

Добавление ферментных препаратов позволяет направленно воздействовать на основные структурные компоненты муки и теста (крахмал, белки, пентозаны, липиды), регулируя, таким образом, свойства теста и ход технологического процесса. Главными задачами, решаемыми с помощью ферментов, являются: сокращение производственного цикла за счет интенсификации процессов тестоприготовления, стабилизация свойств сырья, получение хлеба стабильно высокого качества, способного дольше сохранять свою свежесть [2, 43].

Исследованию воздействия различных видов ферментов на скорость черствения хлеба посвящено множество работ, как в России, так и за рубежом. Изучены возможности продления свежести изделий при использовании препаратов с амилазной, протеиназной, ксиланазной активностью, а также некоторых других. Наиболее эффективными в этом отношении большинством исследователей признаны амилолитические ферментные препараты [44, 45].

1.3 Использование ферментных препаратов для замедления черствения хлеба

1.3.1 Амилолитические ферментные препараты

Амилолитические ферменты относятся к классу гидролаз и катализируют реакции гидролиза крахмала - растительного полисахарида сложного строения, состоящего из 13…30 % амилозы и 70…85 % амилопектина [16, 46]. В зависимости от типа разрываемой связи и ее расположения в молекуле субстрата ферменты данного семейства делятся на несколько видов: б- и в-амилазы, глюкоамилаза (или амилоглюкозидаза), пуллуланаза, изоамилаза и некоторые другие [42, 47]. Механизм воздействия амилолитических ферментов на крахмал представлен на рис. 1.1.

Препараты с амилолитической активностью широко используются в хлебопечении для корректировки хлебопекарных свойств муки [48]. Ферментативное воздействие на крахмал способствует увеличению количества сахаров в тесте, что приводит к интенсификации процесса брожения, усилению газообразования на этапе окончательной расстойки и на ранних стадиях выпечки. В свою очередь, это приводит к увеличению объема изделий, улучшению пористости и текстуры мякиша [49, 50]. Наиболее часто для повышения качества хлеба и продления срока его хранения применяют препараты б-амилазы.

Рис. 1.1 Схема гидролиза крахмала амилолитическими ферментами разных видов

б-Амилаза (КФ 3.2.1.1) - фермент, вызывающий неупорядоченное гидролитическое расщепление б-1,4-гликозидных связей крахмала с образованием низкомолекулярных декстринов. Фермент б-амилаза имеет выраженное сродство к гликозидным связям, удаленным от конца молекулы, являясь типичным эндо-действующим ферментом с преобладающим декстринизирующим эффектом [42, 51]. В результате его действия в процессе брожения и выпечки происходит изменение структуры и свойств крахмала, а также накопление низкомолекулярных продуктов гидролиза, что сказывается как на реологических свойствах теста [52], так и на особенностях текстуры мякиша хлеба и их изменениях с течением времени [53].

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

Замедление черствения хлеба большинством исследователей объясняется изменениями в структуре и свойствах крахмала под действием б-амилаз [54, 55]. Частичный гидролиз амилопектина с образованием соединений меньшей молекулярной массы позволяет снизить скорость его ретроградации и уменьшить размеры образующихся при этом кристаллов [56]. Кроме того, под действием эндо-ферментов происходит разрыв крахмальных цепей, связывающих кристаллы крахмала между собой, что сопровождается ослаблением структуры мякиша в целом и как следствие - более высокими показателями сжимаемости при хранении. В свою очередь, гидролитическое расщепление цепей амилозы увеличивает их подвижность и ускоряет их ассоциирование. В результате образуется более прочная сеть, внутри которой дальнейшие перестроения молекул биополимеров и взаимодействия между ними затруднены и протекают с меньшей скоростью [57].

Вместе с тем, в ряде работ большое внимание уделяется продуктам гидролиза крахмала - низкомолекулярным декстринам со степенью полимеризации 19…24, способным замедлять ретроградацию амилопектина и затруднять взаимодействия между биополимерами мякиша хлеба, обуславливающие увеличение его жесткости [58].

Технологические свойства ферментов в отношении повышения качества продукции и сроков сохранения свежести во многом определяются их происхождением [59]. В хлебопекарном производстве используются в основном грибные и бактериальные б-амилазы, для каждого вида характерны свои оптимальные условия действия. Для решения задач сохранения свежести хлеба большое значение имеет температура инактивации применяемого фермента, поскольку этот показатель определяет глубину гидролиза крахмала [60, 61].

Известно, что грибная б-амилаза, обладая более низкой термостабильностью по сравнению с бактериальной, проявляет максимальную активность в температурном диапазоне 40…50 °С, т.е. до начала клейстеризации крахмала. Таким образом, к моменту, когда крахмал станет доступен для действия ферментов, активность грибной амилазы (и, соответственно, ее эффективность) будет невысока [2].

Напротив, термостабильная бактериальная амилаза может сохранять свою активность и при 80…110 °С (т.е. даже после выпечки) [62], предотвращая таким образом ретроградацию крахмала и агрегацию его структурных компонентов, но за счет накопления растворимых декстринов может придать хлебу избыточную влажность и липкость, что недопустимо для некоторых видов изделий [9, 47].

Установлено, что эффективность б-амилаз различного происхождения для замедления кристаллизации крахмала снижается в ряду: бактериальная > грибная > зерновая [12]. В связи с этим в последние десятилетие велись активные поиски путей получения бактериальных ферментов с пониженной температурой инактивации. Получены б-амилазы бактериального происхождения «средней термостабильности» (Intermediate Thermostable Amylase), максимальная активность которых наблюдается при 65…70 °С. В процессе получения хлеба они достигают оптимальной активности при температуре клейстеризации крахмала (или немного ранее) и инактивируются на заключительных стадиях выпечки (рис. 1.2) [63, 64]. Установлено, что добавление препарата б-амилазы, полученной из штамма Bacillus megaterium, увеличивает срок сохранения свежести изделий на 15…33 % [65]. Возможно также снижение температуры инактивации путем получения композиций из препаратов разного происхождения [3, 7, 15].

Особое место среди амилолитических ферментов занимает мальтогенная амилаза (КФ 3.2.1.133), являющаяся изоферментом б-амилазы [50, 64]. Бактериальная мальтогенная амилаза обладает в основном осахаривающей способностью. Она гидролизует крахмал до мальтозы и мальтоолигосахаридов, занимая промежуточную позицию между экзо- и эндо-действующими ферментами и сочетая их свойства (табл. 1) [45, 49]. Однако в отличие от б-амилазы, она воздействует преимущественно на внешние ветви амилопектина, укорачивая их, но не нарушая целостность крахмальных зерен и не разрывая связи между ними. Таким образом, достигается замедление ретроградации амилопектина при минимальном негативном воздействии на реологические свойства теста, характерном для б-амилаз [66-68].

Влияние температуры на активность б-амилаз различного происхождения

Рис. 1.2 1 - грибная б-амилаза; 2 - зерновая б-амилаза; 3 - бактериальная б-амилаза;4 - бактериальная ITS б-амилаза из генетически модифицированных штаммов [46, 63]

Высокая эффективность мальтогенной амилазы в отношении сохранения свежести хлеба объясняется также ее способностью гидролизовать крахмал с получением специфических продуктов - мальтоолигосахаридов со степенью полимеризации 3…9, которые обладают способностью замедлять кристаллизацию крахмала [69-71]. Предполагается, что именно эти олигомеры имеют наиболее подходящие размеры, чтобы удерживать молекулы воды вокруг молекул крахмала и тем самым служить помехой при взаимодействиях крахмала с белками клейковины. Мальтоза оказалась менее эффективной в этом отношении по причине ее относительно небольших размеров и как следствие - высокой подвижности молекул и меньшей влагоудерживающей способности [72-74].

Важным свойством бактериальной мальтогенной амилазы является ее пониженная термостабильность [58]. Фермент проявляет максимальную активность при температуре 60…70 °C и инактивируется на заключительных стадиях выпечки, обеспечивая интенсивный гидролиз крахмала без риска передозировки препарата и получения изделий с влажным липким мякишем [74].

Таблица 1.1

Эффективность амилаз различного происхождения для сохранения свежести хлеба [2]

Вид фермента и его происхождение	Действие	Термо-стабильность	Смягчающий эффект (сжимаемость)	Воздействие на упругость (эластичность)
Грибная б-амилаза (Aspergillus oryzae)	Главным образом, эндо-	Низкая	+	Очень ограниченное
Грибная б-амилаза (Aspergillus niger)	Главным образом, эндо-	Средняя	+	Малое
Бактериальная б-амилаза (Bacillus amyloliquefaciens)	Эндо-	Высокая	++++	Негативное
Бактериальная ITS б-амилаза (Bacillus megaterium)	Эндо-	Средняя	++++	Положительное
Бактериальная мальтогенная амилаза (Bacillus stearothermophilus)	Экзо- и эндо-	Средняя	+++	Положительное
Зерновая в-амилаза (из пшеницы)	Экзо-	Низкая	+	Малое

В настоящее время проводится большое количество исследований по изучению влияния ферментных препаратов различных марок на сохранение свежести хлеба [75, 76]. Амилолитическими препаратами отечественного производства являются Амилоризин П10Х грибного происхождения (Aspergillus oryzae) и Амилосубтилин Г10Х бактериального происхождения (Bacillus subtilis). Их добавление в тесто позволяет замедлить процесс черствения хлеба до 48 часов [15]. Но в настоящее время эти препараты не находят широкого применения в хлебопекарной промышленности - предпочтение отдается препаратам зарубежного производства. К ним относится ферментный препарат Новамил датской фирмы Novozymes, разработанный специально для сохранения свежести хлеба [44]. Это очищенная мальтогенная амилаза, которая продуцируется штаммом Bacillus stearothermophilus, полученным генно-инженерным методом, и выпускается в двух формах. Препараты Новамил 1500MG и Новамил 10000BG представляют собой порошкообразный микрогранулят, Новамил Л имеет жидкую консистенцию. При использовании препаратов в производстве хлебобулочных изделий из пшеничной муки свежесть изделий можно сохранить до 72 часов (при хранении в упаковке), что было подтверждено анализом сжимаемости и крошковатости мякиша [77-80].

Сравнительные исследования ферментных препаратов различной направленности были проведены учеными Швейцарской высшей технической школы (г. Цюрих) [57]. Изучив действие мальтогенной амилазы Новамил 1500MG и «классической» б-амилазы препарата BAN, они обнаружили, что во всех системах (как в модельных системах, так и в образцах мякиша) мальтогенная амилаза увеличивала начальную мягкость хлеба и уменьшала скорость черствения, тогда как использование препарата BAN способствовало лишь снижению скорости черствения [56, 81].

Несмотря на то, что амилолитические ферменты других видов не используются так широко, как б-амилазы, они тоже могут применяться для сохранения свежести хлеба. В частности, фермент пуллуланаза (КФ 3.2.1.41) гидролизует б-1,6-гликозидные связи крахмала, отделяя таким образом боковые цепи разветвленных молекул амилопектина. Увеличение атакуемости молекул наблюдается в отношении частично гидролизованного полисахарида [42]. В связи с этим предложено использовать термостабильную пуллуланазу бактериального происхождения в сочетании с бактериальной или зерновой б-амилазой с целью снижения негативного эффекта, связанного с образованием разветвленных декстринов и - как следствие - получением изделий с влажным липким мякишем [47, 82]. Пуллуланаза быстро гидролизует декстрины, не оказывая воздействия непосредственно на амилопектин, и устраняет проблемы, связанные с использованием б-амилазы [51].

В отличие от б-амилазы, глюкоамилаза (КФ 3.2.1.3) и в-амилаза (КФ 3.2.1.2) являются типичными экзо-действующими ферментами, катализируя последовательное отщепление от молекулы субстрата в-глюкозы и мальтозы соответственно [42]. Деятельность этих ферментов способствует повышению содержания в тесте сбраживаемых углеводов, усилению газообразования и, следовательно, увеличению объема изделий и срока сохранения их свежести [15, 58]. Замедление черствения также связывают с ферментативным воздействием на внешние боковые цепи амилопектина. Отщепление молекул мальтозы или глюкозы препятствует взаимодействию молекул амилопектина между собой и снижает скорость его ретроградации [83]. Целесообразно использовать данные ферменты в сочетании с б-амилазами [47].

Поскольку в-амилаза содержится в пшеничной муке в достаточных количествах, в качестве добавки фермент практически не используют [46]. Зато ферментные препараты глюкоамилазы выпускаются как в России, так и за рубежом [84]. Эффективность глюкоамилазы для сохранения свежести хлеба заявлена в нескольких патентах [85, 86]. Применение ферментного препарата глюкоамилазы AMG 1100BG (фирмы Novozymes) положительно влияет на органолептические показатели качества хлеба и замедляет его черствение, о чем свидетельствует повышенная сжимаемость мякиша изделий [87]. Комплексная пищевая добавка Глюкоамилонигрин на основе б-амилазы, глюкоамилазы и мальтазы может использоваться для сохранения свежести изделий, полученных из муки высших сортов по опарной и безопарной технологии [88].

1.3.2 Липолитические ферментные препараты

Липаза (КФ 3.1.1.3) - фермент, катализирующий гидролитическое расщепление жиров с образованием моно- и диглицеридов и свободных жирных кислот, при этом наибольшее сродство фермент проявляет к эфирным связям, расположенным на внешней части молекулы триглицерида [42].

В хлебопечении препараты липазы начали использовать сравнительно недавно. В пшеничной муке субстратом для действия липаз являются собственные липиды муки, содержание которых может достигать до 2…3 % от ее массы, а также жировые продукты, присутствующие в рецептуре [48, 64]. Образующиеся продукты гидролиза жиров (рис. 1.3, стадия 1) относятся к поверхностно-активным веществам, целесообразность использования которых для сохранения свежести хлеба доказана теоретически и подтверждена на практике [37, 38, 75, 89].

Установлено, что применение препаратов липазы приводит к улучшению реологических свойств теста, увеличению удельного объема изделий, улучшению структуры и цвета мякиша. Также есть сведения, что липазы способствуют замедлению черствения хлеба, хотя роль липидов муки и липаз в этом процессе до конца не выяснена [45, 90]. Наиболее часто такой эффект объяснятся действием продуктов гидролиза - моноглицеридов и жирных кислот, которые, образуя комплексы с амилозой, замедляют ее ретроградацию [29]. Однако ввиду крайне незначительного содержания липидов в муке и, соответственно, количества образующихся поверхностно-активных веществ [7], есть основания полагать, что происходит модификация не только крахмальной, но и белковой составляющей муки. Предполагается, что липазы изменяют взаимодействия между белками и липидами муки, улучшая качество клейковины [91].

Кроме того, липолитические ферменты косвенно влияют на окислительные процессы в тесте при замесе, что происходит за счет увеличения доступности ненасыщенных жирных кислот для действия фермента липоксигеназы, присутствующего в муке или введенного в тесто в составе улучшителей [4]. Липоксигеназа (КФ 1.13.11.12) катализирует свободнорадикальное окисление ненасыщенных жирных кислот с образованием в качестве промежуточных соединений свободных радикалов, а также неустойчивых в сложной биологической среде гидропероксидов (рис. 1.3, стадия 2) [42]. Эти вещества участвуют в реакциях окисления сульфгидрильных (-SH) групп с образованием дополнительных дисульфидных (-S-S-) связей в белковых цепях (рис. 1, стадия 3), в результате чего происходит улучшение структурно-механических свойств клейковины [3, 37].

Рис. 1.3 Механизм действия ферментов липазы и липоксигеназы

Ферментные препараты Grindamyl Exel фирмы Danisco и Липопан фирмы Novozymes, обладающие липолитической активностью, улучшают структурно-механические свойства хлебного мякиша и отбеливают его, продлевают срок свежести хлеба [92, 93].

Особенно эффективно использование ферментов липазы совместно с б-амилазой, ксиланазой [94, 95], что позволяет получить хлеб, способный сохранять свежесть до 9 суток [50].

1.3.3 Гемицеллюлазные ферментные препараты

Гемицеллюлазы гидролизуют гемицеллюлозы - полисахариды клеточных стенок растений, соединяющих клетки с образованием тканей (т.н. некрахмальные полисахариды). Преобладающими гемицеллюлозами злаковых культур являются пентозаны, в частности, арабиноксиланы, составляющие 1,5…3 % пшеничной и около 8 % ржаной муки [50].

Пентозаны пшеничной муки представлены водорастворимой (0,4…1,1 %) и нерастворимой (0,8…1,9 %) фракциями [23]. Обе фракции негативно влияют на реологические свойства теста, обусловливая его устойчивость к растяжению [48]. Нерастворимые пентозаны образуют с белками клейковины поперечные связи, оказывая тем самым отрицательное влияние на формирование клейковинного каркаса при замесе, упругие свойства теста и качество хлеба. Растворимые пентозаны обладают высокой водосвязывающей способностью, поглощая семикратное количество влаги по сравнению со своей массой, тем самым изменяя водопоглотительную способность теста [2, 58, 96]. Отрицательное воздействие некрахмальных полисахаридов на свойства теста и качество изделий (особенно при производстве хлеба из цельносмолотого зерна или с добавлением отрубей) стало основной причиной использования ферменных препаратов гемицеллюлаз [97-100].

Наиболее важными в функциональном отношении гемицеллюлазными ферментами являются некоторые виды пентозаназ, называемые ксиланазами (КФ 3.2.1.8) [64]. Схема гидролиза гемицеллюлозы, основным компонентом которых служит арабиноксилан, представлена на рис. 1.4.

Рис. 1.4 Действие фермента ксиланазы на арабиноксилан

В хлебопекарной промышленности используются ксиланазные препараты как грибного, так и бактериального происхождения, которые обладают разной селективностью. Установлено, что препараты бактериального происхождения легче гидролизуют нерастворимую фракцию пентозанов, тогда как грибные препараты - растворимую [2].

Ферментативный гидролиз некрахмальных полисахаридов, как правило, приводит к улучшению реологических свойств теста и качества готовых изделий. Но во многом положительный эффект от применения ксиланаз определяется их специфичностью [28, 29, 101]. В настоящее время в хлебопечении предпочтение отдается ферментам, осуществляющим гидролиз нерастворимых пентозанов. При этом устраняется негативный эффект от образования поперечных связей с белками клейковины и увеличивается водопоглотительная способность теста [102]. Напротив, применением ферментов, действующих на водорастворимую фракцию пентозанов, подобный эффект не достигается, что связано с низкой влагоудерживающей способностью продуктов гидролиза и как следствие - с получением вязкого липкого теста и хлеба малого объема [23, 103].

Влияние ксиланаз на процессы черствения хлеба до сих пор до конца не выяснено, однако рядом исследователей установлено положительное воздействие данных ферментов на свойства хлеба при хранении [104]. Объяснения же механизма их действия достаточно противоречивы и неоднозначны. С одной стороны, действие ксиланаз в тесте изменяет структуру некрахмальных полисахаридов, способствуя образованию продуктов меньшей молекулярной массы, которые могут препятствовать взаимодействию крахмала с белками и упорядочиванию молекул амилозы в структуре мякиша. Тем самым они уменьшают скорость ретроградации крахмала и замедляют черствение [105, 106]. Кроме того, гидролизуя нерастворимые пентозаны до углеводов меньшей молекулярной массы, обладающих большей влагоудерживающей способностью, ксиланазы способствуют замедлению ретроградации крахмала за счет изменения процесса перераспределения влаги внутри белково-крахмальной матрицы при хранении [100, 107, 108].

С другой стороны, в ряде работ отмечается, что введение препаратов ксиланаз в рецептуру никак не отражается на скорости черствения хлеба, а эффективность их применения для сохранения свежести объясняется улучшением реологических свойств теста. Гидролиз связанных с клейковинными белками пентозанов и поглощение выделяющейся влаги глютеном улучшает структурно-механические свойства клейковины, увеличивая ее растяжимость. Это позволяет получать изделия большего удельного объема, которые при хранении будут иметь высокий показатель сжимаемости мякиша и казаться более свежими [94, 100, 109, 110].

Существуют экспериментальные подтверждения возможности использования препаратов ксиланаз для сохранения свежести хлеба [102, 111]. Так, ксиланазы, полученные из культур Trichoderma longibrachiatum и Aspergillus oryzae, не только способствуют увеличению сжимаемости мякиша и улучшению его пористости, но и замедляют ретроградацию крахмала [107].

Большего эффекта можно добиться применением композиций ферментных препаратов за счет синергетического эффекта их действия. Так, с целью повышения эффекта сохранения свежести хлебобулочных изделий препараты ксиланазы сочетают с амилолитическими [94, 112, 113]. При использовании комплекса мальтогенной б-амилазы бактериального происхождения (препарат Новамил) с грибной б-амилазой и ксиланазой (препарат Фунгамил) в дозе 0,01 % к массе муки наблюдается увеличение набухаемости мякиша на 30…40 %, вязкости суспензии мякиша на 13…30 %, сжимаемости мякиша - на 17…44 % при хранении в течение 12…96 ч без упаковки [114].

Очевидно, что ферменты перечисленных групп прямо или косвенно влияют на изменения углеводной (крахмальной) составляющей мякиша, происходящие при хранении хлеба. Но процесс черствения обусловлен не только ретроградацией крахмала - доказано, что белковая составляющая также имеет определенное значение [13, 15, 18, 22, 48]. Изменением количества и качества клейковины можно добиться более длительного сохранения свежести изделий не только за счет возможного увеличения их удельного объема, но и за счет снижения скорости черствения [7, 19, 115]. В ряде работ высказывается предположение, что воздействие на белки муки при помощи ферментов может способствовать сохранению свежести хлеба. В этом отношении интерес представляют ферменты протеаза и трансглютаминаза.

1.3.4 Протеолитические ферментные препараты

Протеолитические ферменты (протеазы) - группа ферментов, гидролизующих белок (рис. 1.5). Основной катализируемой реакцией является гидролиз пептидной связи в молекулах белков и пептидов. В результате действия эндо-ферментов - протеиназ (КФ 3.4.11...3.4.15) - белковая молекула распадается на пептиды. В присутствии экзо-ферментов - пептидаз (КФ КФ 3.4.21…3.4.24) - от нее отщепляется индивидуальная аминокислота [9, 42].

Рис. 1.5 Воздействие протеолитических ферментов на пшеничный белок

Протеолитические ферменты применяют для регулирования структурно-механических свойств клейковины с целью понижения силы муки. Их использование позволяет уменьшить вязкость теста, сделать его более пластичным и эластичным, сократить время замеса, необходимое для формирования в тесте оптимальной газоудерживающей способности [4, 103]. Протеолитические ферменты применяются при производстве хлебобулочных изделий, технология которых требует особенно легкого, подвижного и растяжимого теста [3, 116].

Эффективность использования ферментов данного типа для сохранения свежести хлеба не столь ярко выражена, как в случае б-амилаз или ксиланаз. При правильной дозировке фермента и соответствующем качестве муки (сильная мука) протеиназы способствуют увеличению удельного объема изделий (за счет достижения оптимальных реологических характеристик теста) и улучшению пористости, таким образом положительно влияя на сжимаемость мякиша [102]. В то время как снижение скорости черствения при использовании протеиназ можно объяснить нарушением связей между крахмалом и белком, которые образуются при хранении и делают структуру мякиша более жесткой [117, 118].

В технологии хлеба используют протеазы грибного и бактериального происхождения, из них бактериальная протеаза дает более удовлетворительные результаты. Это связано с тем, что в бактериальных препаратах преобладают протеазы эндо-типа, необходимые для быстрого расщепления белка [114]. В качестве препаратов нейтральной бактериальной протеазы могут применяться препараты Протосубтилин Г10Х и Г20Х отечественного производства, а также препарат Нейтраза датской фирмы Novozymes [43].

Однако слишком интенсивный гидролиз белков на стадиях брожения и расстойки может привести к тому, что тесто станет липким и мягким, а изделия получатся низкого объема с грубой пористостью [58]. В связи с этим предложено использовать термостабильную протеазу, максимальная активность которой наблюдается при повышенной температуре, что снижает риск чрезмерного разжижения теста. Проведенные исследования показали, что в этом случае полученные образцы хлеба отличаются более эластичным мякишем и дольше сохраняют свежесть по сравнению с контрольными образцами [2, 119].

Многими исследователями отмечается, что совместное использование препаратов б-амилазы и протеазы существенно увеличивает их эффективность. При попытке разделения активностей препаратов путем избирательной инактивации ферментов способность б-амилаз замедлять черствение хлеба снижалась [7]. Для сохранения свежести хлеба рекомендуется использовать комбинации ферментов б-амилаза / протеаза, а также ксиланаза / протеаза [117].

1.3.5 Ферментные препараты класса трансфераз

Трансферазы - ферменты, катализирующие перенос различных группировок в молекулах. Из ферментов класса трансфераз в хлебопечении наиболее широко применяют трансглютаминазу (КФ 2.3.2.13) [64]. Ее действие приводит к внутри- и межмолекулярному кросс-связыванию в клейковинных белках за счет переноса карбоксиамидной группировки с образованием так называемой изопептидной связи между аминокислотными остатками белковой молекулы (рис. 1.6). При этом образование связей происходит независимо от окислительно-восстановительных процессов и без участия сульфгидрильных групп [58, 99].

Таким образом, используя трансглютаминазу (в том числе и взамен улучшителей окислительного действия), можно добиться существенного укрепления клейковины, повысить стабильность теста, несколько увеличить объем изделий [120-123]. Особенно эффективен фермент при использовании слабой муки, а также для восстановления белковой структуры в муке, пораженной клопом-черепашкой [124, 125].

Рис. 1.6 Механизм действия трансглютаминазы

Хотя трансглютаминазу можно найти в тканях многих растений и животных, коммерчески доступных препаратов существует не так много, что затрудняет использование фермента в промышленности. Наиболее распространены бактериальные препараты, полученные из культуры Streptomyces mobaraensis [126, 127]. К ним относится препарат Activa WM японской фирмы Ajinomoto, а также трансглютаминазный ферментный препарат Veron TG, выпускаемый компанией AB Enzymes [117].

Несмотря на то, что фермент трансглютаминаза используется во многих отраслях промышленности [128, 129], в хлебопечении фермент применяется относительно недавно.

В ряде работ сообщается о положительном воздействии ферментных препаратов трансглютаминазы на скорость черствения хлеба. Отмечается, что в малых дозах препараты трансглютаминазы приводят к улучшению реологических свойств теста и увеличению объема хлеба, что способствует сохранению показателей сжимаемости мякиша на высоком уровне [109]. Другими исследователями положительного эффекта трансглютаминазы на скорость черствения не обнаружено, но ее использование совместно с амилолитическими и ксиланазными ферментными препаратами значительно повышало их эффективность для сохранения свежести изделий [112]. Полученные образцы были лишены липкости и избыточной влажности, вызванной действием амилазы и ксиланазы, и имели более высокие показатели, характеризующие их свежесть, как по сравнению с контрольными образцами, так и по сравнению с образцами без трансглютаминазы, что позволяет говорить о синергетическом действии этих ферментов [102, 110, 130].

Таким образом, несмотря на множество нерешенных вопросов и противоречий в существующих теориях черствения, а также на обилие предлагаемых методов сохранения свежести хлеба, перспективы использования улучшителей на основе ферментных препаратов для решения подобных задач не вызывают сомнений.

2. Экспериментальная часть

2.1 Исследование свойств сырья и полуфабрикатов

2.1.1 Определение «силы» муки по содержанию и свойствам клейковины

«Сила» муки - основной фактор, определяющий хлебопекарные свойства пшеничной муки. Этим условным термином принято обозначать способность муки образовывать тесто, обладающее после замеса и в ходе брожения и расстойки определенными структурно-механическими свойствами. Пшеничная мука различной силы образует тесто с неодинаковыми структурно-механическими свойствами.

Решающая роль в определении структурно-механических свойств теста или «силы» муки принадлежит клейковине. Количество и качество сырой клейковины в муке определяют в соответствии с ГОСТ 27839-88, отмывая ее из теста, замешанного из муки и воды, с последующим исследованием ее упругих свойств на приборе ИДК-1М.

2.1.2 Определение подъемной силы дрожжей методом всплывания шарика теста

Подъемная сила - один из основных показателей качества хлебопекарных дрожжей, характеризующий их способность сбраживать собственные сахара муки.

Качество прессованных дрожжей, применяемых при приготовлении теста, определяли экспресс-методом по времени всплывания шарика теста в соответствии с требованиями ГОСТ 171-81.



2.1.3 Определение амилолитической активности ферментных препаратов

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

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

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

2.1.4 Определение титруемой кислотности полуфабриката

Титруемая кислотность является важным показателем, характеризующим качество полуфабриката. По нарастанию титруемой кислотности можно судить о том, как протекал процесс в данной фазе (в отношении температурных условий и продолжительности), что важно для установления готовности теста (или опары). По величине титруемой кислотности готового теста можно с большим или меньшим приближением судить о кислотности хлеба из данного теста.

Реактивы и материалы:

0,1 н спиртовой раствор КОН, фенолфталеин, вода дистиллированная, полуфабрикат.

Химическая посуда и оборудование:

Весы технические, фарфоровая чашка, мерный цилиндр, коническая колба емкостью 100...150 см³.

Техника выполнения:

В фарфоровой чашке отвешивают 5 г полуфабриката с точностью до 0,1 г; растирают с 50 см³ дистиллированной воды. Переносят количественно в колбу для титрования и титруют 0,1 н спиртовым раствором КОН с 2...3 каплями фенолфталеина до получения слабо-розового окрашивания, не исчезающего при спокойном стоянии колбы в течение 1 мин.

Кислотность полуфабриката Х, °Н вычисляют по формуле:

,

V - количество раствора КOH, пошедшее на титрование, см³;

К - поправка к титру раствора КOH.

2.2 Проведение пробной лабораторной выпечки хлеба из пшеничной муки [43]

Реактивы и материалы:

Мука пшеничная, дрожжи прессованные, соль поваренная, вода дистиллированная, добавки в соответствии с рецептурой.

Химическая посуда и оборудование:

Цилиндр мерный, стакан объемом 250 см³, емкость для замеса теста, шпатель, форма для выпечки, термометр, весы технические, хлебопекарная печь.

Техника выполнения:

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



Таблица 2.1

Рецептура теста

Наименование компонентов	Количество сырья, мас. %
Мука пшеничная	100
Дрожжи хлебопекарные	1,0
Соль	1,5
Вода	По расчету

Количество вносимой при замесе теста воды G_В , см³, определяют по формуле:

G_С - суммарная масса сырья, расходуемого на приготовление теста (без воды), г;

W_m - влажность теста, % (из муки высшего сорта - 43,5 %; 1 сорта - 44,5 %; 2 сорта - 45,5 %);

W_С - средневзвешенная влажность сырья, %.

Средневзвешенную влажность сырья W_С, %, рассчитывают по формуле:

G_М, G_СЛ, G_Д - соответственно количество муки, соли, дрожжей, расходуемое на приготовление теста, г;

W_М, W_СЛ, W_Д - соответственно влажность муки, соли и дрожжей (принимаем W_М = 14,5 %, W_СЛ = 0,25 %, W_Д = 75 %).

Температуру воды для замеса теста t_В, °С, рассчитывают по формуле:

t_m - заданная температура теста, °С;

C_М - теплоемкость муки, C_м = 0,3 кал/(г град);

C_В - теплоемкость воды, C_В = 1 кал/(г град);

G_М - количество муки, г;

t_М - температура муки, °С;

G_В - количество воды в тесте, г;

K - поправочный коэффициент (летом принимают равным 0...1, в весеннее и осеннее время - 2, зимнее - 3).

Температура воды для замеса не должна превышать 45 °С.

Выпечка проводилась в печи «Moulinex Home Bread». Была выбрана программа для выпекания № 2 для французской булки. Порядок загрузки ингредиентов следующий: вода, соль, мука, дрожжи, добавки. Режим выпечки представлен в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Режим выпечки

Название стадии	Продолжительность, мин
1-й замес	5
Отлежка	5
2-й замес	20
Брожение	39,6
1-я обминка	0,2
Брожение	30,5
2-я обминка	0,2
Брожение	59,5
Выпечка	50
Общее время приготовления	210



2.3 Анализ качества изделий

2.3.1 Определение влажности хлеба и хлебобулочных изделий

Влажность хлебобулочного изделия определяют для расчета выхода; для проверки соблюдения режима технологического процесса и рецептуры; для учета энергетической ценности. При повышении влажности изделия повышается его выход, снижается энергетическая ценность, ухудшается внешний вид изделия.

Стандартом на хлебобулочные изделий предусмотрен метод определения влажности мякиша путем высушивания навески измельченного мякиша при заданной температуре. Определение ведется по ГОСТ 21094-75.

2.3.2 Определение пористости хлеба и хлебобулочных изделий

Под пористостью понимают отношение объема пор мякиша к общему объему хлебного мякиша, выраженного в процентах. Пористость изделия с учетом его структуры (размера пор, однородности, толщины стенок) характеризует такое важное свойство продукта, как усвояемость. Низкая пористость обычно присуща изделиям из плохо выброженного теста, с низкой влажностью.

Определение ведется по ГОСТ 5669-96 с использованием прибора Журавлева.

2.3.3 Определение кислотности хлеба и хлебобулочных изделий

Показатель кислотности хлебобулочного изделия характеризует его качество с вкусовой стороны. По этому показателю можно также судить о выполнении правил ведения технологического процесса приготовления изделия. Кислотность хлеба в основном обусловлена продуктами, получаемыми в результате брожения теста.

Кислотность выражают в градусах кислотности. Под градусами кислотности понимают количество миллилитров 1 н раствора NaОН, необходимое для нейтрализации кислот, содержащихся в 100 г хлебного мякиша. Определение ведется ускоренным методом по ГОСТ 5670-96.

2.3.4 Органолептическая оценка хлебобулочных изделий [43]

Органолептическая оценка хлебобулочных изделий в оценке их качества имеет очень большое значение. Качество хлеба оценивают не ранее чем через 4 часа после выпечки, но не позднее чем через 24 часа. Органолептическую оценку качества хлеба проводят согласно стандартным показателям, приведенным в табл. 2.3.