ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ХРАНЕНИИ

Хлебобулочных изделий

При хранении хлеба наблюдается изменение его свежести, т.е. черствение. Эти изменения являются результатом сложных физико-химических, коллоидных и биохимических процессов — потери влаги (усыхание) и изменений в углеводах и белках (чер­ствение). Для определения динамики этих процессов применя­ются показатели твердости мякиша (F), жесткости (Е) и модуля эластичности (е_т).

Зависимость между твердостью F (модулем сжатия) и про­должительностью хранения хлеба т можно представить в виде эмпирического уравнения:

Приведенные зависимости свидетельствуют о том, что измене­ния в мякише хлеба начинаются уже в первые часы его хранения. При черствении изменяются гидрофильные свойства мяки­ша, его микроструктура, массовая доля водорастворимых ве­ществ, атакуемость крахмала мякиша хлеба амилазами, увеличи­вается степень его крошковатости.

Черствение хлеба сопровождается изменением микрострук­туры его мякиша. Зерна частично клейстеризованного крахмала в мякише черствого хлеба обрамлены тонкой воздушной прослой­кой. Это свидетельствует об уменьшении их объема в связи с об­разованием кристаллической структуры крахмала (А.Ф. Горяче­ва, Р.В. Кузьминский, 1983).

Изменение состояния биополимеров хлеба при черствении может быть выражено через изменение энтальпии системы Н. Энтальпия при определенной температуре Н_t связана с теплоем­костью с при постоянном давлении и выражается уравнением (В.В. Щербатенко, 1976):

Молярная теплоемкость с_р заменяется удельной теплоемкос­тью с_у. Тогда, в соответствии с уравнением (8.4), черствение хлеба повышает его удельную теплоемкость и соответственно повыша­ется энтальпия системы.

Процесс черствения хлеба связан с изменением систем вода — крахмал, вода — белок. В процессе выпечки при нагревании проис­ходит изменение микроструктуры крахмала и белка, в результате чего в системе образуются микрополости, играющие роль микро­резервуаров для воды.

Часть молекул воды термодинамически связана, другая рас­пределена в межмолекулярных пространствах денатурированного белка и набухшего частично клейстеризованного крахмала и явля­ется осмотически связанной. К термодинамически связанной воде относится 25 % от общей массы связанной воды. Она не оказывает влияния на черствение хлеба. Остальная вода, заполняющая мик­ронеплотности крахмала, осмотически связана. Содержание воды, осмотически связанной белками муки, более чем в 3 раза выше, чем связанной крахмалом. По мнению М.И. Княгиничева, черствение хлеба зависит от изменения содержания этой формы воды в микронеплотностях хлеба.

Снижение эластичности мякиша хлеба вызвано повышени­ем плотности полимера при переходе его из аморфного состоя­ния в кристаллическое. Изменение гидрофильных свойств мяки­ша при черствении объясняется упорядочением и уплотнением его структуры. В результате уменьшается внутренняя энергия си­стемы, расходуемая частично на кристаллизацию, и снижается способность амилозы мякиша переходить в водный раствор (Р.Г. Рахманкулова, 1964).

8.1. Изменение физико-химических свойств крахмала при черствении

Крахмалу принадлежит ведущая роль в процессе черствения хлеба. При хранении хлеба происходит ретроградация крахмала -частичный переход его из аморфного состояния в кристалличес­кое, приближенное к тому, в котором он был в тесте до выпечки. На скорость ретроградации крахмала влияет влажность хлеба, а также степень изменения водородных связей гидроксильных групп амилозной и амилопектиновой фракций крахмала, спо­собность его к гидратации и температура хранения. Установлено, что две макромолекулы крахмала, имеющие по три полярные группы - ОН, образуют между собой водородные связи, в резуль­тате чего возникают ассоциаты. Продолжительность их суще­ствования зависит от внешних условий.

Процесс черствения хлеба можно представить как кристал­лизацию высокополимеров мякиша, изменения физико-хими­ческих и гидрофильных его свойств в зависимости от температу­ры окружающего воздуха.

Полимеры регулярного строения кристаллизуются самопро­извольно при охлаждении. Скорость кристаллизации зависит от двух процессов: образования ядер и дальнейшего их роста. Про­цесс кристаллизации прекращается при высоких температурах из-за термодинамической неустойчивости кристаллической фазы и при низких температурах, т.к. повышается вязкость жидкости и теряется кинетическая подвижность высокополимеров. Следова­тельно, скорость кристаллизации зависит от температуры. Крис­таллизация высокополимеров является экзотермическим процес­сом, который может идти в обратном направлении.

К описанию процесса черствения хлеба может быть приме­нено уравнение:

Это уравнение предназначено для характеристики процесса кристаллизации крахмала при хранении хлеба и подтверждает, что крахмал играет значительную роль в процессе черствения хлеба.

Крахмал мякиша представляет собой термодинамически равновесную систему двух его форм — α - и (β -форм (Л.Я. Ауэрман, 2002). α-Форма крахмала характерна для свежего хлеба, β -форма — для черствого. α -Форма крахмала устойчива при тем­пературе выше 60 °С, поэтому при этой температуре ретрограда­ция крахмала и связанное с этим процессом черствение мякиша не происходят. При снижении температуры (до - 2 °С) равнове­сие сдвигается к β-форме, характерной для черствого хлеба.

Главную роль в изменении реологических свойств мякиша T.I. Schoch отводит амилопектиновой фракции крахмала, т.к. ас­социаты амилозных цепочек, образующиеся при черствении, мо­гут ретроградировать только при нагревании до 140 — 150 °С.

В разветвленной амилопектиновой фракции крахмала меж­молекулярные ассоциаты не образуются. Однако она тоже пре­терпевает изменения типа ретроградации: отдельные сложные ответвления сближаются, притягиваются, ассоциируются и обра­зуют более компактное образование со сближенными и взаимо­ориентированными в виде «пучка» ответвлениями. Ассоцииро­ванные цепочки ответвлений молекулы амилопектина диссоци­ируют при нагреве до 60 °С. Тот факт, что хлеб, хранящийся при температуре выше 60 °С не черствеет, а мякиш черствого хлеба, прогретый до этой температуры, приобретает свойства свежевыпеченного, свидетельствует о ведущей роли амилопектина в про­цессе черствения хлеба.

Определенная роль в изменениях, происходящих с крахма­лом и пшеничными белками при хранении хлеба, отводится пентозанам. Водорастворимые пентозаны снижают скорость ретрог­радации крахмала мякиша.

Обволакивая макромолекулы амилозы и амилопектина, пентозаны препятствуют ретроградации. В результате процесс крис­таллизации крахмала на первом этапе хранения хлеба замедляет­ся. В дальнейшем ретроградацию обусловливает, в основном, амилопектин.

М.И. Княгиничев предполагает, что в результате синерезиса набухших крахмальных зерен мякиша хлеба в процессе черстве-ния выделения воды не происходит. Вода, захваченная микропо­рами крахмала и белка мякиша хлеба, при его черствении струк­турно перестраивается и образует ассоциаты из 5 молекул воды, которые образуют гексагональную решетку. Эта решетка может стать более плотной в результате преобразования в четырехуголь­ную сетку или в результате заполнения пустот в решетке молеку­лами воды, что характерно для черствого хлеба. При освежении хлеба нагреванием упорядоченная структурированная система вода — стенки микропор разрушается, и цепи высокополимеров могут перейти в состояние, свойственное свежевыпеченному хлебу.

Существуют и другие трактовки процесса черствения хлеба, изложенные в специальной литературе.