Сущность процесса черствения хлеба

Многие считают, что черствение хлеба является результатом его усыхания. Ещё в XIX веке Буссенго установил, что черствение хлеба не связано с потерей влаги, о чём свидетельствует освежение черствого хлеба - повторным прогревом его в печи. При этом хлеб теряет дополнительное количество влаги, однако мякиш его восстанавливает структурно-механические свойства, присущие мякишу свежего хлеба.

Следствием черствения хлеба является изменение структурно-механических свойств его мякиша (снижение сжимаемости и эластичности, увеличение способности мякиша крошиться).

По мнению Альсберга, при хранении сначала увеличивается твёрдость и жесткость мякиша, затем появляется крошковатость, теряется влага вследствие испарения.

Микроструктура показывает, что непрерывную фазу губчатого скелета мякиша составляет масса свернувшегося при выпечке белка (клейковины). В свежем хлебе зёрна крахмала всей поверхностью прилегают к массе коагулированного белка, поэтому резкой, чёткой границы между ними не наблюдается.

В мякише черствого хлеба набухшие зёрна частично клейстеризованного крахмала видны более чётко, т.к. вокруг части их поверхности образуется тонкая воздушная прослойка. Чем черствее хлеб, тем более четко видны прослойки воздуха, свидетельствующие об уменьшении объема крахмальных зерен, что обусловливает повышенную крошковатость мякиша черствого хлеба.

Черствение изделий сопровождается изменением гидрофильных свойств мякиша. Резко снижается его способность к набуханию и поглощению воды, содержание связанной воды уменьшается. Свежий хлеб из пшеничной муки II сорта может поглотить 219% воды от своего веса, черствый – 170%, а хлеб из муки I сорта соответственно 289 и 153%. В черством изделии снижается способность коллоидов и других веществ мякиша переходить в водный раствор. Уменьшается количество водорастворимых веществ и растворимость в воде крахмала мякиша изделия. В связи с этим снижается вязкость водных суспензий измельченного мякиша и увеличивается скорость их фильтрации.

Исходя из опытов Катца, считали, что снижение растворимости крахмала мякиша при черствении происходит в результате уменьшения растворимости амилозы крахмала. Однако последующие исследования показали, что в условиях мякиша хлеба (и 50%-ных прогретых крахмально-водных паст) растворимая часть крахмала, уменьшающаяся при черствении, представлена амилопектином.

Работами А.В. Думанского и А.Г. Кульмана было показано, что способность мякиша хлеба коллоидно связывать воду в процессе черствения хлеба также понижается.

Изменения гидрофильных свойств мякиша сказываются на его структурно-механических свойствах.

На рисунке приводятся графики, полученные в ГосНИИХП, характеризующие изменения сжимаемости и крошковатости центральных слоев мякиша (1) и корки (2) при хранении хлеба в течение 3 сут. При уменьшении величины сжимаемости мякиша, измеряемой на пенетрометре АП 4/1, на 40% и более, по органолептически определяемым показателям хлеб оценивался как «черствый». Крошковатость мякиша через 24 ч после выпечки увеличивалась в 2,5-3 раза.

Рисунок 20 - Изменение сжимаемости и крошковатости мякиша (1) и корки (2) хлеба из пшеничной муки при хранении:

сжимаемость

---------крошковатость

Изучению причин, вызывающих черствение хлебобулочных изделий, посвящено большое число работ исследователей, которые считают, что изменения свойств мякиша изделий при хранении являются результатом ряда сложных физико-механических, коллоидных и биохимических процессов.

Перечисленные изменения обусловлены, с одной стороны, потерей изделиями влаги - их усыханием, с другой - изменениями их структурных компонентов при хранении. Единой точки зрения в объяснении сущности процесса черствения среди исследователей до настоящего времени нет.

Большинство из них считает, что физико-химические изменения являются следствием старения высокополимеров - крахмала и белка - главных компонентов сухих веществ выпеченного изделия. Ведущая роль в черствении хлебобулочных изделий отводится изменениям крахмала, который составляет 60-70% сухого вещества выпеченного изделия. Основным процессом, происходящим при черствении хлебобулочных изделий, считается старение крахмального геля. В процессе выпечки в ВТЗ крахмал частично клейстеризуется, поглощая влагу, освобождаемую коагулируемыми белками, переходит из кристаллического состояния в аморфное. При хранении хлеба происходит обратный переход крахмала в кристаллическое состояние. Это явление называется ретроградацией крахмала. При этом структура крахмала уплотняется, уменьшается его растворимость и происходит частичное выделение влаги, поглощенной при клейстеризации. Считают, что влага, выделяемая при ретроградации крахмала, воспринимается белками мякиша хлеба.

Первым исследователем, связавшим черствение хлеба с ретроградацией крахмала, был Линде. Эта идея объяснения сущности процесса черствения изделий была развита и экспериментально подтверждена рядом исследователей (Катц, Керр, Ким, Апполониа и др.). Ими было показано, что в основе образования и старения крахмальных студней лежит изменение структуры крахмала.

Катц обнаружил, что скорость черствения хлеба зависит от температуры – он сохраняет свежесть в течение 24-48 ч хранения в регулируемых условиях влажности при температуре от 60 ⁰С и выше; становится получерствым при 40 ⁰С; почти черствым при 30 ⁰С; черствым - при 17 ⁰С; очень черствым - при 8 ⁰С; остаётся свежим, если хранится при температуре от -10 до -185 ⁰С. Доказано, что черствение может быть приостановлено при высушивании изделия до содержания влаги 16,4% или насыщением изделия водой до избыточного влагосодержания.

Применив рентгеноспектрографический метод исследования, Катц изучил изменение крахмала в процессе выпечки и последующего хранения хлеба.

Крахмал зерна, муки и теста перед выпечкой дает рентгеноспектр А, типичный для кристаллического строения зерна крахмала. Мякиш выпеченного изделия, отличающийся от рентгеноспектра А, 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. Чем черствее хлеб, тем ближе спектр В к характеру спектра А. Рентгеноспектр В Катц назвал рентгеноспектром ретроградации крахмала.

Крахмал мякиша изделия рассматривается как термодинамически равновесная система, состоящая из - и -форм, характерных соответственно для свежего и черствого изделия. При хранении изделий в обычных условиях равновесие сдвигается, при этом -форма переходит в более легкую растворимую и менее структурно прочную -форму. Установлено, что -форма крахмала устойчива при температуре 60 ⁰С и выше, поэтому при этой температуре ретроградации крахмала и черствения мякиша изделия не происходит. При более низких температурах (до -2 ⁰С) равновесие сдвигается в сторону перехода -формы в -форму, характерную для черствого хлеба. Чем длительнее хранится хлеб, тем большая часть -формы крахмала переходит в -форму и тем черствее хлеб. Основываясь на своих исследованиях, Катц пришёл к заключению, что кристаллизация крахмала является основным фактором черствения хлеба.

Более поздними исследованиями были внесены дополнения и уточнения в этот процесс. Ретроградацию частично клейстеризованного крахмала мякиша хлеба при черствении можно рассматривать как процесс агрегации его структурных элементов – явление образования ассоциатов амилозных цепочек. Цепочки молекул амилозы при этом могут занимать более упорядоченное параллельное положение с возможным образованием между ними водородных или иных поперечных связей-мостиков. Некоторые исследователи (Шоч) считают, что основную роль в ретроградации крахмала в условиях мякиша хлеба играет его амилопектиновая фракция.

Шоч утверждает, что при набухании крахмальных зерен в процессе выпечки часть линейной (амилозной) фракции растворяется и диффундирует из крахмальных гранул в окружающую жидкую фазу мякиша. Ветви цепочек амилопектина в набухших при выпечке зернах крахмала также располагаются взаимно неупорядоченно. По мере того, как набухание крахмальных гранул продолжается, концентрация линейных молекул в промежуточной жидкости увеличивается. При охлаждении хлеба амилозная фракция структурируется, и набухшие крахмальные гранулы представляются закреплёнными в затвердевшем геле линейной фракции. Этот структурированный гель и придает мякишу свежего остывшего хлеба свойственные ему упругие свойства.

Именно превращение амилопектина в более компактные образования приводит к общему уменьшению объема набухших зерен крахмала мякиша, к увеличению их твердости и, как следствие, к увеличению твердости и крошливости мякиша.

Шоч обосновывает свою теорию, основываясь на различной относительной прочности соединения линейной амилозной и разветвленной амилопектиновой фракции крахмала. Ретроградированные линейные молекулы требуют больших затрат энергии и плавятся при температуре 140-150 ⁰С, в то время, как ретроградированные разветвлённые молекулы плавятся при 40-50 ⁰С. Если бы линейная амилозная фракция участвовала в черствении, то потребовалось бы освежать хлеб при более высокой температуре.

Аналогичный механизм черствения приводится в работах Зобеля и Калпа (рис.).

Рисунок 21 - Модель механизма черствения по Зобелю и Калпу

Шоч и Френч предполагают, что черствение связано с последовательной агрегацией амилопектина, которая способствует кристаллизации структуры мякиша. В отличие от ретроградации, эта фракция быстро растворяется при умеренном нагревании. Агрегация происходит за счет межмолекулярных связей между линейными частями фракции амилопектина, который по сравнению с амилозой, участвующей в процессе ретроградации, обладает меньшей прочностью.

Оствальд, А.Г. Кульман, В.И. Назаров и другие исследователи считали, что черствение хлеба вызывается процессом синерезиса крахмала, клейстеризованного в процессе выпечки.

Явление синерезиса геля также включает агрегацию элементов дисперсной фазы, сопровождающуюся выделением свободной дисперсионной жидкой среды (для клейстеризованного крахмала — воды).

М.И. Княгиничев рассматривал процесс черствения хлеба с точки зрения соотношения свободной и связанной воды, а также форм и состояния отдельных видов связанной воды в тесте, ВТЗ, в свежем, черством и освеженном прогревом хлебе.

По мнению Княгиничева вода, захваченная микропорами крахмала и белка мякиша хлеба (1/2 от общего количества связанной воды), при его черствении структурно перестраивается и образует ассоциаты из 5 молекул воды, которые затем образуют гексагональную решетку (более «рыхлую» решетку льда). Эта решетка может перейти к более плотной «упаковке» в результате преобразования в четырехугольную сетку или заполнения пустот («дырок») в сетке молекулами воды. Такая структурированная уплотненная вода образует со стенками микропор единую упорядоченную структурную систему, характерную для черствого хлеба. При освежении хлеба нагреванием такая структурированная система вода - стенки микропоры разрушается и цепи высокополимеров могут перейти в состояние, свойственное свежевыпеченному хлебу.

Обобщая результаты большого числа исследователей, связанных с черствением хлеба, бесспорным является вывод о связи изменения реологических свойств мякиша изделий с изменениями в состоянии крахмала. Структурно-механические свойства мякиша изделий зависят не только от состояния крахмала, но и от других компонентов. Известно, что белковые вещества составляют непрерывную фазу структурного остова мякиша хлебобулочных изделий, в который вкраплены зерна крахмала. Поэтому, свойства белковых компонентов мякиша изделий оказывают влияние на изменение его реологических свойств.

Белковым веществам мякиша отводится роль вещества, воспринимающего влагу, выделяемую крахмалом при его синерезисе, а при освежении, разогреве хлеба – обратную отдачу влаги крахмалу.

Но именно белковые коагулированные вещества составляют пространственно непрерывную фазу структурного остова мякиша хлеба, а зерна крахмала лишь вкраплены в этот остов.

Л.Я. Ауэрман и Р.Г. Рахманкулова, изучавшие черствение пшеничного хлеба, обратили внимание на изменения в белковой части мякиша хлеба, обратные тем, которые происходят в процессе денатурации белков при выпечке хлеба. Это изменения, приводящие к уплотнению структуры белка, снижению гидратационной способности и способности связывать метиленовую синь. Они, по данным тех же авторов, протекают в 4-6 раз медленнее ретроградации крахмала, к тому же белка в хлебе в 5-7 раз меньше, чем крахмала. Поэтому Л.Я. Ауэрман и Р.Г. Рахманкулова присоединились к мнению большинства исследователей о том, что основную роль в черствении хлеба играют все же изменения крахмала.

Скорость, степень и характер изменений в структуре и кристалличности крахмала зависят от влажности геля хлебных изделий. При влажности продукта ниже критической величины процессы, обусловливающие черствение, почти не происходят. Поэтому в сухарях черствение практически не наблюдается, а в баранках идет во много раз медленнее, чем в хлебобулочных изделиях.

Тейлер с коллегами, изучая водопоглотительную способность крахмала и геля клейковины при относительной влажности мякиша хлеба 97-98%, обнаружили снижение способности крахмала удерживать воду и сохранение способности клейковины связывать воду. Основываясь на этих данных, исследователи сделали заключение о том, что при хранении хлеба влага может переходить от крахмала к клейковине.

Вильхофт установил, что около 30% влаги, первоначально связанной клейковинной фракцией, через 5 дней хранения при комнатной температуре переходит в крахмальную фракцию. Он утверждает, что при черствении хлеба происходит, кроме ретроградации крахмала, изменение свойств клейковины. Высвобождающаяся вода поглощается частично клейстеризованным крахмалом. Перемещение влаги от клейковины к крахмалу сопровождается небольшим смягчением крахмала.

Мартин, Железняк и Хосни высказали свою точку зрения на черствение мякиша хлеба, включающую важную роль белковых веществ. По их мнению, поверхность набухших зерен крахмала становится пористой, цепочки амилозы образуют ответвления (рис.). 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 его реологических свойств: увеличивается твердость и снижается эластичность.

Рисунок 22- Модель механизма черствения по Хосни, Мартину и Железняку

В ряде работ процесс черствения хлеба рассматривается с точки зрения кристаллизации высокополимеров, к которым относятся и крахмал, и белковые вещества мякиша хлеба.

У. Померанц, Л.И. Пучкова, Н.П. Козьмина рассматривают влияние на черствение хлеба не только изменения крахмала и белков, но также липидов и пентозанов, содержащихся в муке. Показано, что липиды образуют комплексные соединения с белками и крахмалом, оказывающие влияние на скорость ретроградации крахмала. Померанц отмечает особую роль в этих изменениях пентозанов. Он полагает, что водорастворимые пентозаны влияют на амилопектиновую фракцию крахмала и снижают скорость его ретроградации. Отмечает Померанц и то, что водонерастворимые пентозаны оказывают аналогичное влияние как на амилозу, так и на амилопектин крахмала мякиша хлеба. Пентозаны замедляют ретроградацию путём «обволакивания» амилозы и амилопектина, что тормозит их кристаллизацию на первом этапе хранения хлеба. При дальнейшем хранении хлеба ретроградацию крахмала обусловливает в основном амилопектин.

Дата добавления: 2014-01-07